不同起动初始边界对汽油机排放的影响

（奇瑞汽车股份有限公司 安徽 芜湖 241009）

引言

随着全球各国对大气污染的重视程度不断加强，排放法规日益严苛。中国第六阶段排放法规已将实际行驶排放RDE（Real Driving Emission）试验作为补充测试程序[1]，这一要求无疑体现对排放检验工况的全覆盖性。诸多研究学者已针对柴油机不同的冷暖机工况的排放特性以及对汽油机不同的地域特征进行过系列的排放影响研究[2-6]。中国第六阶段排放法规对I 型常温排放的实验浸车温度控制目标为23 ℃，允许实际温度偏差为±3℃[7]，从这一浸车要求的实验边界控制条件看，对发动机短时长浸置时间起动初始边界下的排放未做明确表示。

为了研究不同客户在车辆不同使用工况下的排放特性，同时为不同的试验边界下的排放趋势对RDE 的影响研究做好铺垫，从客户日常使用车辆的实际情况设计实验，文章基于一款匹配4 缸直喷增压机型的车辆，采用全球轻型车测试程序WLTC 研究不同浸车边界下排放的影响。

1 试验设计及试验资源

1.1 试验设计

整个试验的设计思路以中国第六阶段排放法规I 型试验为主要依据，以实际驾驶排放测试工况为参考，充分考虑客户在用车日常使用状态，同时为更好地实现多维度影响因素的解耦，试验保持发动机及变速箱控制单元的标定控制边界不变。基于普通客户车辆的实际运行情况，选取不同的浸置时间长度作为试验初始边界控制目标。试验选取浸置时长0.5 h、1.5 h、3 h 作为考核点，并结合I 型法规试验要求的浸置时长点同步观测。以此4 个边界点作为浸车控制目标水温的检验对象开展试验，实际温度偏差为±3℃，每个温度点的实验次数至少大于3 次，以便更好地对测试结果予以观测分析。对于实验室条件控制要求，同样考虑当前标准排放测试温度点设置环境舱控制边界已最大程度地覆盖了客户使用外界环境情况，对环境舱温度及湿度控制不做变更，参照中国第六阶段法规I 型排放测试标准执行。试验流程以40 ℃温度点为例，如图1 所示。

图1 试验流程图

1.2 试验资源及装置

试验资源基于一台1.6L 直喷增压发动机匹配车型进行研究，表1 所示为试验样车及发动机相关参数信息。

表1 试验用车及发动机信息

排放资源设备则基于装配AVL 的四驱排放转鼓进行，排气采样分析系统采用AVL-AMAi60、CVSi60 以及V-Box 进行数据分析采集，排放设备信息如表2 所示。实验室简易平面布置如图2 所示。

表2 排放转鼓采集设备基本信息

2 试验方法及结果分析

对WLTC 循环试验预处理终止后的发动机水温、进气温度及催化剂床温的变化趋势进行测试，并将发动机冷却液温度整数化处理后与停车时间长度对应如图3 所示，0.5 h、1.5 h、3 h 及6 h 以上分别对应为80 ℃、60 ℃、40 ℃和20 ℃的冷却液温度，为保持试验边界一致，下文以此各温度点作为试验初始控制边界。另外图3 表明：

1）催化剂床温初始降幅较快，后续逐渐减缓，总体趋势逐渐减低，短时停机催化剂仍保持相对较高的床温；

2）发动机水温呈现相对线性化降低趋势；

3）进气歧管温度在停机后一段时间出现较大幅度攀升，在水温降至60 ℃附近时，进气温度达到最高点，总体攀升幅度约30%，其主要原因在于停机后这个时间段内，缺失迎风冷却，发动机舱内温度短时较高，对进气温度有热辐射作用。

图2 排放实验室示意图

图3 水温和进气温度及催化剂床温随停机时长的变化趋势

图4 展示了在前述4 种不同的温度点下的试验结果分阶段与全循环法规限值的占比统计情况，从整体各排放物变化趋势的统计结果对比分析看，主要的差异点在起动及低速阶段（中国第六阶段排放法规定义0～589 s 为低速段），随着初始温度的升高，冷起动及低速阶段的排放呈现对初始温度的升高总体降低趋势，而60 ℃试验中CO 及HC 排放出现回升趋势；中高速段及后期各温度点下的循环排放表现基本相同。

