关于优化发动机冷启动排放试验方法的研究

尹东升，王君，代国勇，刘长峰，邵聪慧

关于优化发动机冷启动排放试验方法的研究

尹东升，王君，代国勇，刘长峰，邵聪慧

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

在发动机冷启动阶段，由于缸内燃烧不充分，此时排气系统温度较低，三元催化器效率较低，THC排放量较高。为进一步优化THC排放，文章提出一种使用发动机台架模拟整车WLTC工况的试验方法，研究结果表明：（1）在WLTC工况下，THC排放主要集中于冷启动前30 s阶段；（2）使用发动机台架模拟整车WLTC工况，试验结果具有高度一致性，因此可以提升试验效率，降低试验成本。

冷启动；排放试验；台架试验方法；原始排放

引言

随着中国排放法规国六强制排放标准的颁布和实施，与国五排放法规相比，新法规要求整车运转工况更为苛刻，排放污染物限制更为严格，国六B阶段在THC、NMHC、NOx、CO等排放污染物的限值要求均降低了50%左右，同时新增了对PN颗粒物数量的严格限制[1-2]。车企及发动机制造商面对的压力日渐增加，降低各项排放污染物的排放水平，从而满足国六B排放法规的要求迫在眉睫。

国际上，许多知名学者对汽油机的排放污染物进行了深入研究和分析。Shen, H等人提出一种高效的数学模型，使其能够模拟三元催化器的瞬态转换性能，并进行了仿真演算分析，研究结果表明：在发动机冷启动排放阶段，汽车排气管排出了法规规定的HC、CO排放量的50%～80%[3]。Chan, S等人提出了一种发动机排气系统的传热模型，经过仿真计算，研究结果表明：在冷启动阶段，由于发动机整机温度较低，排气系统的换热损失会导致三元催化器起燃时间明显延长，严重降低三元催化器催化转化效率，进而导致各项有害排放物排放增加[4]。 Bielaczyc, P使用底盘转鼓测功机在环境舱内研究了不同的气温对汽油机冷启动排放污染物的影响，研究结果表明：当大气温度从0 ℃降低到−15 ℃时，CO和HC的排放水平显著增加，NOx排放水平基本不变[5]。Shinji Yama- moto等人开发出一款能够降低冷启动阶段HC排放的新型吸附系统，研究结果表明：该吸附系统可降低冷启动阶段60%的HC排放，但由于该系统较为复杂，因此该系统成本较高，推广难度较大[6]。M Matti Maricq等人使用不同浓度的乙醇汽油以研究其对缸内直喷汽油机排放水平的影响，研究结果表明：当汽油中乙醇含量由0%增至20%时，发动机颗粒物排放水平降低20%左右，THC和NOx排放水平降低了10%～20%[7]。

基于上述学者的研究成果，为进一步提升试验效率，减少试验时间，降低试验成本，本试验先通过整车转鼓试验台测试WLTC工况，从而得到发动机运行工况的数据，之后再使用发动机台架自动编程，控制整车WLTC工况下的发动机转速和扭矩，参考国六B法规规定的WLTC工况排放限值要求，使用发动机台架模拟整车冷启动阶段WLTC工况循环，进而优化发动机冷启动阶段的排放水平，使其可以完全满足国六B排放法规排放污染物的要求。

1 方案研究

通过进行整车排放试验，得到WLTC工况下发动机工作状况，并且通过对比分析实车WLTC工况试验测试的多组试验排放数据，得出NOx、CO等排放污染物可以满足国六B排放法规的标准，但THC排放量明显超过国六B排放法规的限值，无法满足国六B阶段的排放法规的要求。因此只要在冷启动阶段，通过在发动机台架上优化发动机结构或数据，使其可以有效降低发动机冷启动阶段THC排放水平，这样才可满足国六B法规排放标准，整车排放就会很容易达到国六B排放法规的要求，达到汽车上市标准。

图1 某车型WLTC工况秒采曲线（全程）

如图1、图2所示，通过对整个WLTC工况的THC排放污染物的秒采数据进行计算和分析，在整车起动后20～30秒内，即在冷启动阶段，由于发动机水温、油温较低，且充气效率较低，缸内碳氢燃料燃烧不充分，排气温度较低，导致此时三元催化器温度较低，三元催化器未能够完全起燃，排放污染物转换效率较低，因此THC排放水平很高，若采取有效手段，优化发动机结构和电控数据，降低冷启动阶段的THC排放水平，将对整个工况的排放水平贡献巨大。

