關于優化發動機冷啟動排放試驗方法的研究

尹東升，王君，代國勇，劉長峰，邵聰慧

關于優化發動機冷啟動排放試驗方法的研究

尹東升，王君，代國勇，劉長峰，邵聰慧

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

在發動機冷啟動階段，由于缸內燃燒不充分，此時排氣系統溫度較低，三元催化器效率較低，THC排放量較高。為進一步優化THC排放，文章提出一種使用發動機臺架模擬整車WLTC工況的試驗方法，研究結果表明：（1）在WLTC工況下，THC排放主要集中于冷啟動前30 s階段；（2）使用發動機臺架模擬整車WLTC工況，試驗結果具有高度一致性，因此可以提升試驗效率，降低試驗成本。

冷啟動；排放試驗；臺架試驗方法；原始排放

引言

隨著中國排放法規國六強制排放標準的頒布和實施，與國五排放法規相比，新法規要求整車運轉工況更為苛刻，排放污染物限制更為嚴格，國六B階段在THC、NMHC、NOx、CO等排放污染物的限值要求均降低了50%左右，同時新增了對PN顆粒物數量的嚴格限制[1-2]。車企及發動機制造商面對的壓力日漸增加，降低各項排放污染物的排放水平，從而滿足國六B排放法規的要求迫在眉睫。

國際上，許多知名學者對汽油機的排放污染物進行了深入研究和分析。Shen, H等人提出一種高效的數學模型，使其能夠模擬三元催化器的瞬態轉換性能，并進行了仿真演算分析，研究結果表明：在發動機冷啟動排放階段，汽車排氣管排出了法規規定的HC、CO排放量的50%～80%[3]。Chan, S等人提出了一種發動機排氣系統的傳熱模型，經過仿真計算，研究結果表明：在冷啟動階段，由于發動機整機溫度較低，排氣系統的換熱損失會導致三元催化器起燃時間明顯延長，嚴重降低三元催化器催化轉化效率，進而導致各項有害排放物排放增加[4]。 Bielaczyc, P使用底盤轉鼓測功機在環境艙內研究了不同的氣溫對汽油機冷啟動排放污染物的影響，研究結果表明：當大氣溫度從0 ℃降低到?15 ℃時，CO和HC的排放水平顯著增加，NOx排放水平基本不變[5]。Shinji Yama- moto等人開發出一款能夠降低冷啟動階段HC排放的新型吸附系統，研究結果表明：該吸附系統可降低冷啟動階段60%的HC排放，但由于該系統較為復雜，因此該系統成本較高，推廣難度較大[6]。M Matti Maricq等人使用不同濃度的乙醇汽油以研究其對缸內直噴汽油機排放水平的影響，研究結果表明：當汽油中乙醇含量由0%增至20%時，發動機顆粒物排放水平降低20%左右，THC和NOx排放水平降低了10%～20%[7]。

基于上述學者的研究成果，為進一步提升試驗效率，減少試驗時間，降低試驗成本，本試驗先通過整車轉鼓試驗臺測試WLTC工況，從而得到發動機運行工況的數據，之后再使用發動機臺架自動編程，控制整車WLTC工況下的發動機轉速和扭矩，參考國六B法規規定的WLTC工況排放限值要求，使用發動機臺架模擬整車冷啟動階段WLTC工況循環，進而優化發動機冷啟動階段的排放水平，使其可以完全滿足國六B排放法規排放污染物的要求。

1 方案研究

通過進行整車排放試驗，得到WLTC工況下發動機工作狀況，并且通過對比分析實車WLTC工況試驗測試的多組試驗排放數據，得出NOx、CO等排放污染物可以滿足國六B排放法規的標準，但THC排放量明顯超過國六B排放法規的限值，無法滿足國六B階段的排放法規的要求。因此只要在冷啟動階段，通過在發動機臺架上優化發動機結構或數據，使其可以有效降低發動機冷啟動階段THC排放水平，這樣才可滿足國六B法規排放標準，整車排放就會很容易達到國六B排放法規的要求，達到汽車上市標準。

