關(guān)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)方法的研究

尹東升，王君，代國勇，劉長峰，邵聰慧

關(guān)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)方法的研究

尹東升，王君，代國勇，劉長峰，邵聰慧

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，由于缸內(nèi)燃燒不充分，此時(shí)排氣系統(tǒng)溫度較低，三元催化器效率較低，THC排放量較高。為進(jìn)一步優(yōu)化THC排放，文章提出一種使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬整車WLTC工況的試驗(yàn)方法，研究結(jié)果表明：（1）在WLTC工況下，THC排放主要集中于冷啟動(dòng)前30 s階段；（2）使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬整車WLTC工況，試驗(yàn)結(jié)果具有高度一致性，因此可以提升試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本。

冷啟動(dòng)；排放試驗(yàn)；臺(tái)架試驗(yàn)方法；原始排放

引言

隨著中國排放法規(guī)國六強(qiáng)制排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施，與國五排放法規(guī)相比，新法規(guī)要求整車運(yùn)轉(zhuǎn)工況更為苛刻，排放污染物限制更為嚴(yán)格，國六B階段在THC、NMHC、NOx、CO等排放污染物的限值要求均降低了50%左右，同時(shí)新增了對(duì)PN顆粒物數(shù)量的嚴(yán)格限制[1-2]。車企及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商面對(duì)的壓力日漸增加，降低各項(xiàng)排放污染物的排放水平，從而滿足國六B排放法規(guī)的要求迫在眉睫。

國際上，許多知名學(xué)者對(duì)汽油機(jī)的排放污染物進(jìn)行了深入研究和分析。Shen, H等人提出一種高效的數(shù)學(xué)模型，使其能夠模擬三元催化器的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換性能，并進(jìn)行了仿真演算分析，研究結(jié)果表明：在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放階段，汽車排氣管排出了法規(guī)規(guī)定的HC、CO排放量的50%～80%[3]。Chan, S等人提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的傳熱模型，經(jīng)過仿真計(jì)算，研究結(jié)果表明：在冷啟動(dòng)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)溫度較低，排氣系統(tǒng)的換熱損失會(huì)導(dǎo)致三元催化器起燃時(shí)間明顯延長，嚴(yán)重降低三元催化器催化轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而導(dǎo)致各項(xiàng)有害排放物排放增加[4]。 Bielaczyc, P使用底盤轉(zhuǎn)鼓測(cè)功機(jī)在環(huán)境艙內(nèi)研究了不同的氣溫對(duì)汽油機(jī)冷啟動(dòng)排放污染物的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)大氣溫度從0 ℃降低到?15 ℃時(shí)，CO和HC的排放水平顯著增加，NOx排放水平基本不變[5]。Shinji Yama- moto等人開發(fā)出一款能夠降低冷啟動(dòng)階段HC排放的新型吸附系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：該吸附系統(tǒng)可降低冷啟動(dòng)階段60%的HC排放，但由于該系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此該系統(tǒng)成本較高，推廣難度較大[6]。M Matti Maricq等人使用不同濃度的乙醇汽油以研究其對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排放水平的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)汽油中乙醇含量由0%增至20%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放水平降低20%左右，THC和NOx排放水平降低了10%～20%[7]。

基于上述學(xué)者的研究成果，為進(jìn)一步提升試驗(yàn)效率，減少試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，本試驗(yàn)先通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試WLTC工況，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)，之后再使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架自動(dòng)編程，控制整車WLTC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，參考國六B法規(guī)規(guī)定的WLTC工況排放限值要求，使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬整車?yán)鋯?dòng)階段WLTC工況循環(huán)，進(jìn)而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段的排放水平，使其可以完全滿足國六B排放法規(guī)排放污染物的要求。

1 方案研究

通過進(jìn)行整車排放試驗(yàn)，得到WLTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況，并且通過對(duì)比分析實(shí)車WLTC工況試驗(yàn)測(cè)試的多組試驗(yàn)排放數(shù)據(jù)，得出NOx、CO等排放污染物可以滿足國六B排放法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)，但THC排放量明顯超過國六B排放法規(guī)的限值，無法滿足國六B階段的排放法規(guī)的要求。因此只要在冷啟動(dòng)階段，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)，使其可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段THC排放水平，這樣才可滿足國六B法規(guī)排放標(biāo)準(zhǔn)，整車排放就會(huì)很容易達(dá)到國六B排放法規(guī)的要求，達(dá)到汽車上市標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 某車型WLTC工況秒采曲線（全程）

