常溫下發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)工況排放特性實(shí)驗(yàn)研究

孟忠偉，鄧盟，范詠玲，汪永東，周子航，李躍平，閆妍，吳怡

（1.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；3.成都市機(jī)動(dòng)車排氣污染防治技術(shù)保障中心，四川 成都 610000；4.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川 成都 610072）

2020 年中國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72 億輛，其中汽車保有量達(dá)2.81 億輛。機(jī)動(dòng)車保有量的快速增長，也成為我國嚴(yán)重霧霾天氣的主要原因之一。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2021 年中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)》，機(jī)動(dòng)車排放污染物對(duì)大氣污染的分擔(dān)率占30%左右[1]。2018 年5 月北京發(fā)布的PM2.5 源解析表明：北京市當(dāng)前本地大氣PM2.5 來源中，移動(dòng)源占比最大，達(dá)到45%。為降低汽車尾氣排放顆粒物，歐洲最早從2011 年（歐Ⅴb）開始在新增輕型柴油車上加裝壁流式柴油顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF），以滿足顆粒排放數(shù)量（PN）的限值（6×1011個(gè)/km）[2]。缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）汽油車在2013 年（歐Ⅵ）后也開始加裝與DPF材料和結(jié)構(gòu)類似的汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF），滿足PN 排放限值的要求。中國最早從2016 年（北京、國Ⅴ）開始在新增重型柴油車上強(qiáng)制加裝DPF。新增GDI 汽油車也基本都需加裝GPF 才能滿足國Ⅵ的PN 限值要求。顆粒捕集器（DPF/GPF）過濾效率高，能有效降低顆粒排放，滿足排放法規(guī)要求。然而，顆粒捕集器在工作過程中會(huì)出現(xiàn)兩種顆粒排放量陡增的情況。1）捕集器的主動(dòng)再生工況。有研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，再生時(shí)DPF 出口PN 值與非再生時(shí)相比，可增加3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，PN 值可達(dá)到40×1011個(gè)/km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐Ⅴb 的PN 限值（6×1011個(gè)/km）。2）發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變工況（啟動(dòng)和加速）。有研究發(fā)現(xiàn)：即使加裝了DPF 系統(tǒng)，在新歐洲循環(huán)測(cè)試中（new European driving cycle，NEDC），輕型柴油車85%的顆粒來源于冷啟動(dòng)后的160 s 時(shí)間內(nèi)[5]；在全球統(tǒng)一車輛循環(huán)測(cè)試中（word harmonized vehicle cycle，WHVC），重型柴油車前900 s 排放的PN 值可以達(dá)到400×1011個(gè)/km[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際道路測(cè)試（real-driving emission，RDE）的PN 限值（9×1011個(gè)/km）。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的突然加速也會(huì)導(dǎo)致DPF出口顆粒數(shù)量明顯增加[3，7]，滿負(fù)荷加速時(shí)的顆粒排放量可以達(dá)到NEDC 測(cè)試循環(huán)平均值的50 倍以上[3]。捕集器在工作過程中其出口高頻次地出現(xiàn)顆粒陡增現(xiàn)象，將對(duì)大氣環(huán)境造成較大威脅，急需對(duì)其進(jìn)行控制和優(yōu)化。因此，從發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)工況的排放特性入手，研究其排放特性，為優(yōu)化DPF 的工作性能，為進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)的污染物排放，降低對(duì)環(huán)境污染的影響，具有重要的研究意義。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和后處理系統(tǒng)的溫度，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)類型分為冷啟動(dòng)、暖啟動(dòng)和熱啟動(dòng)[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，由于進(jìn)氣和燃油溫度低，混合氣偏濃，燃燒不充分；潤滑油溫度低，摩擦損失大，噴油量增加；相比熱啟動(dòng)，冷啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火時(shí)間延長；排氣溫度和后處理系統(tǒng)溫度低，轉(zhuǎn)化效率低。上述這些因素共同作用，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放污染物急劇增加[5]。當(dāng)啟動(dòng)一段時(shí)間后，隨著潤滑油和冷卻液溫度上升，混合氣燃燒得到優(yōu)化。同時(shí)，后處理系統(tǒng)溫度在高溫時(shí)開始進(jìn)入高效工作區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物將逐漸下降到較低的狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后的幾分鐘內(nèi)是其污染物排放的主要階段。Chen等[3]的研究表明，直噴汽油機(jī)（GDI）汽車約有50%以上的PN 排放來源于前195 s的冷啟動(dòng)階段（NEDC 測(cè)試）。在冷啟動(dòng)后的60～100 s 內(nèi)，PN 排放量將陡增至少1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)（全球輕型汽車循環(huán)測(cè)試（world harmonized light-duty test cycle，WLTC）[9-10]和美國城市工況測(cè)試（federal test procedure，F(xiàn)TP））[11]。無GPF 的歐Ⅵ GDI 汽油車?yán)鋯?dòng)NEDC 測(cè)試的PN 排放量可以達(dá)到11×1011～38×1011個(gè)/km，超過RDE 的PN 限值[12]。這成為了GPF 顆粒捕集器在歐Ⅵ或國Ⅵ實(shí)施后逐漸成為GDI 汽油車標(biāo)配的主要原因。而柴油車則早在歐Ⅴb 實(shí)施后（2011 年）就已經(jīng)逐漸采用了DPF 的技術(shù)路線[9]。

