轻型汽油车不同温度下WLTC工况排放特性研究

2021-09-10赵振宇谢大伟张宝元ZhaoZhenyuXieDaweiWangChuangZhangBaoyuan

北京汽车 2021年4期

赵振宇，谢大伟，王闯，张宝元Zhao Zhenyu，Xie Dawei，Wang Chuang，Zhang Baoyuan

赵振宇，谢大伟，王闯，张宝元
Zhao Zhenyu，Xie Dawei，Wang Chuang，Zhang Baoyuan

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

为了研究车辆在不同环境温度下冷启动和热启动时污染物的排放特性，通过环境试验舱模拟不同的环境温度，轻型汽油车采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界轻型汽车测试循环）工况分别进行冷启动和热启动排放试验，结果表明：低温冷启动时，由于发动机缸内混合气燃烧不良以及催化器没有起燃等原因，主要污染物（CO、THC、PN 等）的瞬时排放值远超高温和热启动的值。在高温、高速和高负荷情况下，由于车辆的动力需求和催化器保护，导致燃油喷射过量，造成不充分燃烧，CO排放值大幅上升。

WLTC工况；排放特性；影响因素；不同温度

0 引言

随着汽车保有量的急剧增加，机动车排放引发的环境问题日益突出。为控制机动车排放，我国制定了严格的法规，但法规中的排放检测方法基于试验室的环境条件和循环工况，不能完全覆盖实际使用情况，而且部分汽车厂商在ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）标定时只标定法规要求的工况，忽略其他工况；因此，车辆试验室排放测试结果与实际排放状况存在较大差异。为了研究车辆在不同环境温度下冷启动和热启动时的污染物排放特性，通过环境试验舱模拟不同的环境温度，轻型汽油车按照WLTC（World Light Vehicle Test Cycle，世界轻型汽车测试循环）工况[1]分别进行冷启动和热启动排放试验。深入分析轻型车在不同环境温度和不同启动条件下的排放特性，为车辆的排放控制提供数据支持。

1 试验方案

1.1 试验车辆

选定某款轻型汽油车为试验对象，车辆的主要技术参数见表1。

表1 试验车辆主要技术参数

注：TWC为三元催化转化器；GPF为汽油颗粒捕集器。

1.2 试验设备

在试验室内进行排放试验，主要试验设备见表2。

表2 试验设备

1.3 试验方案

试验测试工况选用WLTC，环境温度选取0℃、14℃、23℃、30℃、40℃，在每个温度点分别完成整车冷启动和热启动排放测试。试验过程参考国六排放法规的常温下冷启动后污染物排放（Ⅰ型试验）[1]的试验程序和要求。

道路阻力设定采用滑行法阻力加载，以实际道路滑行试验23 ℃下的结果为基准，按照给定的不同温度对滑行阻力进行修正，得出在当前环境下的实际滑行阻力，然后运用在底盘测功机上实车滑行。修正后滑行阻力见表3。

表3 修正后滑行阻力

注：ƒ0,ƒ1,ƒ2是道路载荷公式= ƒ0+ƒ1×+ƒ2×v中的道路载荷系数，ƒ0为常数项道路载荷系数，N；ƒ1为1阶道路载荷系数，N/(km/h)；ƒ2为2阶道路载荷系数，N/(km/h)2。

试验燃料选用满足国六标准的北京市售燃油，试验驾驶员始终保持不变。

首先在常温状态下按照国六Ⅰ型排放标准进行样车重复性检验。样车进行3次排放试验，采用极差法对测试结果进行处理，极差值与污染物限值进行比较，得出每种污染物的相对极差

式中：l为污染物试验结果的相对极差；max,i为污染物的3次试验结果最大值；min,i为污染物的3次试验结果最小值；L为比对试验样车污染物适用的相应标准限值。

除CO2外，其他污染物的相对极差标准限值为-20%～20%。

参考国六排放法规的常温下冷启动后污染物排放（Ⅰ型试验）的排放试验程序进行不同温度下整车排放试验，试验前记录水温和机油温度。其中，在低温（0 ℃）时要求开启暖风进行试验；高温（30 ℃、40 ℃）时要求开启空调进行试验，并开启阳光模拟（900 W/m2）。空调均设置为自动模式、22 ℃、内循环。

2 试验结果与分析

2.1 重复性检验结果

在常温状态下样车按照国六Ⅰ型试验规程进行3次排放试验，极差法处理结果显示样车一致性良好，符合试验要求，具体见表4。

表4 重复性检验结果 mg/km

2.2 排放试验结果

表5为不同环境温度下车辆进行WLTC工况试验的排放测试结果，其中0 ℃时车辆开启了暖风（AUTO模式、22 ℃、内循环、前除霜）；30 ℃和40 ℃时环境舱开启了阳光模拟（900 W/m2），试验前用阳光模拟照射1 h，试验过程中开启空调制冷（AUTO模式、22 ℃、内循环、吹面）。试验结果见表5。

表5 不同环境温度下车辆的排放测试结果

由表5可知：

（1）CO排放量随着环境温度的升高呈现先高后低然后再次升高的规律，当温度小于等于23 ℃时，冷启动排放量明显高于热启动，当温度大于等于30 ℃时冷启动排放量明显小于热启动；

