柴油轎車冷起動顆粒排放特性的試驗研究*

樓狄明，姜 耀，譚丕強，胡志遠

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

前言

柴油機具有燃油經濟性好、可靠性高的優點［1］，其高速化與輕型化的實現使柴油機在轎車中得到廣泛使用。但由于柴油機混合氣形成和燃燒的特點，排氣中含有大量的顆粒排放物［2］。柴油轎車排放的顆粒污染物含有多環芳烴等有害物質，容易引發人類嚴重的呼吸系統疾病［3］。

近些年，世界范圍內的大氣污染問題對汽車提出越來越高的要求，汽車排放法規正在由低排放向超低排放的目標發展。車用發動機的冷起動及其暖機過程在整車工況法的顆粒排放量中占有很大份額［4］。通常，柴油轎車冷起動時的燃燒滯后和燃燒延遲極易引起不完全燃燒，而氧化催化轉換器(DOC)的催化反應起燃溫度為200～300℃，在低溫時不能立即正常工作［5］，另外，為保證發動機順利起動，一般采用增大噴油量的方法［6］，使不完全燃燒更為嚴重，導致顆粒物排放更為惡化。

本文中對試驗樣車冷起動與熱起動過程進行試驗研究，通過對比冷熱起動過程中排放顆粒的時間特性和粒徑特性，考察分析柴油轎車冷起動過程中的顆粒排放特性。

1 試驗樣車及測量儀器

1.1 試驗樣車

試驗樣車為一輛帕薩特TDI 1.9L柴油轎車，其發動機為直列式四缸四沖程、電控泵噴嘴高壓直噴渦輪增壓柴油機，并配備廢氣再循環系統(EGR)和柴油機氧化催化轉換器(DOC)。其整車主要參數如表1所示。

表1 帕薩特柴油轎車主要技術參數

1.2 試驗測量儀器

顆粒測試儀器為美國TSI公司生產的發動機排氣顆粒數量與粒徑分析儀(engille exhaust partiele sizer，EEPS)，該儀器可快速測取柴油機排氣顆粒數量濃度及顆粒粒徑分布，測量粒徑范圍為5.6～560nm，在0.1s內可測取一個完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數量和粒徑分布數據。發動機排氣顆粒進入測試設備之前須進行稀釋，本次試驗采用兩級稀釋，總稀釋比為500∶1。其中，第一級稀釋系統采用TSI公司的專用旋轉盤稀釋器，控制初級稀釋系統的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1;第二級稀釋采用一個流量計對進氣流量進行補償，并進行再稀釋，稀釋比為2.5∶1。

2 試驗方案

2.1 冷起動試驗

將試驗轎車先在戶外靜置48h，試驗當天選擇在夜間低溫(2℃)環境下進行轎車冷起動，并保持怠速狀態，在汽車起動的同時，開始使用測量儀器對試驗轎車在這一過程中的顆粒排放各項指標進行測試，記錄前2min的數據。

2.2 熱起動試驗

起動試驗轎車，并保持工作一段時間，待發動機暖機至一定溫度后關閉發動機，進行熱起動，同樣保持怠速狀態，在汽車起動的同時，開始使用測量儀器對試驗轎車在這一過程中的顆粒排放各項指標進行測試，記錄前2min的數據。

3 試驗結果分析

在柴油轎車冷、熱起動兩種情況下所得的顆粒排放數據在數量濃度、表面積濃度、體積濃度和質量濃度上均呈現出較大差異，從這四方面對試驗數據進行比較分析。其中，分析過程選取前100s試驗數據。另外，柴油機排放顆粒直徑一般在0.003～1.0μm之間，通常按粒徑分為核模態和聚集態，大致以50nm為界限。聚集態顆粒粒徑較大，主要成分為聚集形態的碳煙及其吸附物質;核模態顆粒粒徑較小，主要與可溶有機組分SOF和硫化物等有關，也包括較小粒徑的碳煙顆粒［7－8］。

