怠速起停对轻型汽油车污染物及碳排放影响研究

严浩 董梦龙 丁玲 李岳兵 何媛媛

摘  要：基于轻型汽油车I型测试方法，采用四驱底盘测功机系统、全流稀释采样和排放分析系统，对一台配置怠速起停功能的国Ⅵ直喷轻型汽油车进行排放测试，研究怠速起停开启与关闭条件下对污染物及碳排放的影响，并分析空燃比、水温及排气温度影响趋势。结果表明：怠速起停开启条件下喷油加多，空燃比增加，且水温和排气温度会降低，整个测试循环下THC排放增加15.9%，CO排放增加25.5%，NOx排放增加17.0%，CO2排放降低3.7%。怠速起停开启有利于降低整车碳排放，降低油耗，但不利于对污染物排放的控制。

关键词：怠速起停；轻型汽油车；污染物排放；碳排放

中图分类号：U473.9      文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2024）02-0016-05

Study on The Effect of Start-stop Technology on Pollutant and Carbon Emissions of Light Gasoline Vehicles

YAN Hao， DONG Meng-long， DING Ling， Li Yue-bing， He Yuan-yuan

（National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang），

Xiangyang 441004， China）

Abstract： Combined with the Type I test method of light gasoline vehicles， the chassis measurement machine test system， the full-flow dilution sampling system and the emission analysis system are adopted. a gasoline direct injection vehicle certified to meet China Ⅵ emission standard equipped with idle start-stop system was taken as the research object， aimed to study the effect of idle start-stop system on pollutants and carbon emissions， and analyzes the trend of influence of air-fuel ratio， water temperature and exhaust temperature. The results show that the fuel injection is added with idle start-stop system on， the air -fuel ratio increases， and the water temperature and exhaust temperature will decrease. The THC emissions under the entire test cycle increased by 15.9%， the CO emissions increased by 25.5%， the NOx emissions increased by 17.0%， CO2emissions decreased by 3.7%. The idle start-stop system was beneficial to reducing carbon emissions and reducing fuel consumption， while it was not conducive to the control of pollutant emissions.

Key Words： Idle Start-Stop Technology; Light Gasoline Vehicle; Pollutant Emissions; Carbon Emissions

隨着国内经济高速发展，机动车等移动源已经成为我国大气污染的主要来源，给人体健康和社会环境带来越来越多的危害，而轻型汽油车是城市机动车构成的主要部分，因此提高对轻型汽油车排放的管理具有重要意义[1]。一方面，为助力实现国家碳达峰碳中和目标愿景，降低汽车碳排放势在必行[2]。另一方面，国内汽车保有量的逐年增多，对城市交通通行造成了明显的影响，拥堵路况提高了行驶车辆的怠速占比时间，其怠速期间产生的污染物排放对环境影响愈发明显[3-5]，因此研究车辆怠速起停功能对车辆污染物和碳排放显得必要。

怠速起停是一种汽车节能技术[6]，在等红灯及其它场景需要短时间停车时自动关闭发动机，在车辆需要起步行驶时重新起动发动机，一定程度上可降低碳排放[7]。研究发现，车辆在NEDC测试循环下冷起动时，怠速起停开启条件下的百公里油耗要比怠速起停关闭下百公里油耗低5%左右，颗粒物数量排放升高16%左右，怠速起停有利于降低汽车的百公里油耗，但不利于缸内直喷汽油车颗粒数量排放的控制[8-9]。怠速起停频繁工作，会对发动机瞬时转速、扭矩、空燃比造成影响，瞬时特性更加突出，不利于车辆燃烧与排放控制[10-12]，同时怠速起停工作时，发动机关闭会导致排气温度和催化器工作温度均下降，影响其转化效率，发动机再次起动时污染物排放增加[13]。

本文基于轻型汽油车I型测试方法，采用四驱底盘测功机系统、全流稀释采样和尾气排放分析系统，对一台配置怠速起停功能的国Ⅵ直喷轻型汽油车进行排放测试，研究怠速起停开启与关闭条件下对污染物及碳排放的影响，并分析测试循环下空燃比、水温及排气温度影响趋势，为怠速起停技术对汽油车污染物和碳排放影响做出评价。

1    方案与数据

1.1   车辆及系统配置

试验车辆为一台配置怠速起停功能的国Ⅵ直喷轻型汽油车，下表1为测试对象的主要配置参数。

采用M4500四轮驱动耐久底盘测功机系统、CVS-ONE-MV全流稀释采样系统和MEXA-ONE-C2尾气排放分析系统开展本次试验，试验系统示意图如下图1所示：

1.2   试验方案

排放试验流程及相关要求根据GB 18352.6.2016《轻型汽油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》附录C（常温下冷起动排气污染物排放试验）展开[14]，驾驶循环为全球统一的轻型车测试循环（WLTC），该驾驶循环由低、中、高和超高速四个速度段构成，循环整体时长为1800s。WLTC测试循环工况特征如下表2所示。对试验车辆分别进行怠速起停开启和关闭条件下排放测试，每组试验进行三次并取平均值作为最终结果分析。

2    结果与分析

2.1   怠速起停对污染物排放的影响

主要分析怠速起停对污染物THC、CO和NOx排放的影响，其循环综合排放及分段排放如下图2、3、4所示，可以看到，怠速起停系统开启和关闭条件下三种污染物排放表现出相同的变化规律，其中中、高、超高速段排放要远远低于低速段排放。怠速起停开启状态下三种污染物分段及综合排放水平均高于怠速起停关闭状态下排放，其中怠速起停开启与关闭下THC排放分别为38.19mg/km、32.95mg/km；CO排放分别为308.03mg/km、245.43mg/km；NOx排放分别为18.95mg/km、16.19mg/km；三种污染物综合排放分别增加15.9%、25.5%和17.0%。