图5 展示了试验中采取的几种不同温度点的试验中发动机水温总体表现概况，其中T-20 ℃、T-40 ℃、T-60 ℃、T-80 ℃分别为各自对应初始温度边界下试验的控制目标下各自温度表现趋势，可以看出在不同的温度边界下的试验差异仅存在于低速段工况，这也与图4 排放分阶段占比分析结果差异分界点吻合。600 s 以后的点温度表现等同，排放结果趋于一致，本文不再予以进一步分析。

图4 各温度点各阶段排放与限值占比情况

图5 不同初始边界下WLTC 发动机温度趋势

图6 展示了各不同初始温度试验下起动后60 s内的排放累计差异性，随着停机时间的缩短，排放水平呈降低趋势。80 ℃时的试验排放水平表现最好，源于催化剂高床温下仍具有相当的催化转化能力，气体排放被高效催化转化；而对于PN 的改善则更多来自于高温对混合气的改善和阻力降低带来的负荷减小。初始60 s 的周期内80 ℃的排放相对20 ℃的降幅：HC 为68%、CO 为46.4%、NOx为69.4%、PN 为83.2%。

图6 各试验起动后60s 的时长内排放累计差异对比

图7a-d 则分别展示了HC、CO、NOx、PN 各排放物的全局排放累计趋势。

从图7a 可以看出HC 的差异体现在起动阶段。冷起动的排放研究表明，近80%的HC 的排放受燃烧室壁面的激冷作用以及燃油混合不充分导致的不完全燃烧而产生在冷起动阶段[8-11]。其差异主要因素在于催化剂温度决定了在起动过程中能否有催化转化作用；另外一个因素是取决于发动机冷却液温度，本质上是发动机机体温度，它影响燃油蒸发过程，并且在冷环境边界下，火焰受温度影响诱发猝熄，带来一部分未燃HC 排放[6]。

图7b 表示CO 的累计排放在起动及低温阶段与HC 存在类似的表现，同样也是随着温度的改善，CO初始排放相对较低；但CO 的产生机理不同于HC，主要源于过浓的混合气诱发。尽管60℃下的排放试验受高进气温度下发动机的爆震倾向增加，标定对高进气温度下的点火角修正使得点火效率降低，基于转矩控制的电控系统通过增加进气量来满足目标需求，进而使得发动机负荷增加；但另一方面，随着温度的升高，机油粘度降低，粘性力的变化在发动机端的表现就是带来负荷降低，总体仍呈现随温度升高而降低的趋势。

图7 排放物的全局排放累计趋势

图7c 表示NOx累计排放趋势。因NOx的产生环境主要在于高温富氧工况，从整个WLTC 循环工况看，NOx差异性出现在起动阶段，80 ℃的试验结果表现相对较好，此结果仍源于停机时间相对较短，催化剂床温仍高于起燃温度，在此情况下尚有一定的催化转化能力，故高温边界下的起动NOx排放相对也有改善，由此可见在催化剂床温仍满足催化转化能力的情况下，热机启动的NOx排放控制较好。

图7d 表示PN 在不同冷浸时间下，WLTC 循环的排放趋势，从图中可以看出，PN 的排放差异点主要集中在300 s 以前。从变化趋势分析，差异原因主要在于温度边界的变化，促使在不同的温度边界下燃油雾化效果不同，发动机高机体温度有利于燃油混合，降低了液态油膜的产生；同时，发动机内部摩擦阻力发生改变，高温下无需发动机做更多的功来克服阻力，因此发动机转速负荷得以降低，燃油喷射量存在一定程度的减少，且发动机转速较低，燃油雾化时间相对变长，油气得到更好的混合。

3 结论

1）随着热机后浸车时间的增加，发动机水温近线性降低；催化剂床温初期降幅较快，后续逐渐减缓；进气温度呈现先增后降趋势，在停机1.5 h 出现进气温度最高点，相对增幅30%，进气温度的升高带来点火效率的下降，结合高温边界下混合气的改善及摩擦阻力降低带来的负荷降低，总体结果仍满足法规要求。

2）随着热机后浸车时间的缩短，各排放物随总体呈现降低趋势。在0.5 h 左右，降至催化剂起燃温度，因此80 ℃边界下催化剂床温较高，催化剂仍具有较好的催化转化效果，排放结果最好，相对20 ℃边界下的排放情况：HC 降低66%、CO 降低46.4%、NOx降低68.4%、PN 降低83.2%。