輕型汽車?yán)鋯优欧盘匦匝芯?/h1>
2017-11-07 11:11楊疑
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年30期
楊疑
摘 要：汽車作為現(xiàn)代交通工具方便了人們，但是也帶來了環(huán)境污染。在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染情況下國家對汽車尾氣排放污染物制定了嚴(yán)格的法規(guī)限制汽車尾氣的排放。一個測試循環(huán)中汽車污染物的排放主要集中在冷啟動階段。文章主要研究輕型汽車?yán)鋯与A段CO、HC和NOx的排放特性，研究表明：在冷啟動階段由于啟動溫度低發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒不良以及催化器沒有起燃，導(dǎo)致大量CO、HC和NOx排出，隨著冷卻液溫度升高CO、HC和NOx排放逐漸降低到較低水平。
關(guān)鍵詞：輕型汽車；尾氣排放；排放法規(guī)；測試循環(huán)；冷啟動
中圖分類號：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0176-02
1 概述
在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染國情下，國家一直在致力于改善環(huán)境；汽車作為一種現(xiàn)代文明的產(chǎn)物，也是當(dāng)今最為普遍的交通工具，方便了人們也給世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。但是汽車在方便人們的同時也給環(huán)境帶來了巨大污染，汽車尾氣污染物是環(huán)境的主要污染源之一。要想有效改善環(huán)境必須降低汽車尾氣污染物排放。為有效改善機(jī)動車尾氣排放2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》，國家第五階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，即“國五標(biāo)準(zhǔn)”，國五標(biāo)準(zhǔn)排放控制水平相當(dāng)于歐洲正在實施的第5階段排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟已經(jīng)從2009年起開始執(zhí)行，其對氮氧化物、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己蛻腋×Ｗ拥葯C(jī)動車排放物的限制更為嚴(yán)苛。從國Ⅰ提至國Ⅳ，每提高一次標(biāo)準(zhǔn)，單車污染減少30%至50%。2017年1月1日起，全國機(jī)動車將全面實施國五排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。國五排放法規(guī)的制訂與實施給汽車企業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)及壓力，要想實現(xiàn)國五排放法規(guī)限值必須犧牲汽車的部分經(jīng)濟(jì)性和動力性。研究發(fā)現(xiàn)在一個NEDC測試循環(huán)中超過70%的排放物集中在冷啟動階段，因此要想有效降低發(fā)動機(jī)尾氣排放必須有效控制汽車?yán)鋯与A段排放，因此研究汽車?yán)鋯与A段排放特性十分有必要。李晨貞[2]等對不同運轉(zhuǎn)循環(huán)下的輕型汽車排放特性研究，研究表明：在不同測試循環(huán)中，無論是NEDC、WLTC還是EPA75測試循環(huán)中污染物排放都是集中在冷啟動階段。為實現(xiàn)汽車超低排放控制，部分專家學(xué)者著手研究清潔替代燃料發(fā)動機(jī)的排放特性，以期尋開發(fā)一種超低排放的汽車。大連民族大學(xué)宮長明教授[3-4]通過對甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒特性研究發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機(jī)具有較低的污染物排放，可以比較容易實現(xiàn)國五排放法規(guī)對氣體污染物的排放要求，但是在冷啟動階段仍有較高的污染物排放，因此控制甲醇發(fā)動機(jī)冷啟動污染物排放也是控制污染物排放控制的重要手段。電動汽車由于受電池容量及充電時間、電池散熱等因素的限值使得電動汽車仍然無法取代傳統(tǒng)汽車[5]；氫氣汽車由于氫氣的制作，儲存及安全性等問題仍未得到有效解決，因此氫氣汽車的發(fā)展十分受限[5]。
在當(dāng)今國內(nèi)外傳統(tǒng)汽車占據(jù)主要地位的背景下，如何有效改善汽車尾氣排放的關(guān)鍵在于如何有效減小汽車?yán)鋯与A段尾氣的排放，因此研究輕型汽車在NEDC循環(huán)測試工況下的冷啟動階段排放特性十分有意義。
