低温冷启动尾气排放测试

技术概述

低温冷启动尾气排放测试是现代汽车排放检测领域中一项至关重要的技术手段，主要用于评估车辆在低温环境条件下发动机启动初期的污染物排放特性。随着全球环保法规日益严格，特别是国六排放标准以及欧六d排放法规的实施，低温冷启动排放已经成为衡量车辆环保性能的核心指标之一。

在低温环境下，发动机冷启动阶段的尾气排放问题尤为突出。研究表明，车辆在冷启动阶段的前几分钟内，其污染物排放量可能达到整个正常驾驶循环排放总量的50%至80%。这是因为在低温条件下，发动机机油的粘度增加，燃油雾化效果变差，三元催化器尚未达到最佳工作温度，导致燃烧效率下降，未完全燃烧的碳氢化合物、一氧化碳以及颗粒物等污染物排放显著增加。

低温冷启动尾气排放测试的核心目的是通过模拟真实低温环境，精确测量车辆在冷启动阶段的各项污染物排放数据，为汽车制造商优化发动机标定、改进后处理系统设计提供科学依据。同时，该测试也是车辆型式认证、环保信息公开以及产品质量控制的重要环节。

从技术原理角度分析，低温冷启动尾气排放测试涉及多学科交叉知识，包括内燃机学、环境工程学、化学分析学以及自动化控制技术等。测试过程中需要严格控制环境舱温度、湿度、背景浓度等参数，确保测试结果的准确性和可重复性。目前，国际通用的测试规范主要参考UN ECE R83、R49法规以及ISO相关标准，我国则主要依据GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》等相关国家标准执行。

检测样品

低温冷启动尾气排放测试的检测样品主要涵盖以下几类机动车及相关动力设备：

• 轻型汽油车：包括M1类乘用车、N1类轻型货车等，这类车辆是我国机动车保有量的主体，也是低温冷启动排放控制的重点对象。
• 轻型柴油车：柴油车在低温启动时由于压燃式燃烧特性，颗粒物排放问题更为突出，需要重点检测。
• 重型车辆：重型柴油卡车、大型客车等，其发动机排量大，低温启动排放总量较高。
• 混合动力汽车：HEV、PHEV等混合动力车型，需要评估其在低温纯电启动及发动机介入阶段的综合排放表现。
• 摩托车及轻便摩托车：两轮、三轮摩托车在低温环境下的启动排放同样需要控制。
• 非道路移动机械：包括工程机械、农业机械、发电机组等搭载内燃机的设备。
• 发动机总成：独立的车用发动机总成，用于研发阶段的排放特性研究。
• 后处理系统：催化转化器、颗粒捕集器、SCR系统等排放控制装置的性能验证。

在样品准备阶段，需要确保被测车辆或发动机处于良好的技术状态。车辆应按照制造商规定完成磨合行驶，各系统功能正常，无故障代码存储。测试前，样品需要在规定的低温环境条件下进行浸车处理，通常要求在-7℃或更低温度环境中静置12至36小时，使车辆各部件温度与环境温度达到热平衡状态。

此外，检测样品所使用的燃料和润滑油也需要符合相应标准要求。测试用油应采用标准燃料，其化学组分和物理特性需满足测试规范要求，以排除油品差异对测试结果的影响。润滑油则应使用制造商推荐的规格型号，并在测试前更换新油，确保测试条件的一致性。

