輕型汽車冷啟動排放特性研究

楊疑

摘 要：汽車作為現代交通工具方便了人們，但是也帶來了環境污染。在日益嚴峻的環境污染情況下國家對汽車尾氣排放污染物制定了嚴格的法規限制汽車尾氣的排放。一個測試循環中汽車污染物的排放主要集中在冷啟動階段。文章主要研究輕型汽車冷啟動階段CO、HC和NOx的排放特性，研究表明：在冷啟動階段由于啟動溫度低發動機缸內混合氣燃燒不良以及催化器沒有起燃，導致大量CO、HC和NOx排出，隨著冷卻液溫度升高CO、HC和NOx排放逐漸降低到較低水平。

關鍵詞：輕型汽車；尾氣排放；排放法規；測試循環；冷啟動

中圖分類號：U461.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0176-02

1 概述

在日益嚴峻的環境污染國情下，國家一直在致力于改善環境；汽車作為一種現代文明的產物，也是當今最為普遍的交通工具，方便了人們也給世界經濟發展做出了重大貢獻。但是汽車在方便人們的同時也給環境帶來了巨大污染，汽車尾氣污染物是環境的主要污染源之一。要想有效改善環境必須降低汽車尾氣污染物排放。為有效改善機動車尾氣排放2013年9月17日，環保部發布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》，國家第五階段機動車污染物排放標準，即“國五標準”，國五標準排放控制水平相當于歐洲正在實施的第5階段排放標準。歐盟已經從2009年起開始執行，其對氮氧化物、碳氫化合物、一氧化碳和懸浮粒子等機動車排放物的限制更為嚴苛。從國Ⅰ提至國Ⅳ，每提高一次標準，單車污染減少30%至50%。2017年1月1日起，全國機動車將全面實施國五排放標準[1]。國五排放法規的制訂與實施給汽車企業帶來了巨大挑戰及壓力，要想實現國五排放法規限值必須犧牲汽車的部分經濟性和動力性。研究發現在一個NEDC測試循環中超過70%的排放物集中在冷啟動階段，因此要想有效降低發動機尾氣排放必須有效控制汽車冷啟動階段排放，因此研究汽車冷啟動階段排放特性十分有必要。李晨貞[2]等對不同運轉循環下的輕型汽車排放特性研究，研究表明：在不同測試循環中，無論是NEDC、WLTC還是EPA75測試循環中污染物排放都是集中在冷啟動階段。為實現汽車超低排放控制，部分專家學者著手研究清潔替代燃料發動機的排放特性，以期尋開發一種超低排放的汽車。大連民族大學宮長明教授[3-4]通過對甲醇發動機的燃燒特性研究發現甲醇發動機具有較低的污染物排放，可以比較容易實現國五排放法規對氣體污染物的排放要求，但是在冷啟動階段仍有較高的污染物排放，因此控制甲醇發動機冷啟動污染物排放也是控制污染物排放控制的重要手段。電動汽車由于受電池容量及充電時間、電池散熱等因素的限值使得電動汽車仍然無法取代傳統汽車[5]；氫氣汽車由于氫氣的制作，儲存及安全性等問題仍未得到有效解決，因此氫氣汽車的發展十分受限[5]。

在當今國內外傳統汽車占據主要地位的背景下，如何有效改善汽車尾氣排放的關鍵在于如何有效減小汽車冷啟動階段尾氣的排放，因此研究輕型汽車在NEDC循環測試工況下的冷啟動階段排放特性十分有意義。

本文主要是在一輛搭載某1.4L增壓發動機的手動擋輕型汽車通過滑行法加載，通過NEDC循環工況研究NEDC循環工況下汽車的排放特性，通過研究NEDC工況下冷啟動階段排放特性為汽車超低排放技術提供技術指導。

2 測試循環及測試設備

本文研究對象為一輛搭載1.4L增壓發動機的輕型汽車，基準質量為1590kg，最大總質量為1950kg的五座輕型汽車。所用測試設備采用全流稀釋系統，所用尾氣分析儀為日本Horiba公司生產的Horiba尾氣分析儀，所用阻力加載系統為德國MAHA公司生產的MAHA轉鼓。試驗中按照單點加載法對汽車運行阻力進行加載，然后按照NEDC測試循環進行測試，通過全流稀釋系統對汽車尾氣進行稀釋，然后對稀釋后的尾氣進行分析。驗測試裝置如圖1，測試NEDC循環如圖2。

由圖2所示，NEDC測試循環包括兩個循環由1部（市區運轉循環）和2部（市郊運轉循環）組成。市區運轉循環由4個市區運轉循環單元組成，每個運轉單元195秒；汽車啟動時刻由于機體溫度為環境溫比較低，一般我們將第1個市區運轉循環單元劃分為冷啟動階段；后3個市區運轉循環為熱機循環；市郊運轉循環為高速大負荷循環。

