低温起动模拟试验与欧III冷起动排放特性的研究

1、低温起动模拟试验与欧III冷起动排放特性的研究马崴 肖建华 王建昕（清华大学 汽车安全与节能国家重点试验室）摘要： 为使汽油车满足欧排放法规，必须解决-7条件下的催化器快速起燃和抑制排放物陡增的问题。本研究设计了试验系统和探讨了模拟方法，并尝试了在台架上模拟和测试带有三效催化器的汽油车电喷发动机的低温冷起动特性。初步模拟试验结果表明：与常温条件相比，在环境温度为-7时，冷起动初期的THC排放升高了19倍左右；CO和NOx的排放升高了5倍左右；采用低起燃温度催化器近距离布置，可以使两循环内的THC排放量减少约38%，CO降低约51%，NOx减低约41%；采用两级催化转化器，可使THC排放量减少约

2、47%，CO降低约45%，NOx减低约43%。叙词：催化转化器；冷起动；HC排放物；台架模拟；A Study on Cold-Starting Simulation Method and Emission Characteristics of a Gasoline Engine in Euro- Cold-Start Emission TestWei Ma, Jianhua Xiao, Jianxin WangTsinghua University, State Key Laboratory of Automobile Safety and EnergyAbstract: In order t

3、o make gasoline fueled vehicles reach the Euro-III emission regulation, the problem remained in quick ignition of catalyst and substantial increment of exhaust emissions at -7 ambient temperature must be solved. This study attempts to simulate and test the cold start characteristics of gasoline fuel

4、ed vehicles with electric injection and three way catalyst on an engine test bench and also designed the experiment system and simulation method. The simulation experiment results showed that: compared with normal temperature, at -7 ambient temperature, in the first 195s of the cold start the whole

5、emissions after catalyst increased greatly, in which THC emissions increased by nearly nineteen times, CO by more than five times and NOx by almost five times; when a catalyst with lower light-off temperature was located at a shorter distance from the engine, the THC emissions, in the first 390s of

6、the cold start, decreased by nearly 38%, CO by more than 51%, and NOx by almost 41%; when a two stage catalyst system was used, the THC emissions decreased by nearly 47%, CO by more than 45%, and NOx by almost 43%.Keywords: catalyst cold start HC emission test bench simulation.1 引言我国正在考虑实施的相当于欧号排放标准

7、1的轻型汽油车排放法规，与目前我国已经执行的GB18352-2001工况法规2,3相比，取消了发动机起动后的40s怠速暖机过程，并增加了-7环境温度下的冷起动测试（欧 VI型试验）。这使得轻型汽油车排放达标的难度显著增加，尤其是在-7低温条件下，发动机冷起动初期产生的THC排放较之常温增加了几倍甚至十几倍4。因此，掌握轻型汽油车三效催化转化器系统的低温起动排放特性，找到相应的排放控制办法，成为顺利通过欧排放法规的关键问题之一。根据法规规定，轻型汽油车的排放检测需要在整车低温转毂试验台上进行，该类试验台造价及使用费用高昂，使用和调整复杂，试验周期长，不利于作为产品开发过程中的测试手段。本文探讨了

8、在低温发动机台架上模拟欧整车转毂测试的工况试验方法，并采用该方法进行了针对电喷汽油机加三效催化转化器系统的冷起动排放特性的研究。2 冷起动模拟试验装置图1为试验系统布置图。试验使用的是一台多点进气道电控喷射的汽油发动机。为模拟欧工况法规规定的-7冷起动循环的试验环境条件，试验将发动机，催化器，汽油油箱，启动电瓶，ECU等均置于环境模拟舱内；同时，设置专门针对发动机冷却水、机油、催化器的强制冷却系统，用以保证在最短时间内将各部分均匀冷却到所要模拟的低温条件，提高试验效率。经试验结果证实，在使用强制冷却系统的情况下，在环境舱内空气温度达到要求后46小时，发动机控制参数即可满足试验条件，这使得发动机

9、台架模拟方法的试验效率大大高于整车转毂试验。发动机由湘仪产FC2010发动机测控仪、电涡流测功机系统实现工况模拟。由两台AVL公司的 CEB-II型排放分析仪同时测试催化器前后的排气成分。在排气管路的沿途布置有KEU型铠装热电偶，用以测试排气温度的变化。瞬时排气成分浓度、温度、动态空燃比等参数均由自行研制的瞬态数采系统采集，采样频率4Hz. 3 模拟试验方法的设计3.1 发动机工况模拟图1 试验装置布置图本发动机工况模拟方法，以电喷发动机加三效催化转化器系统在欧低温起动排放试验（VI型试验）中的排温和排放特性为主要模拟目标；根据发动机转速和转矩的计算公式，把整车转毂排放测试工况的车速和行驶阻力

