常温下发动机冷热启动工况排放特性实验研究

孟忠伟，邓盟，范咏玲，汪永东，周子航，李跃平，闫妍，吴怡

（1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2.西华大学汽车测控与安全四川省重点实验室，四川 成都 610039；3.成都市机动车排气污染防治技术保障中心，四川 成都 610000；4.成都市环境保护科学研究院，四川 成都 610072）

2020 年中国机动车保有量达3.72 亿辆，其中汽车保有量达2.81 亿辆。机动车保有量的快速增长，也成为我国严重雾霾天气的主要原因之一。根据生态环境部发布的《2021 年中国移动源环境管理年报》，机动车排放污染物对大气污染的分担率占30%左右[1]。2018 年5 月北京发布的PM2.5 源解析表明：北京市当前本地大气PM2.5 来源中，移动源占比最大，达到45%。为降低汽车尾气排放颗粒物，欧洲最早从2011 年（欧Ⅴb）开始在新增轻型柴油车上加装壁流式柴油颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF），以满足颗粒排放数量（PN）的限值（6×1011个/km）[2]。缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）汽油车在2013 年（欧Ⅵ）后也开始加装与DPF材料和结构类似的汽油机颗粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF），满足PN 排放限值的要求。中国最早从2016 年（北京、国Ⅴ）开始在新增重型柴油车上强制加装DPF。新增GDI 汽油车也基本都需加装GPF 才能满足国Ⅵ的PN 限值要求。颗粒捕集器（DPF/GPF）过滤效率高，能有效降低颗粒排放，满足排放法规要求。然而，颗粒捕集器在工作过程中会出现两种颗粒排放量陡增的情况。1）捕集器的主动再生工况。有研究[3-4]发现，再生时DPF 出口PN 值与非再生时相比，可增加3～4 个数量级，PN 值可达到40×1011个/km，远远超过欧Ⅴb 的PN 限值（6×1011个/km）。2）发动机的瞬变工况（启动和加速）。有研究发现：即使加装了DPF 系统，在新欧洲循环测试中（new European driving cycle，NEDC），轻型柴油车85%的颗粒来源于冷启动后的160 s 时间内[5]；在全球统一车辆循环测试中（word harmonized vehicle cycle，WHVC），重型柴油车前900 s 排放的PN 值可以达到400×1011个/km[6]，远远超过实际道路测试（real-driving emission，RDE）的PN 限值（9×1011个/km）。此外，发动机的突然加速也会导致DPF出口颗粒数量明显增加[3，7]，满负荷加速时的颗粒排放量可以达到NEDC 测试循环平均值的50 倍以上[3]。捕集器在工作过程中其出口高频次地出现颗粒陡增现象，将对大气环境造成较大威胁，急需对其进行控制和优化。因此，从发动机冷热启动工况的排放特性入手，研究其排放特性，为优化DPF 的工作性能，为进一步降低发动机冷热启动的污染物排放，降低对环境污染的影响，具有重要的研究意义。根据发动机冷却液温度和后处理系统的温度，可以将发动机的启动类型分为冷启动、暖启动和热启动[8]。发动机冷启动时，由于进气和燃油温度低，混合气偏浓，燃烧不充分；润滑油温度低，摩擦损失大，喷油量增加；相比热启动，冷启动时点火时间延长；排气温度和后处理系统温度低，转化效率低。上述这些因素共同作用，导致发动机原始排放污染物急剧增加[5]。当启动一段时间后，随着润滑油和冷却液温度上升，混合气燃烧得到优化。同时，后处理系统温度在高温时开始进入高效工作区，发动机排放污染物将逐渐下降到较低的状态。发动机冷启动后的几分钟内是其污染物排放的主要阶段。Chen等[3]的研究表明，直喷汽油机（GDI）汽车约有50%以上的PN 排放来源于前195 s的冷启动阶段（NEDC 测试）。在冷启动后的60～100 s 内，PN 排放量将陡增至少1～2 个数量级（全球轻型汽车循环测试（world harmonized light-duty test cycle，WLTC）[9-10]和美国城市工况测试（federal test procedure，FTP））[11]。无GPF 的欧Ⅵ GDI 汽油车冷启动NEDC 测试的PN 排放量可以达到11×1011～38×1011个/km，超过RDE 的PN 限值[12]。这成为了GPF 颗粒捕集器在欧Ⅵ或国Ⅵ实施后逐渐成为GDI 汽油车标配的主要原因。而柴油车则早在欧Ⅴb 实施后（2011 年）就已经逐渐采用了DPF 的技术路线[9]。

