吳喜慶 崔振偉 王亞飛 夏銘希 馬榮勇 韓艷輝

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)即將執(zhí)行，碳?xì)洌℉C）排放限值變得越來(lái)越嚴(yán)格。因此減少HC排放成為急需要解決的問(wèn)題。試驗(yàn)研究表明排放測(cè)試中50%～80%的HC都是在整車?yán)鋯?dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的[1]1035-1036。在美國(guó)極低排放汽車（ULEV）標(biāo)準(zhǔn)中，80%～90%的尾管HC排放來(lái)自美國(guó)聯(lián)邦測(cè)試循環(huán)（FTP）的第一個(gè)循環(huán)[2]。之所以在冷啟動(dòng)過(guò)程中HC排放高，其原因在于三元催化轉(zhuǎn)化劑未達(dá)到有效氧化HC的工作溫度，一般HC的轉(zhuǎn)化溫度在260℃以上[1]1036。目前主要通過(guò)改善燃燒室結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程的方式來(lái)控制HC排放，而針對(duì)排氣歧管結(jié)構(gòu)型式對(duì)HC排放影響的研究很少。文章從排氣歧管的結(jié)構(gòu)型式和氧傳感器的布置位置等方面分析了其在整車HC排放上的影響。最終分析確認(rèn)出采用殼式排氣歧管對(duì)整車HC排放明顯優(yōu)于彎管式排氣歧管。

1 整車排放試驗(yàn)

當(dāng)前大部分整車廠采用不銹鋼焊接式的排氣歧管來(lái)取代傳統(tǒng)的鑄造排氣歧管，而不銹鋼式排氣歧管的結(jié)構(gòu)型式主要分為彎管焊接式和沖壓蚌殼焊接式2種，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，如表1所示。針對(duì)這2種不同結(jié)構(gòu)型式的排氣歧管，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)以及前氧傳感器附近氣流流速分布的分析，得出其對(duì)整車HC排放方面的影響。

表1 排氣歧管優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

這2種排氣歧管采用相同的三元催化轉(zhuǎn)化芯體，主要區(qū)別為封裝型式，文章對(duì)這2種樣件在同一輛整車上進(jìn)行了常溫下冷啟動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)（I型試驗(yàn)）。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，對(duì)每種結(jié)構(gòu)型式的排氣歧管進(jìn)行了2次數(shù)據(jù)采集。圖1示出這2種型式排氣歧管I型試驗(yàn)結(jié)果。從圖1中可知，蚌殼式排氣歧管的非甲烷碳?xì)洌∟MHC）和總碳?xì)洌═HC）排放均比彎管式排氣歧管要低，均低了40%以上。同時(shí)蚌殼式的HC排放都在新鮮芯體一次性過(guò)限值以內(nèi)，而彎管式?jīng)]有達(dá)到這一要求，僅滿足國(guó)家法規(guī)限值要求。試驗(yàn)表明，這2種方案對(duì)整車HC排放的影響比較明顯。

圖1 排氣歧管2次I型試驗(yàn)中HC排放結(jié)果

根據(jù)國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)要求，I型試驗(yàn)采用新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而在整個(gè)循環(huán)工況下，HC排放主要集中在冷啟動(dòng)階段，而且主要是前120 s，因此選取了前120 s時(shí)域內(nèi)的THC排放進(jìn)行細(xì)化分析。在同一輛車上搭載這2種排氣歧管分別進(jìn)行I型試驗(yàn)，冷啟動(dòng)階段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的THC排放和觸媒溫度情況，如圖2所示。從圖2中可知，蚌殼式排氣歧管在40～60 s時(shí)域和65～80 s時(shí)域的THC排放明顯低于彎管式排氣歧管，其余階段基本上一樣。THC排放主要與燃油混合氣過(guò)濃有關(guān)，而冷啟動(dòng)階段由于排放溫度過(guò)低，前氧傳感器和催化轉(zhuǎn)化芯體均未達(dá)到工作溫度（它們的工作溫度均為300℃以上）。催化轉(zhuǎn)化芯體未達(dá)到工作溫度會(huì)降低氧化還原反應(yīng)的效率，而前氧傳感器未達(dá)到工作溫度會(huì)使其排放控制處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。以上兩方面原因?qū)е吕鋯?dòng)階段HC排放過(guò)高。根據(jù)圖2中的觸媒溫度變化曲線可知，這2種排氣歧管在前40 s時(shí)溫度上升基本一致，在40 s后，蚌殼式的觸媒溫度上升幅度逐漸超過(guò)彎管式，在60 s后平均比彎管式高50℃以上。說(shuō)明蚌殼式要先于彎管式達(dá)到催化轉(zhuǎn)化芯體的工作溫度，由此造成其HC排放優(yōu)于彎管式。