本文主要是在一輛搭載某1.4L增壓發(fā)動機(jī)的手動擋輕型汽車通過滑行法加載，通過NEDC循環(huán)工況研究NEDC循環(huán)工況下汽車的排放特性，通過研究NEDC工況下冷啟動階段排放特性為汽車超低排放技術(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。
2 測試循環(huán)及測試設(shè)備
本文研究對象為一輛搭載1.4L增壓發(fā)動機(jī)的輕型汽車，基準(zhǔn)質(zhì)量為1590kg，最大總質(zhì)量為1950kg的五座輕型汽車。所用測試設(shè)備采用全流稀釋系統(tǒng)，所用尾氣分析儀為日本Horiba公司生產(chǎn)的Horiba尾氣分析儀，所用阻力加載系統(tǒng)為德國MAHA公司生產(chǎn)的MAHA轉(zhuǎn)鼓。試驗中按照單點加載法對汽車運行阻力進(jìn)行加載，然后按照NEDC測試循環(huán)進(jìn)行測試，通過全流稀釋系統(tǒng)對汽車尾氣進(jìn)行稀釋，然后對稀釋后的尾氣進(jìn)行分析。驗測試裝置如圖1，測試NEDC循環(huán)如圖2。
由圖2所示，NEDC測試循環(huán)包括兩個循環(huán)由1部（市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)）組成。市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)由4個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個運轉(zhuǎn)單元195秒；汽車啟動時刻由于機(jī)體溫度為環(huán)境溫比較低，一般我們將第1個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元劃分為冷啟動階段；后3個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)為熱機(jī)循環(huán)；市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)為高速大負(fù)荷循環(huán)。
3 計算結(jié)果分析
通過阻力加載，汽車運轉(zhuǎn)一個完成NEDC循環(huán)，通過Horiba尾氣分析儀所測量得到的冷啟動階段CO濃度、HC濃度、NOx濃度如圖3-5所示。
由圖3冷機(jī)啟動階段尾氣中CO排放模態(tài)數(shù)據(jù)，從圖中得知，在冷啟動階段尾氣中的CO的濃度很高，尤其是在前50s第一個上坡期間CO排放濃度最高，達(dá)到3%，隨后CO排放濃度逐漸降低。分析其原因主要是在冷啟動階段由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度是環(huán)境溫度，溫度比較低；在低溫環(huán)境下汽油的蒸發(fā)和霧化性能很差，為了能夠使得得到較濃的可燃混合氣必須在啟動階段噴大量的燃油，因此使得缸內(nèi)混合氣處于過濃狀態(tài)，同時由于啟動初始階段缸內(nèi)溫度低因此缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量較差，不利于混合氣的充分燃燒，因此會導(dǎo)致大量的燃油在排氣門打開時刻不能完全燒燒從而產(chǎn)生大量的CO，因此大量的CO被排出。隨著汽車運行，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度逐漸上升，同時發(fā)動機(jī)機(jī)體的溫度也逐漸上升，能夠改善燃油的蒸發(fā)和霧化因此噴射燃油逐漸靠近理論空燃比不會出現(xiàn)過濃的情況，同時由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，缸內(nèi)混合氣燃燒得到改善，因此CO濃度能夠得到有效降低。
圖4是冷啟動階段尾氣中THC排放濃度，從圖中可知在啟動階段前50s期間，尾氣中THC濃度很高，隨著發(fā)動機(jī)繼續(xù)運行尾氣中HC濃度逐漸降低最后降低到比較低的水平。分析原因是，在啟動階段由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度比較低，在低溫環(huán)境下汽油不易蒸發(fā)，因此要想得到可燃混合氣必須噴射大量的汽油，同時由于低溫環(huán)境下不利于火焰核心的發(fā)展以及火焰?zhèn)鞑?，?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒速率很慢，在排氣門打開時刻會有大量的可燃混合氣來不及燃燒從而排出，導(dǎo)致尾氣中HC濃度十分高，隨著汽車?yán)^續(xù)運行發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，能夠有效改善燃燒，使得火焰?zhèn)鞑ニ俾蕵O大提高，同時噴射燃油之間減少向理論空燃比靠近，加上尾氣對催化器的加熱，催化器的催化效率逐漸上升，因此尾氣中的HC濃度逐漸減小，在冷啟動后期由于催化器已經(jīng)起燃，催化效率十分高因此尾氣中的HC濃度極大降低。