加装颗粒捕集器（DPF/GPF）后，轻型柴油车[12]、轻型GDI 汽油车[13]以及重型柴油车[6]都很容易满足PN 的排放限值要求。但是加装捕集器（DPF/GPF）后冷启动时PN 排放仍然明显，捕集器的瞬态捕集性能具有很大的优化空间。对于轻型柴油车，意大利欧盟联合研究中心（European commission's joint research center，JRC）环境保护研究所的Mamakos等[9]发现，在DPF 有大量碳烟沉积，过滤效率较高的情况下，仍然有85%的颗粒排放来源于冷启动后的160 s 时间内，这与Bergmann等[2]的研究结果一致。对于轻型GDI 汽油车，Mamakos等[5]也发现，在低温冷启动阶段GPF 出口颗粒数量也有至少10 倍的增长。对于重型柴油车，JRC 的Giechaskiel等[7]发现，冷启动后900 s 内，DPF 出口的PN 排放值甚至高达400×1011个/km，远远超过法规的PN 限值。Chiatti等[4]基于发动机台架，研究了各种冷启动类型前10 s 内的颗粒排放特性发现：发动机点火启动后，颗粒排放量陡增，冷启动、暖启动和热启动排放的颗粒物粒径范围分别为80～420、75～350和50～250 nm，排放的颗粒物粒径逐渐减小；相比冷启动，热启动时PN 数量浓度也可降低10 倍左右。其他的研究[9]也表明，冷启动时的颗粒排放约是热启动的10 倍以上。此外，环境温度对发动机冷启动排放也有明显影响。Mamakos等[9]的研究发现，车辆在环境温度为-7 ℃时PN排放量均大于22 ℃的数值，DPF 车辆分别是6×1012和6×1011个/km，GPF 车辆分别是7×1012和3×1012个/km。环境温度降低，发动机原排颗粒物升高，从而导致捕集器（DPF/GPF）后颗粒物排放也相继升高[14-15]。上述研究说明，若能降低冷启动阶段捕集器出口的PN 排放，其综合测试循环（如WLTC）的PN 值则可以进一步下降到更低的状态，为发动机实现颗粒物近零排放提供可行的解决方案。

综上所述，在国Ⅵ排放实施后DPF/GPF 大量使用的背景下，探索进一步降低冷热启动工况其出口的颗粒排放措施，首先需要从发动机在冷热启动工况时的原始排放特性入手，研究其排放变化规律。本文选取6 台发动机开展测试，包括发动机台架和在用车辆发动机，排放阶段涵盖国Ⅳ到国Ⅵ，开展其冷热启动排放测试，分析发动机冷热启动工况时的气体和颗粒排放特性。

1 试验设备及试验方法

选择3 台国Ⅳ和1 台国Ⅵ柴油机，以及1 台国Ⅳ进气道喷射（PFI）汽油机和1 台国Ⅴ缸内直喷（GDI）汽油机，共6 台发动机进行试验。选择排放阶段较低的国Ⅳ和国Ⅴ发动机是为了探索在较高原排条件下发动机的冷热启动排放能性，选择1 台国Ⅵ柴油机是为了探索在较低原排条件下发动机的冷热启动排放性能。本文测试了柴油机和汽油机的冷热启动排放特性，并将汽油机和柴油机的排放特性进行对比分析。各发动机的具体参数和测试条件见表1。

本文采用DMS500 快速颗粒物光谱仪 用于测量发动机尾气中的颗粒粒径分布、总数目浓度，其粒径测量范围为5～1 000 nm。NanoMet3 便携式颗粒物测试系统用于测量10～700 nm 的纳米颗粒物数量浓度及粒径大小。PEMS 测试仪是美国Sensors公司的便携式排放测试系统设备SEMTECH-CPN和SEMTECH-ECOSTAR。SEMTECH-CPN颗粒物数量测试系统采用凝结颗粒计数方法，用于测量颗粒物数量浓度。SEMTECH-ECOSTAR 车载尾气分析系统包括THC 测试模块、CO和CO2测试模块、NOx测试模块，用于测量气体污染物排放浓度。

