Jinyoung Ko、Jeonghun Son、Cha-Lee Myung 和 Simsoo Park 等人（隶属于韩国 Korea University，School of Mechanical Engineering）在2018年于期刊《Fuel》上发表了一篇名为《Comparative study on low ambient temperature regulated/unregulated emissions characteristics of idling light-duty diesel vehicles at cold start and hot restart》的研究论文。

学术背景

随着全球范围内对城市空气质量和人类健康的重要性日益重视，车用排放法规正变得日益严格。欧洲联合会（EU）及美国加州空气资源委员会（CARB）已经在排放法规上起到领导作用，特别是在应对柴油发动机产生的氮氧化物（NOx）排放问题时。柴油发动机因稀薄燃烧过程及高气缸温度而导致NOx排放显著偏高。因此，汽车制造商通过改进发动机管理系统（EMS）及治理后处理系统（如两级废气再循环（EGR）、贫燃NOx捕集器（LNT）和选择性催化还原（SCR））来满足更严格的EURO 6 NOx排放法规。

尽管长期以来的努力已经显著改善了排放合规，在实际驾驶排放（RDE）测试中发现的NOx排放量仍显著高于底盘测功机中的各种驾驶周期。这种矛盾导致了欧盟引入增强现实驾驶条件模拟（如从NEDC到WLTC的过渡）以及更严格的“不可超越”排放限值，但仍有多种未规范排放（如CH4、C2H4、N2O、HCHO）的影响被低估。

闲置车辆在冬季环境下的排放对城市空气质量有着特别大的影响，因为寒冷启动时排放量会迅速增加。此外，在一些高寒地区，冬季发动机为防止机械损害而长时间闲置的现象较为普遍。然而，目前大多数研究主要集中于重型柴油车或某些特定工况，未充分探讨寒冷启动和热重启条件下轻型柴油车的闲置排放特性。因此，本研究旨在填补这一空白，并为车用排放策略提供新的数据支持。

研究方法

本研究采用了三辆符合EURO 5及EURO 6排放标准的轻型柴油车作为研究对象，分别命名为Vehicle 1（EURO 5标准）、Vehicle 2（升级版EURO 6标准）以及Vehicle 3（更大发动机排量，EURO 6标准）。车辆主要技术特性包括采用可变几何涡轮增压器（VGT）和公共轨喷射系统（CRDI），不同车型装备了柴油氧化催化器（DOC）、贫燃NOx捕集器（LNT）和柴油颗粒捕集器（DPF）等后处理装置。本实验特别关注在0℃左右低环境温度下，三类车辆在冷启动和热重启条件下的闲置排放特性。

实验设置

1. 车辆参数：测试车辆涵盖从1.6L至2.2L排量的柴油发动机，并详细列出了转矩、功率及使用变速箱类型等数据表。
2. 仪器设备：实验选用了基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术的快速响应分析仪测量尾气内的CO、HC、NOx及未规范排放（例如CH4、C2H4、HCHO、N2O等），加装的NOx传感器及NOx记录仪用于对不同实验条件下的NO排放特性进行验证。
3. 测量方法：为了模拟实际城市驾驶工况，设计如下测试流程：
   • 冷启动：车辆在低温环境下静止6小时后，开始长达20分钟的怠速排放测量。
   • 热重启：车辆经过短时间低速驾驶（≤30km/h）及20分钟停车后，重复20分钟的怠速排放测量。
4. 数据采集：实时记录冷启动和热重启条件下的气态及颗粒物排放数据，并汇集数据进行统计分析。

关键结果

冷启动与热重启对排放的影响

• NOx排放：
  • 在冷启动过程中，NOx排放有明显峰值，尤其是发动机起动后的最初几秒，由于燃油富集模式（fuel-rich mode）导致局部气缸温度升高。
  • 相较于Vehicle 1（EURO 5车辆），Vehicle 2 和Vehicle 3由于采用了强化EGR率及LNT设备，其NOx排放量显著降低。
• CO与HC排放：
  • 冷启动条件下CO和HC排放分别较热重启条件高出12至99倍及3.2至4.4倍。高燃料-空气当量比及低气缸壁温导致了不完全燃烧，是CO/HC排放升高的主因。
• CO2排放：
  • 冷启动条件下，车辆的CO2排放量是热重启的1.7到2.7倍。这可能与燃料雾化效率降低有关。
• 未规范排放特性：
  • CH4排放显著增加（冷启动相较热重启升高1.7至4.3倍）。
  • C2H4和C3H6排放冷启动时也呈现明显升高，主要因燃烧不完全在寒冷温度下尤为突出。
  • N2O排放冷启动时比热重启条件下高出1.5至4.5倍。由于高等效比及热工条件，N2O的形成受到显著影响。

数据分析与综合比较

从尾气排放总量分析，闲置时NOx排放对EURO 6法规总排放目标的贡献比可达到50％至132％，表明在未来排放检验体系中应加强对怠速状态排放的限制。另一方面，CO和CO2的闲置排放尽管基于冷启动有所增加，但相较其他成分（例如NOx、未燃烃类）其增量表现较平稳。

研究结论

此研究首次系统分析了在低温环境下，轻型柴油车冷启动及热重启怠速排放的特点及差异。研究结果显示： 1. 冷启动对排放的影响显著高于热重启，尤其在未规范排放（如CH4、HCHO）上表现尤为显著。 2. 提高怠速燃烧效率的技术（如发动机优化管理、后处理装置提前加热等）对于减少排放尤其重要。 3. 研究揭示了怠速排放不仅对局部空气质量有重大影响，更在车辆全生命周期内的总排放量中占据非可忽略的比重。

研究亮点与创新

1. 本研究开创性地结合实时数据分析（FTIR）与最新后处理装置（如LNT）对寒冷环境下的柴油车怠速排放特性进行了深入剖析。
2. 首次量化了表征未规范污染物的特定排放模式，提出了明确的寒冷启动对特定排放物质影响的化学与物理机理模型。
3. 提出强化怠速自动停启系统（Idle stop and go system）对柴油车未来法规合规的重要意义。

应用与建议

基于本研究的发现，建议汽车制造商推广应用怠速停止系统，同时政府应进一步完善针对寒冷地区和冬季驾驶的法规政策，以减少怠速排放与相关健康问题风险。此外，相关研究可继续探索燃油成分改进、发动机后处理优化及发动机启动策略升级对怠速排放的改善效果。