3 計算結果分析

通過阻力加載，汽車運轉一個完成NEDC循環，通過Horiba尾氣分析儀所測量得到的冷啟動階段CO濃度、HC濃度、NOx濃度如圖3-5所示。

由圖3冷機啟動階段尾氣中CO排放模態數據，從圖中得知，在冷啟動階段尾氣中的CO的濃度很高，尤其是在前50s第一個上坡期間CO排放濃度最高，達到3%，隨后CO排放濃度逐漸降低。分析其原因主要是在冷啟動階段由于發動機機體溫度和冷卻液溫度是環境溫度，溫度比較低；在低溫環境下汽油的蒸發和霧化性能很差，為了能夠使得得到較濃的可燃混合氣必須在啟動階段噴大量的燃油，因此使得缸內混合氣處于過濃狀態，同時由于啟動初始階段缸內溫度低因此缸內混合氣燃燒質量較差，不利于混合氣的充分燃燒，因此會導致大量的燃油在排氣門打開時刻不能完全燒燒從而產生大量的CO，因此大量的CO被排出。隨著汽車運行，發動機冷卻液溫度逐漸上升，同時發動機機體的溫度也逐漸上升，能夠改善燃油的蒸發和霧化因此噴射燃油逐漸靠近理論空燃比不會出現過濃的情況，同時由于發動機機體溫度和冷卻液溫度上升，缸內混合氣燃燒得到改善，因此CO濃度能夠得到有效降低。

圖4是冷啟動階段尾氣中THC排放濃度，從圖中可知在啟動階段前50s期間，尾氣中THC濃度很高，隨著發動機繼續運行尾氣中HC濃度逐漸降低最后降低到比較低的水平。分析原因是，在啟動階段由于發動機機體溫度和冷卻液溫度比較低，在低溫環境下汽油不易蒸發，因此要想得到可燃混合氣必須噴射大量的汽油，同時由于低溫環境下不利于火焰核心的發展以及火焰傳播，導致缸內混合氣燃燒速率很慢，在排氣門打開時刻會有大量的可燃混合氣來不及燃燒從而排出，導致尾氣中HC濃度十分高，隨著汽車繼續運行發動機機體溫度和冷卻液溫度上升，能夠有效改善燃燒，使得火焰傳播速率極大提高，同時噴射燃油之間減少向理論空燃比靠近，加上尾氣對催化器的加熱，催化器的催化效率逐漸上升，因此尾氣中的HC濃度逐漸減小，在冷啟動后期由于催化器已經起燃，催化效率十分高因此尾氣中的HC濃度極大降低。

圖5是冷啟動階段尾氣中NOx排放濃度，從圖5可以看出在冷啟動初始階段前75s期間NOx的排放都處于很高的水平，然后NOx濃度減小到很低的水平。分析原因是在啟動初始階段排氣溫度比較低催化器還沒有起燃，導致催化器對尾氣的凈化作用很小，發動機昂內燃燒產生的NOx幾乎得不到凈化，從而全部排出，從而使得NOx排放很高；當到75s以后由于排氣對催化器的加熱使得催化器的轉化效率得到極大提高，尾氣中的NOx能夠得到有效的凈化，從而使得尾氣中NOx排放濃度大大降低。

4 結束語

（1）汽車冷啟動階段的CO排放主要集中在啟動階段，主要原因是啟動階段發動機體溫度和冷卻液溫度低，汽油蒸發作用弱導致需要加濃混合氣使得大量燃油缺氧產生不完全燃燒產生大量CO。

（2）汽車冷啟動階段的HC排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動階段機體溫度和冷卻液溫度低，混合氣燃燒速率滿，在愛氣門打開時刻大量混合氣來不及燃燒從而直接排出，導致HC排放十分大。

（3）汽車冷啟動階段的NOx排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動初期排氣溫度低催化器的凈化效率低導致NOx排放很高。

參考文獻：

[1]汪文忠.汽車發動機加速不良的故障診斷與分析[J].汽車與配件，2017（12）：84-85.

[2]李晨貞，徐月云.不同運轉循環下的輕型汽車排放特性研究[J].小型內燃機與車輛技術，2015（05）：21-25.

[3]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發動機分層稀薄燃燒試驗研究[J].車用發動機，2014（06）：45-50.

[4]宮長明，彭樂高，孫景震，等.噴嘴開啟壓力對DISI甲醇發動機燃燒和排放的影響[J].車用發動機，2015（03）：70-75.

[5]李靜媛.加氫站高壓氫氣充裝策略及泄漏爆炸后果預測研究[D].浙江大學，2015.endprint