不同起動(dòng)初始邊界對(duì)汽油機(jī)排放的影響

（奇瑞汽車(chē)股份有限公司 安徽 蕪湖 241009）

引言

隨著全球各國(guó)對(duì)大氣污染的重視程度不斷加強(qiáng)，排放法規(guī)日益嚴(yán)苛。中國(guó)第六階段排放法規(guī)已將實(shí)際行駛排放RDE（Real Driving Emission）試驗(yàn)作為補(bǔ)充測(cè)試程序[1]，這一要求無(wú)疑體現(xiàn)對(duì)排放檢驗(yàn)工況的全覆蓋性。諸多研究學(xué)者已針對(duì)柴油機(jī)不同的冷暖機(jī)工況的排放特性以及對(duì)汽油機(jī)不同的地域特征進(jìn)行過(guò)系列的排放影響研究[2-6]。中國(guó)第六階段排放法規(guī)對(duì)I 型常溫排放的實(shí)驗(yàn)浸車(chē)溫度控制目標(biāo)為23 ℃，允許實(shí)際溫度偏差為±3℃[7]，從這一浸車(chē)要求的實(shí)驗(yàn)邊界控制條件看，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)長(zhǎng)浸置時(shí)間起動(dòng)初始邊界下的排放未做明確表示。

為了研究不同客戶在車(chē)輛不同使用工況下的排放特性，同時(shí)為不同的試驗(yàn)邊界下的排放趨勢(shì)對(duì)RDE 的影響研究做好鋪墊，從客戶日常使用車(chē)輛的實(shí)際情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，文章基于一款匹配4 缸直噴增壓機(jī)型的車(chē)輛，采用全球輕型車(chē)測(cè)試程序WLTC 研究不同浸車(chē)邊界下排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)資源

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

整個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路以中國(guó)第六階段排放法規(guī)I 型試驗(yàn)為主要依據(jù)，以實(shí)際駕駛排放測(cè)試工況為參考，充分考慮客戶在用車(chē)日常使用狀態(tài)，同時(shí)為更好地實(shí)現(xiàn)多維度影響因素的解耦，試驗(yàn)保持發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱控制單元的標(biāo)定控制邊界不變?；谄胀蛻糗?chē)輛的實(shí)際運(yùn)行情況，選取不同的浸置時(shí)間長(zhǎng)度作為試驗(yàn)初始邊界控制目標(biāo)。試驗(yàn)選取浸置時(shí)長(zhǎng)0.5 h、1.5 h、3 h 作為考核點(diǎn)，并結(jié)合I 型法規(guī)試驗(yàn)要求的浸置時(shí)長(zhǎng)點(diǎn)同步觀測(cè)。以此4 個(gè)邊界點(diǎn)作為浸車(chē)控制目標(biāo)水溫的檢驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展試驗(yàn)，實(shí)際溫度偏差為±3℃，每個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)至少大于3 次，以便更好地對(duì)測(cè)試結(jié)果予以觀測(cè)分析。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件控制要求，同樣考慮當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)排放測(cè)試溫度點(diǎn)設(shè)置環(huán)境艙控制邊界已最大程度地覆蓋了客戶使用外界環(huán)境情況，對(duì)環(huán)境艙溫度及濕度控制不做變更，參照中國(guó)第六階段法規(guī)I 型排放測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試驗(yàn)流程以40 ℃溫度點(diǎn)為例，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

1.2 試驗(yàn)資源及裝置

試驗(yàn)資源基于一臺(tái)1.6L 直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配車(chē)型進(jìn)行研究，表1 所示為試驗(yàn)樣車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)信息。

表1 試驗(yàn)用車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)信息

排放資源設(shè)備則基于裝配AVL 的四驅(qū)排放轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行，排氣采樣分析系統(tǒng)采用AVL-AMAi60、CVSi60 以及V-Box 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析采集，排放設(shè)備信息如表2 所示。實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易平面布置如圖2 所示。

