当冷起动阶段车辆排放特性研究

冷起动阶段车辆排放特性研究

摘要：本文就汽车冷起动阶段排放特征及不同测试方法对测量结果的影响进行了阐述分析，指出针对冷起动阶段的排放控制对策，并给出我国目前部分轻型汽车排放水平。

关键词：排放 冷起动 控制

1 前言

随着汽车排放标准限值的加严，电控多点燃油喷射加催化转化技术作为有效的净化方式已经得到广泛应用，现代的催化转化器对三种污染物的转化效率普遍在90%以上(催化剂充分起燃后)，且车辆三种污染物(HC、CO、NOX)的70%～80%产生在冷起动阶段。例如，FTP75 在测试循环下，三种污染物HC、CO、NOX在冷起动阶段排放量占整个循环的84%、83%、51%[1]。为适应新的排放法规要求，降低车辆冷起动排放已经成为新的工作重点。我国已基本明确了向欧洲靠拢的排放标准体系，汽车制造商及科研单位已经开始EUROⅢ试验室建设及技术储备。表1 给出了欧洲不同阶段的排放标准限值，单从排放限值来看，从欧Ⅱ到欧Ⅲ的过渡并无太大变化，但由于在新的测试方法(NEDC)上取消了前40 秒怠速过程，使得冷起动阶段排放量大大增加。从欧Ⅱ到欧Ⅲ的过渡将面临新的技术挑战。我们利用实验机还可以做改变实验、疲劳实验、蠕变实验、松弛实验、持久实验等等表1 欧洲不同阶段的排放标准限值 (g/km)

2 冷起动阶段车辆排放特征

冷起动阶段较高的污染物排放由许多复杂因素决定，按其影响方式可分为以下几方面：

1)发动机本身的HC 和CO 排放量较大，HC 和CO 虽然都是不完全燃烧的产物，但 CO 排放量主要取决于空燃比，所有影响空燃比的因素都会影响CO 排放。油温、水温没有达到设定值之前，发动机未能进入闭环控制状态，空燃比发生偏离以及为了迅速提高排气温度而在发动机标定时的燃油加浓等原因而导致发动机本身的CO 排放量要远远大于热机状态。而一切对火焰传播和燃烧有抑制作用的因素都会影响HC排放，冷起动阶段由于冷却液温度上升缓慢，燃烧过程有大量的热需要向较冷的气缸壁传递，如果在某一瞬间局部热量传递速度超过燃烧热量传播，部分燃油混合物将不充分燃烧而产生较多的HC。研究发现，气缸壁温度与冷却液温度大致存在如下关系；

Tw=Tc+(0..00013Tc)+4.6Pe

式中 Tw——气缸壁温度

Tc——冷却液温度

N——转速

Pe——功率

2) 催化转化器未能有效发挥作用

催化转化器的转化效率是控制汽车排放的关键，由于冷起动阶段排气温度未能达到催化剂起燃温度以及空燃比发生偏离使得催化转化器的转化效率很低，图1、2 为某催化转化器温度特性及空燃比特性图。

图1 某催化转化器温度特性

图2 某催化器空燃比特性图

图中可以看出，当空燃比偏浓时, HC 和CO 转化效率明显降低，而“S”形的温度特性曲线表示了催化转化器在低温状态(低于250℃)基本不起作用。现代的催化转化器起燃温度(T50)一般在300℃左右，一些起燃性能较好的进口产品(或国内封装)起燃温度可以达到250~260℃，并且催化转化器起燃性能将随使用过程逐步降低。经过100 小时的台架老化(相当于实车行驶80000km)后，起燃温度一般都要升高20~50℃。表2 为部分催化转化器起燃温度，基本代表了目前我国催化转化器产品现状(近40 种试验样本中选取)。表2 部分催化转化器起燃温度

注：(1)为新鲜催化器试验结果

(2)为经过100 小时老化后试验结果

3 测试循环对排放结果的影响

从欧Ⅱ到欧Ⅲ的过渡主要就在于新的测试方法(NEDC)同以前相比(UDC+EUDC)取消了前40 秒怠速过程，同时，将欧Ⅱ标准下对HC+NOX总量的限制改为对HC、NOX分别进行限制。欧Ⅲ标准下的测试循环图见图3。新的测试方法(NEDC)同欧Ⅰ、欧Ⅱ标准要求下的(UDC+EUDC)以及FTP 75 测试方法相比存在以下特征。

图3 欧Ⅲ测试循环图

由于测试方法的变化，已经满足欧Ⅱ标准的车辆在欧Ⅲ测试方法下必然要得出完全不同的结果。图4～图6 分别为欧洲市场5 种代表车型在欧Ⅱ、欧Ⅲ两种测试方法下得出的试验结果(数据来源SAE)。

图4 两种测试方法下前195 秒排放量

图5 两种测试方法下UDC 阶段排放量

图6 两种测试方法下总排放量

由于在取样点上取消了前40 秒怠速过程，使得欧Ⅲ测试方法下，同一车辆CO、HC 排放量将增加约30%～40%，这主要在于前195 秒排放量大约增加60%～80%。两种测试方法下，分别对5 种车型各阶段排放量(CO、HC)占总排放量的比例进行统计，结果见表3。表3 CO、HC 各阶段排放量占总排放量比例统计表

