氢燃料电池汽车发动机低温冷启动研究

目前,汽车行业燃料电池发动机普遍实现了-30℃启动,且燃料电池汽车冷启动能耗低于锂离子电池电动汽车冷起动能耗。为实现低能耗的快速启动燃料电池汽车,总结和梳理了冷启动技术理论和大量的试验和优化方案。从部件设计布置、管道设计、开关机与吹扫策略、冷启动故障诊断策略和辅助加热方面开展研究,形成了一系列有利于冷启动的软硬件解决方案,并通过台架和车辆测试进行了验证。立足工程应用,通过结构优化、策略开发和故障诊断及保护机制,提升燃料电池发动机可靠性和低温冷启动成功率,降低冷启动失败风险和对系统的损伤。     

轻型车在WLTC下常、低温冷启动 排放特性试验研究

研究车辆在WLTC(World-wide Harmonized Light Duty Test Cycle,全球统一轻型车测试循环)工况下,常、低温冷启动的排放特性。利用CVS(Constant Volume System,定容取样系统),分别在-7℃和22℃环境温度条件下,对两台搭载增压缸内直喷发动机的汽油车进行排气污染物和颗粒物试验研究。试验结果表明,-7℃冷启动条件下,CO、HC和NOx的排放量分别为常温冷启动下4~6倍、9~12倍以及5倍左右,PN(Particle Number,颗粒物数量)较常温冷启动高出一个数量级,车辆的排放性能明显降低。研究为车辆应对国Ⅵ排放法规应采取的技术方案提供了依据。     

机动车冷启动排放试验研究

在底盘测功机上,采用NEDC循环,对汽油车和柴油车分别在常温和低温环境下冷启动排放进行试验,研究车辆冷启动的排放情况。试验结果表明:常温冷启动状态下,催化器激活之前的排放在整个排放测试循环中所占的比重比较大,其中汽油车的冷启动排放占到整个循环排放量的50%以上,柴油车也达到了20%以上。汽油车低温冷启动下,催化器激活之前排放所占比重超过90%。     

温度与负载对车辆冷启动怠速转速的影响

车辆怠速特性是车辆性能研究的重要内容。文章对某款轻型车开展在不同环境温度下的冷启动试验,分析了在不同环境温度下,冷启动暖机怠速过程的转速变化特征,发动机冷却液温度对怠速转速稳定性的影响,以及热机状态下,开启部分电器附件对怠速转速的影响。研究结果表明:45℃环境温度下冷启动,车辆达到稳定怠速转速所需的时间相对-7℃环境温度缩短了约8分钟,相对25℃环境温度缩短了约3分钟;开启电器附件后,发动机转速会有不同程度提高,其中,方向盘转动时,怠速转速提高约10rpm,空调开启后,转速提高约100rpm。通过研究结果,寻找改善车辆怠速控制策略和燃油经济性的方法。     

重型柴油城市车辆实际道路冷启动排放特性研究

为研究车辆实际道路车载尾气检测设备（PEMS）测试排放评估方法,选取了1辆重型柴油城市车辆,分别进行3次不同载荷的实际道路PEMS测试。试验结果表明,以冷却液温度到达30℃、70℃界定发动机冷启动和热态,从累计排放量上看,虽然冷启动时长占比最大仅为6.8%,但是NOx排放在冷启动阶段达23.7%～82.4%,其排放不可忽略;分析冷启动阶段的窗口功率比、比排放和选择性催化还原技术（SCR）前温度的关系,提出基于国六b阶段的功基窗口法排放计算方法,冷启动阶段取所有窗口中的最大比排放值,热态以10%功率阈值以上为有效窗口,取有效窗口比排放的90%分位值作为热态排放,冷、热态分别设置权重系数为0.14和0.86,加权求和得到车辆实际道路行驶比排放。通过不同排放水平的3组试验结果分析,相比现行重型国六排放标准采用的设置功率阈值的功基窗口法,NOx比排放升高25%以上,所以将冷启动纳入计算的新的排放评价方法会加大排放测试的通过难度。     

一种泵循环机体电预热器及其预热启动试验

论述了发动机低温冷启动的危害和预热启动的必要性。介绍了一种泵循环机体电预热器的结构和原理。该预热器功率可达1 500W,与同类设计相比,预热速度更快。在一台1.6L排量汽油发动机所做的预热启动试验表明,在-15℃的环境温度下使用该预热器可把机体在40m in内预热到40℃以上,使预热时间缩短80%;与冷启动相比,可使怠速暖机时间缩短90%,每次启动可降低耗油量约0.4L;铝质油底壳可改善对机油的预热效果。     

一种常温冷启动修正系数的测试方法

冷启动修正系数对循环油耗的仿真结果影响很大,本文采用怠速工况下油耗消耗量变化等效计算出循环工况的冷启动修正系数,并采用实车进行试验对比,利用仿真进行差异性分析。为后续在项目初期采用成本低试验方法简单的冷启动修正系数的测量提供一种参考。     