（2）THC排放量随着环境温度的升高逐渐降低，热启动时排放量几乎为0，小于冷启动工况；

（3）NO排放量随环境温度升高呈逐渐上升趋势，温度较低时（0 ℃、14 ℃、23 ℃），冷启动排放量大于热启动，随着温度升高差距逐渐缩小直至几乎相等，40 ℃时冷启动排放量又小于热启动工况；

（4）PN的排放量随着温度升高呈降低趋势，冷启动的排放量远大于热启动工况；

（5）PM的排放量除低温（0 ℃）时有明显升高外，其他温度下变化不大，低温冷启动的排放量远大于热启动工况，常温和高温时冷启动和热启动的排放量变化不大。

2.3 排放结果分析

0 ℃和40 ℃车辆冷启动前100 s发动机的控制方式如图1所示，车辆冷启动时，发动机处于开环控制方式，并且随着温度降低，发动机进入闭环的时间逐渐延长。车辆冷启动时进气温度、冷却水温度均处于偏低状态，燃油喷射后雾化差，不易与空气混合均匀，因此冷启动时一般设定较大燃油喷射量[2]。另外，由于冷启动时催化器内部温度低，HC、CO、NO等主要排放物转化效率不高，所以冷启动时CO和HC排放量显著高于正常工况。

图1 0 ℃和40 ℃冷启动前100 s发动机控制方式

（1）CO排放结果分析。

0 ℃冷启动和热启动CO排放瞬态结果如图2、图3所示，在低温下CO排放主要来源于车辆冷启动点火后前100 s，此时冷却水温度很低，发动机处于开环控制，催化转化器温度很低，综合因素导致启动点火后前100 s CO排放显著提高。随着水温和催化器温度的升高，CO排放大幅降低，热启动时水温和催化器温度均很高，CO排放量很少。

40 ℃冷启动和热启动CO排放瞬态结果如图4所示，高温时CO排放主要来源于超高速阶段的加速阶段，冷启动和热启动均产生了大量CO，热启动在高温下的排放量远大于冷启动。在这个工况下产生大量CO的原因有2个：一是因为车辆在高速下进行加速需要多喷油来获得足够的动力；二是因为环境温度很高，车辆的高速和加速行驶又产生了大量的热量，导致三元催化器过热，ECU控制喷射了过多的燃料以保护三元催化器不因过热损坏，这样会造成不充分燃烧使CO排放量大幅上升。

图2 0 ℃冷启动和热启动CO排放瞬态结果

图3 40 ℃冷启动和热启动CO排放瞬态结果

（2）THC排放结果分析。

0 ℃、40 ℃冷启动和热启动THC排放瞬态结果如图4、图5所示。THC排放主要来源于车辆冷启动点火后前100 s，随着催化器温度的升高THC排放量逐渐降低，当催化器工作正常后THC排放量基本为0；因为热启动时催化器温度很高，所以THC排放量很低。

环境温度只对冷启动的THC排放影响较大，温度越低THC排放量越高。

（3）NO排放结果分析。

0 ℃、40 ℃冷启动和热启动NO排放瞬态结果如图6、图7所示，NO排放主要来源于车辆启动点火后前100 s，并且冷启动和热启动对NO排放的结果影响不大；发动机尾气中的NO分NO和NO2两种，其中大部分是NO。NO的生成主要与温度和氧气含量有关，在同等条件下环境温度越高，则发动机燃烧室温度越高，NO排放量越大。因此发动机启动时NO排放量随着温度的升高而逐渐升高。当发动机点火一段时间后空燃比控制稳定，随着三元催化器温度的升高，三元催化器会去除90%以上的NO。

图4 0 ℃冷启动和热启动THC排放瞬态结果

图5 40 ℃冷启动和热启动THC排放瞬态结果

图6 0 ℃冷启动和热启动NOx排放瞬态结果

图7 40℃冷启动和热启动NOx排放瞬态结果

（4）PN排放结果分析。

0 ℃、40 ℃冷启动和热启动PN排放瞬态结果如图8、图9所示，PN排放分布在整个试验循环内，其中WLTC低速段PN排放量最大；在WLTC的低速段，冷启动的排放量明显大于热启动，车辆经过充分预热后在中、高、超高速段的PN排放量变化不大；PN的排放量随着环境温度的升高有明显降低。发动机的颗粒物的排放主要由碳烟、可溶性有机物和少量的硫酸盐所构成。其中PN的排放大部分是可溶性有机物。发动机在燃烧过程中部分油滴未能完全蒸发，这些液态燃油在缸内形成大量的油膜，在燃烧过程中油膜区域不能充分燃烧产生大量的有机化合物，通过凝结与吸附作用最终生成大量的PN排放量[3]。因为温度越低时燃油的蒸发越差，油气的凝结作用越强，因此在WLTC低速段，随着环境温度的降低导致发动机燃烧室温度降低，PN的排放量越大。在WLTC中、高、超高速段，经过发动机自身燃烧的加热，环境温度对发动机的影响降低，从而PN的排放量趋于稳定。