輕型汽車(chē)?yán)鋯?dòng)排放特性研究

楊疑

摘 要：汽車(chē)作為現(xiàn)代交通工具方便了人們，但是也帶來(lái)了環(huán)境污染。在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染情況下國(guó)家對(duì)汽車(chē)尾氣排放污染物制定了嚴(yán)格的法規(guī)限制汽車(chē)尾氣的排放。一個(gè)測(cè)試循環(huán)中汽車(chē)污染物的排放主要集中在冷啟動(dòng)階段。文章主要研究輕型汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段CO、HC和NOx的排放特性，研究表明：在冷啟動(dòng)階段由于啟動(dòng)溫度低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒不良以及催化器沒(méi)有起燃，導(dǎo)致大量CO、HC和NOx排出，隨著冷卻液溫度升高CO、HC和NOx排放逐漸降低到較低水平。

關(guān)鍵詞：輕型汽車(chē)；尾氣排放；排放法規(guī)；測(cè)試循環(huán)；冷啟動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0176-02

1 概述

在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染國(guó)情下，國(guó)家一直在致力于改善環(huán)境；汽車(chē)作為一種現(xiàn)代文明的產(chǎn)物，也是當(dāng)今最為普遍的交通工具，方便了人們也給世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。但是汽車(chē)在方便人們的同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)了巨大污染，汽車(chē)尾氣污染物是環(huán)境的主要污染源之一。要想有效改善環(huán)境必須降低汽車(chē)尾氣污染物排放。為有效改善機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》，國(guó)家第五階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，即“國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)”，國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)排放控制水平相當(dāng)于歐洲正在實(shí)施的第5階段排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟已經(jīng)從2009年起開(kāi)始執(zhí)行，其對(duì)氮氧化物、碳?xì)浠衔?、一氧化碳和懸浮粒子等機(jī)動(dòng)車(chē)排放物的限制更為嚴(yán)苛。從國(guó)Ⅰ提至國(guó)Ⅳ，每提高一次標(biāo)準(zhǔn)，單車(chē)污染減少30%至50%。2017年1月1日起，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)將全面實(shí)施國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。國(guó)五排放法規(guī)的制訂與實(shí)施給汽車(chē)企業(yè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)及壓力，要想實(shí)現(xiàn)國(guó)五排放法規(guī)限值必須犧牲汽車(chē)的部分經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。研究發(fā)現(xiàn)在一個(gè)NEDC測(cè)試循環(huán)中超過(guò)70%的排放物集中在冷啟動(dòng)階段，因此要想有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放必須有效控制汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段排放，因此研究汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段排放特性十分有必要。李晨貞[2]等對(duì)不同運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)下的輕型汽車(chē)排放特性研究，研究表明：在不同測(cè)試循環(huán)中，無(wú)論是NEDC、WLTC還是EPA75測(cè)試循環(huán)中污染物排放都是集中在冷啟動(dòng)階段。為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)超低排放控制，部分專(zhuān)家學(xué)者著手研究清潔替代燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性，以期尋開(kāi)發(fā)一種超低排放的汽車(chē)。大連民族大學(xué)宮長(zhǎng)明教授[3-4]通過(guò)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性研究發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低的污染物排放，可以比較容易實(shí)現(xiàn)國(guó)五排放法規(guī)對(duì)氣體污染物的排放要求，但是在冷啟動(dòng)階段仍有較高的污染物排放，因此控制甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)污染物排放也是控制污染物排放控制的重要手段。電動(dòng)汽車(chē)由于受電池容量及充電時(shí)間、電池散熱等因素的限值使得電動(dòng)汽車(chē)仍然無(wú)法取代傳統(tǒng)汽車(chē)[5]；氫氣汽車(chē)由于氫氣的制作，儲(chǔ)存及安全性等問(wèn)題仍未得到有效解決，因此氫氣汽車(chē)的發(fā)展十分受限[5]。

在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)汽車(chē)占據(jù)主要地位的背景下，如何有效改善汽車(chē)尾氣排放的關(guān)鍵在于如何有效減小汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段尾氣的排放，因此研究輕型汽車(chē)在NEDC循環(huán)測(cè)試工況下的冷啟動(dòng)階段排放特性十分有意義。

本文主要是在一輛搭載某1.4L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的手動(dòng)擋輕型汽車(chē)通過(guò)滑行法加載，通過(guò)NEDC循環(huán)工況研究NEDC循環(huán)工況下汽車(chē)的排放特性，通過(guò)研究NEDC工況下冷啟動(dòng)階段排放特性為汽車(chē)超低排放技術(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 測(cè)試循環(huán)及測(cè)試設(shè)備

本文研究對(duì)象為一輛搭載1.4L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型汽車(chē)，基準(zhǔn)質(zhì)量為1590kg，最大總質(zhì)量為1950kg的五座輕型汽車(chē)。所用測(cè)試設(shè)備采用全流稀釋系統(tǒng)，所用尾氣分析儀為日本Horiba公司生產(chǎn)的Horiba尾氣分析儀，所用阻力加載系統(tǒng)為德國(guó)MAHA公司生產(chǎn)的MAHA轉(zhuǎn)鼓。試驗(yàn)中按照單點(diǎn)加載法對(duì)汽車(chē)運(yùn)行阻力進(jìn)行加載，然后按照NEDC測(cè)試循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)全流稀釋系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)尾氣進(jìn)行稀釋?zhuān)缓髮?duì)稀釋后的尾氣進(jìn)行分析。驗(yàn)測(cè)試裝置如圖1，測(cè)試NEDC循環(huán)如圖2。

