Cold Start Emissions of Spark-Ignition Engines at Low Ambient Temperatures as an Air Quality Risk

SI engines are highly susceptible to excess emissions when started at low ambient temperatures. This phenomenon has multiple air quality and climate forcing implications. Direct injection petrol engines feature a markedly different fuelling strategy, and so their emissions behaviour is somewhat different from indirect injection petrol engines. The excess emissions of direct injection engines at low ambient temperatures should also differ. Additionally, the direct injection fuel delivery process leads to the formation of PM, and DISI engines should show greater PM emissions at low ambient temperatures. This study reports on laboratory experiments quantifying excess emissions of gaseous and solid pollutants over a legislative driving cycle following cold start at a low ambient temperature for both engine types. Over the legislative cycle for testing at -7°C (the UDC), emissions of HC, CO, NO_x and CO₂ were higher when tested at -7°C than at 24°C. Massive increases in emissions of HC and CO were observed, together with more modest increases in NOx and CO₂ emissions. Results from the entire driving cycle showed excess emissions in both phases (though they were much larger for the UDC). The DISI vehicle showed lower increases in fuel consumption than the port injected vehicles, but greater increases in emission of HC and CO. DISI particle number emissions increased by around 50%; DISI particle mass by over 600%. The observed emissions deteriorations varied somewhat by engine type and from vehicle to vehicle. Excesses were greatest following start-up, but persisted, even after several hundred seconds’ driving. The temperature of the intake air appeared to have a limited but significant effect on emissions after the engine has been running for some time. All vehicles tested here comfortably met the relevant EU limits, providing further evidence that these limits are no longer challenging and need updating.

Samochodowe silniki spalinowe o zapłonie iskrowym (ZI) charakteryzują się zwiększoną emisją związków szkodliwych spalin podczas rozruchów przy niskich temperaturach otoczenia, co ma duży wpływ na jakość powietrza. Różnice w emisji związków szkodliwych spalin (w tym również różnice w nadmiernej emisji podczas rozruchów w niskich temperaturach otoczenia) silników benzynowych o wtrysku bezpośrednim w porównaniu do silników o wtrysku pośrednim wynikają w znacznej mierze z odmiennej strategii zasilania silnika paliwem. Proces bezpośredniego wtrysku paliwa prowadzi również do formowania się cząstek stałych (PM). Silniki o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa charakteryzują się znacznie większą emisją cząstek stałych przy niskich temperaturach otoczenia. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych zwiększonej emisji gazowych związków szkodliwych spalin i cząstek stałych dla obu typów silników podczas homologacyjnych cykli jezdnych na hamowni podwoziowej, poprzedzonych zimnymi rozruchami w niskich temperaturach otoczenia. Podczas fazy UDC (ustawowy cykl jezdny przeprowadzany w temperaturze -7°C) emisja węglowodorów (HC), tlenku węgla (CO), tlenków azotu (NOx), a także dwutlenku węgla (CO₂) była wyższa przy badaniu w temperaturze otoczenia -7°C niż przy 24°C. Zaobserwowano znaczący wzrost emisji węglowodorów i tlenku węgla, a także niewielki wzrost emisji NOx i CO₂. Wyniki z całego cyklu jezdnego NEDC wykazały nadmierną emisję w obu fazach cyklu (choć znacznie większą podczas fazy UDC). Dla samochodu z silnikiem ZI z wtryskiem bezpośrednim stwierdzono mniejszy wzrost zużycia paliwa oraz znacznie większą emisję HC i CO w porównaniu do samochodu z silnikiem ZI z wtryskiem pośrednim. Dla samochodu z silnikiem z wtryskiem bezpośrednim emisji cząstek stałych była o wyższa o około 50%, jeżeli chodzi o ich liczbę, a masa wyemitowanych cząstek była wyższa o 600%. Zaobserwowany wzrost emisji związków szkodliwych spalin był zmienny w zależności od typu silnika i badanego pojazdu. Największy wzrost tej emisji występował w trakcie rozruchu zimnego silnika i stan ten trwał nawet kilkaset sekund po uruchomieniu silnika. Temperatura zasysanego powietrza po nagrzaniu silnika wydaje się mieć ograniczony, ale widoczny wpływ na emisję. Wszystkie badane pojazdy bez problemów spełniały odpowiednie unijne normy emisji, co dowodzi, że aktualne wymagania homologacyjne nie stanowią już wyzwania i wymagają zaktualizowania.