輕型汽油車不同溫度下WLTC工況排放特性研究

趙振宇，謝大偉，王 闖，張寶元Zhao Zhenyu，Xie Dawei，Wang Chuang，Zhang Baoyuan

輕型汽油車不同溫度下WLTC工況排放特性研究

趙振宇，謝大偉，王 闖，張寶元
Zhao Zhenyu，Xie Dawei，Wang Chuang，Zhang Baoyuan

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

為了研究車輛在不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)時(shí)污染物的排放特性，通過環(huán)境試驗(yàn)艙模擬不同的環(huán)境溫度，輕型汽油車采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)）工況分別進(jìn)行冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)排放試驗(yàn)，結(jié)果表明：低溫冷啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒不良以及催化器沒有起燃等原因，主要污染物（CO、THC、PN 等）的瞬時(shí)排放值遠(yuǎn)超高溫和熱啟動(dòng)的值。在高溫、高速和高負(fù)荷情況下，由于車輛的動(dòng)力需求和催化器保護(hù)，導(dǎo)致燃油噴射過量，造成不充分燃燒，CO排放值大幅上升。

WLTC工況；排放特性；影響因素；不同溫度

0 引 言

隨著汽車保有量的急劇增加，機(jī)動(dòng)車排放引發(fā)的環(huán)境問題日益突出。為控制機(jī)動(dòng)車排放，我國制定了嚴(yán)格的法規(guī)，但法規(guī)中的排放檢測(cè)方法基于試驗(yàn)室的環(huán)境條件和循環(huán)工況，不能完全覆蓋實(shí)際使用情況，而且部分汽車廠商在ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）標(biāo)定時(shí)只標(biāo)定法規(guī)要求的工況，忽略其他工況；因此，車輛試驗(yàn)室排放測(cè)試結(jié)果與實(shí)際排放狀況存在較大差異。為了研究車輛在不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)時(shí)的污染物排放特性，通過環(huán)境試驗(yàn)艙模擬不同的環(huán)境溫度，輕型汽油車按照WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)）工況[1]分別進(jìn)行冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)排放試驗(yàn)。深入分析輕型車在不同環(huán)境溫度和不同啟動(dòng)條件下的排放特性，為車輛的排放控制提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛

選定某款輕型汽油車為試驗(yàn)對(duì)象，車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

注：TWC為三元催化轉(zhuǎn)化器；GPF為汽油顆粒捕集器。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行排放試驗(yàn)，主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)測(cè)試工況選用WLTC，環(huán)境溫度選取0℃、14℃、23℃、30℃、40℃，在每個(gè)溫度點(diǎn)分別完成整車?yán)鋯?dòng)和熱啟動(dòng)排放測(cè)試。試驗(yàn)過程參考國六排放法規(guī)的常溫下冷啟動(dòng)后污染物排放（Ⅰ型試驗(yàn)）[1]的試驗(yàn)程序和要求。

道路阻力設(shè)定采用滑行法阻力加載，以實(shí)際道路滑行試驗(yàn)23 ℃下的結(jié)果為基準(zhǔn)，按照給定的不同溫度對(duì)滑行阻力進(jìn)行修正，得出在當(dāng)前環(huán)境下的實(shí)際滑行阻力，然后運(yùn)用在底盤測(cè)功機(jī)上實(shí)車滑行。修正后滑行阻力見表3。

表3 修正后滑行阻力

注：?0,?1,?2是道路載荷公式= ?0+?1×+?2×v中的道路載荷系數(shù)，?0為常數(shù)項(xiàng)道路載荷系數(shù)，N；?1為1階道路載荷系數(shù)，N/(km/h)；?2為2階道路載荷系數(shù)，N/(km/h)2。

試驗(yàn)燃料選用滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的北京市售燃油，試驗(yàn)駕駛員始終保持不變。

首先在常溫狀態(tài)下按照國六Ⅰ型排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣車重復(fù)性檢驗(yàn)。樣車進(jìn)行3次排放試驗(yàn)，采用極差法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理，極差值與污染物限值進(jìn)行比較，得出每種污染物的相對(duì)極差

式中：l為污染物試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)極差；max,i為污染物的3次試驗(yàn)結(jié)果最大值；min,i為污染物的3次試驗(yàn)結(jié)果最小值；L為比對(duì)試驗(yàn)樣車污染物適用的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值。

除CO2外，其他污染物的相對(duì)極差標(biāo)準(zhǔn)限值為-20%～20%。

參考國六排放法規(guī)的常溫下冷啟動(dòng)后污染物排放（Ⅰ型試驗(yàn)）的排放試驗(yàn)程序進(jìn)行不同溫度下整車排放試驗(yàn)，試驗(yàn)前記錄水溫和機(jī)油溫度。其中，在低溫（0 ℃）時(shí)要求開啟暖風(fēng)進(jìn)行試驗(yàn)；高溫（30 ℃、40 ℃）時(shí)要求開啟空調(diào)進(jìn)行試驗(yàn)，并開啟陽光模擬（900 W/m2）。空調(diào)均設(shè)置為自動(dòng)模式、22 ℃、內(nèi)循環(huán)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重復(fù)性檢驗(yàn)結(jié)果