加裝顆粒捕集器（DPF/GPF）后，輕型柴油車[12]、輕型GDI 汽油車[13]以及重型柴油車[6]都很容易滿足PN 的排放限值要求。但是加裝捕集器（DPF/GPF）后冷啟動(dòng)時(shí)PN 排放仍然明顯，捕集器的瞬態(tài)捕集性能具有很大的優(yōu)化空間。對(duì)于輕型柴油車，意大利歐盟聯(lián)合研究中心（European commission's joint research center，JRC）環(huán)境保護(hù)研究所的Mamakos等[9]發(fā)現(xiàn)，在DPF 有大量碳煙沉積，過濾效率較高的情況下，仍然有85%的顆粒排放來源于冷啟動(dòng)后的160 s 時(shí)間內(nèi)，這與Bergmann等[2]的研究結(jié)果一致。對(duì)于輕型GDI 汽油車，Mamakos等[5]也發(fā)現(xiàn)，在低溫冷啟動(dòng)階段GPF 出口顆粒數(shù)量也有至少10 倍的增長。對(duì)于重型柴油車，JRC 的Giechaskiel等[7]發(fā)現(xiàn)，冷啟動(dòng)后900 s 內(nèi)，DPF 出口的PN 排放值甚至高達(dá)400×1011個(gè)/km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過法規(guī)的PN 限值。Chiatti等[4]基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，研究了各種冷啟動(dòng)類型前10 s 內(nèi)的顆粒排放特性發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)后，顆粒排放量陡增，冷啟動(dòng)、暖啟動(dòng)和熱啟動(dòng)排放的顆粒物粒徑范圍分別為80～420、75～350和50～250 nm，排放的顆粒物粒徑逐漸減小；相比冷啟動(dòng)，熱啟動(dòng)時(shí)PN 數(shù)量濃度也可降低10 倍左右。其他的研究[9]也表明，冷啟動(dòng)時(shí)的顆粒排放約是熱啟動(dòng)的10 倍以上。此外，環(huán)境溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放也有明顯影響。Mamakos等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，車輛在環(huán)境溫度為-7 ℃時(shí)PN排放量均大于22 ℃的數(shù)值，DPF 車輛分別是6×1012和6×1011個(gè)/km，GPF 車輛分別是7×1012和3×1012個(gè)/km。環(huán)境溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)原排顆粒物升高，從而導(dǎo)致捕集器（DPF/GPF）后顆粒物排放也相繼升高[14-15]。上述研究說明，若能降低冷啟動(dòng)階段捕集器出口的PN 排放，其綜合測(cè)試循環(huán)（如WLTC）的PN 值則可以進(jìn)一步下降到更低的狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)顆粒物近零排放提供可行的解決方案。

