轻型汽车冷启动排放特性研究

杨疑

摘 要：汽车作为现代交通工具方便了人们，但是也带来了环境污染。在日益严峻的环境污染情况下国家对汽车尾气排放污染物制定了严格的法规限制汽车尾气的排放。一个测试循环中汽车污染物的排放主要集中在冷启动阶段。文章主要研究轻型汽车冷启动阶段CO、HC和NOx的排放特性，研究表明：在冷启动阶段由于启动温度低发动机缸内混合气燃烧不良以及催化器没有起燃，导致大量CO、HC和NOx排出，随着冷却液温度升高CO、HC和NOx排放逐渐降低到较低水平。

关键词：轻型汽车；尾气排放；排放法规；测试循环；冷启动

中图分类号：U461.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0176-02

1 概述

在日益严峻的环境污染国情下，国家一直在致力于改善环境；汽车作为一种现代文明的产物，也是当今最为普遍的交通工具，方便了人們也给世界经济发展做出了重大贡献。但是汽车在方便人们的同时也给环境带来了巨大污染，汽车尾气污染物是环境的主要污染源之一。要想有效改善环境必须降低汽车尾气污染物排放。为有效改善机动车尾气排放2013年9月17日，环保部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》，国家第五阶段机动车污染物排放标准，即“国五标准”，国五标准排放控制水平相当于欧洲正在实施的第5阶段排放标准。欧盟已经从2009年起开始执行，其对氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和悬浮粒子等机动车排放物的限制更为严苛。从国Ⅰ提至国Ⅳ，每提高一次标准，单车污染减少30%至50%。2017年1月1日起，全国机动车将全面实施国五排放标准[1]。国五排放法规的制订与实施给汽车企业带来了巨大挑战及压力，要想实现国五排放法规限值必须牺牲汽车的部分经济性和动力性。研究发现在一个NEDC测试循环中超过70%的排放物集中在冷启动阶段，因此要想有效降低发动机尾气排放必须有效控制汽车冷启动阶段排放，因此研究汽车冷启动阶段排放特性十分有必要。李晨贞[2]等对不同运转循环下的轻型汽车排放特性研究，研究表明：在不同测试循环中，无论是NEDC、WLTC还是EPA75测试循环中污染物排放都是集中在冷启动阶段。为实现汽车超低排放控制，部分专家学者着手研究清洁替代燃料发动机的排放特性，以期寻开发一种超低排放的汽车。大连民族大学宫长明教授[3-4]通过对甲醇发动机的燃烧特性研究发现甲醇发动机具有较低的污染物排放，可以比较容易实现国五排放法规对气体污染物的排放要求，但是在冷启动阶段仍有较高的污染物排放，因此控制甲醇发动机冷启动污染物排放也是控制污染物排放控制的重要手段。电动汽车由于受电池容量及充电时间、电池散热等因素的限值使得电动汽车仍然无法取代传统汽车[5]；氢气汽车由于氢气的制作，储存及安全性等问题仍未得到有效解决，因此氢气汽车的发展十分受限[5]。

在当今国内外传统汽车占据主要地位的背景下，如何有效改善汽车尾气排放的关键在于如何有效减小汽车冷启动阶段尾气的排放，因此研究轻型汽车在NEDC循环测试工况下的冷启动阶段排放特性十分有意义。

本文主要是在一辆搭载某1.4L增压发动机的手动挡轻型汽车通过滑行法加载，通过NEDC循环工况研究NEDC循环工况下汽车的排放特性，通过研究NEDC工况下冷启动阶段排放特性为汽车超低排放技术提供技术指导。

2 测试循环及测试设备

本文研究对象为一辆搭载1.4L增压发动机的轻型汽车，基准质量为1590kg，最大总质量为1950kg的五座轻型汽车。所用测试设备采用全流稀释系统，所用尾气分析仪为日本Horiba公司生产的Horiba尾气分析仪，所用阻力加载系统为德国MAHA公司生产的MAHA转鼓。试验中按照单点加载法对汽车运行阻力进行加载，然后按照NEDC测试循环进行测试，通过全流稀释系统对汽车尾气进行稀释，然后对稀释后的尾气进行分析。验测试装置如图1，测试NEDC循环如图2。

由图2所示，NEDC测试循环包括两个循环由1部（市区运转循环）和2部（市郊运转循环）组成。市区运转循环由4个市区运转循环单元组成，每个运转单元195秒；汽车启动时刻由于机体温度为环境温比较低，一般我们将第1个市区运转循环单元划分为冷启动阶段；后3个市区运转循环为热机循环；市郊运转循环为高速大负荷循环。

