袁觀練 余光耀 李高堅(jiān)

摘要： 本文介紹了集成汽油機(jī)輕型車的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的產(chǎn)生機(jī)理、影響排放的因素以及三元催化器的工作原理與特性。針對HC、NOX、CO三種主要的氣態(tài)污染，從起動(dòng)&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點(diǎn)及閉控制以及清氧功能等6個(gè)方面詳細(xì)介紹了相關(guān)排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

Abstract： This article introduces the generation mechanism of the main pollutants HC， NOX， CO emissions from light-duty vehicles with integrated gasoline engines， the factors affecting emissions， and the working principles and characteristics of the three-way catalyst. Aiming at the three main gaseous pollutions of HC， NOX， and CO， it introduces 6 aspects in detail from the start-up & warm-up phase， catalytic converter heating function， transitional conditions， target air-fuel ratio， front oxygen dew point and shut-off control， and oxygen purging function. Related emission matching content and targets.

關(guān)鍵詞： 排放污染物;三元催化器;過渡工況;前氧露點(diǎn);清氧功能

Key words： emission of pollutants;three-way catalytic converter;transitional conditions;pre-oxygen dew point;oxygen-clearing function

中圖分類號(hào)：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0046-03

1 ?概述

基于機(jī)動(dòng)車保有量的不斷提升以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，汽車尾氣排放已經(jīng)成為大氣污染的主要來源之一，因此汽車排放法規(guī)的被迫不斷加嚴(yán)。我國在過去不到20年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)布升級(jí)了6次輕型汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著2016年12月《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（第六階段）征求意見稿的發(fā)布，我國進(jìn)入了號(hào)稱史上最嚴(yán)排放法規(guī)的國六時(shí)代，同時(shí)也倒逼著各大汽車生產(chǎn)企業(yè)不斷進(jìn)行產(chǎn)品迭代升級(jí)。

對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車輛來說，其尾氣排放主要分為氣態(tài)污染物和非氣態(tài)污染物兩類。其中氣態(tài)污染物主要包含氮氧化物（NOX）、碳?xì)洌℉C）、非甲烷碳?xì)洌∟MHC）、一氧化碳（CO）以及氧化亞氮（N2O）等。非氣態(tài)污染物主要指顆粒物（PM）和粒子數(shù)量（PN）。

2 ?排放污染物的生成機(jī)理

HC排放的重要影響因素是混合氣空燃比，隨空燃比的減小而增加，但這并不意味著混合氣越稀，HC排放越低，當(dāng)混合氣稀到出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)失火的時(shí)候，HC排放會(huì)急劇增加。均質(zhì)混合氣下HC的生成主要有以下原因：冷激效應(yīng)：①據(jù)研究冷激效應(yīng)產(chǎn)生的HC排放占總量的50%～

70%;②油膜和沉積物吸附：其中油膜吸附占25%～30%，沉積物吸附占10%左右。

CO是燃料燃燒的中間產(chǎn)物，排氣中CO主要是在局部缺氧或低溫下由于烴的不完全燃燒產(chǎn)生的，影響CO排放量的主要因素是混合氣的空燃比，當(dāng)混合氣偏濃時(shí)，CO的增加會(huì)很明顯。如冷起動(dòng)、起動(dòng)后、暖機(jī)、過渡工況、全負(fù)荷、零部件保護(hù)等原因?qū)е碌幕旌蠚馄珴狻?/p>

NOX生成的條件簡而言之是高溫富氧，內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物NOX主要是NO。NO的主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，無論是進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)，還是不完全燃燒反應(yīng)，其最初燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱必將使空氣中的氧分子裂解為氧原子，并與空氣中的氮分子發(fā)生反應(yīng)而生成NO和氮原子，而氮原子又與空氣中氧分子發(fā)生反應(yīng)生成NO和氧原子，這部分氧原子又可與空氣中氮分子重新反應(yīng)，產(chǎn)生NO。