綜上所述，在國Ⅵ排放實(shí)施后DPF/GPF 大量使用的背景下，探索進(jìn)一步降低冷熱啟動(dòng)工況其出口的顆粒排放措施，首先需要從發(fā)動(dòng)機(jī)在冷熱啟動(dòng)工況時(shí)的原始排放特性入手，研究其排放變化規(guī)律。本文選取6 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開展測(cè)試，包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和在用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，排放階段涵蓋國Ⅳ到國Ⅵ，開展其冷熱啟動(dòng)排放測(cè)試，分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)工況時(shí)的氣體和顆粒排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

選擇3 臺(tái)國Ⅳ和1 臺(tái)國Ⅵ柴油機(jī)，以及1 臺(tái)國Ⅳ進(jìn)氣道噴射（PFI）汽油機(jī)和1 臺(tái)國Ⅴ缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機(jī)，共6 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。選擇排放階段較低的國Ⅳ和國Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)是為了探索在較高原排條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱啟動(dòng)排放能性，選擇1 臺(tái)國Ⅵ柴油機(jī)是為了探索在較低原排條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱啟動(dòng)排放性能。本文測(cè)試了柴油機(jī)和汽油機(jī)的冷熱啟動(dòng)排放特性，并將汽油機(jī)和柴油機(jī)的排放特性進(jìn)行對(duì)比分析。各發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)和測(cè)試條件見表1。

本文采用DMS500 快速顆粒物光譜儀 用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的顆粒粒徑分布、總數(shù)目濃度，其粒徑測(cè)量范圍為5～1 000 nm。NanoMet3 便攜式顆粒物測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)量10～700 nm 的納米顆粒物數(shù)量濃度及粒徑大小。PEMS 測(cè)試儀是美國Sensors公司的便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備SEMTECH-CPN和SEMTECH-ECOSTAR。SEMTECH-CPN顆粒物數(shù)量測(cè)試系統(tǒng)采用凝結(jié)顆粒計(jì)數(shù)方法，用于測(cè)量顆粒物數(shù)量濃度。SEMTECH-ECOSTAR 車載尾氣分析系統(tǒng)包括THC 測(cè)試模塊、CO和CO2測(cè)試模塊、NOx測(cè)試模塊，用于測(cè)量氣體污染物排放濃度。

測(cè)量冷啟動(dòng)工況下的顆粒物與氣體污染物排放時(shí)，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)12 h，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)換器冷卻到環(huán)境溫度，試驗(yàn)時(shí)潤滑油溫度不超過30 ℃。測(cè)量熱啟動(dòng)工況下的顆粒物與氣體污染物排放時(shí)，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行30 min 以上，確保發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)化器都接近工作溫度，試驗(yàn)時(shí)潤滑油溫度應(yīng)在100 ℃左右。測(cè)試?yán)?、熱啟?dòng)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在打火啟動(dòng)一段時(shí)間后（60～150 s）熄火，再次進(jìn)行打火啟動(dòng)，測(cè)試各次啟動(dòng)工況的排放特性。

表1 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和測(cè)試條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況時(shí)的排放特性