圖2 排氣歧管I型試驗(yàn)冷啟動(dòng)階段觸媒溫度及THC排放結(jié)果

2 三維模擬分析

為了更好地分析造成冷啟動(dòng)階段觸媒溫度上升的差異化與由此造成的THC排放差異化的原因。通過(guò)利用STAR CCM+軟件對(duì)這2種排氣歧管分別進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬計(jì)算。邊界條件如下：氣體流動(dòng)視為穩(wěn)態(tài)、絕熱的不可壓縮湍流，采用k-ε湍流模型，三元催化轉(zhuǎn)化載體采用多孔介質(zhì)處理。圖3示出排氣歧管CFD模擬分析模型。

圖3排氣歧管流體動(dòng)力學(xué)模擬分析模型圖

2.1 整體流場(chǎng)分析

排氣氣流速度的大小關(guān)系到催化轉(zhuǎn)化芯體工作溫度上升的快慢。如果排氣速度較大，芯體溫度上升較快，更有利于提高芯體的催化轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而降低整車HC的排放。圖4示出2種排氣歧管的流場(chǎng)流動(dòng)軌跡圖。

圖4 排氣歧管流場(chǎng)流動(dòng)軌跡模擬圖

從圖4a中可以看出，彎管式由于1缸和4缸相互連通，2缸和3缸相互連通，各缸排氣時(shí)，由于混合腔較小和載體的阻力作用，使得氣流形成渦流，減緩了氣流的流動(dòng)速度和載體入口處速度的均勻度。而圖4b表明，蚌殼式1缸、2缸及3缸在排氣時(shí)均對(duì)4缸有干擾。另外，通過(guò)對(duì)比圖4a和圖4b可知，蚌殼式排氣流速明顯高于彎管式，尤其在各支管位置。這主要是由于蚌殼式各缸排氣時(shí)的氣流受氣流阻力影響較小，只有較少氣流分離到其他支管。同時(shí)其混合腔相對(duì)較大，整體氣流流動(dòng)更均勻，氣流流速也較快[3]。說(shuō)明排氣流速的快慢和進(jìn)入載體的均勻性也直接導(dǎo)致高溫排氣能夠迅速、充分地通過(guò)催化轉(zhuǎn)化器芯體。由此可知這是導(dǎo)致觸媒溫度上升快慢的主要原因。

2.2 前氧傳感器位置分析

前氧傳感器的布置位置要處于排氣的高流速區(qū)，這樣可以更真實(shí)地測(cè)出排氣中的氧離子濃度，從而更準(zhǔn)確地控制整車排放。圖5示出2種排氣歧管在各缸分別排氣時(shí)前氧傳感器切面流速分布云圖。從圖5a可以看出，彎管式只有在1缸排氣時(shí)，前氧傳感器處于排氣高流速區(qū)域，而蚌殼式在各缸排氣時(shí)均處于高速區(qū)域內(nèi)。由此說(shuō)明蚌殼式的前氧傳感器能夠更好地感受排氣中氧離子的濃度，從而將真實(shí)的空燃比信號(hào)反饋給ECU，ECU通過(guò)調(diào)整噴油量來(lái)保證合理的燃燒，降低HC的排放。

圖5 排氣歧管前氧傳感器切面流速分布云圖

圖6和圖7分別示出2種排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖，能更直觀地顯示出在前氧傳感器面上，蚌殼式的流速要明顯比彎管式大，且更均勻。

圖6 彎管式排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖

圖7 蚌殼式排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖

前氧傳感器的位置通常用4個(gè)缸分別排氣的最大流速的平均值（AFV）和流速差異性（FSD）進(jìn)行評(píng)估。表2示出排氣歧管前氧傳感器位置評(píng)價(jià)參數(shù)，從表2中可知，蚌殼式的AFV明顯大于彎管式，這也說(shuō)明了圖5，圖6和圖7中的流速分布狀態(tài)。另外，彎管式的FSD為1.34，不滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。從圖6中可以明顯看出前氧傳感器面上的流速很不均勻，只有很小曲面處于高流速區(qū)，大部分曲面處于低流速區(qū)。由此說(shuō)明前氧傳感器處的流速差異較大，直接影響氧傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度，造成不充分燃燒，導(dǎo)致HC及其他污染物的增加。

表2 排氣歧管前氧傳感器位置評(píng)價(jià)參數(shù)表

3 結(jié)論

1）彎管式和蚌殼式排氣歧管的整車I型試驗(yàn)表明，搭載蚌殼式排氣歧管的整車HC排放要優(yōu)于彎管式。

2）I型試驗(yàn)的冷啟動(dòng)階段，蚌殼式觸媒的溫度上升明顯高于彎管式，由此導(dǎo)致HC排放優(yōu)于彎管式。

3）蚌殼式的排氣流速和均勻性明顯優(yōu)于彎管式，這也是造成觸媒溫度上升快于彎管式以及載體利用率高的主要原因。同時(shí)其前氧傳感器也處于高流速區(qū)域，比彎管式能夠更好的感受排氣中的氧濃度。從而能夠?qū)⒏鎸?shí)的空燃比信號(hào)提供給ECU，降低HC及其他污染物的排放。