PM和PN的產(chǎn)生主要是燃油和空氣混合不充分，導(dǎo)致混合氣存在局部過濃，進(jìn)而在燃燒時(shí)產(chǎn)生局部燃燒不充分產(chǎn)生大量的PM和PN。另一方面受國家購置稅的影響，國內(nèi)存在大量的小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配較大車型的情況，這些車WLTC排放循環(huán)中，車輛經(jīng)常處于加速或高速狀態(tài)，小排量增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為保證可靠的動(dòng)力輸出，長期工作在大負(fù)荷的部件加濃區(qū)域，燃燒不充分，也是會(huì)產(chǎn)生大量的PM和PN。

3 ?影響排放的因素

對一款車來說，影響排放的因素主要有三元催化器、發(fā)動(dòng)機(jī)本體、發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)及相關(guān)傳感器、車輛本身、油品以及駕駛習(xí)慣等幾個(gè)。在動(dòng)力總成確定的前提下，三元催化器的匹配對車輛尾氣排放起著決定性作用。

3.1 三元催化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作原理

三元催化器由由載體（金屬、材質(zhì)）、貴金屬涂層、封裝（金屬外殼）組成，陶瓷載體由于成本優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。常見的三元催化器結(jié)構(gòu)形狀有圓柱形、橢圓形、跑道型，布置形式有單級(jí)、兩級(jí)、多級(jí)以及一級(jí)多段等。市面上常見的三元催化器有400目、600目和750目等規(guī)格。催化器載體的體積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量的比值一般處于0.5～1之間。圖1是三元催化器在排氣系統(tǒng)中的安裝示意圖。在滿足空間布置及NVH試驗(yàn)下，希望三元催化能夠盡量靠近排氣歧管，或者直接與排氣歧管做成一體載體，以便充分利用尾氣的熱量縮短催化器的起燃時(shí)間，達(dá)到優(yōu)化排放的作用。

三元催化器的配方是三元催化器的關(guān)鍵技術(shù)，包含三元金屬含量配比和屠涂覆方案。三元金屬主要指的是鈀金Pd、鉑金Pt和銠金Rh。鈀Pd主要催化CO和HC的氧化反應(yīng)，銠Rh催化NOx的還原反應(yīng)，Pt也可以催化CO和HC的氧化反應(yīng)。最近幾年貴金屬價(jià)格處于上升通道中，價(jià)格波動(dòng)比較大，出于成本因素考慮，各金屬之間的含量也即三元催化器的配方也根據(jù)貴金屬期貨市場進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到成本平衡的作用。三元催化器的涂覆形式主要有平均涂覆和分段涂覆。平均涂覆指的是漿料均勻涂覆在三元催化器的壁面上，而分段涂覆有前段涂覆、后段涂覆和中段涂覆。涂覆方式在很大程度上影響著三元催化器的起燃特性。圖2是三元催化器的對尾氣的催化轉(zhuǎn)化示意圖。

3.2 三元催化器的特性

轉(zhuǎn)化效率、起燃溫度和儲(chǔ)氧能力是考核三元催化器的關(guān)鍵指標(biāo)。轉(zhuǎn)化效率（%）=（TWC入口污染物排放出口污染物排放）/TWC入口污染物排放。如圖3所示，在三元催化器完全加熱后，其轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到97%～100%。起燃溫度：催化轉(zhuǎn)化器對某一種污染物的催化轉(zhuǎn)化效率達(dá)到50%時(shí)所對應(yīng)的催化轉(zhuǎn)化器入口的氣體溫度，一般為300～350℃。為了滿足越來越高的排放要求，希望三元催化器的起燃溫度越低越好，目前優(yōu)化貴金屬配方和涂覆方案與工藝后，三元催化器的起燃溫度可以大幅降低，已經(jīng)可以做到250～300℃左右。儲(chǔ)氧能力：在稀或濃混合氣下，氧與儲(chǔ)氧元素的不同價(jià)化合物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了氧的儲(chǔ)存和釋放，見圖4。三元催化器在新鮮的時(shí)候儲(chǔ)氧能力很高，老化后，儲(chǔ)氧能力會(huì)降低。

圖5是三元催化器的的最佳lambda窗口，從圖中可以看出的催化器最佳的過量空氣系數(shù)在0.997～0.999之間，寬度只有0.002，是一個(gè)非常窄的窗口。對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力匹配標(biāo)定提出了非常大的挑戰(zhàn)。