通过表3 可以得出；

在欧Ⅱ测试方法下，5 种车型UDC 阶段CO、HC 分别占总排放量的83.7%～97.1%和84.3%～97%，其平均值约为85.8%和84.5%。而在EUDC阶段CO、HC 位移显示器及实验力显示器分别显示出相应的数分别仅占总排放量的2.9%～16.3%和3.0%～15.7%其平均值约为14.2%和15.5%。在欧Ⅲ测试方法下，5 种车型UDC 阶段CO、HC 分别占总排放量的88.0%～98.2%和89.6%～98.8%，其平均值约为93.8%和92.2%。而在EUDC 阶段CO、HC 分别仅占总排放量的1.9%～12.0%和1.2%～10.4%其平均值约为6.2%和7.8%。在欧Ⅲ测试方法下，CO、HC 在UDC 阶段排放量占总排放量比例的增加主要是由于前195 秒排放量的增加。

4 我国轻型汽车排放水平现状

在法规要求和政策鼓励的推动下，国内各汽车制造商都在增加技术投入，努力降低汽车排放水平。图7～图9 为我国部分最新车辆排放结果，图7 为UDC 阶段CO、HC 排放量，图8 为EUDC 阶段CO、HC排放量，图9 为CO、(HC+NOX)总排放量，所有车辆均为经过磨合的新车，试验在在欧Ⅱ测试方法下进行。从试验结果来看，绝大部分车辆均能满足欧Ⅱ排放限值，但如果按新的欧Ⅲ测试方法进行，必然要得到完全不同的结果。

图7 UDC 阶段CO、HC 排放量

图8 EUDC 阶段CO、HC 排放量

在法规要求和政策鼓励的推动下，国内各汽车制造商都在增加技术投入，努力降低汽车排放水平。图7～图9 为我国部分最新车辆排放结果，图7 为UDC 阶段CO、HC 排放量，图8 为EUDC 阶段CO、HC排放量，图9 为CO、(HC+NOX)总排放量，所有车辆均为经过磨合的新车，试验在在欧Ⅱ测试方法下进行。从试验结果来看，绝大部分车辆均能满足欧Ⅱ排放限值，但如果按新的欧Ⅲ测试方法进行，必然要得到完全不同的结果。

5 降低冷起动阶段排放对策

5.1 优化发动机结构设计

HC 排放主要产生在燃烧室缝隙紧挨缸壁的边界层及第一活塞环上部间隙。紧凑的燃烧室具有较小的火焰冷激表面，同时降低冷态时活塞与气缸壁之间间隙以及将第一活塞环上移等结构改进都有利于降低冷起动阶段HC使用寿命短 排放量。减少冷起动时的加浓可降低冷起动阶段CO 排放量，但必须要改进进气系统以保证冷起动阶段燃烧稳定性。

5.2 适合催化转化器快速升温的排气系统

高孔密度薄壁载体能够提供更高的表面积及更低的热容，有利于催化剂快速达到起燃温度而降低排放。另外，传统的发动机排气歧管一般由铸铁铸造而成，热容量大，将其改为低热容的冲压排气歧管并结合催化转化器前段的双层保温排气管有助于催化转化器快速升温。这种排气系统在国外部分车辆上已经得到了应用。

5.3 CCC 催化转化器(Close Coupled Catalyst)的应用

在不改变发动机设计及催化转化器内部结构的前提下，将催化转化器向发动机方向靠近而形成CCC催化转化器可有效降低冷起动阶段排放，其对降低HC 的效果最为明显，相同结构的CCC 催化转化器较底盘下催化转化器大约能降低60%的HC、9%的CO、及10%的NOX(EPEFE)。但CCC 催化转化器在车辆高速行使时需要承受更高的热负荷从而加速其老化。因为Pd 催化剂较Pt/Rh 催化剂具有更好的热稳定性，因而在CCC 催化转化器中得到了广泛应用。

5.4 快速起燃的氧传感器系统

在冷起动阶段，除了催化转化器没能达到起燃温度以外，氧传感器未能有效发挥作用也是导致车辆高排放的另一重要原因。发动机控制系统要借助氧传感器的输入信号，而氧传感器也要达到一定温度才能有效工作，冷起动阶段发动机因不能进入闭环控制而使得对磁芯材料的检测选用济南新时期试金仪器有限公司自制的专用的夹具空燃比发生偏离。因而，通过快速加热氧传感器或将其尽量靠近发动机使氧传感器快速起燃可以缩短发动机开环控制时间，减少发动机排放并有利于催化转化器发挥作用。

5.5 适应催化器工作环境的发动机标定技术

减少冷起动阶段供油量(λ=1.05)及推迟点火(20°)有利于快速提高排气温度而降低排放，由于电控发动机的标定技术具有很大灵活性，因而可以在现有发动机结构的基础上找到合适的供油时间、脉宽及点火时间使其适应催化转化器工作环境，而不会明显降低怠速稳定性。

参考文献

1 Reduced Air Pollution and Fuel Comsumption With Preheated Car Engine Paul G and Anders Ydstedt——Urban transport and Enviroment For The 21st century

2 Euro III / Euro IV Emissions – A Study of ColdStart and Warm Up Phases with a SI(Spark Ignition) Engine——Piotr Bielaczyc and Jerzy Merkisz, sae(end)