随着环境温度降低，汽油雾化和蒸发性能变差，进而导致GDI汽油机气缸内混合气分布不均匀，混合气过浓、过稀区域增大，最终导致汽油机燃烧恶化，进而影响气态污染物和颗粒物的排放量。同时，环境温度也会影响排气催化净化器的起燃时间，进而影响排气中气态污染物的浓度[1, 4]。
由于中国和欧盟的汽车排放法规规定了-7℃低温和23℃常温2个测试温度条件下的排气污染物限值[3, 5]，关于汽车在低温和常温条件下的气态污染物和颗粒物排放特性的相关研究很多。已有研究表明，低温冷启动条件下排气中除氮氧化物(NOx)外的气态污染物和颗粒物排放均有不同程度的增加[6-9]。但现有研究大多数集中在法规规定的低温-7℃及以下和常温23℃左右的测试温度条件下[7, 10-11]，对于同一辆车，全面覆盖低温到高温，探索从低温-7℃到高温40℃范围内环境温度对气态污染物和颗粒物排放的影响研究较少。
气温分布受纬度高低的影响，中国幅员辽阔，南北纬度相差达50°，导致南北气温差别较大[12]。随着对大气环境质量要求的日益提高，考虑包括环境温度等因素的更为精确的控制，汽车排气污染物的相关技术亟待开发。因而不同环境温度对现代汽车排气污染物的影响规律就变得尤为重要。同时，中国的GB 18352.6—2016(国Ⅵ)在轻型汽车实际行驶时的环境温度扩展到-7~0℃或30~35℃ 2个温度区间，并对其排气污染物排放限值做出了规定[3]。
综上所述，随着大气环境质量要求的日益提高，根据地域温度特征，设计车辆排放系统和制定实际道路排放控制策略已经成为汽车产品开发的重要工作之一。因此，揭示环境温度对GDI汽车排气常规气态污染物、颗粒物和CO2影响规律的相关研究亟待开展。基于上述原因，本文以典型的汽油缸内直喷汽车(GDIV)为对象，在环境舱内不同的环境温度下，进行车辆冷启动和热启动条件下的排气污染物排放试验，旨在为GDIV排放系统设计、控制策略制定提供依据。
1 试验装置及规程 为了便于试验环境温度的控制和保证试验的可重复性，排放试验选在环境舱中进行。为了覆盖国Ⅵ排放标准的-7~0℃或30~35℃的扩展温度条件，试验确定了-7、14、23、35、40℃ 5个环境温度点。为了解GDIV在冷车和热车启动条件下排放因子的差异，按照全球轻型车统一测试循环(Worldwide Light duty Test Cycle，WLTC)工况分别在冷启动和热启动条件下测量排气污染物。
1.1 试验车辆和试验燃料 为使研究结果具有普遍性和代表性，在试验车辆选择时考虑了排量、进气方式等因素，旨在探索在排量和进气方式存在差异的情况下污染物排放随温度变化的规律。试验车辆选用了国内市场典型的2辆符合国Ⅴ排放标准的GDIV，车辆1(V1)为SUV，车辆2(V2)为三厢轿车，车辆的主要性能参数如表 1所示，V1和V2的主要差别是排量和进气方式。试验用油为符合国Ⅵ排放标准基准燃料要求的汽油[3]。
表 1 试验车辆及其主要性能参数 Table 1 Test vehicles and their main performance parameters
| 参数 | V1 | V2 |
| 供油方式 | GDI | GDI |
| 进气方式 | 自然吸气 | 涡轮增压 |
| 排量/L | 3 | 2 |
| 最大功率/kW | 172 | 155 |
| 变速箱 | AT | AT |
| 工信部油耗/(L·(100 km)-1) | 9.8 | 7.1 |
| 整备质量/kg | 2 291 | 1 581 |
表选项
1.2 测试设备及试验流程 为了研究环境温度对GDIV排放的影响，试验在环境舱中进行，试验时共设置了-7、14、23、35、40℃等5个环境温度。试验时，V1和V2在环境舱设定的温度条件下按照图 1所示的WLTC工况行驶，WLTC驾驶循环由低速段、中速段、高速段和超高速段4个子循环组成。
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| 图 1 WLTC排放测试工况 Fig. 1 WLTC emission test condition |
| 图选项 |