2.1.1 柴油機(jī)顆粒物排放特性

圖1為1 號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)試的冷、熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物濃度及粒徑變化特性。在冷啟動(dòng)工況下，1 號(hào)柴油機(jī)連續(xù)進(jìn)行了兩次啟動(dòng)，每次啟動(dòng)后的顆粒物濃度變化趨勢(shì)大致相同，顆粒物數(shù)量濃度都在啟動(dòng)后幾秒內(nèi)突然增加2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)到達(dá)峰值，然后緩慢降低。冷啟動(dòng)時(shí)，如圖1（a）所示。第2 次打火時(shí)顆粒物數(shù)量峰值濃度開始下降，從第1 次打火的1.35×109N/cc 降低到1.10×109N/cc，且峰值濃度持續(xù)降低。這主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度在第一次打火后開始有所上升，燃燒得以優(yōu)化所致。兩次打火時(shí)顆粒物數(shù)量濃度峰值粒徑均在20 nm 左右，且隨著時(shí)間的增加峰值粒徑逐漸降低到15 nm 左右。第一次冷啟動(dòng)打火后顆粒物濃度穩(wěn)定的時(shí)間大致為118 s，而第二次打火的穩(wěn)定時(shí)間降低為98 s，可以看到隨發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度的逐漸升高，啟動(dòng)后顆粒物濃度穩(wěn)定的時(shí)間逐漸減少。

熱啟動(dòng)時(shí)，如圖1（b）所示。與冷啟動(dòng)顆粒排放特性相似，兩次熱啟動(dòng)時(shí)的顆粒物數(shù)量濃度都在打火后幾秒內(nèi)陡增，到達(dá)峰值后迅速下降。熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度峰值為7.0×108N/cc，且相比于冷啟動(dòng)高濃度峰值的持續(xù)時(shí)間很短，此后顆粒濃度迅速趨于穩(wěn)定。由于熱啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和水溫較高且穩(wěn)定，因此連續(xù)兩次打火顆粒排放特性的重復(fù)性較好。顆粒物數(shù)量濃度峰值粒徑在啟動(dòng)后約為18 nm，經(jīng)過2 s 后迅速降低為12 nm 左右。

圖1 1 號(hào)柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)后顆粒物濃度及粒徑變化云圖

圖2對(duì)比了1—4 號(hào)柴油機(jī)第一次冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)后排放顆粒物總數(shù)量濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。1 號(hào)柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度變化趨勢(shì)基本相似，都在打火后幾秒內(nèi)迅速增加，到達(dá)峰值后下降，如圖2中黑色線所示。冷啟動(dòng)后顆粒物數(shù)量濃度在較長時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，而熱啟動(dòng)后顆粒物數(shù)量濃度在穩(wěn)定后有逐漸下降的趨勢(shì)。熱啟動(dòng)缸內(nèi)溫度較高，僅在打火的一段時(shí)間內(nèi)使得顆粒排放升高，隨后顆粒濃度逐漸降低。從圖2中可以明顯看出，1 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在顆粒物數(shù)量的穩(wěn)定期，冷啟動(dòng)時(shí)顆粒濃度為1.9×108N/cc，而熱啟動(dòng)時(shí)顆粒濃度為7.3×107N/cc，兩者相差1.2×108N/cc。2 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度變化趨勢(shì)存在較大差別，如圖2中紅色線所示。冷啟動(dòng)時(shí)，顆粒物數(shù)量濃度先增加形成波峰，隨后產(chǎn)生兩次波動(dòng)后呈穩(wěn)定趨勢(shì)，最后在熄火前再次波動(dòng)。這與2 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)是國Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)，冷啟動(dòng)時(shí)為了快速升高排氣溫度而采用了相關(guān)的熱管理措施有關(guān)[16]。2 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度在打火后出現(xiàn)短時(shí)間的波峰，隨后濃度趨于穩(wěn)定，顆粒濃度也明顯低于冷啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定濃度。在打火后先增加2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，到達(dá)波峰后逐漸降低，最后呈穩(wěn)定趨勢(shì)。3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)相同。冷啟動(dòng)時(shí)，在打火后形成顆粒濃度波峰，波峰持續(xù)約60 s，到達(dá)峰值后逐漸下降，最后呈穩(wěn)定趨勢(shì)。熱啟動(dòng)時(shí)，在打火后的濃度波峰不明顯，到達(dá)最大值后就趨于穩(wěn)定。值得一提的是，在穩(wěn)定期3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)的顆粒物數(shù)量濃度排放峰值相差不大。在冷啟動(dòng)時(shí)，3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)的顆粒物數(shù)量濃度排放峰值均為4.5×107N/cc 左右；在熱啟動(dòng)時(shí)，3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)的顆粒物數(shù)量濃度排放峰值均為9.5×106N/cc左右。熱啟動(dòng)后穩(wěn)定的顆粒濃度沒有明顯下降，但相比于國Ⅵ 2 號(hào)柴油機(jī)，其穩(wěn)定濃度要高出約7.1×106N/cc。這與3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)均為同款國Ⅳ柴油機(jī)，原始排放較高所致，而且國Ⅳ柴油機(jī)啟動(dòng)工況時(shí)，沒有采用熱管理技術(shù)，導(dǎo)致冷、熱啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)定期的顆粒排放相差不大。

