實際駕駛中冷起動對CO 和NOx 排放影響

王志紅，吳鵬輝，劉志恩

（1. 武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070；2. 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢430070）

2013—2018 年全國汽車保有量由12 572.4 萬輛增加到23 121.8 萬輛， 年均增長13.0%。 汽車CO 和NOx排放量分別為2 860.78 萬噸和521.25 萬噸，分別占機動車排放量的92.6%和92.7%[1]。 在機動車聚集的地區，污染物的排放更加嚴重[2]，汽車尾氣排放造成的污染嚴重影響著生態環境質量和百姓健康[3-5]。

為了控制限制汽車污染物的排放， 諸多國家和地區都先后制定并實施愈加嚴格的汽車尾氣排放法規，并且增加實際道路排放(real drive emissions，RDE)試驗，更好評估實際道路行駛下汽車尾氣的排放性能。 我國生態環境保護部在2016 年12 月已經發布了《輕型車污染排放限值及測量方法（第六階段）》（GB18352.6-2016），并將于2020 年7 月實施。

國外學者研究結果表明：環境溫度和車輛啟動時間對柴油車NOx排放影響較小，對汽油車NOx排放影響大[6-8]。 國內學者研究低溫和常溫環境下輕型車的排放，結果顯示：車輛在-7 ℃條件下冷啟動，CO 和NOx的排放量分別為22 ℃環境下冷啟動的4～6 倍和5 倍左右[9]。 冷起動階段是污染物形成的最主要階段，冷起動階段內CO 和NOx排放量占試驗總排放量比例分別為69.9%和23.1%[10]。 在國六排放法規中， 評估車輛RDE 試驗排放性能時，并未考慮車輛冷起動工況下的污染物排放，為了研究車輛RDE 試驗中冷起動工況對CO 和NOx排放的影響，本文選用均滿足國六排放標準的2 輛汽油車和1 輛柴油車進行RDE 試驗。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備介紹

1.1.1 試驗車輛

本次試驗車輛為3 輛滿足國六排放法規的輕型車，分別為2 輛汽油車和1 輛柴油車，編號為A，B，C，車輛的基本信息如表1 所示。

為滿足國六排放標準， 大部分以汽油為燃料的輕型車在后處理裝置的技術路線為三元催化轉化器（three-way catalyst，TWC）+汽油顆粒捕捉器（gasoline particulate filter，GPF）。 對于柴油機，其后處理裝置為氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）+顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)+選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)。 從3 輛車的基本參數可以知，本文選取的2 輛汽油車和1 輛柴油車具有普遍性。

表1 試驗車輛基本參數Table.1 Basic parameters of tested vehicles

1.1.2 PEMS 介紹

試驗設備選用美國Sensor 公司的Semtech-LDV，主要由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分包括供電通訊系統、顆粒物數量分析模塊、氣體分析模塊、尾氣流量計、全球定位系統（GPS）模塊、氣象站和供電模塊等，軟件部分包括計算機上主控軟件和數據后處理軟件。 主要排放物測量原理及測量精度如表2 所示。

表2 Semtech-LDV 性能參數Tab.2 Semtech-LDV performance parameters

設備在車輛上安裝依照國六輕型車PEMS 試驗安裝要求，并完成對設備的檢漏、預熱和表零等試驗前準備工作。

1.2 試驗路線

試驗前應按照試驗要求規劃好車輛行駛路線，試驗時按照既定的路線進行。路線選取盡量形成環路，這樣起始點和終點距離較近，既節省試驗時間，提高效率，又能滿足排放標準所要求的試驗始點和結束點之間海拔高度差不超過100 m。

本次試驗嚴格按照國六輕型車排放法規中RDE 試驗要求進行，試驗地點為襄陽市，其中市區道路路線為：奔馳大道—富康大道—車城路—鉆石大道—襄州大道—機場路—珠海大道—無錫路—襄陽大道；市郊路段路線為：襄陽大道—東外環高速連接線—襄陽繞城高速；高速路段路線為：襄陽繞城高速—福銀高速。

1.3 排放數據處理方法

由于車輛的排放性能受車輛諸多因素影響，為了更加真實地反映車輛排放水平,各國都致力于完善排放法規(包括試驗數據處理方法)。 在國內外的許多學者和排放法規中都使用排放因子來評估輕型車的實際道路排放性能。 在國六和歐六輕型車排放法規中詳細介紹了CO2移動平均窗口法計算排放因子的過程[11]。

市區、市郊和高速路段氣體排放物排放因子的計算如公式（1）所示

式中：Mgas，d，k為k 路段氣體排放因子，mg/km；u 為市區路段；r 為市郊路段；m 為高速路段；wj為各窗口加權系數；Mpollution，d，j為j 窗口各污染物加權排放值，mg。