汽车排气污染物按照国Ⅵ规定的测试方法进行。测量汽车排气污染物时，WLTC 4个子循环的汽车排气污染物分别用4个取样气袋采集，样气袋中的样气采用MEXA-7400L气体分析仪测量，汽车排气污染物中的气体污染物排放量由上述4袋样气的测量结果加权计算得到。排气污染物中颗粒物质量(PM)采用DMS50颗粒物采集系统，测量时，先使由取样探头取得的样气经粒径预分级器将大颗粒物分离，然后使样气进入DMS50颗粒物采集系统的滤纸，再在称重室中用分析天平测量滤纸质量。PM的排放量根据滤纸过滤前后的质量差计算得到。测量排气污染物中颗粒物数量(PN)时，先使排气样气经过挥发性颗粒物去除器，除去排气颗粒物中的可挥发性颗粒物，再将样气送入MEXA1000颗粒物计数仪测量PN的排放量。
试验流程如图 2所示。第1步为试验开始前先对试验车辆进行全面检查，包括胎压、机油量、进排气系统、OBD报警系统、机械传动部件等。第2步为将试验车辆置于环境舱内的转鼓试验台上，更换试验用燃料并进行热车，热车时汽车速度时间历程应与图 1所示的WLTC驾驶循环相同，如果热车运行中出现问题，则应对车辆进行相应调整。第3步为热车结束后的转鼓滑行试验，试验在热车后2 min内进行。第4步为WLTC工况下的试验车辆预处理行驶，预处理完成后，将整车置于环境舱内浸车6~36 h，环境舱温度需设置为试验温度，环境舱内温度应在试验要求温度的±3℃内，以确保整车各部件及内部液体温度与环境舱内设定温度一致。第5步为设定温度下冷启动和热启动排放试验，目的是分析和对比冷、热启动对排放的影响。冷启动排气污染物的排放试验在浸车结束后进行，车辆按照图 1所示的WLTC工况运行，冷启动排气污染物测试试验结束20 min后，进行热启动排气污染物测试，此时试验车辆的温度高于环境舱设定温度，车辆行驶工况也为WLTC工况。冷启动和热启动排放试验结束后，重新设定环境舱的温度，并进行6~36 h浸车，按照上述第1步至第5步的方法重复排气污染物测量试验。
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| 图 2 试验流程 Fig. 2 Test flowchart |
| 图选项 |
本文设定的环境温度有-7、14、23、35、40℃。测量的GDIV排气污染物有总碳氢化合物(THC)、CO、NOx、CO2、PM和PN。为了便于分析和比较，排气污染物的测量结果均换算为单位里程的排放量，即常说的排放率或排放因子。
2 结果及讨论 汽车排气中的气体污染物THC、CO、NOx、CO2与颗粒物PN、PM的生成机理相差甚远[1, 13]。因此，在对测试结果进行分析与讨论时，分为气态污染物和颗粒物2部分。
2.1 环境温度对气态污染物和CO2排放的影响 车辆1(V1)和车辆2(V2)在5个不同温度测量点的冷启动和热启动运行时的THC、CO、NOx和CO2排放因子测试结果如图 3~图 6所示。
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| 图 3 冷启动和热启动下环境温度对THC排放因子的影响 Fig. 3 Effect of environment temperature on THC emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
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| 图 4 冷启动和热启动下环境温度对CO排放因子的影响 Fig. 4 Effect of environment temperature on CO emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
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| 图 5 冷启动和热启动下环境温度对NOx排放因子的影响 Fig. 5 Effect of environment temperature on NOx emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
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| 图 6 冷启动和热启动下环境温度对CO2排放因子的影响 Fig. 6 Effect of environment temperature on CO2 emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