圖2 柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)顆粒物排放特性

2.1.2 柴油機(jī)氣體污染物排放特性

本文測(cè)試了3 號(hào)柴油機(jī)第一次冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)時(shí)的氣體污染物排放特性，其CO 排放特性如圖3所示。由圖可知：柴油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，CO 排放呈雙峰趨勢(shì)，在打火后幾秒內(nèi)先增加形成一個(gè)小波峰，隨時(shí)間增長CO 排放再次增加形成主峰（約1 223 ×10-6），后逐漸降低呈穩(wěn)定趨勢(shì)，約375 ×10-6；熱啟動(dòng)時(shí)，在打火后CO 濃度有小幅增加，形成一個(gè)小波峰（約80 ×10-6）后減小至25 ×10-6左右趨于穩(wěn)定，明顯低于冷啟動(dòng)時(shí)的CO 排放。

圖3 柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)CO 排放特性

柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)THC 排放隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖可知，冷啟動(dòng)時(shí)柴油機(jī)的THC 排放在打火后迅速增加，到達(dá)峰值后逐漸減小，最后呈穩(wěn)定趨勢(shì)。在此工況下，THC 排放峰值為191 ×10-6，穩(wěn)定期排放為96 ×10-6，而熱啟動(dòng)的THC 排放峰值僅為38×10-6。熱啟動(dòng)時(shí)，THC 排放的變化趨勢(shì)與冷啟動(dòng)不同。冷啟動(dòng)時(shí)THC 排放的峰值持續(xù)時(shí)間約為32 s，而熱啟動(dòng)時(shí)THC 排放在49 s 左右到達(dá)峰值后保持穩(wěn)定不變。在冷啟動(dòng)工況下，進(jìn)氣道和燃燒室的溫度很低，噴出的燃油蒸發(fā)緩慢，且大量吸附在壁面，使得燃燒室內(nèi)的混合氣過稀，點(diǎn)燃較為困難，需要增加噴油量來加濃混合氣。另外，冷啟動(dòng)時(shí)缸內(nèi)的殘余廢氣較多，燃燒不穩(wěn)定，燃燒不完全和較厚的壁面淬冷層等原因，造成大量的碳?xì)浠衔铮═HC）排放[16]。