商用车高寒适应性提升方法研究

为提升某重型商用车在高寒环境下的适应性,对辅助加热系统在发动机冷启动和怠速维温中的作用进行了研究,经过对比不同功率辅助加热系统的试验结果,发现辅助加热系统功率越高对发动机冷启动和水温保持的作用越明显,并且可满足驾驶室内的采暖需求,而低功率的辅助加热系统无法维持发动机水温恒定。研究成果对提高商用车高寒适应性措施的开发提供了重要参考,可根据车辆的运输环境、用户使用习惯并综合考虑加热系统成本进行合理选型,提升车辆的综合竞争力。     

COPERT汽车发动机冷启动排放模型

随着机动车保有量的增加,由此产生的环境问题日益严重威胁人们的健康,而在汽车排放污染物中冷启动排放量占到汽车总排放量的70%～80%,因此需要对汽车的冷启动排放进行测试和分析,以更好地对汽车排放控制技术提供数据支持。文章通过在法规所规定的条件下,对数辆轻型车进行了低温冷启动排放试验,利用瞬时测试数据对汽车不同污染物(主要包括:CO,HC,NOx)的冷启动排放时间和排放因子比率进行分析计算,并分析比较了COPERT模型中冷启动模型参数和此试验数据间的差异。分析表明COPERT模型能准确地反应HC的冷启动排放,而对CO和NOx则误差较大。     

面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破

燃料电池汽车是新能源汽车的重要技术路线。针对2022冬奥应用环境，开展了燃料电池发动机系统高密度集成、耐久性管理和低温冷启动技术研究，提升其性能及低温环境适应性。车辆在张家口进行了近3年示范运营，经历了-20℃以下的低温环境，通过抽取样本信息，分析了燃料经济性、耐久性和可靠性。示范运营积累的经验和改进措施为2022冬奥会“氢能出行”服务及燃料电池汽车示范城市群项目实施打下基础。     

环境温度对轻型汽车工况法排放测试结果的影响

通过实际试验得到验证,提出了环境温度对汽车工况法排放试验中各污染物的影响趋势及相关性分析;环境温度对CO和HC的影响较为明显,在冷启动阶段排放量随环境温度的升高而有较明显的改善,至IⅡ部循环时,环境温度对其影响不大;NOx排放量在汽车冷启动阶段受环境温度影响不大,仅当高温排气时,NOx会急剧增加,温度控制点在27～28℃时,对工况法排放中NOx排放量也有稍微改善.     

基于国六排放标准的天然气发动机试验研究

在发动机排放试验台上,对一台天然气发动机按照国六排放标准和国五排放标准分别进行了WHTC 循环试验和ETC 循环试验,进行了气体污染物排放的比较研究。结果表明,WHTC 循环条件下,冷启动试验的CH₄和NO_x排放高于热启动试验,NH₃排放低于热启动试验。冷启动试验的CH₄、NO_x排放量占冷+热加权试验结果的比重分别为47.10%和48.92%,与WHTC循环冷启动+热启动试验加权结果相比,ETC循环试验的CH₄和NO_x排放有显著的下降,NH₃排放有一定的增加。     

环氧沥青混凝土铺装材料低温性能研究

为了解环氧沥青混凝土铺装材料的低温特性,采用劈裂试验、小梁三点弯曲试验、断裂性能试验、约束试件温度应力试验、温缩系数试验对环氧沥青混凝土的低温性能进行全面的试验研究,试验结果显示环氧沥青混凝土在-15℃条件下劈裂强度和断裂韧性分别为13.0 MPa和2.02 MPa.m1/2,材料的断裂和转化点温度为-28.4℃和-27.8℃,且在-20~0℃低温范围内环氧沥青混凝土的线收缩系数平均值为1.40×10-5℃-1。研究表明,在低温条件下环氧沥青混凝土具有很高的强度、优良的抗断裂能力、稳定的变形能力以及良好的追从性能,完全满足国内大部分钢箱梁桥面铺装的低温设计要求。     

循环测量工况下汽油车颗粒物排放试验研究

利用电子低压冲击仪对4辆采用不同技术的国Ⅳ排放汽油车进行了颗粒物分布特性的试验研究.试验按照国Ⅳ测试循环(NEDc)在转鼓试验台上进行,测量了冷启动下排气中颗粒物的特性分布.试验结果表明:汽油机排气中包含有大量的超细颗粒物,其中以0.02～0.5μm的粒子居多;颗粒物排放主要在NEDC循环的冷启动阶段和加速过程中产生;汽油直接喷射车辆颗粒物数量比气道汽油喷射的高.     