检测项目

低温冷启动尾气排放测试的检测项目涵盖气态污染物、颗粒物以及其他特征污染物，具体包括：

• 一氧化碳（CO）：由碳燃料不完全燃烧产生，在低温冷启动阶段排放浓度较高，对人体血液携氧能力有显著影响。
• 碳氢化合物（HC）：包括烷烃、烯烃、芳香烃等多种有机化合物，是光化学烟雾的前体物质，低温条件下因燃油雾化不良导致排放增加。
• 氮氧化物（NOx）：主要包含一氧化氮和二氧化氮，在燃烧温度较高时生成量增加，但在冷启动初期由于缸内温度较低，排放相对较少，随着催化器升温，NOx排放控制成为关键。
• 颗粒物质量（PM）：主要来源于燃料不完全燃烧形成的碳烟及其吸附的可溶性有机组分，柴油车低温启动时PM排放尤为明显。
• 颗粒物数量（PN）：针对超细颗粒物的计数测量，能够更全面反映颗粒物排放对人体健康的潜在危害。
• 二氧化碳（CO2）：作为温室气体，其排放量直接反映燃料消耗情况，是碳排放核算的重要参数。
• 非甲烷碳氢化合物（NMHC）：除甲烷外的碳氢化合物总和，具有更强的光化学反应活性。
• 氨气（NH3）：配备SCR后处理系统的车辆可能存在氨气泄漏问题，需要监测。
• 甲醛（HCHO）及其他醛酮类物质：作为致癌物质，在低温冷启动阶段排放可能增加。
• 氧化亚氮（N2O）：强效温室气体，需要作为补充检测项目进行监测。

除上述污染物排放指标外，低温冷启动尾气排放测试还需要记录和监控多项运行参数，包括发动机转速、扭矩、排气温度、催化器温度、氧传感器信号、燃油消耗量、冷却液温度、机油温度、环境温度、环境湿度、大气压力等。这些参数对于分析排放形成机理、优化排放控制策略具有重要参考价值。

在检测结果评估方面，各项污染物排放需要按照测试规范规定的计算方法进行加权平均，并换算为相应的排放限值单位进行判定。对于不同类型车辆和发动机，排放限值标准存在差异，需要根据适用的法规标准进行合规性评价。

检测方法

低温冷启动尾气排放测试的方法体系经过多年发展已日趋完善，目前主要采用以下几种标准化测试方法：

首先，环境舱底盘测功机测试法是最为常用的标准测试方法。该方法在可控环境舱内进行，环境舱能够模拟-30℃至+50℃的温度范围和相应的湿度条件。被测车辆固定在底盘测功机上，测功机可根据车辆道路行驶阻力进行设定，使车辆在测功机上的运行工况与实际道路行驶状态等效。测试时，车辆在低温环境下充分浸车后进行冷启动，按照规定的驾驶循环运行，同时使用尾气采样系统采集排气进行分析。

其次，发动机台架测试法主要用于重型发动机的认证测试和研发验证。被测发动机安装在发动机试验台上，与测功机相连以施加负载。发动机在低温环境下经过规定的浸置时间后进行冷启动测试，测试循环按照相应的法规要求执行。该方法可以更精确地控制发动机运行工况，便于进行参数优化研究。

在尾气采样分析方面，主要采用定容采样法（CVS）作为基准方法。CVS系统的原理是将车辆排出的全部尾气用经过稀释和过滤的空气进行稀释，使稀释后的气体温度和压力保持恒定，然后用定容泵以恒定流量抽取稀释气体，在抽取过程中按比例收集气样袋进行分析。CVS方法能够准确测量污染物的质量排放率，是目前法规规定的标准测量方法。

测试循环的选择取决于测试目的和适用法规。对于轻型车辆，常用的测试循环包括WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）、NEDC（新欧洲驾驶循环）以及FTP-75（美国联邦测试程序）等。其中，WLTC循环由于工况更加贴近实际驾驶情况，已成为国六阶段的主要测试循环。对于重型发动机，则采用WHTC（全球统一重型发动机瞬态循环）、WHSC（全球统一重型发动机稳态循环）等测试循环。

在测试执行过程中，需要严格按照标准规定的程序进行操作，包括仪器校准、气体分析仪零点及量距点检查、系统泄漏检测、背景浓度测量、采样袋清洗等前期准备工作，以及测试过程中的各项操作规范要求。测试结束后，需要对采样袋中的气体进行分析，并按照规定的公式计算各项污染物的排放量。

此外，近年来发展的车载便携式排放测试系统（PEMS）技术为低温冷启动排放研究提供了新的手段。PEMS可以安装在车辆上，在实际道路行驶条件下进行排放测量，虽然目前PEMS主要用于在用车符合性检查，但其应用于低温冷启动测试的技术路线也在不断发展完善中。