圖4 柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)THC 排放特性

柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)NOx排放特性如圖5所示。由圖可知，在冷啟動(dòng)時(shí)NOx排放在打火后先快速增加，到達(dá)峰值后快速下降，隨后又迅速增加，最后呈緩慢下降趨勢(shì)。而在熱啟動(dòng)工況時(shí)，NOx排放先快速增加，增至峰值后逐漸下降，最后呈穩(wěn)定趨勢(shì)。在冷熱啟動(dòng)工況時(shí)NOx排放都在20 s 左右到達(dá)峰值，且峰值都約為299 ×10-6，峰值均持續(xù)8 s 左右。冷啟動(dòng)后NOx排放在42 s 時(shí)降低到最低點(diǎn)，每秒排放約47 ×10-6，隨后又迅速增加。這主要是由于冷啟動(dòng)時(shí)缸內(nèi)溫度低，混合氣較濃，燃燒溫度低，缸內(nèi)生成的NOx容易與未燃的燃料發(fā)生再燃現(xiàn)象，導(dǎo)致NOx啟動(dòng)后迅速降低。研究表明，NOx易與烷烴發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也稱為NOx與碳?xì)浠衔锏南趸磻?yīng)，這與NO/NO2和烷烴反應(yīng)中的碳?xì)滏渹鞑?、NO/NO2與烴類的O/H 自由基反應(yīng)生成OH 有關(guān)[16-19]。而后隨缸內(nèi)燃燒溫度的增加，NOx生成量增加，此后燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，NOx生成量緩慢下降。相比熱啟動(dòng)，冷啟動(dòng)在打火后排放的NOx低于熱啟動(dòng)排放量，這與CO和THC的冷、熱啟動(dòng)排放規(guī)律相反。

圖5 柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)NOx 排放特性

2.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況時(shí)排放特性

2.2.1 汽油機(jī)顆粒排放特性

汽油機(jī)（5 號(hào)和6 號(hào)）的冷、熱啟動(dòng)顆粒物數(shù)量濃度排放特性如圖6所示。由圖可知，冷啟動(dòng)時(shí)上述兩款汽油機(jī)均在打火后顆粒物數(shù)量濃度迅速增加，增至峰值（5 號(hào)汽油機(jī)的排放峰值約為9.6×107N/cc，6 號(hào)汽油機(jī)的排放峰值約為2.6×107N/cc）后，隨時(shí)間的增長呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。而熱啟動(dòng)時(shí)，兩款汽油機(jī)顆粒物數(shù)量濃度在打火后陡增，增至峰值后（5 號(hào)汽油機(jī)的排放峰值約為1.7×107N/cc，6 號(hào)汽油機(jī)的排放峰值約為2.5×105N/cc）迅速下降，最后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。兩款汽油機(jī)冷啟動(dòng)顆粒物數(shù)量濃度排放的峰值持續(xù)時(shí)間比熱啟動(dòng)的長。5 號(hào)汽油機(jī)冷啟動(dòng)PN 濃度峰值持續(xù)約77 s，熱啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間比冷啟動(dòng)少50 s 左右。6 號(hào)汽油機(jī)冷啟動(dòng)PN 數(shù)量濃度峰值持續(xù)約40 s，熱啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間比冷啟動(dòng)少18 s 左右，而且5 號(hào)汽油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度排放隨時(shí)間變化的波動(dòng)幅度大于熱啟動(dòng)，而6 號(hào)汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)的變化趨勢(shì)差異不大。總體來看，5 號(hào)汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)排放的PN 濃度均大于6 號(hào)汽油機(jī)。這主要是由于相比采用進(jìn)氣道噴射（PFI）的6 號(hào)汽油機(jī)，5 號(hào)汽油機(jī)是缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油直接噴射到氣缸內(nèi)，在啟動(dòng)階段，缸內(nèi)和壁面溫度較低，燃油霧化質(zhì)量較差，導(dǎo)致局部混合氣濃度較高，容易導(dǎo)致大量碳煙生成[20]。

值得一提的是，5 號(hào)汽油機(jī)在冷啟動(dòng)后約150 s時(shí)，其PN 排放又有突然增加的趨勢(shì)，而后迅速下降。分析其原因可能是5 號(hào)國Ⅴ GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了啟動(dòng)工況熱管理技術(shù)，及時(shí)調(diào)整噴油規(guī)律，增大噴油量，迅速提升排氣溫度所致。

對(duì)比圖2和圖6可知，整體來看柴油機(jī)冷、熱啟動(dòng)排放的PN 濃度大于汽油機(jī)排放。直噴汽油機(jī)（5 號(hào)）的冷、熱啟動(dòng)排放峰值接近于柴油機(jī)排放量，但隨著啟動(dòng)時(shí)間的增加，汽油機(jī)（5 號(hào)和6 號(hào)）PN 排放濃度明顯下降，而柴油機(jī)排放PN 值由于顆粒物的濃度較高，盡管有下降趨勢(shì)，但不如汽油機(jī)明顯。