在常溫狀態(tài)下樣車按照國六Ⅰ型試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行3次排放試驗(yàn)，極差法處理結(jié)果顯示樣車一致性良好，符合試驗(yàn)要求，具體見表4。

表4 重復(fù)性檢驗(yàn)結(jié)果 mg/km

2.2 排放試驗(yàn)結(jié)果

表5為不同環(huán)境溫度下車輛進(jìn)行WLTC工況試驗(yàn)的排放測(cè)試結(jié)果，其中0 ℃時(shí)車輛開啟了暖風(fēng)（AUTO模式、22 ℃、內(nèi)循環(huán)、前除霜）；30 ℃和40 ℃時(shí)環(huán)境艙開啟了陽光模擬（900 W/m2），試驗(yàn)前用陽光模擬照射1 h，試驗(yàn)過程中開啟空調(diào)制冷（AUTO模式、22 ℃、內(nèi)循環(huán)、吹面）。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同環(huán)境溫度下車輛的排放測(cè)試結(jié)果

由表5可知：

（1）CO排放量隨著環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)先高后低然后再次升高的規(guī)律，當(dāng)溫度小于等于23 ℃時(shí)，冷啟動(dòng)排放量明顯高于熱啟動(dòng)，當(dāng)溫度大于等于30 ℃時(shí)冷啟動(dòng)排放量明顯小于熱啟動(dòng)；

（2）THC排放量隨著環(huán)境溫度的升高逐漸降低，熱啟動(dòng)時(shí)排放量幾乎為0，小于冷啟動(dòng)工況；

（3）NO排放量隨環(huán)境溫度升高呈逐漸上升趨勢(shì)，溫度較低時(shí)（0 ℃、14 ℃、23 ℃），冷啟動(dòng)排放量大于熱啟動(dòng)，隨著溫度升高差距逐漸縮小直至幾乎相等，40 ℃時(shí)冷啟動(dòng)排放量又小于熱啟動(dòng)工況；

（4）PN的排放量隨著溫度升高呈降低趨勢(shì)，冷啟動(dòng)的排放量遠(yuǎn)大于熱啟動(dòng)工況；

（5）PM的排放量除低溫（0 ℃）時(shí)有明顯升高外，其他溫度下變化不大，低溫冷啟動(dòng)的排放量遠(yuǎn)大于熱啟動(dòng)工況，常溫和高溫時(shí)冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)的排放量變化不大。

2.3 排放結(jié)果分析

0 ℃和40 ℃車輛冷啟動(dòng)前100 s發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式如圖1所示，車輛冷啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于開環(huán)控制方式，并且隨著溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入閉環(huán)的時(shí)間逐漸延長。車輛冷啟動(dòng)時(shí)進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度均處于偏低狀態(tài)，燃油噴射后霧化差，不易與空氣混合均勻，因此冷啟動(dòng)時(shí)一般設(shè)定較大燃油噴射量[2]。另外，由于冷啟動(dòng)時(shí)催化器內(nèi)部溫度低，HC、CO、NO等主要排放物轉(zhuǎn)化效率不高，所以冷啟動(dòng)時(shí)CO和HC排放量顯著高于正常工況。

圖1 0 ℃和40 ℃冷啟動(dòng)前100 s發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式

（1）CO排放結(jié)果分析。

0 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)CO排放瞬態(tài)結(jié)果如圖2、圖3所示，在低溫下CO排放主要來源于車輛冷啟動(dòng)點(diǎn)火后前100 s，此時(shí)冷卻水溫度很低，發(fā)動(dòng)機(jī)處于開環(huán)控制，催化轉(zhuǎn)化器溫度很低，綜合因素導(dǎo)致啟動(dòng)點(diǎn)火后前100 s CO排放顯著提高。隨著水溫和催化器溫度的升高，CO排放大幅降低，熱啟動(dòng)時(shí)水溫和催化器溫度均很高，CO排放量很少。

40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)CO排放瞬態(tài)結(jié)果如圖4所示，高溫時(shí)CO排放主要來源于超高速階段的加速階段，冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)均產(chǎn)生了大量CO，熱啟動(dòng)在高溫下的排放量遠(yuǎn)大于冷啟動(dòng)。在這個(gè)工況下產(chǎn)生大量CO的原因有2個(gè)：一是因?yàn)檐囕v在高速下進(jìn)行加速需要多噴油來獲得足夠的動(dòng)力；二是因?yàn)榄h(huán)境溫度很高，車輛的高速和加速行駛又產(chǎn)生了大量的熱量，導(dǎo)致三元催化器過熱，ECU控制噴射了過多的燃料以保護(hù)三元催化器不因過熱損壞，這樣會(huì)造成不充分燃燒使CO排放量大幅上升。