测量冷启动工况下的颗粒物与气体污染物排放时，需要将发动机停机12 h，以确保发动机和催化转换器冷却到环境温度，试验时润滑油温度不超过30 ℃。测量热启动工况下的颗粒物与气体污染物排放时，需要将发动机怠速运行30 min 以上，确保发动机和催化转化器都接近工作温度，试验时润滑油温度应在100 ℃左右。测试冷、热启动工况时，发动机在打火启动一段时间后（60～150 s）熄火，再次进行打火启动，测试各次启动工况的排放特性。

表1 测试发动机参数和测试条件

2 实验结果及分析

2.1 柴油发动机启动工况时的排放特性

2.1.1 柴油机颗粒物排放特性

图1为1 号柴油发动机在发动机台架上测试的冷、热启动时颗粒物浓度及粒径变化特性。在冷启动工况下，1 号柴油机连续进行了两次启动，每次启动后的颗粒物浓度变化趋势大致相同，颗粒物数量浓度都在启动后几秒内突然增加2～4 个数量级到达峰值，然后缓慢降低。冷启动时，如图1（a）所示。第2 次打火时颗粒物数量峰值浓度开始下降，从第1 次打火的1.35×109N/cc 降低到1.10×109N/cc，且峰值浓度持续降低。这主要是由于发动机缸内温度在第一次打火后开始有所上升，燃烧得以优化所致。两次打火时颗粒物数量浓度峰值粒径均在20 nm 左右，且随着时间的增加峰值粒径逐渐降低到15 nm 左右。第一次冷启动打火后颗粒物浓度稳定的时间大致为118 s，而第二次打火的稳定时间降低为98 s，可以看到随发动机缸内温度的逐渐升高，启动后颗粒物浓度稳定的时间逐渐减少。

热启动时，如图1（b）所示。与冷启动颗粒排放特性相似，两次热启动时的颗粒物数量浓度都在打火后几秒内陡增，到达峰值后迅速下降。热启动时颗粒物数量浓度峰值为7.0×108N/cc，且相比于冷启动高浓度峰值的持续时间很短，此后颗粒浓度迅速趋于稳定。由于热启动时，发动机机油和水温较高且稳定，因此连续两次打火颗粒排放特性的重复性较好。颗粒物数量浓度峰值粒径在启动后约为18 nm，经过2 s 后迅速降低为12 nm 左右。

图1 1 号柴油机冷、热启动后颗粒物浓度及粒径变化云图

图2对比了1—4 号柴油机第一次冷启动和热启动后排放颗粒物总数量浓度随时间的变化关系。1 号柴油机冷、热启动时颗粒物数量浓度变化趋势基本相似，都在打火后几秒内迅速增加，到达峰值后下降，如图2中黑色线所示。冷启动后颗粒物数量浓度在较长时间内趋于稳定，而热启动后颗粒物数量浓度在稳定后有逐渐下降的趋势。热启动缸内温度较高，仅在打火的一段时间内使得颗粒排放升高，随后颗粒浓度逐渐降低。从图2中可以明显看出，1 号发动机在颗粒物数量的稳定期，冷启动时颗粒浓度为1.9×108N/cc，而热启动时颗粒浓度为7.3×107N/cc，两者相差1.2×108N/cc。2 号发动机冷、热启动时颗粒物数量浓度变化趋势存在较大差别，如图2中红色线所示。冷启动时，颗粒物数量浓度先增加形成波峰，随后产生两次波动后呈稳定趋势，最后在熄火前再次波动。这与2 号发动机是国Ⅵ发动机，冷启动时为了快速升高排气温度而采用了相关的热管理措施有关[16]。2 号发动机热启动时颗粒物数量浓度在打火后出现短时间的波峰，随后浓度趋于稳定，颗粒浓度也明显低于冷启动时的稳定浓度。在打火后先增加2～3 个数量级，到达波峰后逐渐降低，最后呈稳定趋势。3 号和4 号柴油机冷、热启动时颗粒物数量浓度随时间变化的趋势相同。冷启动时，在打火后形成颗粒浓度波峰，波峰持续约60 s，到达峰值后逐渐下降，最后呈稳定趋势。热启动时，在打火后的浓度波峰不明显，到达最大值后就趋于稳定。值得一提的是，在稳定期3 号和4 号柴油机冷、热启动的颗粒物数量浓度排放峰值相差不大。在冷启动时，3 号和4 号柴油机的颗粒物数量浓度排放峰值均为4.5×107N/cc 左右；在热启动时，3 号和4 号柴油机的颗粒物数量浓度排放峰值均为9.5×106N/cc左右。热启动后稳定的颗粒浓度没有明显下降，但相比于国Ⅵ 2 号柴油机，其稳定浓度要高出约7.1×106N/cc。这与3 号和4 号柴油机均为同款国Ⅳ柴油机，原始排放较高所致，而且国Ⅳ柴油机启动工况时，没有采用热管理技术，导致冷、热启动时稳定期的颗粒排放相差不大。