圖6 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)PN 排放

2.2.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體排放特性

本文測(cè)試了6 號(hào)汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)CO 排放特性，如圖7所示。由圖可知，冷熱啟動(dòng)工況時(shí)CO排放隨著時(shí)間增長的變化趨勢(shì)相同，均在打火后幾秒內(nèi)迅速增加至峰值，隨后迅速下降到45 ×10-6左右呈穩(wěn)定趨勢(shì)。這表明發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了熱穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且此時(shí)三元催化轉(zhuǎn)化器處于高效工作區(qū)間，CO 濃度迅速降低。在峰值時(shí)刻，汽油機(jī)冷啟動(dòng)CO 濃度為28 125 ×10-6，而熱啟動(dòng)時(shí)為23 085 ×10-6，兩者相差5 040×10-6。此外，冷、熱啟動(dòng)的CO 濃度峰值持續(xù)時(shí)間分別為24 s和38 s。

圖7 汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)CO 排放特性

汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)THC 排放特性如圖8所示。由圖8可知，汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)THC 排放特性大致相同，均在打火后幾秒內(nèi)迅速增加，增至峰值后迅速降低趨于穩(wěn)定。其中，冷啟動(dòng)時(shí)汽油機(jī)在穩(wěn)定期的THC 排放約為52 ×10-6，熱啟動(dòng)時(shí)汽油機(jī)在穩(wěn)定期的THC 排放約為91 ×10-6。冷啟動(dòng)時(shí)，THC 排放峰值濃度為1 643×10-6，熱啟動(dòng)時(shí)THC峰值濃度為1 393×10-6。此外，冷、熱啟動(dòng)THC 排放峰值持續(xù)時(shí)間相當(dāng)，均為33 s 左右。

圖8 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)THC 排放

汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)NOx排放特性如圖9所示。由圖可知，冷、熱啟動(dòng)NOx排放變化趨勢(shì)也大致相同，均為打火后迅速增加至峰值，后迅速降低呈穩(wěn)定趨勢(shì)。其中，冷啟動(dòng)時(shí)汽油機(jī)在穩(wěn)定期的NOx排放趨近于零，熱啟動(dòng)時(shí)汽油機(jī)在穩(wěn)定期的NOx排放約為1×10-6。冷啟動(dòng)時(shí)，NOx排放峰值約90 ×10-6，熱啟動(dòng)時(shí)，NOx排放峰值僅為4 ×10-6。這主要是由于熱啟動(dòng)時(shí)，三元催化轉(zhuǎn)化器處于高效溫度區(qū)間，可以在熱啟動(dòng)后立即轉(zhuǎn)化掉NO[12，21]。然而圖7和圖8顯示，熱啟動(dòng)后三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)CO和THC的脫除作用并不顯著。這主要是由于無論冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)混合氣加濃，空燃比低于理論空燃比，不利于還原性氣體CO和THC 的轉(zhuǎn)化，卻有利于氧化性氣體NOx的轉(zhuǎn)化。

圖9 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)NOx 排放特性

2.3 柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)排放特性對(duì)比

由于不同的測(cè)量裝置存在測(cè)量差異，所以同一發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)排放特性的比較更能反映出常溫下冷熱啟動(dòng)工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響。將6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)工況和熱啟動(dòng)工況下整個(gè)工作過程的排放物進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，使各發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下排放物的差異更直觀，具體情況如表2—5所示。