检测仪器

低温冷启动尾气排放测试涉及多种精密分析仪器和环境模拟设备，主要设备配置如下：

• 环境舱：用于提供低温测试环境，温度控制范围通常为-40℃至+50℃，温度波动度不超过±1.5℃，湿度可调，配备良好的通风换气系统以控制背景浓度。
• 底盘测功机：用于模拟车辆道路行驶阻力，类型包括单转鼓、双转鼓，直流电机驱动，具备惯性模拟和道路载荷设定功能，准确度等级需满足法规要求。
• 定容采样系统（CVS）：核心采样设备，包括稀释通道、滤纸保持架、取样泵、流量控制器、气袋等组件，流量控制精度要求高，系统材质需惰性化处理。
• 气态污染物分析仪：包括不分光红外分析仪（NDIR）用于测量CO和CO2，氢火焰离子化检测器（FID）用于测量HC和NMHC，化学发光分析仪（CLD）用于测量NOx，各分析仪需满足响应时间、线性度、重复性等技术指标要求。
• 颗粒物测量系统：包括颗粒物质量采样装置和颗粒物数量计数器。PM采样装置配有滤纸、微量天平、恒温恒湿称重室；PN测量采用凝结核粒子计数器（CPC）结合挥发性粒子去除器（VPR）。
• 部分流稀释采样系统：用于重型发动机颗粒物采样，可从总排气中按比例抽取部分排气进行稀释采样。
• 全流稀释采样系统：用于轻型车辆或小型发动机的全流量稀释采样，采样流量可达数百立方米每小时。
• 气体流量计：用于测量发动机进气量、排气流量等参数，类型包括热式质量流量计、涡街流量计等。
• 数据采集系统：用于实时采集和记录各通道测量数据，采样频率和通道数需满足测试要求，配套专业数据处理软件。
• 标准气体：包括零点气（合成空气或高纯氮气）、量距气（已知浓度的标准混合气体）以及校准气体，需具备可追溯性。
• 气象参数测量设备：测量环境温度、湿度、大气压力等参数，精度要求满足法规规定。

仪器设备的安装布置需要遵循相关技术规范。分析仪应放置在恒温环境中，避免温度波动影响测量精度。采样管线应尽量短并保持加热保温，防止碳氢化合物在管壁冷凝吸附。稀释通道和采样探头的设计安装需保证样品的代表性。整套测试系统的建立和运行需要专业的技术团队进行维护和操作。

在日常使用中，需要建立完善的仪器设备管理档案，包括设备台账、校准记录、维护保养记录、期间核查记录等。分析仪需定期进行线性度检查、响应时间测试、干扰检查等性能验证。标准气体需要在有效期内使用，并保留证书备查。环境舱温度场需定期进行均匀性测试验证，确保温度控制满足测试要求。

应用领域

低温冷启动尾气排放测试在多个领域具有重要应用价值：

• 汽车整车制造企业：用于新车型开发阶段的排放标定优化、后处理系统匹配验证、零部件选型评估，以及量产车型的型式认证测试和环保信息公开检测。
• 发动机研发机构：用于发动机燃烧系统开发、冷启动策略优化、排放控制技术研究，为发动机平台的环保性能提升提供数据支撑。
• 汽车零部件供应商：催化器制造商用于产品性能验证和优化开发；燃油喷射系统供应商用于喷射策略与排放关系的匹配研究；后处理系统集成商用于系统集成验证。
• 政府监管部门：生态环境部门用于新车环保达标审查、在用车排放监管、生产一致性检查；市场监督管理部门用于产品质量监督抽查。
• 第三方检测机构：为社会提供公正、专业的检测服务，出具具有法律效力的检测报告，服务于产品认证、质量仲裁等需求。
• 科研院所及高校：用于汽车排放控制领域的基础研究、前沿技术探索、人才培养，推动排放控制技术进步。
• 进口汽车检验：海关及检验检疫部门对进口车辆进行环保项目核验，确保进口车辆符合我国排放法规要求。
• 新能源汽车测试：混合动力汽车低温冷启动排放测试、燃料电池汽车冷启动性能评估等新兴应用领域。
• 特种车辆及非道路机械：军用车辆、工程机械、农业机械等特种用途设备的低温适应性验证和排放检测。