图2 柴油机冷、热启动颗粒物排放特性

2.1.2 柴油机气体污染物排放特性

本文测试了3 号柴油机第一次冷启动和热启动时的气体污染物排放特性，其CO 排放特性如图3所示。由图可知：柴油机冷启动时，CO 排放呈双峰趋势，在打火后几秒内先增加形成一个小波峰，随时间增长CO 排放再次增加形成主峰（约1 223 ×10-6），后逐渐降低呈稳定趋势，约375 ×10-6；热启动时，在打火后CO 浓度有小幅增加，形成一个小波峰（约80 ×10-6）后减小至25 ×10-6左右趋于稳定，明显低于冷启动时的CO 排放。

图3 柴油机冷、热启动CO 排放特性

柴油机冷、热启动THC 排放随时间的变化关系如图4所示。由图可知，冷启动时柴油机的THC 排放在打火后迅速增加，到达峰值后逐渐减小，最后呈稳定趋势。在此工况下，THC 排放峰值为191 ×10-6，稳定期排放为96 ×10-6，而热启动的THC 排放峰值仅为38×10-6。热启动时，THC 排放的变化趋势与冷启动不同。冷启动时THC 排放的峰值持续时间约为32 s，而热启动时THC 排放在49 s 左右到达峰值后保持稳定不变。在冷启动工况下，进气道和燃烧室的温度很低，喷出的燃油蒸发缓慢，且大量吸附在壁面，使得燃烧室内的混合气过稀，点燃较为困难，需要增加喷油量来加浓混合气。另外，冷启动时缸内的残余废气较多，燃烧不稳定，燃烧不完全和较厚的壁面淬冷层等原因，造成大量的碳氢化合物（THC）排放[16]。

图4 柴油机冷、热启动THC 排放特性

柴油机冷、热启动时NOx排放特性如图5所示。由图可知，在冷启动时NOx排放在打火后先快速增加，到达峰值后快速下降，随后又迅速增加，最后呈缓慢下降趋势。而在热启动工况时，NOx排放先快速增加，增至峰值后逐渐下降，最后呈稳定趋势。在冷热启动工况时NOx排放都在20 s 左右到达峰值，且峰值都约为299 ×10-6，峰值均持续8 s 左右。冷启动后NOx排放在42 s 时降低到最低点，每秒排放约47 ×10-6，随后又迅速增加。这主要是由于冷启动时缸内温度低，混合气较浓，燃烧温度低，缸内生成的NOx容易与未燃的燃料发生再燃现象，导致NOx启动后迅速降低。研究表明，NOx易与烷烃发生氧化还原反应，也称为NOx与碳氢化合物的硝化反应，这与NO/NO2和烷烃反应中的碳氢链传播、NO/NO2与烃类的O/H 自由基反应生成OH 有关[16-19]。而后随缸内燃烧温度的增加，NOx生成量增加，此后燃烧逐渐趋于稳定，NOx生成量缓慢下降。相比热启动，冷启动在打火后排放的NOx低于热启动排放量，这与CO和THC的冷、热启动排放规律相反。