由表2可知，2 號(hào)柴油機(jī)冷熱啟動(dòng)的PN 排放差異最大，冷啟動(dòng)工況下排放的PN 約為熱啟動(dòng)工況排放的38.5 倍。3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)冷熱啟動(dòng)PN 排放差值大致相同，主要是由于3 號(hào)和4 號(hào)柴油機(jī)型號(hào)及測(cè)量條件相同，僅是行駛里程不同。此外，與柴油機(jī)相比，汽油機(jī)在冷熱啟動(dòng)工況下的PN 排放差異較大，冷啟動(dòng)與熱啟動(dòng)的總PN 比值均在10 倍以上。其中5 號(hào)汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)PN 排放差距最大，冷啟動(dòng)時(shí)總PN 排放約為熱啟動(dòng)的23 倍。

表2 柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)PN 排放對(duì)比

表3 柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)CO 排放對(duì)比

表4 柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)THC 排放對(duì)比

表5 柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)NOx 排放對(duì)比

由表3可知，柴油機(jī)和汽油機(jī)冷熱啟動(dòng)CO 排放比值差異較大。3 號(hào)柴油機(jī)冷啟動(dòng)CO 排放約為熱啟動(dòng)排放的17 倍，而6 號(hào)汽油機(jī)冷啟動(dòng)CO 排放與熱啟動(dòng)排放基本相同。

由表4可知，3 號(hào)柴油機(jī)的冷熱啟動(dòng)THC 排放差異明顯，冷啟動(dòng)排放約為熱啟動(dòng)排放的2.8倍，而6 號(hào)汽油機(jī)的冷熱啟動(dòng)THC 排放基本相同。

由表5可知，柴油機(jī)和汽油機(jī)的冷熱啟動(dòng)NOx排放比值與CO和THC 排放存在明顯差異。其中，3 號(hào)柴油機(jī)的冷啟動(dòng)NOx排放低于熱啟動(dòng)排放，冷啟動(dòng)NOx排放約為熱啟動(dòng)的0.8 倍。而6 號(hào)汽油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)的NOx排放約為熱啟動(dòng)的2.7 倍。

3 結(jié)論

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車PEMS 測(cè)試方法，對(duì)柴油機(jī)和汽油機(jī)在常溫下的冷、熱啟動(dòng)排放特性開展了研究，分析和對(duì)比了冷、熱啟動(dòng)的排放特性以及汽油機(jī)和柴油機(jī)的排放差異，為后續(xù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)排放提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1） 柴油機(jī)在冷、熱啟動(dòng)工況下，排放的顆粒物數(shù)量濃度均先迅速升高，后快速下降并趨于穩(wěn)定，濃度波峰最大值可以達(dá)到1.35×109N/cc。冷啟動(dòng)時(shí)，隨打火次數(shù)的增加，PN 穩(wěn)定時(shí)間縮短。PN 峰值粒徑由20 nm 左右減小到約18 nm。熱啟動(dòng)時(shí)，PN 峰值粒徑約為12 nm。冷啟動(dòng)排放顆粒物數(shù)量總量最大可以達(dá)到熱啟動(dòng)時(shí)的38.5 倍。

2） 柴油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)排放的CO和THC 均比熱啟動(dòng)時(shí)高，峰值濃度分別為1 223 ×10-6和191×10-6。冷/熱啟動(dòng)排放的CO和THC 比值分別可以達(dá)到17.1和2.8。然而，柴油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)NOx排放量低于熱啟動(dòng)時(shí)的排放量。

3） 汽油機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)GDI 汽油機(jī)排放PN明顯大于PFI 汽油機(jī)排放量。在冷啟動(dòng)時(shí)，GDI 汽油機(jī)排放顆粒濃度峰值可以達(dá)到9.6×107N/cc，接近柴油機(jī)啟動(dòng)排放顆粒物濃度。汽油車?yán)鋯?dòng)排放PN 總量可以達(dá)到熱啟動(dòng)時(shí)的23.1 倍。

4） 汽油機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)，CO和THC 排放最高可分別達(dá)到28 125×10-6和1 643×10-6。而冷啟動(dòng)時(shí)NOx排放最高可達(dá)90 ×10-6，熱啟動(dòng)時(shí)僅為4 ×10-6。