如圖1、圖2所示，通過對(duì)整個(gè)WLTC工況的THC排放污染物的秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，在整車起動(dòng)后20～30秒內(nèi)，即在冷啟動(dòng)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫較低，且充氣效率較低，缸內(nèi)碳?xì)淙剂先紵怀浞?，排氣溫度較低，導(dǎo)致此時(shí)三元催化器溫度較低，三元催化器未能夠完全起燃，排放污染物轉(zhuǎn)換效率較低，因此THC排放水平很高，若采取有效手段，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和電控?cái)?shù)據(jù)，降低冷啟動(dòng)階段的THC排放水平，將對(duì)整個(gè)工況的排放水平貢獻(xiàn)巨大。

圖2 某車型WLTC工況秒采曲線（冷起動(dòng)段）

為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放，可以通過優(yōu)化進(jìn)氣凸輪軸、排氣凸輪軸的余弦曲線、改變VVT角度、改變發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)、改變發(fā)動(dòng)機(jī)電控?cái)?shù)據(jù)等方式，來確定最佳優(yōu)化方案，而面對(duì)各種狀態(tài)的組合，產(chǎn)生方案至少20～30種，而需要驗(yàn)證是否有效都需要車輛在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行WLTC測(cè)試工況。

因該法規(guī)規(guī)定WLTC循環(huán)工況要求車輛必須是在完全冷機(jī)狀態(tài)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果一致性，每次試驗(yàn)完成后都需要至少經(jīng)過12小時(shí)以上的冷卻時(shí)間才可以進(jìn)行下一輪冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)，要保證每種調(diào)整方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，每種方案至少需要測(cè)試3～5次，至少需要2～3天的時(shí)間成本。同時(shí)在整車上還存在零部件換裝困難，換裝成本較高等問題。

綜上所述，在整車上驗(yàn)證優(yōu)化排放的方案效率低，耗時(shí)長，數(shù)據(jù)一致性不容易保證，嚴(yán)重阻礙了新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，影響產(chǎn)品市場(chǎng)占有率。通過分析和研究整車WLTC前幾十秒的冷啟動(dòng)工況，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段工況數(shù)據(jù)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬WLTC工況來進(jìn)行等效，通過在臺(tái)架上編制試驗(yàn)工況程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行冷啟動(dòng)排放研究，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架具備換裝方便、冷機(jī)迅速、試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，面對(duì)幾十種方案可以快速選擇出最優(yōu)的方案組合，然后在整車上使用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，通過WLTC工況驗(yàn)證其有效性，采集冷啟動(dòng)排放數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行分析匯總，這樣可有效提高工作效率，降低試驗(yàn)成本，快速解決問題。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

發(fā)動(dòng)機(jī)完成臺(tái)架搭建后，要保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)怠速階段電控?cái)?shù)據(jù)正常，可以正常、順利進(jìn)行冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)。在啟動(dòng)階段，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)，過量空氣系數(shù)需處于0.8左右，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，為保證怠速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，過量空氣系數(shù)需要保持在1左右；發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油加注至機(jī)油尺標(biāo)定上限，外接機(jī)油冷卻循環(huán)設(shè)備，對(duì)機(jī)油進(jìn)行深度冷卻，使其滿足冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)方法——冷起動(dòng)試驗(yàn)

啟動(dòng)前水溫、機(jī)油溫度冷卻至在23 ℃～25 ℃，臺(tái)架需要采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、水溫、油溫、空燃比、原始排放等參數(shù)，冷啟動(dòng)階段測(cè)試工況如表1所示，使用AVL PUMA OPEN系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行工況，并進(jìn)行采集THC排放數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)置為10 Hz。

表1 冷啟動(dòng)階段測(cè)試工況

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)間/s 起動(dòng) 怠速30 低速小負(fù)荷120 怠速10 停機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

冷啟動(dòng)階段THC排放數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示，通過原機(jī)狀態(tài)、狀態(tài)1、狀態(tài)2數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出：狀態(tài)1與原機(jī)狀態(tài)THC排放相當(dāng)，而狀態(tài)2要優(yōu)于原機(jī)狀態(tài)。

