不同起動初始邊界對汽油機排放的影響

（奇瑞汽車股份有限公司 安徽 蕪湖 241009）

引言

隨著全球各國對大氣污染的重視程度不斷加強，排放法規(guī)日益嚴苛。中國第六階段排放法規(guī)已將實際行駛排放RDE（Real Driving Emission）試驗作為補充測試程序[1]，這一要求無疑體現(xiàn)對排放檢驗工況的全覆蓋性。諸多研究學者已針對柴油機不同的冷暖機工況的排放特性以及對汽油機不同的地域特征進行過系列的排放影響研究[2-6]。中國第六階段排放法規(guī)對I 型常溫排放的實驗浸車溫度控制目標為23 ℃，允許實際溫度偏差為±3℃[7]，從這一浸車要求的實驗邊界控制條件看，對發(fā)動機短時長浸置時間起動初始邊界下的排放未做明確表示。

為了研究不同客戶在車輛不同使用工況下的排放特性，同時為不同的試驗邊界下的排放趨勢對RDE 的影響研究做好鋪墊，從客戶日常使用車輛的實際情況設計實驗，文章基于一款匹配4 缸直噴增壓機型的車輛，采用全球輕型車測試程序WLTC 研究不同浸車邊界下排放的影響。

1 試驗設計及試驗資源

1.1 試驗設計

整個試驗的設計思路以中國第六階段排放法規(guī)I 型試驗為主要依據(jù)，以實際駕駛排放測試工況為參考，充分考慮客戶在用車日常使用狀態(tài)，同時為更好地實現(xiàn)多維度影響因素的解耦，試驗保持發(fā)動機及變速箱控制單元的標定控制邊界不變。基于普通客戶車輛的實際運行情況，選取不同的浸置時間長度作為試驗初始邊界控制目標。試驗選取浸置時長0.5 h、1.5 h、3 h 作為考核點，并結合I 型法規(guī)試驗要求的浸置時長點同步觀測。以此4 個邊界點作為浸車控制目標水溫的檢驗對象開展試驗，實際溫度偏差為±3℃，每個溫度點的實驗次數(shù)至少大于3 次，以便更好地對測試結果予以觀測分析。對于實驗室條件控制要求，同樣考慮當前標準排放測試溫度點設置環(huán)境艙控制邊界已最大程度地覆蓋了客戶使用外界環(huán)境情況，對環(huán)境艙溫度及濕度控制不做變更，參照中國第六階段法規(guī)I 型排放測試標準執(zhí)行。試驗流程以40 ℃溫度點為例，如圖1 所示。

圖1 試驗流程圖

1.2 試驗資源及裝置

試驗資源基于一臺1.6L 直噴增壓發(fā)動機匹配車型進行研究，表1 所示為試驗樣車及發(fā)動機相關參數(shù)信息。

表1 試驗用車及發(fā)動機信息

排放資源設備則基于裝配AVL 的四驅排放轉鼓進行，排氣采樣分析系統(tǒng)采用AVL-AMAi60、CVSi60 以及V-Box 進行數(shù)據(jù)分析采集，排放設備信息如表2 所示。實驗室簡易平面布置如圖2 所示。

表2 排放轉鼓采集設備基本信息

2 試驗方法及結果分析

對WLTC 循環(huán)試驗預處理終止后的發(fā)動機水溫、進氣溫度及催化劑床溫的變化趨勢進行測試，并將發(fā)動機冷卻液溫度整數(shù)化處理后與停車時間長度對應如圖3 所示，0.5 h、1.5 h、3 h 及6 h 以上分別對應為80 ℃、60 ℃、40 ℃和20 ℃的冷卻液溫度，為保持試驗邊界一致，下文以此各溫度點作為試驗初始控制邊界。另外圖3 表明：

1）催化劑床溫初始降幅較快，后續(xù)逐漸減緩，總體趨勢逐漸減低，短時停機催化劑仍保持相對較高的床溫；

2）發(fā)動機水溫呈現(xiàn)相對線性化降低趨勢；

3）進氣歧管溫度在停機后一段時間出現(xiàn)較大幅度攀升，在水溫降至60 ℃附近時，進氣溫度達到最高點，總體攀升幅度約30%，其主要原因在于停機后這個時間段內，缺失迎風冷卻，發(fā)動機艙內溫度短時較高，對進氣溫度有熱輻射作用。

圖2 排放實驗室示意圖

圖3 水溫和進氣溫度及催化劑床溫隨停機時長的變化趨勢

圖4 展示了在前述4 種不同的溫度點下的試驗結果分階段與全循環(huán)法規(guī)限值的占比統(tǒng)計情況，從整體各排放物變化趨勢的統(tǒng)計結果對比分析看，主要的差異點在起動及低速階段（中國第六階段排放法規(guī)定義0～589 s 為低速段），隨著初始溫度的升高，冷起動及低速階段的排放呈現(xiàn)對初始溫度的升高總體降低趨勢，而60 ℃試驗中CO 及HC 排放出現(xiàn)回升趨勢；中高速段及后期各溫度點下的循環(huán)排放表現(xiàn)基本相同。