圖1 某車型WLTC工況秒采曲線（全程）

如圖1、圖2所示，通過對整個WLTC工況的THC排放污染物的秒采數據進行計算和分析，在整車起動后20～30秒內，即在冷啟動階段，由于發動機水溫、油溫較低，且充氣效率較低，缸內碳氫燃料燃燒不充分，排氣溫度較低，導致此時三元催化器溫度較低，三元催化器未能夠完全起燃，排放污染物轉換效率較低，因此THC排放水平很高，若采取有效手段，優化發動機結構和電控數據，降低冷啟動階段的THC排放水平，將對整個工況的排放水平貢獻巨大。

圖2 某車型WLTC工況秒采曲線（冷起動段）

為優化發動機原始排放，可以通過優化進氣凸輪軸、排氣凸輪軸的余弦曲線、改變VVT角度、改變發動機本體結構、改變發動機電控數據等方式，來確定最佳優化方案，而面對各種狀態的組合，產生方案至少20～30種，而需要驗證是否有效都需要車輛在轉鼓試驗臺上運行WLTC測試工況。

因該法規規定WLTC循環工況要求車輛必須是在完全冷機狀態，為了保證試驗結果一致性，每次試驗完成后都需要至少經過12小時以上的冷卻時間才可以進行下一輪冷啟動排放試驗，要保證每種調整方案試驗數據的可靠性和一致性，每種方案至少需要測試3～5次，至少需要2～3天的時間成本。同時在整車上還存在零部件換裝困難，換裝成本較高等問題。

綜上所述，在整車上驗證優化排放的方案效率低，耗時長，數據一致性不容易保證，嚴重阻礙了新產品的研發進度，影響產品市場占有率。通過分析和研究整車WLTC前幾十秒的冷啟動工況，獲得發動機冷啟動階段工況數據，使用發動機臺架模擬WLTC工況來進行等效，通過在臺架上編制試驗工況程序，實現自動化數據采集。

在發動機臺架上進行冷啟動排放研究，發動機臺架具備換裝方便、冷機迅速、試驗效率高、試驗成本低等優點，面對幾十種方案可以快速選擇出最優的方案組合，然后在整車上使用轉鼓試驗臺，通過WLTC工況驗證其有效性，采集冷啟動排放數據，之后進行分析匯總，這樣可有效提高工作效率，降低試驗成本，快速解決問題。

2 試驗方案

2.1 試驗前準備

發動機完成臺架搭建后，要保證發動機冷啟動怠速階段電控數據正常，可以正常、順利進行冷啟動排放試驗。在啟動階段，為保證發動機能夠正常啟動，過量空氣系數需處于0.8左右，發動機怠速時，為保證怠速運轉穩定性，過量空氣系數需要保持在1左右；發動機機油加注至機油尺標定上限，外接機油冷卻循環設備，對機油進行深度冷卻，使其滿足冷啟動排放試驗標準。

2.2 試驗方法——冷起動試驗

啟動前水溫、機油溫度冷卻至在23 ℃～25 ℃，臺架需要采集發動機轉速、扭矩、水溫、油溫、空燃比、原始排放等參數，冷啟動階段測試工況如表1所示，使用AVL PUMA OPEN系統自動運行工況，并進行采集THC排放數據，采樣頻率設置為10 Hz。

表1 冷啟動階段測試工況

發動機運轉工況時間/s 起動 怠速30 低速小負荷120 怠速10 停機

3 試驗結果分析

冷啟動階段THC排放數據如圖3、圖4所示，通過原機狀態、狀態1、狀態2數據對比，可以得出：狀態1與原機狀態THC排放相當，而狀態2要優于原機狀態。

圖3 某機型發動機冷起動排放對比曲線

圖4 某機型發動機冷起動排放對比曲線（前30秒）

通過對各種發動機狀態冷啟動階段前30 s的THC排放數據進行積分計算并分析匯總，對比各個方案的冷啟動階段THC的排放總量，結果如表2所示，通過分析數據可以得出以下結論，狀態2的冷啟動階段的THC排放水平明顯優于原機狀態，可能滿足國六B法規的限值要求，而狀態1的冷啟動階段的THC排放水平較原機狀態有所劣化。