圖5是冷啟動階段尾氣中NOx排放濃度，從圖5可以看出在冷啟動初始階段前75s期間NOx的排放都處于很高的水平，然后NOx濃度減小到很低的水平。分析原因是在啟動初始階段排氣溫度比較低催化器還沒有起燃，導(dǎo)致催化器對尾氣的凈化作用很小，發(fā)動機(jī)昂內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx幾乎得不到凈化，從而全部排出，從而使得NOx排放很高；當(dāng)?shù)?5s以后由于排氣對催化器的加熱使得催化器的轉(zhuǎn)化效率得到極大提高，尾氣中的NOx能夠得到有效的凈化，從而使得尾氣中NOx排放濃度大大降低。
4 結(jié)束語
（1）汽車?yán)鋯与A段的CO排放主要集中在啟動階段，主要原因是啟動階段發(fā)動機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，汽油蒸發(fā)作用弱導(dǎo)致需要加濃混合氣使得大量燃油缺氧產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)生大量CO。
（2）汽車?yán)鋯与A段的HC排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動階段機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，混合氣燃燒速率滿，在愛氣門打開時刻大量混合氣來不及燃燒從而直接排出，導(dǎo)致HC排放十分大。
（3）汽車?yán)鋯与A段的NOx排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動初期排氣溫度低催化器的凈化效率低導(dǎo)致NOx排放很高。
參考文獻(xiàn)：
[1]汪文忠.汽車發(fā)動機(jī)加速不良的故障診斷與分析[J].汽車與配件，2017（12）：84-85.
[2]李晨貞，徐月云.不同運轉(zhuǎn)循環(huán)下的輕型汽車排放特性研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015（05）：21-25.
[3]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發(fā)動機(jī)分層稀薄燃燒試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014（06）：45-50.
[4]宮長明，彭樂高，孫景震，等.噴嘴開啟壓力對DISI甲醇發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響[J].車用發(fā)動機(jī)，2015（03）：70-75.
[5]李靜媛.加氫站高壓氫氣充裝策略及泄漏爆炸后果預(yù)測研究[D].浙江大學(xué)，2015.endprint
楊疑
摘 要：汽車作為現(xiàn)代交通工具方便了人們，但是也帶來了環(huán)境污染。在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染情況下國家對汽車尾氣排放污染物制定了嚴(yán)格的法規(guī)限制汽車尾氣的排放。一個測試循環(huán)中汽車污染物的排放主要集中在冷啟動階段。文章主要研究輕型汽車?yán)鋯与A段CO、HC和NOx的排放特性，研究表明：在冷啟動階段由于啟動溫度低發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒不良以及催化器沒有起燃，導(dǎo)致大量CO、HC和NOx排出，隨著冷卻液溫度升高CO、HC和NOx排放逐漸降低到較低水平。
關(guān)鍵詞：輕型汽車；尾氣排放；排放法規(guī)；測試循環(huán)；冷啟動
中圖分類號：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0176-02
1 概述
在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染國情下，國家一直在致力于改善環(huán)境；汽車作為一種現(xiàn)代文明的產(chǎn)物，也是當(dāng)今最為普遍的交通工具，方便了人們也給世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。但是汽車在方便人們的同時也給環(huán)境帶來了巨大污染，汽車尾氣污染物是環(huán)境的主要污染源之一。要想有效改善環(huán)境必須降低汽車尾氣污染物排放。為有效改善機(jī)動車尾氣排放2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》，國家第五階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，即“國五標(biāo)準(zhǔn)”，國五標(biāo)準(zhǔn)排放控制水平相當(dāng)于歐洲正在實施的第5階段排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟已經(jīng)從2009年起開始執(zhí)行，其對氮氧化物、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己蛻腋×Ｗ拥葯C(jī)動車排放物的限制更為嚴(yán)苛。