图5 柴油机冷、热启动NOx 排放特性

2.2 汽油发动机启动工况时排放特性

2.2.1 汽油机颗粒排放特性

汽油机（5 号和6 号）的冷、热启动颗粒物数量浓度排放特性如图6所示。由图可知，冷启动时上述两款汽油机均在打火后颗粒物数量浓度迅速增加，增至峰值（5 号汽油机的排放峰值约为9.6×107N/cc，6 号汽油机的排放峰值约为2.6×107N/cc）后，随时间的增长呈波动下降趋势。而热启动时，两款汽油机颗粒物数量浓度在打火后陡增，增至峰值后（5 号汽油机的排放峰值约为1.7×107N/cc，6 号汽油机的排放峰值约为2.5×105N/cc）迅速下降，最后在一定范围内波动。两款汽油机冷启动颗粒物数量浓度排放的峰值持续时间比热启动的长。5 号汽油机冷启动PN 浓度峰值持续约77 s，热启动的持续时间比冷启动少50 s 左右。6 号汽油机冷启动PN 数量浓度峰值持续约40 s，热启动的持续时间比冷启动少18 s 左右，而且5 号汽油机冷启动时颗粒物数量浓度排放随时间变化的波动幅度大于热启动，而6 号汽油机冷、热启动的变化趋势差异不大。总体来看，5 号汽油机冷、热启动时排放的PN 浓度均大于6 号汽油机。这主要是由于相比采用进气道喷射（PFI）的6 号汽油机，5 号汽油机是缸内直喷（GDI）发动机，燃油直接喷射到气缸内，在启动阶段，缸内和壁面温度较低，燃油雾化质量较差，导致局部混合气浓度较高，容易导致大量碳烟生成[20]。

值得一提的是，5 号汽油机在冷启动后约150 s时，其PN 排放又有突然增加的趋势，而后迅速下降。分析其原因可能是5 号国Ⅴ GDI 发动机也采用了启动工况热管理技术，及时调整喷油规律，增大喷油量，迅速提升排气温度所致。

对比图2和图6可知，整体来看柴油机冷、热启动排放的PN 浓度大于汽油机排放。直喷汽油机（5 号）的冷、热启动排放峰值接近于柴油机排放量，但随着启动时间的增加，汽油机（5 号和6 号）PN 排放浓度明显下降，而柴油机排放PN 值由于颗粒物的浓度较高，尽管有下降趋势，但不如汽油机明显。

图6 汽油发动机冷、热启动PN 排放

2.2.2 汽油发动机的气体排放特性

本文测试了6 号汽油机冷、热启动CO 排放特性，如图7所示。由图可知，冷热启动工况时CO排放随着时间增长的变化趋势相同，均在打火后几秒内迅速增加至峰值，随后迅速下降到45 ×10-6左右呈稳定趋势。这表明发动机进入了热稳定运行状态，且此时三元催化转化器处于高效工作区间，CO 浓度迅速降低。在峰值时刻，汽油机冷启动CO 浓度为28 125 ×10-6，而热启动时为23 085 ×10-6，两者相差5 040×10-6。此外，冷、热启动的CO 浓度峰值持续时间分别为24 s和38 s。

图7 汽油机冷、热启动CO 排放特性

汽油机冷、热启动THC 排放特性如图8所示。由图8可知，汽油机冷、热启动THC 排放特性大致相同，均在打火后几秒内迅速增加，增至峰值后迅速降低趋于稳定。其中，冷启动时汽油机在稳定期的THC 排放约为52 ×10-6，热启动时汽油机在稳定期的THC 排放约为91 ×10-6。冷启动时，THC 排放峰值浓度为1 643×10-6，热启动时THC峰值浓度为1 393×10-6。此外，冷、热启动THC 排放峰值持续时间相当，均为33 s 左右。