随着环保法规的持续升级，低温冷启动尾气排放测试的应用范围正在不断扩大。特别是国六标准实施以来，新增了低温冷启动测试要求，明确规定了-7℃环境温度下的冷启动排放限值，使得该项测试成为新车认证的必测项目。未来，随着碳中和目标的推进，低温条件下的碳排放和能效评估也将成为重要研究方向。

常见问题

在低温冷启动尾气排放测试实践中，委托方和技术人员经常关注以下问题：

问：低温冷启动尾气排放测试需要多长时间？

答：完整的低温冷启动尾气排放测试周期通常为2至4天，具体时间取决于浸车要求和测试项目数量。测试前需要进行环境舱降温、车辆浸置（通常12至36小时）、仪器预热和校准、系统泄漏检查等准备工作，正式测试时间通常为30分钟至2小时，测试后还需要进行数据分析、报告编制等环节。

问：低温冷启动测试与常温测试有何区别？

答：主要区别在于测试环境温度和车辆初始状态。常温测试通常在20℃至30℃环境温度下进行，而低温测试温度可低至-7℃甚至更低。低温条件下，发动机机油粘度增大、燃油雾化变差、催化器起燃延迟，导致污染物排放显著增加。此外，低温测试对设备保温、人员操作等都有更高要求。

问：为什么低温冷启动阶段排放浓度高？

答：主要原因包括：一是低温下燃油蒸发困难，形成过浓混合气，燃烧不完全产物增加；二是机油粘度大，发动机摩擦阻力大，需要更浓的混合气维持运转；三是催化转化器未达到起燃温度（通常250℃至300℃），催化转化效率极低；四是排气流速慢，废气在排气管中停留时间长，热量散失大。这些因素共同导致冷启动初期排放恶化。

问：测试用燃料有何特殊要求？

答：测试用燃料需采用符合标准规定的基准燃料，其辛烷值、硫含量、烯烃含量、芳烃含量等指标都有严格规定。基准燃料的组分应稳定可控，避免因燃料批次差异影响测试结果的可比性。测试机构应保留燃料证书，并在报告中注明所用燃料类型和批次信息。

问：如何确保测试结果的准确性？

答：确保测试结果准确性的关键措施包括：选用符合计量要求的检测设备并定期校准；严格执行标准规定的操作程序；控制环境参数在允许偏差范围内；进行系统泄漏检查和背景浓度测量；使用有证标准物质进行质量监控；建立完善的不确定度评定体系；配备经验丰富的技术人员；实施有效的实验室质量控制程序。

问：混合动力车辆如何进行低温冷启动排放测试？

答：混合动力车辆的低温冷启动排放测试需要根据车辆类型和法规要求制定测试方案。对于插电式混合动力汽车，需要在不同的电量状态下分别测试，包括满电状态和电量保持状态。测试循环可能包含纯电行驶阶段和发动机启动阶段，需要评估两种模式切换时的排放特性。具体方法可参考GB 18352.6的相关规定。

问：测试不合格的主要原因有哪些？

答：低温冷启动排放测试不合格的原因可能包括：发动机标定策略不当，冷启动喷油量控制不精确；催化器低温活性差，起燃温度过高或起燃时间过长；后处理系统老化或损坏；燃油品质不达标；发动机机械状态不良，如气缸压力低、喷油器堵塞等；测试条件控制不当，如浸车时间不足、环境温度偏差等。需要结合具体数据分析原因并采取改进措施。

问：低温冷启动排放控制技术有哪些？

答：目前主流的低温冷启动排放控制技术包括：近距催化器布置以减少排气热量损失；电加热催化器主动加热技术；二次空气喷射技术；点火正时优化；可变气门正时技术应用；燃油高压直喷和多次喷射策略；进气预热技术；机舱保温设计；后处理系统热管理优化等。通过综合应用这些技术，可以有效降低低温冷启动阶段的污染物排放。