全程路段氣體排放物排放因子的計算如公式（2）所示

式中：Mgas，d，t為全程路段氣體排放因子，mg/km；Mgas，d，u為市區路段氣體排放因子，mg/km；Mgas，d，r為市郊路段氣體排放因子，mg/km；Mgas，d，m為高速路段氣體排放因子，mg/km；fu，fr和fm分別為市區、市郊和高速路段里程加權系數，fu=0.34，fr=0.33 和fm=0.33。

上述各參數的詳細計算過程在國六和歐六輕型車排放法規中均有詳細敘述，在此不再贅述。

2 排放結果分析

2.1 排放因子對比

將3 輛車的RDE 試驗數據用CO2移動平均窗口法進行處理，得到剔除冷起動工況和包含冷啟動工況的市區和全程排放因子。

2.1.1 CO 排放因子對比

由圖1 可知，A，B，C 3 輛車在剔除冷起動工況下，其市區和全程排放因子均符合國六輕型車RDE 試驗CO 排放限值要求。 但柴油車（C 車）包含冷起動市區CO 排放因子超出排放限值28.13%。

圖1 CO 排放因子對比Fig.1 Comparison of CO emission factor

3 輛車中，包含冷起動工況的市區和全程CO排放因子均比剔除冷起動工況的高。對于A，B 兩輛汽油車來說，含冷起動工況下市區CO 排放因子比剔除冷起動的高19.92%和53.12%，含冷起動工況下全程CO 排放因子比剔除冷起動的高10.45%和25.55%。對于配置柴油發動機的C 車來說，包含冷起動工況的市區CO 排放因子比剔除冷起動的高96.67%，甚至超過法規限制，含冷起動工況下全程CO 排放因子比剔除冷起動的高62.60%。 對比市區和全程的CO 排放因子，發現柴油車無論是市區還是全程的CO 排放因子都比汽油車的高。 由上述數據可知，冷起動期間CO 的排放比汽油車嚴重。

在冷起動期間，發動機溫度較低，汽油車的燃料霧化效果差，使得缸內燃燒不充分，原機CO 排放嚴重。此外，在冷起動期間，為保證車輛所需的動力性，其過量空氣系數小于1，而且汽車后處理裝置與汽車尾氣反應的溫度低，對CO 的轉化效率低，這兩種因素使得汽油機的CO 排放因子在冷起動期間較高。 由于受到車型的不同和RDE 試驗工況的不可復制性，兩輛車的CO 排放因子在包含冷起動工況下比剔除冷起動工況下的高出百分比不同。

圖2 NOx 排放因子對比Fig.2 Comparison of NOx emission factor

在冷起動期間，柴油發動機溫度低，噴射到缸內的柴油與空氣混合不均勻，局部燃燒不充分，產生大量CO。 此外，在冷起動期間，汽車后處理裝置與汽車尾氣反應的溫度較低， 對CO 的轉化效率低，使得柴油機的CO 排放因子在冷起動期間較高。

2.1.2 NOx排放因子對比

包含和剔除冷起動工況下市區和全程NOx排放因子如圖2 所示，A，B，C 3 輛車在剔除冷起動工況下，其市區和全程排放因子均符合國六輕型車RDE 試驗NOx排放限值要求。 但柴油車（C車）包含冷起動工況的市區NOx排放因子超出排放限值。

3 輛車中NOx排放因子分布差異較大，B 車市區和全程的NOx排放因子都不超過10 mg/km，而C 車的市區和全程的NOx排放因子均超過60 mg/km。對于A，B 兩輛汽油車，含冷起動工況下市區NOx排放因子比剔除冷起動的高32.58%和38.74%，含冷起動工況下全程NOx排放因子比剔除冷起動的高24.98%和8.91%。 對于C 車，即柴油車，含冷起動工況下市區NOx排放因子比剔除冷起動的高9.75%，含冷起動工況下全程NOx排放因子比剔除冷起動的高2.11%。 柴油車包含冷起動比剔除冷起動的NOx排放因子增長率遠比汽油車的低。

由上述數據可知，柴油車的NOx排放遠比汽油車高，這是由于正常工作的柴油車的過量空氣系數遠高于1，在高溫富氧的環境中利于NOx的產生。 而且柴油車存在補燃期，燃燒期持續較長，促進NOx的生成。