图8 汽油发动机冷、热启动THC 排放

汽油机冷、热启动NOx排放特性如图9所示。由图可知，冷、热启动NOx排放变化趋势也大致相同，均为打火后迅速增加至峰值，后迅速降低呈稳定趋势。其中，冷启动时汽油机在稳定期的NOx排放趋近于零，热启动时汽油机在稳定期的NOx排放约为1×10-6。冷启动时，NOx排放峰值约90 ×10-6，热启动时，NOx排放峰值仅为4 ×10-6。这主要是由于热启动时，三元催化转化器处于高效温度区间，可以在热启动后立即转化掉NO[12，21]。然而图7和图8显示，热启动后三元催化转化器对CO和THC的脱除作用并不显著。这主要是由于无论冷启动和热启动，启动时混合气加浓，空燃比低于理论空燃比，不利于还原性气体CO和THC 的转化，却有利于氧化性气体NOx的转化。

图9 汽油发动机冷、热启动NOx 排放特性

2.3 柴油机和汽油机冷热启动排放特性对比

由于不同的测量装置存在测量差异，所以同一发动机冷热启动排放特性的比较更能反映出常温下冷热启动工况对发动机排放特性的影响。将6台发动机在冷启动工况和热启动工况下整个工作过程的排放物进行分别统计，使各发动机在不同工况下排放物的差异更直观，具体情况如表2—5所示。

由表2可知，2 号柴油机冷热启动的PN 排放差异最大，冷启动工况下排放的PN 约为热启动工况排放的38.5 倍。3 号和4 号柴油机冷热启动PN 排放差值大致相同，主要是由于3 号和4 号柴油机型号及测量条件相同，仅是行驶里程不同。此外，与柴油机相比，汽油机在冷热启动工况下的PN 排放差异较大，冷启动与热启动的总PN 比值均在10 倍以上。其中5 号汽油机冷热启动PN 排放差距最大，冷启动时总PN 排放约为热启动的23 倍。

表2 柴油机和汽油机冷热启动PN 排放对比

表3 柴油机和汽油机冷热启动CO 排放对比

表4 柴油机和汽油机冷热启动THC 排放对比

表5 柴油机和汽油机冷热启动NOx 排放对比

由表3可知，柴油机和汽油机冷热启动CO 排放比值差异较大。3 号柴油机冷启动CO 排放约为热启动排放的17 倍，而6 号汽油机冷启动CO 排放与热启动排放基本相同。

由表4可知，3 号柴油机的冷热启动THC 排放差异明显，冷启动排放约为热启动排放的2.8倍，而6 号汽油机的冷热启动THC 排放基本相同。

由表5可知，柴油机和汽油机的冷热启动NOx排放比值与CO和THC 排放存在明显差异。其中，3 号柴油机的冷启动NOx排放低于热启动排放，冷启动NOx排放约为热启动的0.8 倍。而6 号汽油机冷启动时的NOx排放约为热启动的2.7 倍。

3 结论

本文基于发动机台架和整车PEMS 测试方法，对柴油机和汽油机在常温下的冷、热启动排放特性开展了研究，分析和对比了冷、热启动的排放特性以及汽油机和柴油机的排放差异，为后续控制发动机启动排放提供实验依据。通过实验研究，得出以下结论。

1） 柴油机在冷、热启动工况下，排放的颗粒物数量浓度均先迅速升高，后快速下降并趋于稳定，浓度波峰最大值可以达到1.35×109N/cc。冷启动时，随打火次数的增加，PN 稳定时间缩短。PN 峰值粒径由20 nm 左右减小到约18 nm。热启动时，PN 峰值粒径约为12 nm。冷启动排放颗粒物数量总量最大可以达到热启动时的38.5 倍。

2） 柴油机冷启动时排放的CO和THC 均比热启动时高，峰值浓度分别为1 223 ×10-6和191×10-6。冷/热启动排放的CO和THC 比值分别可以达到17.1和2.8。然而，柴油机冷启动时NOx排放量低于热启动时的排放量。

3） 汽油机冷、热启动时GDI 汽油机排放PN明显大于PFI 汽油机排放量。在冷启动时，GDI 汽油机排放颗粒浓度峰值可以达到9.6×107N/cc，接近柴油机启动排放颗粒物浓度。汽油车冷启动排放PN 总量可以达到热启动时的23.1 倍。

4） 汽油机在冷启动时，CO和THC 排放最高可分别达到28 125×10-6和1 643×10-6。而冷启动时NOx排放最高可达90 ×10-6，热启动时仅为4 ×10-6。