温度对盐渍土抗剪强度和变形特性的影响

为了明确因冻结温度和结晶差异造成的温度对盐渍土抗剪强度和变形特性的影响，以高含盐量和不同盐分类型的盐渍土为研究对象开展试验研究。首先，选用青藏高原察尔汗-格尔木高速公路沿线采集的含盐量为10%~36%的氯盐含量高、硫酸盐含量低的盐渍土土样（HC-1，HC-2）和硫酸盐含量较高而氯盐含量较低的盐渍土土样（CS）3种高含盐量盐渍土作为试验土样，对3种土样进行冻结温度试验，验证其降温至-20℃时，土体不会发生冻结。其次，在5个不同控制温度（-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃）下，分别进行盐渍土直剪试验以得出温度与抗剪强度参数关系函数。最后，分析温度对抗剪强度和弹性模量的影响，同时，利用数值拟合建立考虑温度影响下的盐渍土抗剪强度和切线弹性模量公式。研究结果表明：当温度由20℃降低至-10℃，3种盐渍土的抗剪强度和初始切线弹性模量均增大后趋于峰值，而随温度继续降低至-20℃后，HC-1和HC-2土样指标呈下降趋势，CS土样各参数结果却趋于稳定；不同含盐类型的盐渍土，温度对其破坏比R_f的影响也不同；在温度由20℃降至-20℃的过程中，HC土样的R_f在-10℃出现峰值，且在较低荷载（100 kPa）下，呈现出先增大后减小的特点，在较高荷载（200，300，400 kPa）下呈现出先增大后趋缓的特点；CS土样的R_f在20℃~10℃、10℃~-10℃和-10℃~-20℃降温段呈现出先增大中趋缓后减小的分段式变化特点。     

电动汽车组合式采暖系统的低温试验研究

文章针对纯电动汽车普通热泵空调系统在低温环境下系统性能衰减严重,甚至停止工作等问题,提出了一种PTC辅助加热的低温热泵空调系统,运用KULI软件对其采暖工况进行一维仿真模拟,并将其应用于纯电动汽车空调系统,放置在整车环境模拟试验室中,进行环境温度为-20℃、-10℃和-5℃的采暖性能试验。从试验结果可以看出此组合式采暖系统可以实现在低温环境下的采暖需求。并为实现热泵空调系统在整车中的量产应用奠定了基础。     

发动机台架模拟汽油车冷启动排放特性研究

在发动机模拟实验台架上研究了采用不同的催化转化器和不同布置方案的后处理系统对低温启动过程中排放特性的影响。研究结果表明：-7℃冷启动过程中,催化转化器前移、选用较高活性的催化转化器和加装前级催化转化器都会不同程度地降低冷启动排放。其中采用低起燃温度催化转化器近距离布置,可以使两循环内的THC（总HC排放物）排放量减少约38％;采用两级催化转化器,可使THC排放量减少约47％。     

我国甲醇汽车冷启动技术研究发展综述

甲醇燃料在国内已经大量运用于汽车发动机,但由于甲醇的物化特性导致甲醇发动机存在冷启动困难问题,文章通过查阅相关资料,总结了国内相关研究者针对这一问题所做研究,并提出甲醇汽车冷启动技术未来发展方向。结果表明只要采取一定的辅助措施,就能让甲醇发动机在特定温度下顺利起动。其中,效果最好的能达到在-25℃下顺利起动。     

管幕冻结法钢管-冻土接触面剪切试验研究

为研究“管幕冻结法”这一新型工法中 “钢管-冻土”复合结构接触面剪切强度的影响因素及规律,基于港珠澳大桥拱北隧道工程,通过变角剪切试验方法设计不同剪切角度的试验,对温度和粗糙度2个维度进行探究,试验结果拟合出-5、-10、-15、-20、-25 ℃ 5种温度条件以及R=0.0、0.3、0.5 mm 3种粗糙度条件下的剪切面剪切强度包络线。试验结果表明： 温度对钢管-冻土接触面内摩擦角影响不大; 对接触面黏聚力,在-15 ℃之前,黏聚力近似呈线性增长,在-15 ℃达到峰值,在-20 ℃达到波谷,继而随温度的降低而增加。钢管-冻土接触面粗糙度的增加对结构面剪切强度的提高具有正向促进作用,但粗糙度过大会对接触面处的冻土体结构（如冰颗粒和土颗粒间隙等）造成一定的内部损伤,导致剪切强度下降。试验给出最优剪切强度下的温度及粗糙度取值区间。     

PEM燃料电池电堆低温起动试验

为评价不同参数对PEM燃料电池电堆低温起动性能的影响,搭建了燃料电池电堆低温起动试验平台,对5 kW燃料电池电堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低温起动性能进行了试验研究。结果表明,在低温下恒电压模式比恒电流模式更有利于电堆升温;电堆起动电压为30 V时升温速度快于40 V和20 V时;初始温度越低时电堆升温速率越慢。另外,经过低温起动后电堆性能发生了衰减,电镜扫描结果也显示经过低温起动后电堆质子交换膜局部出现了破损,应采取措施减缓低温起动对电堆的损伤。