圖5 展示了試驗中采取的幾種不同溫度點的試驗中發(fā)動機水溫總體表現(xiàn)概況，其中T-20 ℃、T-40 ℃、T-60 ℃、T-80 ℃分別為各自對應初始溫度邊界下試驗的控制目標下各自溫度表現(xiàn)趨勢，可以看出在不同的溫度邊界下的試驗差異僅存在于低速段工況，這也與圖4 排放分階段占比分析結果差異分界點吻合。600 s 以后的點溫度表現(xiàn)等同，排放結果趨于一致，本文不再予以進一步分析。

圖4 各溫度點各階段排放與限值占比情況

圖5 不同初始邊界下WLTC 發(fā)動機溫度趨勢

圖6 展示了各不同初始溫度試驗下起動后60 s內的排放累計差異性，隨著停機時間的縮短，排放水平呈降低趨勢。80 ℃時的試驗排放水平表現(xiàn)最好，源于催化劑高床溫下仍具有相當?shù)拇呋D化能力，氣體排放被高效催化轉化；而對于PN 的改善則更多來自于高溫對混合氣的改善和阻力降低帶來的負荷減小。初始60 s 的周期內80 ℃的排放相對20 ℃的降幅：HC 為68%、CO 為46.4%、NOx為69.4%、PN 為83.2%。

圖6 各試驗起動后60s 的時長內排放累計差異對比

圖7a-d 則分別展示了HC、CO、NOx、PN 各排放物的全局排放累計趨勢。

從圖7a 可以看出HC 的差異體現(xiàn)在起動階段。冷起動的排放研究表明，近80%的HC 的排放受燃燒室壁面的激冷作用以及燃油混合不充分導致的不完全燃燒而產(chǎn)生在冷起動階段[8-11]。其差異主要因素在于催化劑溫度決定了在起動過程中能否有催化轉化作用；另外一個因素是取決于發(fā)動機冷卻液溫度，本質上是發(fā)動機機體溫度，它影響燃油蒸發(fā)過程，并且在冷環(huán)境邊界下，火焰受溫度影響誘發(fā)猝熄，帶來一部分未燃HC 排放[6]。

圖7b 表示CO 的累計排放在起動及低溫階段與HC 存在類似的表現(xiàn)，同樣也是隨著溫度的改善，CO初始排放相對較低；但CO 的產(chǎn)生機理不同于HC，主要源于過濃的混合氣誘發(fā)。盡管60℃下的排放試驗受高進氣溫度下發(fā)動機的爆震傾向增加，標定對高進氣溫度下的點火角修正使得點火效率降低，基于轉矩控制的電控系統(tǒng)通過增加進氣量來滿足目標需求，進而使得發(fā)動機負荷增加；但另一方面，隨著溫度的升高，機油粘度降低，粘性力的變化在發(fā)動機端的表現(xiàn)就是帶來負荷降低，總體仍呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢。

圖7 排放物的全局排放累計趨勢

圖7c 表示NOx累計排放趨勢。因NOx的產(chǎn)生環(huán)境主要在于高溫富氧工況，從整個WLTC 循環(huán)工況看，NOx差異性出現(xiàn)在起動階段，80 ℃的試驗結果表現(xiàn)相對較好，此結果仍源于停機時間相對較短，催化劑床溫仍高于起燃溫度，在此情況下尚有一定的催化轉化能力，故高溫邊界下的起動NOx排放相對也有改善，由此可見在催化劑床溫仍滿足催化轉化能力的情況下，熱機啟動的NOx排放控制較好。

圖7d 表示PN 在不同冷浸時間下，WLTC 循環(huán)的排放趨勢，從圖中可以看出，PN 的排放差異點主要集中在300 s 以前。從變化趨勢分析，差異原因主要在于溫度邊界的變化，促使在不同的溫度邊界下燃油霧化效果不同，發(fā)動機高機體溫度有利于燃油混合，降低了液態(tài)油膜的產(chǎn)生；同時，發(fā)動機內部摩擦阻力發(fā)生改變，高溫下無需發(fā)動機做更多的功來克服阻力，因此發(fā)動機轉速負荷得以降低，燃油噴射量存在一定程度的減少，且發(fā)動機轉速較低，燃油霧化時間相對變長，油氣得到更好的混合。

3 結論

1）隨著熱機后浸車時間的增加，發(fā)動機水溫近線性降低；催化劑床溫初期降幅較快，后續(xù)逐漸減緩；進氣溫度呈現(xiàn)先增后降趨勢，在停機1.5 h 出現(xiàn)進氣溫度最高點，相對增幅30%，進氣溫度的升高帶來點火效率的下降，結合高溫邊界下混合氣的改善及摩擦阻力降低帶來的負荷降低，總體結果仍滿足法規(guī)要求。

2）隨著熱機后浸車時間的縮短，各排放物隨總體呈現(xiàn)降低趨勢。在0.5 h 左右，降至催化劑起燃溫度，因此80 ℃邊界下催化劑床溫較高，催化劑仍具有較好的催化轉化效果，排放結果最好，相對20 ℃邊界下的排放情況：HC 降低66%、CO 降低46.4%、NOx降低68.4%、PN 降低83.2%。