綜上所述，狀態2方案可以顯著降低發動機冷啟動階段的THC排放水平。將狀態2方案的發動機搭載整車，使用底盤測功機進行驗證，通過運行WLTC工況進行對比驗證，狀態2的THC排放較原機狀態降低5 mg/km，滿足國六B階段的排放法規要求，并且驗證了臺架測試的排放結果與整車WLTC驗證結果的一致性良好。因此可以使用發動機試驗臺架模擬整車WLTC工況下發動機工作狀態，進行各項方案驗證，選出優化方案后，再搭載整車進行校驗，進而迅速驗證優化方案的有效性。

表2 各狀態冷起動THC排放對比

試驗狀態THC排放濃度/ppmTHC總排放量 起動怠速低速小負荷 原機狀態8 9222 7423 918502 675 狀態19 1912 1534 202527 706 狀態27 0161 6843 800333 755

4 結論

（1）THC的排放主要集中在發動機冷啟動階段，且在冷啟動階段前30 s內達到峰值，在此之后呈現降低趨勢。

（2）發動機臺架模擬WLTC工況和整車WLTC工況試驗結果具有高度一致性，因此可使用發動機臺架模擬整車WLTC工況，以提升試驗效率。

[1] 中華人民共和國生態環境部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)GB 18352.6—2016.北京:中國環境出版社, 2018.

[2] 環境保護局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段):GB 18352.5—2013.北京:中國環節出版社,2013.

[3] Shen, H.,Shamim,T., and Sengupta,S.An Investigation of Catalytic Converter Performances during Cold Starts[C].SAE Technical Paper, 1999.

[4] Chan,S.and Hoang,D.Modeling of Catalytic Conversion of CO/HC in Gasoline Exhaust at Engine Cold-Start[C].SAE Technical Paper, 1999.

[5] Bielaczyc, P. and Merkisz, J. Exhaust Emission from Passenger Cars During Engine Cold Start and Warm-Up[C].SAE Technical Paper, 1997.

[6] Shinji Yamamoto, Kenjirou Matsushita, Satomi Etoh and Masahiro Takaya.In-line Hydrocarbon (HC) Adsorber System for Reducing Cold-Start Emissions[J].SAE Transactions, 2000,109(4):623-631.

[7] M Matti Maricq, Joseph J Szente, Ken Jahr. The impact of ethanol fuel blends on PM emissions from a light duty GDI vehicle[J]. Aerosol Science and Technology,2012,46 (5):576-582.

Study on the Optimization of Engine Cold Start Emission Test Methods

YIN Dongsheng, WANG Jun, DAI Guoyong, LIU Changfeng, SHAO Conghui

( Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Helongjiang Harbin 150060 )

During the cold start phase of the engine, due to insufficient combustion in the cylinder, the efficiency of the catalytic converter is low and the THC emission is high due to the lower temperature of the exhaust system. In order to further optimize the THC emission, this paper proposes a test method to simulate the whole vehicle WLTC condition using an engine stand. The results show that: (1)under WLTC conditions, THC emissions are mainly concentrated in the first 30 s of cold start; (2) using the engine, the bench simulates the WLTC condition of the whole vehicle, and the test results are highly consistent, which can improve the test efficiency and reduce the test cost.

Cold start; Emission tests; Bench test methods; The original emissions

U464

A

1671-7988(2021)20-157-03

U464

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1671-7988(2021)20-157-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.039

尹東升（1984—），男，高級工程師，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，研究方向：發動機試驗。