張廣軍　陳國(guó)棟　武斐　袁忠莊（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

某輕型汽油車國(guó)Ⅴ排放異常問題分析與改進(jìn)

張廣軍陳國(guó)棟武斐袁忠莊
（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

針對(duì)某輕型汽油車在國(guó)Ⅴ排放開發(fā)過程中出現(xiàn)的THC、CO和NOx3種排放物同時(shí)大量產(chǎn)生的異常問題，通過魚骨圖分析識(shí)別出可能的影響因素，并通過對(duì)三效催化轉(zhuǎn)換器貴金屬含量和氣流均勻性進(jìn)行重點(diǎn)分析得出氣流均勻性為主要影響因素。通過排氣歧管設(shè)計(jì)變更以改善催化器氣流均勻性，進(jìn)而解決排放異常問題，使排放耐久試驗(yàn)順利進(jìn)行，同時(shí)避免了大幅增加催化器貴金屬含量。

主題詞：輕型汽油車三效催化轉(zhuǎn)換器國(guó)Ⅴ排放氣流均勻性

三效催化轉(zhuǎn)換器（下文簡(jiǎn)稱催化器）是輕型汽油車排氣污染物排放控制的關(guān)鍵裝置，通過催化劑的催化作用加速汽車尾氣中THC、CO和NOx的氧化還原反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體以達(dá)到凈化的作用。催化器在濃混合氣時(shí)對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率高，在稀混合氣時(shí)對(duì)THC、CO的轉(zhuǎn)化效率高，而在理論空燃比附近對(duì)3種排放物的轉(zhuǎn)化效率都很高，此時(shí)稱之為最佳“工作窗口”。當(dāng)催化器工作在最佳“工作窗口”時(shí)，尾氣中3種排放物近乎為零；當(dāng)某種排放物較高時(shí)，可以通過空燃比標(biāo)定使催化器工作在最佳“工作窗口”來解決，但是當(dāng)3種排放物同時(shí)較高時(shí)，問題就變得比較復(fù)雜，需要從多方面進(jìn)行綜合分析。

1 問題描述及原因分析

以某款A(yù)級(jí)輕型汽油車為研究對(duì)象，其匹配1.6L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和5MT變速器，排放開發(fā)目標(biāo)為符合國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，排放測(cè)試工況為NEDC循環(huán)，分為市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)兩部分［1］。在市郊循環(huán)中，催化器處于正常工作溫度，正常情況下尾氣中的CO、THC和NOx應(yīng)近乎為零，但本研究對(duì)象卻出現(xiàn)3種排放物同時(shí)較高的現(xiàn)象，分別占國(guó)Ⅴ排放限值的18%、32%和24%，見圖1。

對(duì)于排放法規(guī)要求的I型試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)）［2］，盡管可以通過標(biāo)定優(yōu)化降低市區(qū)循環(huán)的排放量，使得總排放結(jié)果滿足國(guó)Ⅴ排放工程目標(biāo)（法規(guī)限值的50%）要求，暫時(shí)掩蓋市郊循環(huán)3種排放物同時(shí)較高的問題。但是，在排放耐久過程中此問題表現(xiàn)的更加突出，即模擬160 000 km排放耐久的快速老化催化器排放試驗(yàn)過程中僅進(jìn)行到13 000 km就出現(xiàn)了排放超標(biāo)現(xiàn)象。

圖1　國(guó)Ⅴ排放測(cè)試循環(huán)累積排放曲線

因此，只有解決市郊循環(huán)3種排放物同時(shí)較高的問題，才能保證國(guó)Ⅴ排放耐久里程（160 000 km）內(nèi)排放結(jié)果都達(dá)標(biāo)。從發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放開始，沿著排放物的傳遞路線進(jìn)行魚骨圖分析，識(shí)別出影響此問題的主要因素，見圖2。經(jīng)過多項(xiàng)試驗(yàn)和分析，排除了發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放、電控系統(tǒng)標(biāo)定等因素，最終確定催化器的貴金屬含量和氣流均勻性兩個(gè)重點(diǎn)因素。

圖2　魚骨圖分析示意

2 催化器貴金屬含量分析

為了分析催化器貴金屬含量對(duì)上述問題的影響，試驗(yàn)提供了一種高配方催化器方案，貴金屬含量較原配方增加了80%。通過排放結(jié)果對(duì)比，增加貴金屬含量對(duì)排放結(jié)果有一定的改善作用，但3種排放物仍大量存在，見圖3?？紤]到此高配方方案已使單車成本增加約100元，因此試圖繼續(xù)大幅增加貴金屬含量來解決此問題是不可取的。

圖3　兩種催化器貴金屬配方對(duì)比曲線

3 催化器氣流均勻性分析

對(duì)催化器氣流均勻性進(jìn)行分析，最直觀的方法是觀察催化器載體留下的氣流痕跡。對(duì)13 000 km排放耐久試驗(yàn)的催化器進(jìn)行解剖，載體前端面清晰可見4個(gè)較黑的區(qū)域，與催化器入口的4個(gè)排氣管口對(duì)應(yīng)的位置相吻合；同時(shí)，中心區(qū)域出現(xiàn)多條裂紋和不同程度的“凹坑”，見圖4。

圖4　催化器解剖圖

根據(jù)上述現(xiàn)象做出如下推斷：排氣分別經(jīng)4個(gè)排氣管直接從催化器入口吹向催化器前端面，在管口正對(duì)的區(qū)域氣流集中且流速較高，而外圍區(qū)域流速低、氣流少，催化器無(wú)法充分利用，總體利用效率降低，導(dǎo)致3種排放物同時(shí)大量產(chǎn)生。同時(shí)，中心區(qū)域溫度高，加速催化器劣化，縮短使用壽命，導(dǎo)致僅經(jīng)歷13 000 km的排放耐久試驗(yàn)就出現(xiàn)了排放超標(biāo)現(xiàn)象。