從國Ⅰ提至國Ⅳ，每提高一次標(biāo)準(zhǔn)，單車污染減少30%至50%。2017年1月1日起，全國機(jī)動車將全面實施國五排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。國五排放法規(guī)的制訂與實施給汽車企業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)及壓力，要想實現(xiàn)國五排放法規(guī)限值必須犧牲汽車的部分經(jīng)濟(jì)性和動力性。研究發(fā)現(xiàn)在一個NEDC測試循環(huán)中超過70%的排放物集中在冷啟動階段，因此要想有效降低發(fā)動機(jī)尾氣排放必須有效控制汽車?yán)鋯与A段排放，因此研究汽車?yán)鋯与A段排放特性十分有必要。李晨貞[2]等對不同運轉(zhuǎn)循環(huán)下的輕型汽車排放特性研究，研究表明：在不同測試循環(huán)中，無論是NEDC、WLTC還是EPA75測試循環(huán)中污染物排放都是集中在冷啟動階段。為實現(xiàn)汽車超低排放控制，部分專家學(xué)者著手研究清潔替代燃料發(fā)動機(jī)的排放特性，以期尋開發(fā)一種超低排放的汽車。大連民族大學(xué)宮長明教授[3-4]通過對甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒特性研究發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機(jī)具有較低的污染物排放，可以比較容易實現(xiàn)國五排放法規(guī)對氣體污染物的排放要求，但是在冷啟動階段仍有較高的污染物排放，因此控制甲醇發(fā)動機(jī)冷啟動污染物排放也是控制污染物排放控制的重要手段。電動汽車由于受電池容量及充電時間、電池散熱等因素的限值使得電動汽車仍然無法取代傳統(tǒng)汽車[5]；氫氣汽車由于氫氣的制作，儲存及安全性等問題仍未得到有效解決，因此氫氣汽車的發(fā)展十分受限[5]。
在當(dāng)今國內(nèi)外傳統(tǒng)汽車占據(jù)主要地位的背景下，如何有效改善汽車尾氣排放的關(guān)鍵在于如何有效減小汽車?yán)鋯与A段尾氣的排放，因此研究輕型汽車在NEDC循環(huán)測試工況下的冷啟動階段排放特性十分有意義。
本文主要是在一輛搭載某1.4L增壓發(fā)動機(jī)的手動擋輕型汽車通過滑行法加載，通過NEDC循環(huán)工況研究NEDC循環(huán)工況下汽車的排放特性，通過研究NEDC工況下冷啟動階段排放特性為汽車超低排放技術(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。
2 測試循環(huán)及測試設(shè)備
本文研究對象為一輛搭載1.4L增壓發(fā)動機(jī)的輕型汽車，基準(zhǔn)質(zhì)量為1590kg，最大總質(zhì)量為1950kg的五座輕型汽車。所用測試設(shè)備采用全流稀釋系統(tǒng)，所用尾氣分析儀為日本Horiba公司生產(chǎn)的Horiba尾氣分析儀，所用阻力加載系統(tǒng)為德國MAHA公司生產(chǎn)的MAHA轉(zhuǎn)鼓。試驗中按照單點加載法對汽車運行阻力進(jìn)行加載，然后按照NEDC測試循環(huán)進(jìn)行測試，通過全流稀釋系統(tǒng)對汽車尾氣進(jìn)行稀釋，然后對稀釋后的尾氣進(jìn)行分析。驗測試裝置如圖1，測試NEDC循環(huán)如圖2。
由圖2所示，NEDC測試循環(huán)包括兩個循環(huán)由1部（市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)）組成。市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)由4個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個運轉(zhuǎn)單元195秒；汽車啟動時刻由于機(jī)體溫度為環(huán)境溫比較低，一般我們將第1個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元劃分為冷啟動階段；后3個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)為熱機(jī)循環(huán)；市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)為高速大負(fù)荷循環(huán)。
3 計算結(jié)果分析
通過阻力加載，汽車運轉(zhuǎn)一個完成NEDC循環(huán)，通過Horiba尾氣分析儀所測量得到的冷啟動階段CO濃度、HC濃度、NOx濃度如圖3-5所示。