表2 排放轉(zhuǎn)鼓采集設(shè)備基本信息

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

對(duì)WLTC 循環(huán)試驗(yàn)預(yù)處理終止后的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度及催化劑床溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)試，并將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度整數(shù)化處理后與停車(chē)時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)如圖3 所示，0.5 h、1.5 h、3 h 及6 h 以上分別對(duì)應(yīng)為80 ℃、60 ℃、40 ℃和20 ℃的冷卻液溫度，為保持試驗(yàn)邊界一致，下文以此各溫度點(diǎn)作為試驗(yàn)初始控制邊界。另外圖3 表明：

1）催化劑床溫初始降幅較快，后續(xù)逐漸減緩，總體趨勢(shì)逐漸減低，短時(shí)停機(jī)催化劑仍保持相對(duì)較高的床溫；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫呈現(xiàn)相對(duì)線性化降低趨勢(shì)；

3）進(jìn)氣歧管溫度在停機(jī)后一段時(shí)間出現(xiàn)較大幅度攀升，在水溫降至60 ℃附近時(shí)，進(jìn)氣溫度達(dá)到最高點(diǎn)，總體攀升幅度約30%，其主要原因在于停機(jī)后這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，缺失迎風(fēng)冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度短時(shí)較高，對(duì)進(jìn)氣溫度有熱輻射作用。

圖2 排放實(shí)驗(yàn)室示意圖

圖3 水溫和進(jìn)氣溫度及催化劑床溫隨停機(jī)時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)

圖4 展示了在前述4 種不同的溫度點(diǎn)下的試驗(yàn)結(jié)果分階段與全循環(huán)法規(guī)限值的占比統(tǒng)計(jì)情況，從整體各排放物變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析看，主要的差異點(diǎn)在起動(dòng)及低速階段（中國(guó)第六階段排放法規(guī)定義0～589 s 為低速段），隨著初始溫度的升高，冷起動(dòng)及低速階段的排放呈現(xiàn)對(duì)初始溫度的升高總體降低趨勢(shì)，而60 ℃試驗(yàn)中CO 及HC 排放出現(xiàn)回升趨勢(shì)；中高速段及后期各溫度點(diǎn)下的循環(huán)排放表現(xiàn)基本相同。

圖5 展示了試驗(yàn)中采取的幾種不同溫度點(diǎn)的試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫總體表現(xiàn)概況，其中T-20 ℃、T-40 ℃、T-60 ℃、T-80 ℃分別為各自對(duì)應(yīng)初始溫度邊界下試驗(yàn)的控制目標(biāo)下各自溫度表現(xiàn)趨勢(shì)，可以看出在不同的溫度邊界下的試驗(yàn)差異僅存在于低速段工況，這也與圖4 排放分階段占比分析結(jié)果差異分界點(diǎn)吻合。600 s 以后的點(diǎn)溫度表現(xiàn)等同，排放結(jié)果趨于一致，本文不再予以進(jìn)一步分析。

圖4 各溫度點(diǎn)各階段排放與限值占比情況

圖5 不同初始邊界下WLTC 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度趨勢(shì)

圖6 展示了各不同初始溫度試驗(yàn)下起動(dòng)后60 s內(nèi)的排放累計(jì)差異性，隨著停機(jī)時(shí)間的縮短，排放水平呈降低趨勢(shì)。80 ℃時(shí)的試驗(yàn)排放水平表現(xiàn)最好，源于催化劑高床溫下仍具有相當(dāng)?shù)拇呋D(zhuǎn)化能力，氣體排放被高效催化轉(zhuǎn)化；而對(duì)于PN 的改善則更多來(lái)自于高溫對(duì)混合氣的改善和阻力降低帶來(lái)的負(fù)荷減小。初始60 s 的周期內(nèi)80 ℃的排放相對(duì)20 ℃的降幅：HC 為68%、CO 為46.4%、NOx為69.4%、PN 為83.2%。

圖6 各試驗(yàn)起動(dòng)后60s 的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)排放累計(jì)差異對(duì)比