由圖2所示，NEDC測(cè)試循環(huán)包括兩個(gè)循環(huán)由1部（市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）組成。市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)由4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)單元195秒；汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)刻由于機(jī)體溫度為環(huán)境溫比較低，一般我們將第1個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)單元?jiǎng)澐譃槔鋯?dòng)階段；后3個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)為熱機(jī)循環(huán)；市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)為高速大負(fù)荷循環(huán)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)阻力加載，汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)完成NEDC循環(huán)，通過(guò)Horiba尾氣分析儀所測(cè)量得到的冷啟動(dòng)階段CO濃度、HC濃度、NOx濃度如圖3-5所示。

由圖3冷機(jī)啟動(dòng)階段尾氣中CO排放模態(tài)數(shù)據(jù)，從圖中得知，在冷啟動(dòng)階段尾氣中的CO的濃度很高，尤其是在前50s第一個(gè)上坡期間CO排放濃度最高，達(dá)到3%，隨后CO排放濃度逐漸降低。分析其原因主要是在冷啟動(dòng)階段由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度是環(huán)境溫度，溫度比較低；在低溫環(huán)境下汽油的蒸發(fā)和霧化性能很差，為了能夠使得得到較濃的可燃混合氣必須在啟動(dòng)階段噴大量的燃油，因此使得缸內(nèi)混合氣處于過(guò)濃狀態(tài)，同時(shí)由于啟動(dòng)初始階段缸內(nèi)溫度低因此缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量較差，不利于混合氣的充分燃燒，因此會(huì)導(dǎo)致大量的燃油在排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻不能完全燒燒從而產(chǎn)生大量的CO，因此大量的CO被排出。隨著汽車(chē)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度逐漸上升，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的溫度也逐漸上升，能夠改善燃油的蒸發(fā)和霧化因此噴射燃油逐漸靠近理論空燃比不會(huì)出現(xiàn)過(guò)濃的情況，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，缸內(nèi)混合氣燃燒得到改善，因此CO濃度能夠得到有效降低。

圖4是冷啟動(dòng)階段尾氣中THC排放濃度，從圖中可知在啟動(dòng)階段前50s期間，尾氣中THC濃度很高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行尾氣中HC濃度逐漸降低最后降低到比較低的水平。分析原因是，在啟動(dòng)階段由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度比較低，在低溫環(huán)境下汽油不易蒸發(fā)，因此要想得到可燃混合氣必須噴射大量的汽油，同時(shí)由于低溫環(huán)境下不利于火焰核心的發(fā)展以及火焰?zhèn)鞑?，?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒速率很慢，在排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻會(huì)有大量的可燃混合氣來(lái)不及燃燒從而排出，導(dǎo)致尾氣中HC濃度十分高，隨著汽車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，能夠有效改善燃燒，使得火焰?zhèn)鞑ニ俾蕵O大提高，同時(shí)噴射燃油之間減少向理論空燃比靠近，加上尾氣對(duì)催化器的加熱，催化器的催化效率逐漸上升，因此尾氣中的HC濃度逐漸減小，在冷啟動(dòng)后期由于催化器已經(jīng)起燃，催化效率十分高因此尾氣中的HC濃度極大降低。

圖5是冷啟動(dòng)階段尾氣中NOx排放濃度，從圖5可以看出在冷啟動(dòng)初始階段前75s期間NOx的排放都處于很高的水平，然后NOx濃度減小到很低的水平。分析原因是在啟動(dòng)初始階段排氣溫度比較低催化器還沒(méi)有起燃，導(dǎo)致催化器對(duì)尾氣的凈化作用很小，發(fā)動(dòng)機(jī)昂內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx幾乎得不到凈化，從而全部排出，從而使得NOx排放很高；當(dāng)?shù)?5s以后由于排氣對(duì)催化器的加熱使得催化器的轉(zhuǎn)化效率得到極大提高，尾氣中的NOx能夠得到有效的凈化，從而使得尾氣中NOx排放濃度大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段的CO排放主要集中在啟動(dòng)階段，主要原因是啟動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，汽油蒸發(fā)作用弱導(dǎo)致需要加濃混合氣使得大量燃油缺氧產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)生大量CO。

（2）汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段的HC排放主要集中在啟動(dòng)階段，主要原因啟動(dòng)階段機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，混合氣燃燒速率滿，在愛(ài)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻大量混合氣來(lái)不及燃燒從而直接排出，導(dǎo)致HC排放十分大。

（3）汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段的NOx排放主要集中在啟動(dòng)階段，主要原因啟動(dòng)初期排氣溫度低催化器的凈化效率低導(dǎo)致NOx排放很高。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪文忠.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)加速不良的故障診斷與分析[J].汽車(chē)與配件，2017（12）：84-85.

[2]李晨貞，徐月云.不同運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)下的輕型汽車(chē)排放特性研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2015（05）：21-25.

[3]宮長(zhǎng)明，彭樂(lè)高，張自雷，等.DISI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014（06）：45-50.

[4]宮長(zhǎng)明，彭樂(lè)高，孫景震，等.噴嘴開(kāi)啟壓力對(duì)DISI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2015（03）：70-75.

[5]李靜媛.加氫站高壓氫氣充裝策略及泄漏爆炸后果預(yù)測(cè)研究[D].浙江大學(xué)，2015.endprint