图 3和图 4测试结果表明，冷启动时，THC和CO的排放因子受温度的影响显著，随着温度降低，THC和CO排放因子显著增大，在-7℃冷启动时，试验车辆V2的CO排放因子超出国Ⅵb I型试验限值，试验车辆V1和V2的THC排放因子超出国Ⅵb I型试验限值。-7℃时试验车辆V1和V2的THC排放因子分别为23℃时的8.87倍和5.74倍；-7℃时试验车辆V1和V2的CO排放因子分别为23℃时的3.48倍和4.35倍。出现这种现象的原因主要有2个: ①环境温度低时，喷入缸内的汽油雾化性能差，导致燃烧不完全，进而导致排气催化净化器前的THC和CO升高。②温度低时，WLTC循环开始前的排气催化净化器温度低，导致WLTC循环开始后排气催化净化器的温度上升慢，起燃时间变长，平均净化效率变低。对于排量和进气方式不同的试验车辆V1和V2而言，虽然都满足国Ⅴ排放标准，但车辆催化净化器的体积大小、催化剂种类和涂覆量不同，故其THC和CO的净化效率随着温度的变化曲线不同，因而，导致了试验车辆V1的THC排放因子高于V2，但除冷启动14℃条件以外的CO的排放因子却低于V2。试验车辆V1在14℃冷启动时存在CO排放因子大于-7℃的现象，初步分析为2次试验中实际车速在公差允许范围内(±2 km/h)存在差异平衡了温差带来的影响所致。
热启动时，汽车发动机舱室及机体远高于冷启动，因而，喷入缸内的汽油雾化性能较冷启动时好，燃烧改善，发动机排气中的THC和CO减少。另外，试验开始前催化净化器温度也高于冷启动，催化净化器的起燃时间变短，WLTC的平均净化效率变大。故出现了图 3和图 4所示的热启动时的THC和CO的排放因子远低于冷启动时的结果。并且相对于冷启动而言，热启动时的THC和CO的排放因子受温度影响不明显。
图 5所示的温度对NOx排放影响的测试结果表明，无论是冷启动和热启动，还是试验车辆V1和V2，当其按照WLTC行驶时，仅试验车辆V1在常温热启动时NOx排放因子略高于国Ⅵb I型试验限值，2辆车NOx排放因子受温度的影响均没有明显的规律。这个结论与部分已有研究结果类似[8, 14-15]，出现这种现象的原因与NOx排放的影响因素极为复杂有关。从NOx的生成机理来看，燃烧过程中生成的NOx主要为热力型，所需温度条件约为1 800 K，它与燃烧室中高温区域大小及最高燃烧温度、高温持续时间、高温区域内氧浓度的高低等密切相关[1, 16]。环境温度低时，喷入缸内的汽油雾化性能差，燃烧不完全，导致燃烧室中高温区域减小和最高燃烧温度降低，最终致使进入排气催化净化器前的NOx的降低。另外，随着环境温度降低，试验开始前的排气催化净化器温度降低且试验开始后排气催化净化器温度上升缓慢，起燃时间变长，因而在整个WLTC中排气催化净化器对NOx的平均净化效率变低，NOx排放因子增加。因此随着温度增大，NOx排放因子的变化取决于燃烧过程中NOx生成量的增加量和排气催化净化器净化效率提高导致的NOx下降的综合影响。当NOx燃烧过程NOx生成量的增加量大于三效催化转换器净化效率提高导致的NOx下降量时，NOx排放因子就增加，反之亦然。
试验车辆V1和V2在5个不同温度测量点的冷启动和热启动CO2排放因子随温度的变化如图 6所示。结果表明，无论是热启动时还是冷启动工况，当温度从-7℃逐步上升时，V1和V2的CO2排放因子逐步下降，在23℃或35℃最低；但环境温度升高到40℃时，CO2排放因子则与-7℃接近，即CO2排放因子随环境温度的变化规律是先减少后增加，最低点在23℃或35℃。这主要是由于汽油机出厂时常在23~35℃附近以油耗最低为目标调整发动机工作参数。当温度降低时燃油雾化变差，燃烧效率变低，CO2排放因子增大。当温度接近40℃时，汽油机的工作参数偏离了油耗最低的设置值，同时发动机容易过热，需要通过降低点火提前角防止爆震的发生，使燃烧过程的压缩负工增加，热效率和功率下降，CO2排放量升高。
另外，试验车辆V1的CO2排放因子明显高于V2，这由表 1所列的车辆参数可以找到答案。由于2辆试验车辆V1和V2的整备质量分别为2 291 kg和1 581 kg，即V1的行驶需要克服的惯性阻力远大于V2，故其能耗明显高于V2，由于CO2排放因子与能耗高低密切相关，车辆V1的CO2排放因子明显高于V2。如冷启动时，V1和V2在23℃测量点的CO2排放因子分别为288.4 g/km和184.8 g/km。热启动时，V1和V2在23℃测量点的CO2排放因子分别为267.8 g/km和174.0 g/km。由图 6还可以看出，热启动条件下测得的CO2排放因子低于冷启动条件下的CO2排放因子，V1和V2在5个环境温度下热启动时的CO2排放因子比冷启动的CO2排放因子平均降低4%和7%。这主要是由于发动机热启动时机体温度高、燃油雾化好、燃烧更完全、热效率高，通过冷却系统散失的热量也少，同时润滑油黏度低，摩擦损失小。因此，热启动时的油耗减少，CO2排放量降低。