圖7a-d 則分別展示了HC、CO、NOx、PN 各排放物的全局排放累計(jì)趨勢(shì)。

從圖7a 可以看出HC 的差異體現(xiàn)在起動(dòng)階段。冷起動(dòng)的排放研究表明，近80%的HC 的排放受燃燒室壁面的激冷作用以及燃油混合不充分導(dǎo)致的不完全燃燒而產(chǎn)生在冷起動(dòng)階段[8-11]。其差異主要因素在于催化劑溫度決定了在起動(dòng)過(guò)程中能否有催化轉(zhuǎn)化作用；另外一個(gè)因素是取決于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，本質(zhì)上是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度，它影響燃油蒸發(fā)過(guò)程，并且在冷環(huán)境邊界下，火焰受溫度影響誘發(fā)猝熄，帶來(lái)一部分未燃HC 排放[6]。

圖7b 表示CO 的累計(jì)排放在起動(dòng)及低溫階段與HC 存在類(lèi)似的表現(xiàn)，同樣也是隨著溫度的改善，CO初始排放相對(duì)較低；但CO 的產(chǎn)生機(jī)理不同于HC，主要源于過(guò)濃的混合氣誘發(fā)。盡管60℃下的排放試驗(yàn)受高進(jìn)氣溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向增加，標(biāo)定對(duì)高進(jìn)氣溫度下的點(diǎn)火角修正使得點(diǎn)火效率降低，基于轉(zhuǎn)矩控制的電控系統(tǒng)通過(guò)增加進(jìn)氣量來(lái)滿足目標(biāo)需求，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加；但另一方面，隨著溫度的升高，機(jī)油粘度降低，粘性力的變化在發(fā)動(dòng)機(jī)端的表現(xiàn)就是帶來(lái)負(fù)荷降低，總體仍呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢(shì)。

圖7 排放物的全局排放累計(jì)趨勢(shì)

圖7c 表示NOx累計(jì)排放趨勢(shì)。因NOx的產(chǎn)生環(huán)境主要在于高溫富氧工況，從整個(gè)WLTC 循環(huán)工況看，NOx差異性出現(xiàn)在起動(dòng)階段，80 ℃的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)相對(duì)較好，此結(jié)果仍源于停機(jī)時(shí)間相對(duì)較短，催化劑床溫仍高于起燃溫度，在此情況下尚有一定的催化轉(zhuǎn)化能力，故高溫邊界下的起動(dòng)NOx排放相對(duì)也有改善，由此可見(jiàn)在催化劑床溫仍滿足催化轉(zhuǎn)化能力的情況下，熱機(jī)啟動(dòng)的NOx排放控制較好。

圖7d 表示PN 在不同冷浸時(shí)間下，WLTC 循環(huán)的排放趨勢(shì)，從圖中可以看出，PN 的排放差異點(diǎn)主要集中在300 s 以前。從變化趨勢(shì)分析，差異原因主要在于溫度邊界的變化，促使在不同的溫度邊界下燃油霧化效果不同，發(fā)動(dòng)機(jī)高機(jī)體溫度有利于燃油混合，降低了液態(tài)油膜的產(chǎn)生；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦阻力發(fā)生改變，高溫下無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)做更多的功來(lái)克服阻力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷得以降低，燃油噴射量存在一定程度的減少，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，燃油霧化時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)，油氣得到更好的混合。

3 結(jié)論

1）隨著熱機(jī)后浸車(chē)時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫近線性降低；催化劑床溫初期降幅較快，后續(xù)逐漸減緩；進(jìn)氣溫度呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，在停機(jī)1.5 h 出現(xiàn)進(jìn)氣溫度最高點(diǎn)，相對(duì)增幅30%，進(jìn)氣溫度的升高帶來(lái)點(diǎn)火效率的下降，結(jié)合高溫邊界下混合氣的改善及摩擦阻力降低帶來(lái)的負(fù)荷降低，總體結(jié)果仍滿足法規(guī)要求。

2）隨著熱機(jī)后浸車(chē)時(shí)間的縮短，各排放物隨總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。在0.5 h 左右，降至催化劑起燃溫度，因此80 ℃邊界下催化劑床溫較高，催化劑仍具有較好的催化轉(zhuǎn)化效果，排放結(jié)果最好，相對(duì)20 ℃邊界下的排放情況：HC 降低66%、CO 降低46.4%、NOx降低68.4%、PN 降低83.2%。