4 ?排放控制匹配

汽油機(jī)的排放控制匹配非常復(fù)雜，要考慮的因素比較多。下面就起動(dòng)&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點(diǎn)及閉控制以及清氧功能等6個(gè)方面介紹汽油機(jī)的排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

4.1 起動(dòng)階段和暖機(jī)階段匹配

起動(dòng)階段和暖機(jī)階段匹配的目標(biāo)是通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放。起動(dòng)階段由于排氣溫度低，催化器未到起燃溫度，催化轉(zhuǎn)化效率低。在保證起動(dòng)安全的前提下，調(diào)整起動(dòng)和起動(dòng)后的點(diǎn)火角、空燃比，使得lambda在起動(dòng)后能夠盡快的到1附近的催化器最佳轉(zhuǎn)化窗口。起動(dòng)過沖轉(zhuǎn)速也是需要調(diào)整的對象，一般不要超過穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速的300～500rpm，否則會(huì)帶來沖擊與過大的噪音。另外，在保證燃燒穩(wěn)定，即不出現(xiàn)失火現(xiàn)象的情況下可以采用一定程度的稀燃，但應(yīng)同時(shí)檢查lambda繼續(xù)減稀20%，發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作正常。

4.2 三元催化器加熱功能匹配

NOX、HC、CO三種氣態(tài)排放污染物在整個(gè)WLTC排放循環(huán)中在起動(dòng)及暖機(jī)階階段的占到總量絕大部分，由此可見催化器加熱的重要性。催化器的起燃需要一定的溫度條件，一般在300～350℃。為了讓催化器盡快起燃，讓催化器更快的達(dá)到高轉(zhuǎn)化效率，需要啟用催化器加熱功能。在沒有電加熱等其它外在加熱條件下，催化器溫度的升高主要來源于廢氣的熱量。催化器加熱的目的實(shí)際上就是要提高廢氣的熱量，通過提高廢氣的溫度或通過提高廢氣的流量來實(shí)現(xiàn)。其主要手段為：①提高怠速轉(zhuǎn)速，可以直接提高廢氣流量;②推遲點(diǎn)火角，可以提高排氣溫度（燃燒推遲，引起部分燃燒在排氣門打開時(shí)仍在持續(xù)，因此排出的氣體溫度較高）提高怠速轉(zhuǎn)速需要得到客戶的確認(rèn)，點(diǎn)火角和空燃比的調(diào)節(jié)需要注意不要影響怠速穩(wěn)定性及車輛的起步能力。

需要注意的是，利用提高怠速和推遲點(diǎn)火角的手段來進(jìn)行三元催化器加熱都會(huì)帶來油耗的上升，因此該功能使用力度，需要綜合平衡油耗和排放情況，同時(shí)還須兼顧怠速穩(wěn)定性。另外，過強(qiáng)的催化器加熱，會(huì)過多增加發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放，反而會(huì)增加排放污染物。故而三元催化器加熱功能合理匹配是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。

評價(jià)催化器加熱是否結(jié)束主要取決于在不同的起動(dòng)溫度下使得三元催化器充分加熱的總的空氣量（M_air），范圍一般在0.2到5kg之間，一般在18～32℃的區(qū)間啟用（20～30℃溫度范圍稍微擴(kuò)展）。在其它點(diǎn)關(guān)閉即相應(yīng)工況點(diǎn)下M_air=0，即不開啟三元催化器加熱功能。對于部門項(xiàng)目國六VI型（-7℃）排放困難，也可以嘗試啟用此功能。當(dāng)起動(dòng)后三種排放物的轉(zhuǎn)化效率都達(dá)到90%以上時(shí)的空氣總量的值，可以作為M_air值。

M_air對應(yīng)的時(shí)間即為催化器加熱時(shí)間，一般根據(jù)標(biāo)定匹配打開催化器加熱功能最低溫度的加熱時(shí)間來確定三元催化加熱的最長時(shí)間T_mx。如果在起動(dòng)后超過T_mx，一直保持怠速狀態(tài)，并且對于AT來說沒有進(jìn)入行駛檔，三元催化加熱復(fù)位一般三元催化器加熱復(fù)位時(shí)間選擇在第二次加速（32km/h）過程中，即50～96S之間。個(gè)別項(xiàng)目會(huì)需要更長的加熱時(shí)間。