2.2 环境温度对PM和PN排放的影响 环境温度对PM和PN的影响如图 7和图 8所示。环境温度对V1和V2两辆试验车辆冷启动和热启动的PN和PM排放因子影响明显。相对于冷启动而言，热启动时PN排放因子几乎不随温度变化。在热启动下，试验车辆V1和V2的PN排放因子均满足2020年7月后实施的国Ⅵ排放标准限值6×1011个/km，且明显低于该限值。冷启动，环境温度为-7℃时，V1和V2两辆试验车辆的PN排放因子分别为3.67×1012和2.61×1012个/km，分别达到了国Ⅵ排放标准限值6×1011个/km的6.12倍和4.35倍。环境温度为14℃时，V1和V2两辆试验车辆的PN排放因子分别为9.41×1011和6.34×1011个/km，均高于国Ⅵ排放标准的限值6×1011个/km。该结果表明，国Ⅴ排放标准的车辆在环境温度14℃以下冷启动工况行驶时，其PN排放难以满足国Ⅵ排放标准的PN限值要求。
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| 图 7 冷启动和热启动下环境温度对PN排放因子的影响 Fig. 7 Effect of environment temperature on PN emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
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| 图 8 冷启动和热启动下环境温度对PM排放因子的影响 Fig. 8 Effect of environment temperature on PM emission factors under cold and hot start conditions |
| 图选项 |
由图 8可以看出，-7℃低温冷启动时，V1和V2两辆试验车辆的PM排放因子显著增大。在热启动下，试验车辆V1和V2的PM排放因子的变化趋势不同。-7℃时V1的PM排放因子增大，但幅度远小于冷启动时。在热启动下，试验车辆V1和V2的PM排放因子均满足国Ⅵb排放标准限值3.0 mg/km。但在环境温度为-7℃冷启动时，V1和V2两辆试验车辆的PM排放因子分别为5.19和4.24 mg/km，两辆试验车辆的PM排放因子超过了国Ⅵb排放标准限值3.0 mg/km。其中试验车辆V1的PM排放因子还超过了国Ⅵa排放标准限值4.5 mg/km。
低温条件下PN和PM排放多的原因可以由颗粒物的生成机理予以说明，颗粒物的生成量与过浓混合气区域大小和燃烧室壁面油膜的多少密切相关。由于冷启动阶段前车辆在-7℃的环境舱内进行了6~36 h的浸车，气缸上或者活塞顶部的温度接近浸车时的环境温度，导致冷启动后过浓混合气区域和燃烧室壁面油膜增加。一是从喷油嘴喷入燃烧室空间的液态汽油，因温度低难以完全蒸发并与空气充分混合，在更大区域形成了局部过浓混合气，这部分过浓混合气燃烧时无法及时与氧气反应，便生成炭烟。二是从喷油嘴直接喷射到燃烧室壁面液态汽油或其他方式在燃烧室壁面形成的油膜数量增加，便导致低温下附壁油膜在燃烧后形成的炭烟增加。
3 结论 通过对2辆GDIV在环境舱内进行的WLTC工况下不同环境温度的冷启动和热启动的排放特性试验，以及对试验结果的分析与讨论，取得了如下主要结论：
1) 冷启动时，THC和CO的排放因子受温度的影响显著，且随着温度降低，THC和CO排放因子显著增大；热启动时的THC和CO的排放因子受温度影响不明显。
2) 无论是热启动还是冷启动工况，当温度从-7℃逐步上升时，试验车辆的CO2排放因子随着温度增加呈现先减少后增加的变化规律；并且热启动条件下的CO2排放因子低于冷启动。
3) 环境温度对试验车辆冷启动和热启动的PN和PM排放因子影响明显。试验车辆-7℃冷启动时的PM排放因子超过了国Ⅵb排放标准限值；在环境温度14℃以下冷启动工况行驶时，PN排放难以满足国Ⅵb排放标准的限值。
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