圖2 0 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)CO排放瞬態(tài)結(jié)果

圖3 40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)CO排放瞬態(tài)結(jié)果

（2）THC排放結(jié)果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)THC排放瞬態(tài)結(jié)果如圖4、圖5所示。THC排放主要來源于車輛冷啟動(dòng)點(diǎn)火后前100 s，隨著催化器溫度的升高THC排放量逐漸降低，當(dāng)催化器工作正常后THC排放量基本為0；因?yàn)闊釂?dòng)時(shí)催化器溫度很高，所以THC排放量很低。

環(huán)境溫度只對(duì)冷啟動(dòng)的THC排放影響較大，溫度越低THC排放量越高。

（3）NO排放結(jié)果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)NO排放瞬態(tài)結(jié)果如圖6、圖7所示，NO排放主要來源于車輛啟動(dòng)點(diǎn)火后前100 s，并且冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)對(duì)NO排放的結(jié)果影響不大；發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NO分NO和NO2兩種，其中大部分是NO。NO的生成主要與溫度和氧氣含量有關(guān)，在同等條件下環(huán)境溫度越高，則發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度越高，NO排放量越大。因此發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)NO排放量隨著溫度的升高而逐漸升高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火一段時(shí)間后空燃比控制穩(wěn)定，隨著三元催化器溫度的升高，三元催化器會(huì)去除90%以上的NO。

圖4 0 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)THC排放瞬態(tài)結(jié)果

圖5 40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)THC排放瞬態(tài)結(jié)果

圖6 0 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)NOx排放瞬態(tài)結(jié)果

圖7 40℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)NOx排放瞬態(tài)結(jié)果

（4）PN排放結(jié)果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)PN排放瞬態(tài)結(jié)果如圖8、圖9所示，PN排放分布在整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)內(nèi)，其中WLTC低速段PN排放量最大；在WLTC的低速段，冷啟動(dòng)的排放量明顯大于熱啟動(dòng)，車輛經(jīng)過充分預(yù)熱后在中、高、超高速段的PN排放量變化不大；PN的排放量隨著環(huán)境溫度的升高有明顯降低。發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物的排放主要由碳煙、可溶性有機(jī)物和少量的硫酸鹽所構(gòu)成。其中PN的排放大部分是可溶性有機(jī)物。發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中部分油滴未能完全蒸發(fā)，這些液態(tài)燃油在缸內(nèi)形成大量的油膜，在燃燒過程中油膜區(qū)域不能充分燃燒產(chǎn)生大量的有機(jī)化合物，通過凝結(jié)與吸附作用最終生成大量的PN排放量[3]。因?yàn)闇囟仍降蜁r(shí)燃油的蒸發(fā)越差，油氣的凝結(jié)作用越強(qiáng)，因此在WLTC低速段，隨著環(huán)境溫度的降低導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度降低，PN的排放量越大。在WLTC中、高、超高速段，經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)自身燃燒的加熱，環(huán)境溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響降低，從而PN的排放量趨于穩(wěn)定。

圖8 0 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)PN排放瞬態(tài)結(jié)果

圖9 40 ℃冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)PN排放瞬態(tài)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過在不同環(huán)境溫度下車輛進(jìn)行冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)排放試驗(yàn)，得出輕型汽油車的污染物排放隨溫度和工況變化規(guī)律，分析了車輛冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)在不同環(huán)境下的排放特性，得出以下結(jié)論：

（1）CO和THC排放主要來源于車輛冷啟動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)火后前100 s，隨著水溫和催化器溫度的升高，CO和THC排放量大幅降低，并且排放量隨著溫度的降低明顯增大。

（2）在高溫、高速和高負(fù)荷的情況下，無論是冷啟動(dòng)試驗(yàn)和熱啟動(dòng)試驗(yàn)均可能產(chǎn)生大量CO，但是熱啟動(dòng)時(shí)在高溫下CO的排放量遠(yuǎn)大于冷啟動(dòng)。為滿足車輛的動(dòng)力需求和保護(hù)催化器，產(chǎn)生過量的燃油噴射，造成不充分燃燒導(dǎo)致CO排放大幅上升。此工況是目前法規(guī)監(jiān)管的空白，需要引起重視。

（3）NO排放主要來源于車輛啟動(dòng)點(diǎn)火后前100 s，并且冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)對(duì)NO排放的結(jié)果影響不大，NO排放量在啟動(dòng)時(shí)隨著溫度的升高而逐漸升高。

（4）因試驗(yàn)樣車無GPF，PN排放在整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)內(nèi)都有分布，其中WLTC低速段的PN排放量最大；在WLTC低速段冷啟動(dòng)試驗(yàn)中PN排放量明顯大于熱啟動(dòng)，PN的排放量隨著環(huán)境溫度的升高明顯降低。車輛經(jīng)過充分預(yù)熱后在中、高、超高速段PN排放量變化不大。

[1]環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）:GB 18352.6-2016[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[2]周龍保，劉巽俊，高宗英，等．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[3]凌鑫晨，李學(xué)偉，曹波，等．增壓氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)PN排放生成機(jī)理研究[C]//2017 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會(huì). 2017.

2021-05-24

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.008

1002-4581（2021）04-0034-05