輕型汽油車不同溫度下WLTC工況排放特性研究

2021-09-10 05:44:40趙振宇謝大偉張寶元ZhaoZhenyuXieDaweiWangChuangZhangBaoyuan

北京汽車 2021年4期

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

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境溫度下冷啟動和熱啟動時污染物的排放特性，通過環境試驗艙模擬不同的環境溫度，輕型汽油車采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界輕型汽車測試循環）工況分別進行冷啟動和熱啟動排放試驗，結果表明：低溫冷啟動時，由于發動機缸內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）的瞬時排放值遠超高溫和熱啟動的值。在高溫、高速和高負荷情況下，由于車輛的動力需求和催化器保護，導致燃油噴射過量，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，機動車排放引發的環境問題日益突出。為控制機動車排放，我國制定了嚴格的法規，但法規中的排放檢測方法基于試驗室的環境條件和循環工況，不能完全覆蓋實際使用情況，而且部分汽車廠商在ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）標定時只標定法規要求的工況，忽略其他工況；因此，車輛試驗室排放測試結果與實際排放狀況存在較大差異。為了研究車輛在不同環境溫度下冷啟動和熱啟動時的污染物排放特性，通過環境試驗艙模擬不同的環境溫度，輕型汽油車按照WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界輕型汽車測試循環）工況[1]分別進行冷啟動和熱啟動排放試驗。深入分析輕型車在不同環境溫度和不同啟動條件下的排放特性，為車輛的排放控制提供數據支持。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

選定某款輕型汽油車為試驗對象，車輛的主要技術參數見表1。

表1 試驗車輛主要技術參數

注：TWC為三元催化轉化器；GPF為汽油顆粒捕集器。

1.2 試驗設備

在試驗室內進行排放試驗，主要試驗設備見表2。

表2 試驗設備

1.3 試驗方案

試驗測試工況選用WLTC，環境溫度選取0℃、14℃、23℃、30℃、40℃，在每個溫度點分別完成整車冷啟動和熱啟動排放測試。試驗過程參考國六排放法規的常溫下冷啟動后污染物排放（Ⅰ型試驗）[1]的試驗程序和要求。

道路阻力設定采用滑行法阻力加載，以實際道路滑行試驗23 ℃下的結果為基準，按照給定的不同溫度對滑行阻力進行修正，得出在當前環境下的實際滑行阻力，然后運用在底盤測功機上實車滑行。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，?0為常數項道路載荷系數，N；?1為1階道路載荷系數，N/(km/h)；?2為2階道路載荷系數，N/(km/h)2。

試驗燃料選用滿足國六標準的北京市售燃油，試驗駕駛員始終保持不變。

首先在常溫狀態下按照國六Ⅰ型排放標準進行樣車重復性檢驗。樣車進行3次排放試驗，采用極差法對測試結果進行處理，極差值與污染物限值進行比較，得出每種污染物的相對極差

式中：l為污染物試驗結果的相對極差；max,i為污染物的3次試驗結果最大值；min,i為污染物的3次試驗結果最小值；L為比對試驗樣車污染物適用的相應標準限值。

除CO2外，其他污染物的相對極差標準限值為-20%～20%。

參考國六排放法規的常溫下冷啟動后污染物排放（Ⅰ型試驗）的排放試驗程序進行不同溫度下整車排放試驗，試驗前記錄水溫和機油溫度。其中，在低溫（0 ℃）時要求開啟暖風進行試驗；高溫（30 ℃、40 ℃）時要求開啟空調進行試驗，并開啟陽光模擬（900 W/m2）。空調均設置為自動模式、22 ℃、內循環。

2 試驗結果與分析

2.1 重復性檢驗結果

在常溫狀態下樣車按照國六Ⅰ型試驗規程進行3次排放試驗，極差法處理結果顯示樣車一致性良好，符合試驗要求，具體見表4。

表4 重復性檢驗結果 mg/km

2.2 排放試驗結果

表5為不同環境溫度下車輛進行WLTC工況試驗的排放測試結果，其中0 ℃時車輛開啟了暖風（AUTO模式、22 ℃、內循環、前除霜）；30 ℃和40 ℃時環境艙開啟了陽光模擬（900 W/m2），試驗前用陽光模擬照射1 h，試驗過程中開啟空調制冷（AUTO模式、22 ℃、內循環、吹面）。試驗結果見表5。

表5 不同環境溫度下車輛的排放測試結果

由表5可知：

（1）CO排放量隨著環境溫度的升高呈現先高后低然后再次升高的規律，當溫度小于等于23 ℃時，冷啟動排放量明顯高于熱啟動，當溫度大于等于30 ℃時冷啟動排放量明顯小于熱啟動；