由圖3冷機(jī)啟動階段尾氣中CO排放模態(tài)數(shù)據(jù)，從圖中得知，在冷啟動階段尾氣中的CO的濃度很高，尤其是在前50s第一個上坡期間CO排放濃度最高，達(dá)到3%，隨后CO排放濃度逐漸降低。分析其原因主要是在冷啟動階段由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度是環(huán)境溫度，溫度比較低；在低溫環(huán)境下汽油的蒸發(fā)和霧化性能很差，為了能夠使得得到較濃的可燃混合氣必須在啟動階段噴大量的燃油，因此使得缸內(nèi)混合氣處于過濃狀態(tài)，同時由于啟動初始階段缸內(nèi)溫度低因此缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量較差，不利于混合氣的充分燃燒，因此會導(dǎo)致大量的燃油在排氣門打開時刻不能完全燒燒從而產(chǎn)生大量的CO，因此大量的CO被排出。隨著汽車運行，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度逐漸上升，同時發(fā)動機(jī)機(jī)體的溫度也逐漸上升，能夠改善燃油的蒸發(fā)和霧化因此噴射燃油逐漸靠近理論空燃比不會出現(xiàn)過濃的情況，同時由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，缸內(nèi)混合氣燃燒得到改善，因此CO濃度能夠得到有效降低。
圖4是冷啟動階段尾氣中THC排放濃度，從圖中可知在啟動階段前50s期間，尾氣中THC濃度很高，隨著發(fā)動機(jī)繼續(xù)運行尾氣中HC濃度逐漸降低最后降低到比較低的水平。分析原因是，在啟動階段由于發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度比較低，在低溫環(huán)境下汽油不易蒸發(fā)，因此要想得到可燃混合氣必須噴射大量的汽油，同時由于低溫環(huán)境下不利于火焰核心的發(fā)展以及火焰?zhèn)鞑?，?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒速率很慢，在排氣門打開時刻會有大量的可燃混合氣來不及燃燒從而排出，導(dǎo)致尾氣中HC濃度十分高，隨著汽車?yán)^續(xù)運行發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度和冷卻液溫度上升，能夠有效改善燃燒，使得火焰?zhèn)鞑ニ俾蕵O大提高，同時噴射燃油之間減少向理論空燃比靠近，加上尾氣對催化器的加熱，催化器的催化效率逐漸上升，因此尾氣中的HC濃度逐漸減小，在冷啟動后期由于催化器已經(jīng)起燃，催化效率十分高因此尾氣中的HC濃度極大降低。
圖5是冷啟動階段尾氣中NOx排放濃度，從圖5可以看出在冷啟動初始階段前75s期間NOx的排放都處于很高的水平，然后NOx濃度減小到很低的水平。分析原因是在啟動初始階段排氣溫度比較低催化器還沒有起燃，導(dǎo)致催化器對尾氣的凈化作用很小，發(fā)動機(jī)昂內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx幾乎得不到凈化，從而全部排出，從而使得NOx排放很高；當(dāng)?shù)?5s以后由于排氣對催化器的加熱使得催化器的轉(zhuǎn)化效率得到極大提高，尾氣中的NOx能夠得到有效的凈化，從而使得尾氣中NOx排放濃度大大降低。
4 結(jié)束語
（1）汽車?yán)鋯与A段的CO排放主要集中在啟動階段，主要原因是啟動階段發(fā)動機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，汽油蒸發(fā)作用弱導(dǎo)致需要加濃混合氣使得大量燃油缺氧產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)生大量CO。
（2）汽車?yán)鋯与A段的HC排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動階段機(jī)體溫度和冷卻液溫度低，混合氣燃燒速率滿，在愛氣門打開時刻大量混合氣來不及燃燒從而直接排出，導(dǎo)致HC排放十分大。
（3）汽車?yán)鋯与A段的NOx排放主要集中在啟動階段，主要原因啟動初期排氣溫度低催化器的凈化效率低導(dǎo)致NOx排放很高。
參考文獻(xiàn)：
[1]汪文忠.汽車發(fā)動機(jī)加速不良的故障診斷與分析[J].汽車與配件，2017（12）：84-85.
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[3]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發(fā)動機(jī)分層稀薄燃燒試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014（06）：45-50.
[4]宮長明，彭樂高，孫景震，等.噴嘴開啟壓力對DISI甲醇發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響[J].車用發(fā)動機(jī)，2015（03）：70-75.
[5]李靜媛.加氫站高壓氫氣充裝策略及泄漏爆炸后果預(yù)測研究[D].浙江大學(xué)，2015.endprint
