柴油轿车冷起动颗粒排放特性的试验研究*

楼狄明，姜 耀，谭丕强，胡志远

(同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

柴油机具有燃油经济性好、可靠性高的优点［1］，其高速化与轻型化的实现使柴油机在轿车中得到广泛使用。但由于柴油机混合气形成和燃烧的特点，排气中含有大量的颗粒排放物［2］。柴油轿车排放的颗粒污染物含有多环芳烃等有害物质，容易引发人类严重的呼吸系统疾病［3］。

近些年，世界范围内的大气污染问题对汽车提出越来越高的要求，汽车排放法规正在由低排放向超低排放的目标发展。车用发动机的冷起动及其暖机过程在整车工况法的颗粒排放量中占有很大份额［4］。通常，柴油轿车冷起动时的燃烧滞后和燃烧延迟极易引起不完全燃烧，而氧化催化转换器(DOC)的催化反应起燃温度为200～300℃，在低温时不能立即正常工作［5］，另外，为保证发动机顺利起动，一般采用增大喷油量的方法［6］，使不完全燃烧更为严重，导致颗粒物排放更为恶化。

本文中对试验样车冷起动与热起动过程进行试验研究，通过对比冷热起动过程中排放颗粒的时间特性和粒径特性，考察分析柴油轿车冷起动过程中的颗粒排放特性。

1 试验样车及测量仪器

1.1 试验样车

试验样车为一辆帕萨特TDI 1.9L柴油轿车，其发动机为直列式四缸四冲程、电控泵喷嘴高压直喷涡轮增压柴油机，并配备废气再循环系统(EGR)和柴油机氧化催化转换器(DOC)。其整车主要参数如表1所示。

表1 帕萨特柴油轿车主要技术参数

1.2 试验测量仪器

颗粒测试仪器为美国TSI公司生产的发动机排气颗粒数量与粒径分析仪(engille exhaust partiele sizer，EEPS)，该仪器可快速测取柴油机排气颗粒数量浓度及颗粒粒径分布，测量粒径范围为5.6～560nm，在0.1s内可测取一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出32个粒径通道的颗粒数量和粒径分布数据。发动机排气颗粒进入测试设备之前须进行稀释，本次试验采用两级稀释，总稀释比为500∶1。其中，第一级稀释系统采用TSI公司的专用旋转盘稀释器，控制初级稀释系统的加热温度为120℃，稀释比为200∶1;第二级稀释采用一个流量计对进气流量进行补偿，并进行再稀释，稀释比为2.5∶1。

2 试验方案

2.1 冷起动试验

将试验轿车先在户外静置48h，试验当天选择在夜间低温(2℃)环境下进行轿车冷起动，并保持怠速状态，在汽车起动的同时，开始使用测量仪器对试验轿车在这一过程中的颗粒排放各项指标进行测试，记录前2min的数据。

2.2 热起动试验

起动试验轿车，并保持工作一段时间，待发动机暖机至一定温度后关闭发动机，进行热起动，同样保持怠速状态，在汽车起动的同时，开始使用测量仪器对试验轿车在这一过程中的颗粒排放各项指标进行测试，记录前2min的数据。

3 试验结果分析

在柴油轿车冷、热起动两种情况下所得的颗粒排放数据在数量浓度、表面积浓度、体积浓度和质量浓度上均呈现出较大差异，从这四方面对试验数据进行比较分析。其中，分析过程选取前100s试验数据。另外，柴油机排放颗粒直径一般在0.003～1.0μm之间，通常按粒径分为核模态和聚集态，大致以50nm为界限。聚集态颗粒粒径较大，主要成分为聚集形态的碳烟及其吸附物质;核模态颗粒粒径较小，主要与可溶有机组分SOF和硫化物等有关，也包括较小粒径的碳烟颗粒［7－8］。

3.1 颗粒的数量浓度特性

颗粒数量浓度是评价颗粒排放的重要指标，其随粒径和时间的变化分布分别表现颗粒数量浓度的粒径特性和时间特性。

3.1.1 颗粒数量浓度随粒径变化分布

颗粒数量浓度在粒径上的差异表现出显著不同的物理特性。因此，首先研究试验轿车冷热两次起动过程中颗粒数量浓度的粒径特性。将100s数据中同一粒径范围内的所有颗粒数量浓度分别求和，即得到颗粒数量浓度的粒径特性曲线，如图1所示。