圖3 某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放對(duì)比曲線

圖4 某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放對(duì)比曲線（前30秒）

通過對(duì)各種發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)冷啟動(dòng)階段前30 s的THC排放數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算并分析匯總，對(duì)比各個(gè)方案的冷啟動(dòng)階段THC的排放總量，結(jié)果如表2所示，通過分析數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，狀態(tài)2的冷啟動(dòng)階段的THC排放水平明顯優(yōu)于原機(jī)狀態(tài)，可能滿足國六B法規(guī)的限值要求，而狀態(tài)1的冷啟動(dòng)階段的THC排放水平較原機(jī)狀態(tài)有所劣化。

綜上所述，狀態(tài)2方案可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段的THC排放水平。將狀態(tài)2方案的發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車，使用底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，通過運(yùn)行WLTC工況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，狀態(tài)2的THC排放較原機(jī)狀態(tài)降低5 mg/km，滿足國六B階段的排放法規(guī)要求，并且驗(yàn)證了臺(tái)架測(cè)試的排放結(jié)果與整車WLTC驗(yàn)證結(jié)果的一致性良好。因此可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架模擬整車WLTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，進(jìn)行各項(xiàng)方案驗(yàn)證，選出優(yōu)化方案后，再搭載整車進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)而迅速驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

表2 各狀態(tài)冷起動(dòng)THC排放對(duì)比

試驗(yàn)狀態(tài)THC排放濃度/ppmTHC總排放量 起動(dòng)怠速低速小負(fù)荷 原機(jī)狀態(tài)8 9222 7423 918502 675 狀態(tài)19 1912 1534 202527 706 狀態(tài)27 0161 6843 800333 755

4 結(jié)論

（1）THC的排放主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，且在冷啟動(dòng)階段前30 s內(nèi)達(dá)到峰值，在此之后呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬WLTC工況和整車WLTC工況試驗(yàn)結(jié)果具有高度一致性，因此可使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬整車WLTC工況，以提升試驗(yàn)效率。

[1] 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)GB 18352.6—2016.北京:中國環(huán)境出版社, 2018.

[2] 環(huán)境保護(hù)局.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第五階段):GB 18352.5—2013.北京:中國環(huán)節(jié)出版社,2013.

[3] Shen, H.,Shamim,T., and Sengupta,S.An Investigation of Catalytic Converter Performances during Cold Starts[C].SAE Technical Paper, 1999.

[4] Chan,S.and Hoang,D.Modeling of Catalytic Conversion of CO/HC in Gasoline Exhaust at Engine Cold-Start[C].SAE Technical Paper, 1999.

[5] Bielaczyc, P. and Merkisz, J. Exhaust Emission from Passenger Cars During Engine Cold Start and Warm-Up[C].SAE Technical Paper, 1997.

[6] Shinji Yamamoto, Kenjirou Matsushita, Satomi Etoh and Masahiro Takaya.In-line Hydrocarbon (HC) Adsorber System for Reducing Cold-Start Emissions[J].SAE Transactions, 2000,109(4):623-631.

[7] M Matti Maricq, Joseph J Szente, Ken Jahr. The impact of ethanol fuel blends on PM emissions from a light duty GDI vehicle[J]. Aerosol Science and Technology,2012,46 (5):576-582.

Study on the Optimization of Engine Cold Start Emission Test Methods

YIN Dongsheng, WANG Jun, DAI Guoyong, LIU Changfeng, SHAO Conghui

( Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Helongjiang Harbin 150060 )

During the cold start phase of the engine, due to insufficient combustion in the cylinder, the efficiency of the catalytic converter is low and the THC emission is high due to the lower temperature of the exhaust system. In order to further optimize the THC emission, this paper proposes a test method to simulate the whole vehicle WLTC condition using an engine stand. The results show that: (1)under WLTC conditions, THC emissions are mainly concentrated in the first 30 s of cold start; (2) using the engine, the bench simulates the WLTC condition of the whole vehicle, and the test results are highly consistent, which can improve the test efficiency and reduce the test cost.

Cold start; Emission tests; Bench test methods; The original emissions

U464

A

1671-7988(2021)20-157-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.039

尹東升（1984—），男，高級(jí)工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。