图2 某车型WLTC工况秒采曲线（冷起动段）

为优化发动机原始排放，可以通过优化进气凸轮轴、排气凸轮轴的余弦曲线、改变VVT角度、改变发动机本体结构、改变发动机电控数据等方式，来确定最佳优化方案，而面对各种状态的组合，产生方案至少20～30种，而需要验证是否有效都需要车辆在转鼓试验台上运行WLTC测试工况。

因该法规规定WLTC循环工况要求车辆必须是在完全冷机状态，为了保证试验结果一致性，每次试验完成后都需要至少经过12小时以上的冷却时间才可以进行下一轮冷启动排放试验，要保证每种调整方案试验数据的可靠性和一致性，每种方案至少需要测试3～5次，至少需要2～3天的时间成本。同时在整车上还存在零部件换装困难，换装成本较高等问题。

综上所述，在整车上验证优化排放的方案效率低，耗时长，数据一致性不容易保证，严重阻碍了新产品的研发进度，影响产品市场占有率。通过分析和研究整车WLTC前几十秒的冷启动工况，获得发动机冷启动阶段工况数据，使用发动机台架模拟WLTC工况来进行等效，通过在台架上编制试验工况程序，实现自动化数据采集。

在发动机台架上进行冷启动排放研究，发动机台架具备换装方便、冷机迅速、试验效率高、试验成本低等优点，面对几十种方案可以快速选择出最优的方案组合，然后在整车上使用转鼓试验台，通过WLTC工况验证其有效性，采集冷启动排放数据，之后进行分析汇总，这样可有效提高工作效率，降低试验成本，快速解决问题。

2 试验方案

2.1 试验前准备

发动机完成台架搭建后，要保证发动机冷启动怠速阶段电控数据正常，可以正常、顺利进行冷启动排放试验。在启动阶段，为保证发动机能够正常启动，过量空气系数需处于0.8左右，发动机怠速时，为保证怠速运转稳定性，过量空气系数需要保持在1左右；发动机机油加注至机油尺标定上限，外接机油冷却循环设备，对机油进行深度冷却，使其满足冷启动排放试验标准。

2.2 试验方法——冷起动试验

启动前水温、机油温度冷却至在23 ℃～25 ℃，台架需要采集发动机转速、扭矩、水温、油温、空燃比、原始排放等参数，冷启动阶段测试工况如表1所示，使用AVL PUMA OPEN系统自动运行工况，并进行采集THC排放数据，采样频率设置为10 Hz。

表1 冷启动阶段测试工况

发动机运转工况时间/s 起动 怠速30 低速小负荷120 怠速10 停机

3 试验结果分析

冷启动阶段THC排放数据如图3、图4所示，通过原机状态、状态1、状态2数据对比，可以得出：状态1与原机状态THC排放相当，而状态2要优于原机状态。

图3 某机型发动机冷起动排放对比曲线

图4 某机型发动机冷起动排放对比曲线（前30秒）

通过对各种发动机状态冷启动阶段前30 s的THC排放数据进行积分计算并分析汇总，对比各个方案的冷启动阶段THC的排放总量，结果如表2所示，通过分析数据可以得出以下结论，状态2的冷启动阶段的THC排放水平明显优于原机状态，可能满足国六B法规的限值要求，而状态1的冷启动阶段的THC排放水平较原机状态有所劣化。

综上所述，状态2方案可以显著降低发动机冷启动阶段的THC排放水平。将状态2方案的发动机搭载整车，使用底盘测功机进行验证，通过运行WLTC工况进行对比验证，状态2的THC排放较原机状态降低5 mg/km，满足国六B阶段的排放法规要求，并且验证了台架测试的排放结果与整车WLTC验证结果的一致性良好。因此可以使用发动机试验台架模拟整车WLTC工况下发动机工作状态，进行各项方案验证，选出优化方案后，再搭载整车进行校验，进而迅速验证优化方案的有效性。

表2 各状态冷起动THC排放对比

试验状态THC排放浓度/ppmTHC总排放量 起动怠速低速小负荷 原机状态8 9222 7423 918502 675 状态19 1912 1534 202527 706 状态27 0161 6843 800333 755

4 结论

（1）THC的排放主要集中在发动机冷启动阶段，且在冷启动阶段前30 s内达到峰值，在此之后呈现降低趋势。

（2）发动机台架模拟WLTC工况和整车WLTC工况试验结果具有高度一致性，因此可使用发动机台架模拟整车WLTC工况，以提升试验效率。

[1] 中华人民共和国生态环境部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)GB 18352.6—2016.北京:中国环境出版社, 2018.

[2] 环境保护局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段):GB 18352.5—2013.北京:中国环节出版社,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

A

1671-7988(2021)20-157-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.039

尹东升（1984—），男，高级工程师，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，研究方向：发动机试验。