3 计算结果分析

通过阻力加载，汽车运转一个完成NEDC循环，通过Horiba尾气分析仪所测量得到的冷启动阶段CO浓度、HC浓度、NOx浓度如图3-5所示。

由图3冷机启动阶段尾气中CO排放模态数据，从图中得知，在冷启动阶段尾气中的CO的浓度很高，尤其是在前50s第一个上坡期间CO排放浓度最高，达到3%，随后CO排放浓度逐渐降低。分析其原因主要是在冷启动阶段由于发动机机体温度和冷却液温度是环境温度，温度比较低；在低温环境下汽油的蒸发和雾化性能很差，为了能够使得得到较浓的可燃混合气必须在启动阶段喷大量的燃油，因此使得缸内混合气处于过浓状态，同时由于启动初始阶段缸内温度低因此缸内混合气燃烧质量较差，不利于混合气的充分燃烧，因此会导致大量的燃油在排气门打开时刻不能完全烧烧从而产生大量的CO，因此大量的CO被排出。随着汽车运行，发动机冷却液温度逐渐上升，同时发动机机体的温度也逐渐上升，能够改善燃油的蒸发和雾化因此喷射燃油逐渐靠近理论空燃比不会出现过浓的情况，同时由于发动机机体温度和冷却液温度上升，缸内混合气燃烧得到改善，因此CO浓度能够得到有效降低。

图4是冷启动阶段尾气中THC排放浓度，从图中可知在启动阶段前50s期间，尾气中THC浓度很高，随着发动机继续运行尾气中HC浓度逐渐降低最后降低到比较低的水平。分析原因是，在启动阶段由于发动机机体温度和冷却液温度比较低，在低温环境下汽油不易蒸发，因此要想得到可燃混合气必须喷射大量的汽油，同时由于低温环境下不利于火焰核心的发展以及火焰传播，导致缸内混合气燃烧速率很慢，在排气门打开时刻会有大量的可燃混合气来不及燃烧从而排出，导致尾气中HC浓度十分高，随着汽车继续运行发动机机体温度和冷却液温度上升，能够有效改善燃烧，使得火焰传播速率极大提高，同时喷射燃油之间减少向理论空燃比靠近，加上尾气对催化器的加热，催化器的催化效率逐渐上升，因此尾气中的HC浓度逐渐减小，在冷启动后期由于催化器已经起燃，催化效率十分高因此尾气中的HC浓度极大降低。

图5是冷启动阶段尾气中NOx排放浓度，从图5可以看出在冷启动初始阶段前75s期间NOx的排放都处于很高的水平，然后NOx浓度减小到很低的水平。分析原因是在启动初始阶段排气温度比较低催化器还没有起燃，导致催化器对尾气的净化作用很小，发动机昂内燃烧产生的NOx几乎得不到净化，从而全部排出，从而使得NOx排放很高；当到75s以后由于排气对催化器的加热使得催化器的转化效率得到极大提高，尾气中的NOx能够得到有效的净化，从而使得尾气中NOx排放浓度大大降低。

4 结束语

（1）汽车冷启动阶段的CO排放主要集中在启动阶段，主要原因是启动阶段发动机体温度和冷却液温度低，汽油蒸发作用弱导致需要加浓混合气使得大量燃油缺氧产生不完全燃烧产生大量CO。

（2）汽车冷启动阶段的HC排放主要集中在启动阶段，主要原因启动阶段机体温度和冷却液温度低，混合气燃烧速率满，在爱气门打开时刻大量混合气来不及燃烧从而直接排出，导致HC排放十分大。

（3）汽车冷启动阶段的NOx排放主要集中在启动阶段，主要原因启动初期排气温度低催化器的净化效率低导致NOx排放很高。

参考文献：

[1]汪文忠.汽车发动机加速不良的故障诊断与分析[J].汽车与配件，2017（12）：84-85.

[2]李晨贞，徐月云.不同运转循环下的轻型汽车排放特性研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015（05）：21-25.

[3]宫长明，彭乐高，张自雷，等.DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧试验研究[J].车用发动机，2014（06）：45-50.

[4]宫长明，彭乐高，孙景震，等.喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响[J].车用发动机，2015（03）：70-75.

[5]李静媛.加氢站高压氢气充装策略及泄漏爆炸后果预测研究[D].浙江大学，2015.endprint