雖然柴油車NOx的排放嚴重，但包含冷起動工況的NOx排放對市區和全程排放因子的貢獻率遠低于汽油車。 3 輛車中，同一路段包含冷起動的排放因子均比剔除冷起動的排放因子高，由于在冷起動期間，發動機溫度較低，而且可燃混合物混合不均勻，一定程度上抑制了NOx的生成。 但是，由于冷起動期間后處理系統與NOx反應的溫度低，催化轉化率低，使得原機中大量的NOx氣體排出。

2.2 冷卻液溫度對排放影響

發動機冷卻液溫度是判斷冷起動結束的條件之一，冷卻液溫度的高低將直接影響車輛的排放性能。 在冷卻液溫度較低時，CO 和NOx的瞬時排放量均較高。對不同類型車輛的RDE 試驗數據進行分析，研究在發動機冷卻液在不同溫度段內各排放物的排放特征。

根據RDE 試驗中車輛的冷卻液的溫度， 將車輛市區路段按照冷卻液溫度≤70 ℃，≤80 ℃和≤85 ℃劃分為3 個區間，計算出所有車輛在這3 個區間內的行駛里程各占市區路段和全程路段的百分比，并且計算車輛在這3 個區間內的各項污染物的排放量各占市區路段和全程路段污染物的排放量的百分比， 研究不同溫度的冷卻液對RDE 試驗的市區和全程路段污染物排放的貢獻。

2.2.1 市區路段

在3 輛車中，上述3 個溫度區間內的車輛的行駛里程占市區行駛里程的百分比如圖3 所示。由于每一輛的動力配置不同， 而且其RDE 試驗瞬時工況均不同，具有不可復制性，因此在這3 個溫度區間內的行駛里程占市區里程百分比有所差異，3 輛車在冷卻液溫度≤70 ℃的區間內對市區行駛里程的貢獻率均小于10%。

圖3 各溫度區間行程占市區行程百分數Fig.3 The mileage of each temperature range accounts for the percentage of urban mileage

3 輛車中， 各溫度區間內CO 排放量對市區的貢獻率如圖4 所示。 3 輛車中，3 個溫度區間內的CO 排放因子對市區的貢獻率差異較小， 冷卻液溫度≤80 ℃和≤85 ℃的區間內CO 排放因子對市區的貢獻率分別比冷卻液溫度≤70 ℃的區間內CO 排放因子對市區的貢獻率高0.65%～3.76%和1.79%～4.80%。3 個溫度區間內的CO 排放量對市區的貢獻率均超過70%，特別是柴油車在冷卻液溫度≤70 ℃的區間內對市區CO 排放量的貢獻率超過90%。

圖4 各溫度區間CO 排放量占市區的百分數Fig.4 CO emissions as a percentage of urban emissions in each temperature ranges

結合圖3 和圖4，3 輛輕型車在冷卻液溫度≤70 ℃區間內的行駛里程對市區里程的貢獻率不足10%， 但對市區CO 排放的貢獻率超過77%。 在冷卻液溫度≤70 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對市區CO 排放量貢獻率是市區里程貢獻率的722.69%，1 074.28%和1 647.68%；在冷卻液溫度≤85 ℃區間內，3 輛車CO 排放量貢獻率分別比市區里程貢獻率高279.77%，619.95%和400.16%。 上述數據表明，較低溫度的冷卻液導致車輛CO 排放嚴重，溫度越低，柴油車的CO 排放比汽油車的愈加嚴重。 隨著發動機冷卻液溫度升高，當冷卻液溫度達到85 ℃時，發動機基本進入正常工作溫度，無論是汽油機還是柴油機，其CO 排放均有所改善。

圖5 表示各溫度區間內NOx排放量對市區的貢獻率。 3 輛車中，3 個溫度區間內的NOx排放因子對市區的貢獻率差異較大，柴油車在冷卻液溫度≤70 ℃和≤80 ℃的區間內NOx排放因子對市區的貢獻率均維持在較低水平，而在冷卻液溫度≤85 ℃區間內NOx排放因子對市區的貢獻率急劇增加。兩輛汽油車在冷卻液溫度≤70 ℃的區間內NOx排放因子對市區的貢獻率均高于30%。

結合圖3 和圖5，在冷卻液溫度≤70 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對市區NOx排放量貢獻率比市區里程貢獻率高238.60%，500.30%和-85.21%。 而在冷卻液溫度≤85 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對市區NOx排放量貢獻率是市區里程貢獻率的117.47%，279.06%和-1.00%。 上述表明，較低溫度的冷卻液會導致汽油車NOx排放嚴重，但對于柴油車來說，冷卻液溫度較低會抑制NOx污染物的排放。

2.2.2 全程路段

由圖6 可知，3 輛車在各溫度區間內里程對全程的貢獻率差異較小，冷卻液溫度≤70 ℃，≤80 ℃和≤85 ℃的3 個溫度區間的貢獻率分別在1.19%～2.55%，1.91%～5.17%和2.82%～5.68%范圍內。