（2）THC排放量隨著環境溫度的升高逐漸降低，熱啟動時排放量幾乎為0，小于冷啟動工況；

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

（4）PN的排放量隨著溫度升高呈降低趨勢，冷啟動的排放量遠大于熱啟動工況；

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

2.3 排放結果分析

0 ℃和40 ℃車輛冷啟動前100 s發動機的控制方式如圖1所示，車輛冷啟動時，發動機處于開環控制方式，并且隨著溫度降低，發動機進入閉環的時間逐漸延長。車輛冷啟動時進氣溫度、冷卻水溫度均處于偏低狀態，燃油噴射后霧化差，不易與空氣混合均勻，因此冷啟動時一般設定較大燃油噴射量[2]。另外，由于冷啟動時催化器內部溫度低，HC、CO、NO等主要排放物轉化效率不高，所以冷啟動時CO和HC排放量顯著高于正常工況。

圖1 0 ℃和40 ℃冷啟動前100 s發動機控制方式

（1）CO排放結果分析。

0 ℃冷啟動和熱啟動CO排放瞬態結果如圖2、圖3所示，在低溫下CO排放主要來源于車輛冷啟動點火后前100 s，此時冷卻水溫度很低，發動機處于開環控制，催化轉化器溫度很低，綜合因素導致啟動點火后前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，熱啟動時水溫和催化器溫度均很高，CO排放量很少。

40 ℃冷啟動和熱啟動CO排放瞬態結果如圖4所示，高溫時CO排放主要來源于超高速階段的加速階段，冷啟動和熱啟動均產生了大量CO，熱啟動在高溫下的排放量遠大于冷啟動。在這個工況下產生大量CO的原因有2個：一是因為車輛在高速下進行加速需要多噴油來獲得足夠的動力；二是因為環境溫度很高，車輛的高速和加速行駛又產生了大量的熱量，導致三元催化器過熱，ECU控制噴射了過多的燃料以保護三元催化器不因過熱損壞，這樣會造成不充分燃燒使CO排放量大幅上升。

圖2 0 ℃冷啟動和熱啟動CO排放瞬態結果

圖3 40 ℃冷啟動和熱啟動CO排放瞬態結果

（2）THC排放結果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動和熱啟動THC排放瞬態結果如圖4、圖5所示。THC排放主要來源于車輛冷啟動點火后前100 s，隨著催化器溫度的升高THC排放量逐漸降低，當催化器工作正常后THC排放量基本為0；因為熱啟動時催化器溫度很高，所以THC排放量很低。

環境溫度只對冷啟動的THC排放影響較大，溫度越低THC排放量越高。

（3）NO排放結果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動和熱啟動NO排放瞬態結果如圖6、圖7所示，NO排放主要來源于車輛啟動點火后前100 s，并且冷啟動和熱啟動對NO排放的結果影響不大；發動機尾氣中的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，在同等條件下環境溫度越高，則發動機燃燒室溫度越高，NO排放量越大。因此發動機啟動時NO排放量隨著溫度的升高而逐漸升高。當發動機點火一段時間后空燃比控制穩定，隨著三元催化器溫度的升高，三元催化器會去除90%以上的NO。

圖4 0 ℃冷啟動和熱啟動THC排放瞬態結果

圖5 40 ℃冷啟動和熱啟動THC排放瞬態結果

圖6 0 ℃冷啟動和熱啟動NOx排放瞬態結果

圖7 40℃冷啟動和熱啟動NOx排放瞬態結果

（4）PN排放結果分析。

0 ℃、40 ℃冷啟動和熱啟動PN排放瞬態結果如圖8、圖9所示，PN排放分布在整個試驗循環內，其中WLTC低速段PN排放量最大；在WLTC的低速段，冷啟動的排放量明顯大于熱啟動，車輛經過充分預熱后在中、高、超高速段的PN排放量變化不大；PN的排放量隨著環境溫度的升高有明顯降低。發動機的顆粒物的排放主要由碳煙、可溶性有機物和少量的硫酸鹽所構成。其中PN的排放大部分是可溶性有機物。發動機在燃燒過程中部分油滴未能完全蒸發，這些液態燃油在缸內形成大量的油膜，在燃燒過程中油膜區域不能充分燃燒產生大量的有機化合物，通過凝結與吸附作用最終生成大量的PN排放量[3]。因為溫度越低時燃油的蒸發越差，油氣的凝結作用越強，因此在WLTC低速段，隨著環境溫度的降低導致發動機燃燒室溫度降低，PN的排放量越大。在WLTC中、高、超高速段，經過發動機自身燃燒的加熱，環境溫度對發動機的影響降低，從而PN的排放量趨于穩定。