3.1 顆粒的數量濃度特性

顆粒數量濃度是評價顆粒排放的重要指標，其隨粒徑和時間的變化分布分別表現顆粒數量濃度的粒徑特性和時間特性。

3.1.1 顆粒數量濃度隨粒徑變化分布

顆粒數量濃度在粒徑上的差異表現出顯著不同的物理特性。因此，首先研究試驗轎車冷熱兩次起動過程中顆粒數量濃度的粒徑特性。將100s數據中同一粒徑范圍內的所有顆粒數量濃度分別求和，即得到顆粒數量濃度的粒徑特性曲線，如圖1所示。

冷熱兩次起動前100s內顆粒數量濃度隨粒徑的變化趨勢基本一致，顯著波峰均出現在聚集態粒徑范圍內，且峰值差異明顯。為分析冷熱起動對顆粒粒徑的影響，將兩次起動100s內的總顆粒數量濃度按照核模態和聚集態分別進行求和，得到冷熱起動排放顆粒的核模態顆粒數量濃度和聚集態顆粒數量濃度，如圖2所示。

從圖2中可知，熱起動總顆粒排放數量濃度比冷起動時降低37.86%，其中核模態顆粒數量濃度僅降低3.25%，而聚集態顆粒數量濃度降低46.87%。由此可見，熱起動的聚集態顆粒數量濃度相對冷起動下降顯著，是造成總顆粒數量濃度下降的主要因素。主要原因有:(1)柴油機冷起動時缸內溫度和壓力較低，導致燃燒滯后和燃油霧化不充分，造成燃油不完全燃燒［9］，形成相對較大粒徑的碳顆粒;(2)發動機在冷起動時，由于冷卻液和潤滑油溫度較低、黏度大、摩擦阻力大，造成起動瞬時的轉速低于熱起動的瞬時轉速，而較低的轉速造成燃燒室內氣流運動緩慢［10］，從而進一步惡化燃油霧化;(3)DOC在低溫情況下不能立即正常工作。可見，以上均是導致冷起動聚集態顆粒數量濃度和總顆粒濃度都明顯高于熱起動的原因。

3.1.2 顆粒數量濃度隨時間變化規律

將每個時間點所有粒徑的顆粒數量濃度分別求和，即得到顆粒數量濃度的時間特性曲線，見圖3。

由圖3可知，冷熱起動的顆粒數量濃度隨時間的變化趨勢基本保持一致，而在數值上冷起動始終高于熱起動。顆粒數量濃度在發動機起動后極短的時間內升高到峰值(冷熱起動峰值出現在第5s)，在達到峰值后迅速下降至谷值(冷熱起動降至谷值出現在第18s)，接著顆粒數量濃度經過短暫的上升之后開始呈現相對平穩的波動變化。而從曲線對比效果可以看出，冷起動曲線波動幅度明顯較大，這也從側面證實了冷起動時發動機的燃燒狀況不穩定。

圖3曲線變化趨勢的一致性是由于無論冷熱起動，在發動機起動瞬間，由于噴油量較高，而且發動機轉速相對較低，造成燃油霧化質量差，從而導致燃油燃燒不完全，瞬間的高燃油供給和燃燒狀況不佳使顆粒排放數量迅速升高，出現圖中第5s的峰值。而接下來，由于供油量急劇降低并達到最低值，此時顆粒排放數量迅速下降至最低點。之后，發動機轉速逐漸升高，并趨于怠速轉速，為保證穩定的怠速轉速，供油量隨之增加，排放顆粒的數量濃度也隨之回升，最后隨供油量穩定而呈現相對平穩的波動變化。冷起動曲線的這一回升過程的時間明顯比熱起動長，這說明冷起動需要更長的暖機時間。