为进一步分析怠速起停功能对污染物排放的影响，将整个测试循环下得到的各污染物排放瞬态数据按照WLTC测试循环中怠速阶段（车速和加速度均为0）、加速阶段（车速和加速度均大于0）、减速阶段（车速大于0，加速度小于0）三种车辆行驶状态进行分类，并对瞬态数据分别累加得到三种行驶状态下怠速起停开启和关闭时的污染物排放，结果分别如下图5、6、7所示。

可以看到，怠速起停开启/关闭状态下三种污染物排放变化规律表现一致，在加速和减速行驶状态下，怠速起停开启下污染物排放要高于怠速起停关闭下排放，但在怠速行驶状态下怠速起停开启时排放会降低。分析怠速起停开启/关闭状态下发动机空燃比、水温和排气温度变化趋势，数据分析得到怠速起停工作下发动机起步过程中喷油会增多，空燃比增加，发动机瞬时特性突出，造成加速阶段污染物排放过高的问题，加速段的THC、CO和NOx排放值分别增高17.2%、27.5%和20.9%。怠速过程中，起停工作自动关闭发动机，不产生排放，因此怠速阶段怠速起停工作时排放会降低。下图8、9为怠速起停开启/关闭状态下冷却水温和排气温度变化趋势，可以看到，怠速起停开启状态下水温和排气温度要低于怠速起停关闭状态，尤其是在怠速阶段温度相差较大，从而导致排气管和催化器工作温度降低，影响其转化效率，不利于污染物排放控制。

2.2   怠速起停对碳排放的影响

分析怠速起停开启/关闭状态下碳排放水平，如下图10所示，怠速起停开启状态下循环综合及分段碳排放均低于怠速起停关闭状态下碳排放，综合碳排放降低3.7%，受低速段怠速占比较大，怠速起停开启状态下低速段碳排放变化最大，降幅为11.6%。

有研究表明，怠速起停技术具有较好的节油率，特别对于交通状况差的城市交通，该功能可以实现8%左右的节油水平[15]。分析各阶段燃油消耗量水平，如下表3所示，可以看到怠速起停在低速段油耗降幅最明显，降幅为11.4%，中高速段变化幅度较小，超高速段基本无变化，怠速起停系统对城市交通车辆有更好的节能效果。

3    结论

1）与怠速起停关闭状态下相比，怠速起停开启状态下发动机空燃比会增加，瞬时特性突出，且冷却水温和排气温度降低，不利于污染物排放控制，WLTC循环工况下THC、CO和NOx排放分别增加15.9%、25.5%和17.0%。

2）在加速和减速行驶状态下，怠速起停开启下污染物排放要高于怠速起停关闭下排放，但在怠速行驶状态下怠速起停开启时排放会降低。

3）怠速起停开启有利于降低整车碳排放，WLTC循环碳排放降低3.7%，且低速段碳排放变化最大，降幅为11.6%。怠速起停在低速段油耗降幅最明显，超高速段基本无变化，对于城市交通车辆有更好的节能效果。

参考文献：

[1]中华人民共和国环境保护部. 中国移动源环境管理年报（2022）[J]. 北京：中华人民共和国环境保护部，2022.

[2]刘智勇，刘学柱，何玉国等.怠速起停节能效果研究及实践[J]. 研究与应用，2018，（08）：37-42.

[3]吴国磊，罗毅，李玺尧.怠速下机动车气体污染物排放水平研究[J].价值工程，2014，（28）：284-285.

[4]Chen Chen R， Hu B， Liu Y， et al. Beyond PM2.5： The role of ultrafine particles on adverse health effects of air pollution [J]. Biochimica et Biophysica Acta （BBA）-General Subjects， 2016.

[5]杜文畅，王爽健，苏海龙等. ESM起停系统对大排量PFI汽油机油耗和排放的影响，2019，（01）：38-42.

[6]韩维维，全轶枫，付佳铭等.怠速起停技术现状及法规动态分析[J].汽车科技，2018（05）：8-13.

[7]Fonseca N， Jesús C， Manuel V. Influence of the stop/start system on CO2 emissions of a diesel vehicle in urban traffic [J]. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2011，16（2）：194-200.

[8]胡志遠，付佳铭，韩维维等.怠速起停对汽油车油耗及颗粒数量排放的影响[J].中国环境科学，2020，40（03）：1016-1022.

[9]杜文畅，王爽健，苏海龙等.ESM起停系统对大排量PFI汽油机油耗和排放的影响[J].汽车技术，2019（01）：38-42.

[10]于水，董光宇，高原等.基于循环分析的发动机快速起动瞬态燃烧特性[J].内燃机学报，2008（05）：404-409.

[11]李翔宇. 缸内直喷汽油机直接起动过程燃烧和排放分析[D].吉林大学，2016.

[12]Seo J， Kim H Y， Park S， et al. Experimental and Numerical Simulations of Spray Impingement and Combustion Characteristics in Gasoline Direct Injection Engines under Variable Driving Conditions [J]. Flow Turbulence & Combustion， 2015， 96（2）：1-25.

[13]杨帆. 装备起停系统的车辆燃油经济性和排放研究[D].河北工业大学，2022.

[14]GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测试方法（中国第六阶段） [S].

[15]钱国刚.轻型乘用车在中国的怠速起停循环外油耗测试评价[J]. 汽车安全与节能学报，2015，6（2）：171-178.