10、折算成发动机转速和转矩，作为基准参照量；同时参照整车转毂实验结果，对控制量作出调整，从而确定出针对不同机型和车型的发动机台架运行工况。本研究中选择了一台国产发动机作为研究对象。根据发动机冷起动特性和催化器起燃特性，本试验所选择整车转毂工况法I部的前两个循环作为模拟对象，循环长度390s.3.2 排放量的测量及计算方法本台架采用两台AVL公司的 CEB-II型排放分析仪进行排放成分测试。为使本试验测量结果能与采用真实排放法规检测方法所得到的排放物计算方法具有可比性，就需要把以容积浓度（*10-6）为单位的结果表现形式转化为国家工况法法规规定的质量（g,g/km）单位的形式，具体方法如下：（1）

11、稳定工况下发动机全工况空气质量流量map图为基础，计算出各瞬时空气质量流量值；（2） 用试验方法测定了冷起动工况下排放采集系统各成分分析单元的总延迟时间，作为对时间零点的修正标准；同样采用试验方法对两系统的运行时间总长进行标定。采用线性插值的方法来统一两数采系统的时间坐标步长；（3） 排放物瞬时质量流量，单位(g/h)；积分得到整个工况循环内各排放成分的总质量，单位(g)。图2为改进后的模拟工况方法排温曲线与整车低温转毂测试结果的对比图。试验结果显示，在改进后的模拟工况中发动机的排气温度变化曲线已经较为接近整车转毂；因此在该台架模拟工况试验中获得的包括催化器起燃特性等结果与整车低温转毂相比，是

12、具有较高可比性的。图2 台架模拟工况和欧法规VI型试验发动机排气温度对比图3为连续多次低温起动试验测得的模图3 各次试验排放物累计排放量3.3 后处理系统方案本试验采用台架模拟方法，研究了催化器布置位置、起燃温度(T50)和窗口中心处THC转化率以及两级催化器布置方案对低温起动排放特性的影响。其中催化器对各成分的起燃时间（T50）定义为：当催化器对某成分转化效率达到50%，并保持一段时间时，转化率达到50%的时刻与发动机起动时刻间的时间长度为催化器对该成分的起燃时间。这样就把催化器起燃和由于催化器载体吸附作用、空燃比波动等因素造成的转化率瞬时增大区别开来。以金属3#催化器布置于距排气歧管出口5

13、50mm处时的实测瞬时空燃比、THC瞬时转化效率曲线为例（如图4所示）：冷起动初期的THC转化率峰值是由于吸附作用引起的；26s左右出现第二个接近50%的转化率峰值时，空燃比波动剧烈，催化器不能正常工作；而后转化率在约33s时刻达到50%，并持续上升，此时催化器同时达到起燃温度和空燃比要求，开始正常工作；因此在该冷起动过程中， 催化器对THC的起燃时间为33s. 由于THC排放是冷起动过程排放控制的重点，且试验结果证实试验用催化器对各成分的起燃时间中均以THC为最长，因此后文讨论中如无说图4 冷起动前100s催化器转化效率、实测空燃比及THC累计排放量曲线表1 试验用催化器特性催化器性能指标容

14、积(L)窗口处最低转化效率起燃温度()陶瓷1#89%3001.6L陶瓷2#90%2801.6L陶瓷3#96%2801.6L陶瓷4#95%2601.6L金属1#96%2500.8L金属2#97%2800.8L金属3#87%2601.6L明，均指THC起燃时间。试验用各三效催化转化器特性如表1所示，性能评价方法见文献4。4 模拟欧冷起动试验结果与分析4.1 原机低温起动排放特性本试验利用台架模拟工况法研究了在常温、0和-7下，发动机加三效催化转化器系统在起动初期的排放特性。试验使用陶瓷1#布置在原位置时，不同温度下发动机运行相同工况。图5为实测催化器后THC排放浓度曲线和计算累计流量曲线的例子。其

15、余排放物均采用同样方法进行计算，计算结果见图6。-7低温环境下起动后THC峰值浓度增加了四倍以上，催化器起燃时间也明显变长从常温条件下的73s增加到-7时的178s。 图5 不同环境温度下的THC瞬时排放量和累计排放量曲线图6 不同温度下欧工况第一循环（0195s）排放对比从图6可以看出，随着环境温度的降低，试验用发动机在模拟欧工况第一循环内产生的THC排放量大幅度增长，CO排放也明显恶化，NOx变化并不明显；随着催化器起燃时间变长，催化器后排出的有害成分质量也明显增加0，-7环境温度下，催化器前，THC排放量分别达到常温的约4倍和5倍,CO排放量均达到常温的约2.5倍，NOx变化不明显；催化

16、器后，THC的排放量分别达到常温的14倍和19倍左右，CO的排放量达到常温的5倍左右，NOx的排放分别为常温的约4倍和4.5倍。从这一结果可以看出，低温起动过程中NOx排放量主要受催化器起燃时间推迟的影响，而THC与CO排放则不仅与催化器起燃时间有关，而且与环境温度密切相关。其中温度对催化器前排放的影响主要表现在：低温情况下，发动机从起动到进入空燃比闭环控制所需的时间明显加长，在这段时间内，供给混合气一直较浓，THC和CO排放大量增加。因此，控制低温起动排放的首要工作在于调整起动空燃比控制策略。在调整-7下空燃比闭环时间到73s后，本试验进行了对多种后处理系统方案对低温起动排放影响的研究。4.