冷热两次起动前100s内颗粒数量浓度随粒径的变化趋势基本一致，显著波峰均出现在聚集态粒径范围内，且峰值差异明显。为分析冷热起动对颗粒粒径的影响，将两次起动100s内的总颗粒数量浓度按照核模态和聚集态分别进行求和，得到冷热起动排放颗粒的核模态颗粒数量浓度和聚集态颗粒数量浓度，如图2所示。

从图2中可知，热起动总颗粒排放数量浓度比冷起动时降低37.86%，其中核模态颗粒数量浓度仅降低3.25%，而聚集态颗粒数量浓度降低46.87%。由此可见，热起动的聚集态颗粒数量浓度相对冷起动下降显著，是造成总颗粒数量浓度下降的主要因素。主要原因有:(1)柴油机冷起动时缸内温度和压力较低，导致燃烧滞后和燃油雾化不充分，造成燃油不完全燃烧［9］，形成相对较大粒径的碳颗粒;(2)发动机在冷起动时，由于冷却液和润滑油温度较低、黏度大、摩擦阻力大，造成起动瞬时的转速低于热起动的瞬时转速，而较低的转速造成燃烧室内气流运动缓慢［10］，从而进一步恶化燃油雾化;(3)DOC在低温情况下不能立即正常工作。可见，以上均是导致冷起动聚集态颗粒数量浓度和总颗粒浓度都明显高于热起动的原因。

3.1.2 颗粒数量浓度随时间变化规律

将每个时间点所有粒径的颗粒数量浓度分别求和，即得到颗粒数量浓度的时间特性曲线，见图3。

由图3可知，冷热起动的颗粒数量浓度随时间的变化趋势基本保持一致，而在数值上冷起动始终高于热起动。颗粒数量浓度在发动机起动后极短的时间内升高到峰值(冷热起动峰值出现在第5s)，在达到峰值后迅速下降至谷值(冷热起动降至谷值出现在第18s)，接着颗粒数量浓度经过短暂的上升之后开始呈现相对平稳的波动变化。而从曲线对比效果可以看出，冷起动曲线波动幅度明显较大，这也从侧面证实了冷起动时发动机的燃烧状况不稳定。

图3曲线变化趋势的一致性是由于无论冷热起动，在发动机起动瞬间，由于喷油量较高，而且发动机转速相对较低，造成燃油雾化质量差，从而导致燃油燃烧不完全，瞬间的高燃油供给和燃烧状况不佳使颗粒排放数量迅速升高，出现图中第5s的峰值。而接下来，由于供油量急剧降低并达到最低值，此时颗粒排放数量迅速下降至最低点。之后，发动机转速逐渐升高，并趋于怠速转速，为保证稳定的怠速转速，供油量随之增加，排放颗粒的数量浓度也随之回升，最后随供油量稳定而呈现相对平稳的波动变化。冷起动曲线的这一回升过程的时间明显比热起动长，这说明冷起动需要更长的暖机时间。

针对冷热起动初期均出现的颗粒数量迅速攀升和下降的情况，做出颗粒数量浓度粒径特性的瞬态分析图，如图4所示。

从图4可知，冷热起动颗粒数量浓度迅速上升阶段，颗粒数量的瞬态峰值均出现在核模态粒径范围内，并有继续向小粒径方向移动的趋势;而在下降阶段，瞬态峰值点迅速移向聚集态范围内。这主要是因为上升阶段处于发动机起动初期，喷油量较高，从而燃烧生成大量可溶有机成分和硫酸盐，因此核模态颗粒数量浓度增加;随着温度逐渐升高，DOC开始趋于正常工作，核模态颗粒迅速减少，峰值移向聚集态。

3.2 颗粒表面积浓度、体积浓度和质量浓度特性

除颗粒数量浓度外，颗粒排放特性还包括颗粒表面积浓度、体积浓度和质量浓度。图5为这3项参数的粒径特性曲线，图6为时间特性曲线。

如图5所示，冷热起动过程的颗粒表面积浓度、体积浓度和质量浓度随粒径分布变化趋势极为相似。颗粒粒径约从50nm开始，冷起动数据明显高出热起动。这主要是由于粒径小于50nm的核模态颗粒对于表面积浓度、体积浓度和质量浓度的影响非常小，而前文分析过，热起动时聚集态颗粒数量浓度较冷起动有明显降低，而聚集态颗粒数量浓度是影响表面积、体积和质量浓度的主要因素，因此，在核模态范围内冷热起动的数据极为接近，而在聚集态范围内数据有显著差异。

