发动机为什么在最初几分钟产生最高排放?

在三元催化器达到工作温度之前,发动机会为了安全而以浓混合气运行,产生成倍更多的有害气体.
在三元催化器达到工作温度之前,发动机会为了安全而以浓混合气运行,产生成倍更多的有害气体.

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冷机在启动后的最初几分钟内产生的排放是热机的数倍; 因为催化转化器尚未达到工作温度,发动机为保护安全而以浓混合气运行,燃油无法完全蒸发. 根据测量,一次行程中有害气体排放的很大一部分产生于点火转动后的最初一两分钟. 本页我们将通过具体数据,剖析这几分钟里的机制以及制造商的解决方案.

要点速览

  • 三元催化器在达到约 200°C (400°F) 的起燃温度之前,无法转化有害气体.
  • 在一次普通行驶中,有害气体排放的 70%以上 产生于冷启动瞬间.
  • 现代汽油车在 -4°F下 启动时,与73°F相比会多排放约 15倍的CO 和 35倍的HC.
  • 冷机状态下CO排放约为热机的3倍,未燃碳氢化合物则约为热机的4倍.
  • 在插电式混合动力系统中,凭借强劲的排气流量,催化器可在约 90秒内 完全生效.

冷机为什么会产生更多排放?

问题的本质是一个热量难题. 三元催化器负责将尾气中的一氧化碳 (CO)、氮氧化物 (NOx) 和未燃碳氢化合物 (HC) 转化为无害化合物,它如同一个化学反应器,而这些反应只有在一定温度之上才会发生. 催化器开始高效工作的这一阈值被称为 起燃 (light-off) 温度,汽油车的典型值约为200°C,即400°F左右. 冷启动后的最初几分钟内,催化转化器正处于这一温度阈值以下; 排入尾气的每一克污染物几乎未经转化就直接进入大气.

数据层面有一个清晰的例子: 一辆在温和天气下启动的现代汽油车,若在 -4°F下 启动,会多排放约 15倍的CO 和 35倍的HC. 同理,冷机状态下测得的CO排放约为热机的三倍,总碳氢化合物则约为热机的四倍. 还应纳入下述估算:环境温度每降低20°F,冷启动颗粒排放每英里约翻一倍.

这一初始阶段在整趟行程排放总账中的占比令人震惊. 根据制造商方面的测量,一次平均行驶中70%以上的有害气体排放产生于冷启动瞬间; 在传统车辆上,热起的催化器投入工作的30-40秒窗口,可能贡献整个循环排放的80-90%. 关于这个话题最广为人知的对比也由此而来: 在寒冷的冬日上车、系好安全带、调好后视镜所花的时间,产生的有害气体可能比一次200英里的高速旅行还要多.

最初几分钟里发生了什么? 排放峰值的机械原因

Soğuk motorun ilk dakikalarında ECU'nun bilinçli olarak zenginleştirdiği karışım, tam yanamayan yakıtın CO ve hidrokarbon olarak egzoza çıkmasına yol açar.

冷启动的排放峰值并非源于单一原因,而是几种相互叠加、彼此助长的机制共同作用的结果. 如果需要逐一分析,可以归纳如下:

浓混合气与不完全燃烧

在冷态发动机中,燃油碰到气缸壁时无法蒸发; 以液态形式存在会削弱燃烧,并可能导致发动机熄火. 为了防止这种情况,ECU会在最初几分钟内喷射比正常更多的燃油,也就是有意加浓混合气. 浓混合气的自然结果是:由于缺氧无法完全燃烧的一部分燃油,以CO和未燃碳氢化合物的形式随尾气排出. 发动机和冷却液加热后,电脑会将混合气拉回标称值,但在到达那一点之前,损害已被记入排放账目.

冷机油的摩擦与泄漏效应

机油的粘度与温度密切相关. 冷机油更粘稠; 发动机内部摩擦增大,活塞环和气门导管周围的密封性能也会减弱. 其结果是:最初几分钟内的燃烧效率更低,也更脏. 因此,在发动机达到完全工作温度之前,燃烧质量无法达到热机状态的标准.

蒸发延迟与冷表面

排放账目的另一项是蒸发延迟. 燃油要完全蒸发,气缸内需要有足够的热量; 而冷态发动机不具备这些热量,部分燃油未燃烧就被送入尾气. 此外,排气歧管和转化器壳体也是冷的,因此进入的废气因热量损失而进一步降温,本就偏低的转化器效率会再度下降.

冷启动会持续多久? 为什么对时长的定义各不相同?

一个有趣的技术细节: 文献中对于冷启动阶段持续多久尚无统一定义. 在不同的测量研究中,冷态阶段被定义为120秒、165-230秒、平均1公里 (最多3公里),或平均5.2公里. 另一种常见方法则是以冷却液达到70°C的时刻作为阶段的终点. 差异的原因在于定义: 有的研究以转化器起燃为标准,有的以冷却液升温为标准,还有的以燃油切断恢复正常为衡量依据.

停车时长同样重要. 发动机完全冷却可能需要12小时,但大部分热量流失发生在最初2小时内. 经过45分钟的停车后,转化器会显著降温; CO和HC排放回升到冷启动水平的一半,NOx差异的85%以上也会恢复. 即使是15分钟的短暂停车,也足以使启动排放升高. 在实践中,这意味着一天内频繁进行短途行驶的车辆,其总排放预算会明显膨胀.

制造商如何解决这个问题?