對(duì)氣流均勻性進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析和仿真，采用Weltens等建立的速度均勻性指數(shù)γ進(jìn)行評(píng)價(jià)［2］：

式中，Ai為單元面積；A為總面積；ui為單元速度；uˉ為平均速度。

速度均勻性指數(shù)γ在0和1之間，其值越大，則流速分布越均勻，一般要求其不小于0.85。速度均勻性指數(shù)與催化器擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)、載體端面形式、載體位置等設(shè)計(jì)有關(guān)［3～6］。

對(duì)原方案排氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速5 500 r/min、最大排氣流量345 kg/h的工況下，催化器截面的流速分布見圖5，速度均勻性指數(shù)見表1。

結(jié)果表明，各缸排氣集中分布在排氣管口正對(duì)區(qū)域，這與催化器解剖圖的推斷一致。各缸排氣速度均勻性指數(shù)均低于0.8，不滿足0.85以上的目標(biāo)值。

圖5　原方案催化器排氣速度分布云圖

表1　原方案催化器速度均勻性指數(shù)

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了改善催化器氣流均勻性，對(duì)原排氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將4支歧管先匯為一個(gè)總管，再經(jīng)擴(kuò)張腔后連接到催化器，見圖6。排氣氣流經(jīng)過總管和擴(kuò)張腔的混合和擴(kuò)散，改善了流經(jīng)催化器載體的氣流均勻性。

對(duì)改進(jìn)方案排氣歧管結(jié)構(gòu)（圖6b）進(jìn)行分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速5 500 r/min、最大排氣流量345 kg/h的工況下，催化器截面的流速分布見圖7，速度均勻性指數(shù)見表2。

圖6　改進(jìn)前、后排氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)比

結(jié)果表明，改進(jìn)后流經(jīng)催化器載體的氣流沒有明顯的集中分布區(qū)域，速度均勻性指數(shù)達(dá)到了0.9以上，滿足0.85以上的目標(biāo)值。

圖7　改進(jìn)方案催化器排氣速度分布云圖

表2　改進(jìn)方案催化器速度均勻性指數(shù)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 排放結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行催化器排放驗(yàn)證，市郊循環(huán)過程中THC、CO和NOx3種排放物近乎為0，3種排放物同時(shí)大量產(chǎn)生的問題得到徹底解決，見圖8。

圖8　兩種方案排氣歧管排放曲線對(duì)比

對(duì)模擬160 000 km快速老化催化器也進(jìn)行排放驗(yàn)證，排放結(jié)果滿足快速老化催化器國(guó)Ⅴ排放工程目標(biāo)（法規(guī)限值的80%）要求。

5.2 排放耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

按照排放法規(guī)要求，需要對(duì)整車進(jìn)行160 000 km排放耐久試驗(yàn)，目前已經(jīng)完成，排放物均在限值以內(nèi)，見圖9。

圖9　160 000 km排放耐久試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，利用專業(yè)內(nèi)窺鏡等設(shè)備觀測(cè)160 000 km排放耐久試驗(yàn)后的催化器前端面，顏色較均勻，未出現(xiàn)明顯裂紋或“凹坑”，見圖10。

圖10　催化器前端面觀測(cè)示意

6 結(jié)束語(yǔ)

通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了催化器氣流均勻性對(duì)整車排放的重要影響，不僅影響催化器利用效率，導(dǎo)致尾氣中3種排放物同時(shí)大量產(chǎn)生的現(xiàn)象，同時(shí)也影響催化器使用壽命和排放耐久性能，造成車輛使用過程中過早出現(xiàn)排放超標(biāo)問題。

排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以改善催化器氣流均勻性，進(jìn)而改善整車排放性能，避免單純?cè)黾哟呋髻F金屬含量的做法，有利于整車的成本控制，也是應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格排放法規(guī)的重要手段。

1輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）. GB 18352.5-2013：7～8，44～49.

2 Weltens H，Bressler H，Terres F，etal.Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction. SAEPaper930780，1993.

3張逸，凌振國(guó).歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).汽車技術(shù)，2006（5）：30～34.

4吳國(guó)江，黃震，陳曉玲.速度分布對(duì)三效催化器性能的影響（Ⅱ）結(jié)果與分析.化工學(xué)報(bào)，2005（1）：95～99.

5陳曉玲，張武高，黃震.車用催化轉(zhuǎn)化器封裝結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的影響.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（7）：1206～1208.

6丁柏群，何立.車用催化器結(jié)構(gòu)與載體端面型式耦合對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)影響研究.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2007（1）：25～27.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

Analysis and Im provement of Abnormal China V Em ission of a Lightduty Gasoline Vehicle

Zhang Guangjun，Chen Guodong，Wu Fei，Yuan Zhongzhuang
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】Based on the abnormal emission that THC，CO and NOxare massively produced simultaneously in the development of China V emission of a light-duty gasoline vehicle，the main factors are identified by using fishbone diagram，and the preciousmetal content of the catalyst converter and uniformity of flow distribution are selectively analyzed which points out uniformity of flow distribution is the main cause of the problem.Through design optimization of exhaust manifold，uniformity of flow distribution is improved and the abnormal emission issue is solved，and then emission durability test can be carried out smoothly.At the same time，substantial increase of preciousmetal content of the catalyst is avoided.

Light-duty gasoline vehicle，Three-way catalyst converter，China V em ission，Uniform ity of flow distribution

U467.4+8

A

1000-3703（2016）08-0058-04