如图6所示，颗粒表面积浓度、体积浓度和质量浓度随时间的变化规律与颗粒数量浓度随时间变化规律保持较高的一致性，而且在数值上始终是冷起动高于热起动，大致呈倍数关系，但在起动初期数据差异更大，这是由于起动初期冷起动聚集态颗粒数量浓度显著高于热起动。另外，通过比较发现，4项参数曲线的变化趋势极为吻合。这主要是由于冷热起动过程中燃油消耗量随时间变化规律造成的结果，冷热起动试验柴油轿车的燃油消耗量随时间的变化规律如图7所示。

柴油轿车冷起动存在的问题主要是起动着火前的倒拖时间较长，极易出现失火现象［11－12］，因此，为保证发动机顺利起动，冷起动时需增大喷油量。如图7所示，冷起动的油耗量显著高于热起动，而且数值上基本呈倍数关系，与前文中提到的曲线数值上出现的倍数关系保持一致。另外，燃油消耗量的变化曲线上的重要转折点与前4项参数曲线的重要转折点出现的时间基本一致，这能较好地解释4项数据随时间变化规律的一致性。热起动经过点火时刻喷油量出现的明显波峰后，燃油消耗量迅速下降，然后攀升至某一值附近后平稳波动，而冷起动的燃油消耗量则有波动下降的趋势。这主要是由于冷起动一段时间后发动机的温度逐渐提高，燃油及润滑油的黏度下降，燃油雾化情况逐渐变好，使燃油燃烧情况逐渐好转，燃油消耗量从而有逐渐下降的趋势。由此可见，柴油轿车冷起动时的高燃油消耗量是造成高颗粒排放的主要原因，同时也严重影响柴油轿车的经济性。

4 结论

(1)与热起动相比，柴油轿车冷起动时颗粒排放数量浓度显著增加，其中，聚集态颗粒数量浓度增加更明显，而核模态颗粒数量浓度没有明显增加。

(2)柴油轿车在冷起动过程中，排放颗粒的表面积浓度、体积浓度和质量浓度均显著高于热起动，且排放颗粒中核模态颗粒对总排放颗粒的表面积浓度、体积浓度和质量浓度影响极小。

(3)柴油轿车冷起动时燃油消耗量显著高于热起动，这不仅造成颗粒排放数量增加，而且会严重影响柴油轿车的经济性。

［1］苏岩，刘忠长，等.直喷式柴油机起动过程排放历程分析［J］.吉林大学学报(工学版)，2007，37(4):762 －766.

［2］于恩中，刘进军.柴油机颗粒排放机理及控制措施的研究［J］.内燃机，2009(4):41 －43.

［3］André Nel.Air Pollution-related Illness:Effects of Particles［J］.Science 2005，308:804 －806.

［4］苏岩，刘忠长，等.直喷式柴油机起动过程燃烧分析［J］.燃烧科学与技术，2006，12(2):126 －130.

［5］楼狄明，张斌，谭丕强，等.车用柴油机氧化催化转化器仿真模拟与试验分析［J］.内燃机，2008(4):30 －33.

［6］雷霆，董森.柴油机起动工况喷油策略［J］.现代车用动力，2010(3):39－41.

［7］谭丕强，胡志远，楼狄明.车用发动机燃用生物柴油的颗粒数量排放［J］.汽车安全与节能学报，2010，1(1):83 －88.

［8］谭丕强，楼狄明，胡志远.发动机燃用生物柴油的核态颗粒排放［J］.工程热物理学报，2010，31(7):1231 －1234.

［9］Martin Weilenmann，PatrikSoltic，Christian Saxer，et al.Regulated and Nonregulated Diesel and Gasoline Cold Start Emissions at Different Temperatures［J］.Atmospheric Environment，2005，39(13):2433－2441.

［10］姚春德，高雪飞.降低柴油机暖车阶段有害物HC、碳烟排放的试验研究［J］.车辆与动力技术，2003(3):1－6.

［11］彭海勇，崔毅，石磊，等.EGR对直喷式柴油机冷起动过程着火燃烧的影响分析［J］.内燃机学报，2007，25(3):193 －201.

［12］Liu Hengqing，Henein N A，Walter Bryzil.Simulation of Diesel Engine Cold-Start［C］.SAE Paper 2003－01－0080.