17、2 催化器布置位置的影响图7 催化器在不同位置上的起燃时间本试验研究了催化器位置对冷起动排放特性的影响。图7为金属3#催化转化器布置在距排气歧管出口不同距离的位置上时，催化器起燃时间对比。可以看出，金属3#催化器从1200mm前移至450mm后，起燃时间从69s缩短到33s。图8为模拟工况前100s、第一循环和前两循环THC、CO和NOx的累积排放量。可以看出，冷起动过程第二循环产生的三种排放物的排放量均大大低于第一循环，而第一循环排放又主要产生于前100s。因此，改善低温起动第一循环，甚至是前100s内的排放状况对控制整个低温起动过程排放具有重要意义；随着催化器位置的前移，冷起动过程催化器后

18、排放量逐渐减少催化器从1200mm前移至450mm后，两循环内THC排放量降低了约22%，CO排放量降低了约31%，NOx降低约12%.图8 催化器在不同位置上的冷起动排放4.2 催化器特性的影响 本试验选用陶瓷1#、陶瓷2#、陶瓷3#、陶瓷4#和金属3#催化器，布置在距发动机排气歧管出口1200mm处，对其在冷起动过程中的起燃及排放特性进行了对比。图9 不同催化器起燃时间不同催化器的起燃时间和排放量见图9、10。从试验结果中可以看出，随催化器起燃温度降低，和催化器窗口中心处THC转化效率的提高，起燃时间均明显缩短，CO和NOx排放量均大幅度降低；THC排放量略有降低，但不明显。而且，从本试验

19、结果来看，窗口处THC转化效率提高1%的催化器（陶瓷3#）的起燃时间和起燃温度降低20K的催化器（陶瓷4#）只相差1s，陶瓷3#对冷起动THC排放的改善效果接近，甚至好于陶瓷4#。因此，提高催化器的窗口处转化效率可以有效地降低低温起动排放。从两循环总排放量看，陶瓷3#、4#编号前级催化器主催化器方案1金属1#（0.8L）陶瓷1#（1.6L）方案2陶瓷3#（1.6L）方案3陶瓷4#（1.6L）方案4金属2#（0.8L）方案5金属3#（1.6L）图11 两级催化器冷起动排放量图10 使用不同催化器的冷起动排放和金属3#对THC排放改善效果接近均在20%左右。对CO和NOx排放来说，金属3#对CO改

20、善效果最好，为29%；陶瓷3#对NOx改善效果最好，为48%；这一结果与催化器窗口中心位置和窗口中心转化率有关。4.3 两级催化器特性探讨两级催化器分别布置在距排气歧管出口250mm和1200mm处。具体方案见表2。图11为采用各种组合的两级催化器方案情况下，两循环内的第一级和第二级催化器出口CO、THC和NOx排放量对比。在使用两级催化器后，三种排放物累积排放量均有所下降，其中方案2和方案4综合效果最好，与陶瓷1#-1200 mm相比，降幅分别为：方案2，CO-46%，THC-44%，NOx-55%；方案4，CO-45%，THC-47%，NOx-43%。表2 两级催化器方案同时，从图11中可

21、以看出，在使用0.8L的金属1#催化器作为前级催化器时，各方案后级催化器出口与前级出口的THC排放量相差不大，即第二级催化器的性能好坏，只对冷起动过程中的CO和NOx排放量有一定的影响，而对THC排放量影响不大。这主要是由于在冷起动过程中，排气流量基本保持在比较低的范围内，排气THC在经过第一级催化器后就能够得到较好的转化，从而使冷起动过程对第二级催化器的要求降低了。图12 主催化器入口温度比较冷起动后84s内，加入了前级催化器的第二级主催化器的入口温度低于不加入前级催化器的情况（见图12所示）；84s之后则相反。这样，对于原来单级催化器所需起燃时间超过84s的系统来说，加装金属1#前级催化器

22、可以加快第二级主催化器的起燃速度，且该时间长度随前级催化器及其布置位置的不同而不同。4.4 后处理系统方案对比图13对各排放改善措施中的最优方案进行了对比。图13 后处理系统方案对比在本研究结果中，降低催化器起燃温度（金属3#，T50=260）造成的排放改善量约为：THC-21%，NOx-33%，CO-29%；适当降低起燃温度并提高窗口中心处转化率（陶瓷3#）造成的排放改善约为：THC-20%，NOx-48%，CO-27%；综合采用低起燃温度催化器前移方法造成的排放改善为：THC-38%，NOx-41%，CO-51%；采用两级催化转化器（方案4） THC-47%，NOx-43%，CO-45%，效果最为明显。5 结论 发动机台架模拟方法能够较好的模拟欧低温起动排放排温特性，并具有较高的精度和较好的重复性，可以作为产品开发和精确匹配过程中的测试手段；应用本方法进行的冷起动排放研究结果表明：1. 0，-7环境温度下的发动机台架模拟整车欧工况测试中