工程目标可以用一句话概括: 让转化器在尽可能短的时间内达到起燃温度,并减少在这段时间内产生的排放. 实现这一目标的路径可以分为几种相辅相成的策略.

近距离安装式(close-coupled)催化转化器

最直接的解决方案是几何布局: 把催化转化器从底盘下方移到排气歧管上,也就是尽可能靠近发动机. 高温废气能以更少的热量损失到达转化器,起燃时间随之缩短; 与底盘下方的位置相比,靠近发动机的转化器能达到高得多的温度. 这一方案的代价则是布置与热管理: 转化器靠近发动机会带来热量意外传入乘客舱的风险,排气线路的隔热也因此变得至关重要.

电加热催化器(EHC)

第二条路径是不等待转化器自然升温,而是主动对其加热. 在电加热催化器中,一个类似电阻丝的加热元件能在启动后立即将催化剂提升到起燃温度. 第一代方案出于能效和耐久性的顾虑而未能普及; 但车辆电气架构的增强,尤其是混合动力和插电式混合动力车辆中的大容量电池,使这项技术能够以极少的额外油耗得以实现. 如今,Bosch的Rapid Catalyst Heating系统和Eberspächer的Lamella Heater方案,都旨在加速催化剂起燃,从而降低冷启动阶段的排放. 在柴油车方面,近距离安装的SCR与EHC的组合在减排方面也具有可观的潜力. Corning的FLORA载体结构则从另一个角度切入: 由于催化剂以更少的能量即可达到起燃温度,冷启动时的额外燃油需求随之减少.

混动系统中的热管理与HC捕集器

混合动力车辆从两个方面解决冷启动问题. 一是大容量电池为EHC供电; 其二,当发动机介入时,更强的排气流能迅速加热催化转化器. 在插电式混合动力的测量中,转化器约在90秒后便能净化全部尾气; 而一个冷却下来的转化器,即便余热约达90°C,仍需要整整三分钟才能完全升温. 储热也是一项有效手段: 采用相变材料保持转化器温度的原型转化器,能将高温保持17小时而非25分钟; 在该系统中,500秒的预热使CO减少64%,HC减少15%.

还有一种独立技术用于消除转化器达到起燃温度之前产生的排放: 碳氢化合物捕集器. 这类采用银与沸石混合物的结构,能在发动机冷态时暂时捕获增多的碳氢化合物; 待转化器升温后,再释放被捕获的碳氢化合物,并将转化任务交给转化器. 在发动机一侧,延迟点火角通过提高排气温度来加速催化转化器升温,这一经典手段正与电加热方案一并被评估. 每种方案都有其取舍: 电加热速度快,但会带来额外部件和故障点; 紧耦合式转化器无需额外能量,但会使热管理变得复杂.

第二个氧传感器有什么作用?

司机们经常问的一个问题,与排气管上第二个氧传感器的功能有关. 上游传感器,即位于转化器之前的氧传感器,其基本作用是燃油控制: 通过测量排气中的氧气,使ECU将混合气维持在化学计量比. 下游的第二个传感器则监测转化器之后的情况,其基本任务是测量催化转化器的效率. 通过比较两个传感器的信号,即可评估转化器的储氧能力和转化能力; 如果效率降至规定的限值以下,ECU就会点亮故障指示灯. 在冷启动的背景下,这第二个传感器是验证点亮故障灯后转化器是否真正发挥作用的监督机制.

作为司机应该怎么做? 为什么怠速热车是错误的?

最常见的错误之一,是在寒冷天气下怠速热车. 测量结果给出的建议恰恰相反: 在温和的天气下,怠速产生的排放比行驶热车更高,而且不能像行驶那样快速加热排放控制设备. 由于怠速时排气流量和发动机负荷较低,转化器升温缓慢; 而温和驾驶时,发动机和转化器都能更快达到工作温度. 在极寒天气(如冰冻)下需要为车窗除冰并保护发动机时,怠速热车才是唯一合理的情况.

其他实用的建议也基于同样的逻辑:

  • 尽可能把白天的短暂停车合并起来; 停放15-45分钟后启动时,排放会明显升高.
  • 启动车辆后立即以低转速、轻踩油门的方式上路; 取消长时间怠速等待.
  • 如果故障指示灯在寒冷天气下尤其容易点亮,应检查冷却液温度传感器; 该传感器为ECU提供冷启动燃油和点火正时设置所需的信息,其故障可能扰乱混合气.

在Euro 7时代,冷启动为何变得更加关键?

排放法规直接触及冷启动问题. Euro 7引入了更严格的规定,例如柴油车辆的限值名义上降低25%,合规系数从1.43降至1; 最新的排放控制技术能够将卡车NOx排放较先前标准降低75%-96%,汽油车NOx排放降低40%-64%. 随着限值日益收紧,缩短构成总排放大头的冷启动阶段,不可避免地成为工程的核心. 混合动力汽车的普及也在改变这一格局: 据预测,到2035年,混合动力冷启动排放占总CO、HC和NOx排放的比例可能分别达到14%、25%和13%; 也就是说,电气化并没有消除这一问题,而是使其重新成形.

结论是一个简单的等式: 在催化转化器升温之前,车辆无法以清洁状态运行,而最初那几分钟决定了整个行程的排放命运. 紧凑布置的转化器、电加热、储热技术和HC捕集器都是锁定同一目标的解决方案; 驾驶者的贡献则在于放弃怠速,让车辆温和起步.

参考资料