針對冷熱起動初期均出現的顆粒數量迅速攀升和下降的情況，做出顆粒數量濃度粒徑特性的瞬態分析圖，如圖4所示。

從圖4可知，冷熱起動顆粒數量濃度迅速上升階段，顆粒數量的瞬態峰值均出現在核模態粒徑范圍內，并有繼續向小粒徑方向移動的趨勢;而在下降階段，瞬態峰值點迅速移向聚集態范圍內。這主要是因為上升階段處于發動機起動初期，噴油量較高，從而燃燒生成大量可溶有機成分和硫酸鹽，因此核模態顆粒數量濃度增加;隨著溫度逐漸升高，DOC開始趨于正常工作，核模態顆粒迅速減少，峰值移向聚集態。

3.2 顆粒表面積濃度、體積濃度和質量濃度特性

除顆粒數量濃度外，顆粒排放特性還包括顆粒表面積濃度、體積濃度和質量濃度。圖5為這3項參數的粒徑特性曲線，圖6為時間特性曲線。

如圖5所示，冷熱起動過程的顆粒表面積濃度、體積濃度和質量濃度隨粒徑分布變化趨勢極為相似。顆粒粒徑約從50nm開始，冷起動數據明顯高出熱起動。這主要是由于粒徑小于50nm的核模態顆粒對于表面積濃度、體積濃度和質量濃度的影響非常小，而前文分析過，熱起動時聚集態顆粒數量濃度較冷起動有明顯降低，而聚集態顆粒數量濃度是影響表面積、體積和質量濃度的主要因素，因此，在核模態范圍內冷熱起動的數據極為接近，而在聚集態范圍內數據有顯著差異。

如圖6所示，顆粒表面積濃度、體積濃度和質量濃度隨時間的變化規律與顆粒數量濃度隨時間變化規律保持較高的一致性，而且在數值上始終是冷起動高于熱起動，大致呈倍數關系，但在起動初期數據差異更大，這是由于起動初期冷起動聚集態顆粒數量濃度顯著高于熱起動。另外，通過比較發現，4項參數曲線的變化趨勢極為吻合。這主要是由于冷熱起動過程中燃油消耗量隨時間變化規律造成的結果，冷熱起動試驗柴油轎車的燃油消耗量隨時間的變化規律如圖7所示。

柴油轎車冷起動存在的問題主要是起動著火前的倒拖時間較長，極易出現失火現象［11－12］，因此，為保證發動機順利起動，冷起動時需增大噴油量。如圖7所示，冷起動的油耗量顯著高于熱起動，而且數值上基本呈倍數關系，與前文中提到的曲線數值上出現的倍數關系保持一致。另外，燃油消耗量的變化曲線上的重要轉折點與前4項參數曲線的重要轉折點出現的時間基本一致，這能較好地解釋4項數據隨時間變化規律的一致性。熱起動經過點火時刻噴油量出現的明顯波峰后，燃油消耗量迅速下降，然后攀升至某一值附近后平穩波動，而冷起動的燃油消耗量則有波動下降的趨勢。這主要是由于冷起動一段時間后發動機的溫度逐漸提高，燃油及潤滑油的黏度下降，燃油霧化情況逐漸變好，使燃油燃燒情況逐漸好轉，燃油消耗量從而有逐漸下降的趨勢。由此可見，柴油轎車冷起動時的高燃油消耗量是造成高顆粒排放的主要原因，同時也嚴重影響柴油轎車的經濟性。

4 結論

(1)與熱起動相比，柴油轎車冷起動時顆粒排放數量濃度顯著增加，其中，聚集態顆粒數量濃度增加更明顯，而核模態顆粒數量濃度沒有明顯增加。

(2)柴油轎車在冷起動過程中，排放顆粒的表面積濃度、體積濃度和質量濃度均顯著高于熱起動，且排放顆粒中核模態顆粒對總排放顆粒的表面積濃度、體積濃度和質量濃度影響極小。

(3)柴油轎車冷起動時燃油消耗量顯著高于熱起動，這不僅造成顆粒排放數量增加，而且會嚴重影響柴油轎車的經濟性。

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