圖5 各溫度區間NOx 排放量占市區的百分數Fig.5 NOx emissions as a percentage of urban emissions in each temperature range

圖6 各溫度區間行程占全程行程百分數Fig.6 The mileage of each temperature range as a percentage of overall mileage

3 輛車中， 各溫度區間內CO 排放量對全程的貢獻率如圖7 所示。3 輛車中，3 個溫度區間內的CO 排放因子對全程的貢獻率差異較小，差值均不超過2%。 A，B 兩汽油車在3 個溫度區間內的CO 排放量對全程的貢獻率均超過50%，而柴油車在3 個溫度區間內的CO 排放量對全程的貢獻率均低于50%。

結合圖6 和圖7，3 輛輕型車在冷卻液溫度≤70 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對全程CO 排放量貢獻率比全程里程貢獻率高2 525.88%，2 931.95%和3 405.04%；3 輛輕型車在冷卻液溫度≤85 ℃區間內，A 車、B車和C 車對全程CO 排放量貢獻率比全程里程貢獻率高1 097.54%，1 758.87%和898.17%。

圖8 表示各溫度區間內NOx排放量對全程的貢獻率。3 輛車中，3 個溫度區間內的NOx排放因子對市區的貢獻率差異較大， A 車、B 車和C 車各溫度區間內NOx排放因子對全程的貢獻率分別在在16.96%～24.26%，8.12%～8.55%和8.12%～8.55%。

圖7 各溫度區間CO 排放量占全程的百分數Fig.7 CO emissions as a percentage of overall emissions in each temperature range

圖8 各溫度區間NOx 排放量占全程的百分數Fig.8 NOx emissions as a percentage of overall emissions in each temperature range

結合圖6 和圖8，3 輛輕型車在冷卻液溫度≤70 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對全程NOx排放量貢獻率比全程里程貢獻率高565.10%，380.47%和-79.83%；3 輛輕型車在冷卻液溫度≤85 ℃區間內，A 車、B 車和C 車對全程NOx排放量貢獻率比全程里程貢獻率高327.11%，203.19%和37.53%。

從各溫度區間內CO 排放量對市區和全程的貢獻率與各溫度區間內行駛里程對市區和全程的貢獻率來看，發動機冷卻液溫度越低，CO 排放越嚴重，而且柴油機CO 排放比汽油機嚴重。 在發動機冷卻液溫度較低時，柴油機和汽油機缸內溫度較低，油氣混合不均勻，燃燒時產生了大量的CO。 柴油機噴射到缸內的柴油霧化效果差，混合時間短，形成局部較濃混合物和較多油滴，燃燒時產生大量的CO。汽油機燃油在進氣道已進行蒸發與混合，油氣混合較柴油均勻，燃燒較充分，產生CO 較少。 此外，柴油機的尾氣溫度直接影響后處理裝置對CO 的轉化效率，在尾氣溫度較低時，CO 轉化效率低下。 隨著發動機冷卻液溫度升高，當冷卻液溫度達到85 ℃時，發動機基本進入最佳工作溫度，無論是汽油機還是柴油機的缸內混合均勻性得到提高，尾氣在后處理裝置中的反應溫度較高，汽油機的過量空氣系數維持在1 左右，提高了尾氣的轉化效率。

從各溫度區間內NOx排放量對市區和全程的貢獻率與各溫度區間內行駛里程對市區和全程的貢獻率來看，較低溫度的冷卻液會導致汽油車NOx排放嚴重，但對于柴油車來說，冷卻液溫度較低會抑制NOx污染物的排放。NOx的生成受溫度、氧氣量和反應時間等因素影響。發動機溫度較低，柴油發動機在機體溫度較低時，燃油擴散性差，著火滯燃期延長，高溫持續時間短，缸內最高燃燒壓力和最高燃燒溫度降低，NOx生成量減少。

3 結論

1） CO2移動平均窗口法計算結果顯示，柴油車的CO 和NOx排放均比汽油車嚴重；

2） 包含冷起動工況的CO 和NOx排放因子比剔除冷起動的高2.11%～96.67%。 其中柴油車包含冷起動的CO 排放因子比剔除冷起動的增長率比汽油車高，而NOx排放因子的增長率比汽油車低；

3） 較低溫度的冷卻液會導致汽油車NOx排放嚴重，但對于柴油車來說，冷卻液溫度較低會抑制NOx污染物的排放；

4） 無論是汽油機還是柴油機，較低溫度下起動均會導致較高的CO 排放。