需要考慮根據(jù)三元催化器加熱的相對空氣量積分值ML_air來控制扭矩預(yù)留開始和關(guān)閉的時(shí)刻，同時(shí)可以控制點(diǎn)火角推遲在不同時(shí)刻的推遲量。匹配數(shù)據(jù)的設(shè)置應(yīng)該能夠保證在扭矩預(yù)留開始和結(jié)束時(shí)點(diǎn)火效率逐漸降低和恢復(fù)，相應(yīng)點(diǎn)火角也是逐漸降低和恢復(fù)，防止由于點(diǎn)火角突然大幅度變化引起怠速不穩(wěn)，或者怠速空氣量突然變化導(dǎo)致的lambda的突變。

三元催化器加熱的扭矩預(yù)留M_label，通過對該label的匹配可以定義點(diǎn)火角推遲作用的區(qū)域和點(diǎn)火角的推遲量，一般怠速狀態(tài)下三元催化器加熱的點(diǎn)火角在0～-10℃A BTDC。點(diǎn)火角設(shè)置注意不要影響怠速穩(wěn)定性及車輛的起步能力。在第一個(gè)15km/h部分負(fù)荷工況也可以進(jìn)行推遲點(diǎn)火提前角三元催化加熱，但是需要注意推遲的幅度，不要由于點(diǎn)火角的推遲出現(xiàn)失火或燃燒不充分，引起排放的增加。

4.3 過渡工況控制

過渡工況就是動(dòng)態(tài)工況，動(dòng)態(tài)工況負(fù)荷的變化，不僅會(huì)影響到實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮混合氣計(jì)算準(zhǔn)確性，同時(shí)也影響到油膜揮發(fā)作用帶來實(shí)際進(jìn)入氣缸燃油量計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際充氣死時(shí)間的存在，這些都帶來了過渡工況匹配的難度，對項(xiàng)目的直接影響是，動(dòng)態(tài)工況空燃比變化比較大。過渡工況匹配的整體目標(biāo)是保證在加速減速過程中，空燃比在1附近;負(fù)荷變化大或冷機(jī)時(shí)允許±15%，負(fù)荷變化小時(shí)±10%。避免混合氣過濃，導(dǎo)致HC，CO大量冒出;混合氣過稀，導(dǎo)致NOX冒出，甚至失火，未燃燒的油氣直接排出。

4.4 目標(biāo)空燃比控制

為了降低HC排放，可以適當(dāng)采用稀燃控制，即把目標(biāo)空燃比設(shè)定成大于1的狀態(tài)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)可燃混合氣處于偏稀狀態(tài)，這會(huì)產(chǎn)生兩種效果：一方面，一定程度上會(huì)得到相對較高的排氣溫度，有利于催化器的加熱;另一方面，減少了噴油量，從源頭就遏制了HC產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。后者是控制HC排放的關(guān)鍵，但是對于冷機(jī)起動(dòng)，怠速的穩(wěn)定性會(huì)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 Lambda前氧露點(diǎn)及閉環(huán)控制

設(shè)置露點(diǎn)的目的是防止氧傳感器在加熱過程中由于凝結(jié)的水而失效。為了降低排放，應(yīng)當(dāng)盡可能提前過露點(diǎn)，進(jìn)入前氧閉環(huán)。目前普通前氧傳感器過露點(diǎn)的時(shí)間一般在25～100s之間，取決于前氧傳感器的布置位置和催化器加熱功能匹配。最近博世新開發(fā)的前氧傳感器LSU5.2過露點(diǎn)時(shí)間大幅縮短，最快可實(shí)現(xiàn)6s過露點(diǎn)，可大幅改善低溫排放水平和提高排放的穩(wěn)定性。

4.6 清氧功能

斷油功能結(jié)束時(shí)，催化器經(jīng)歷了新鮮空氣“沖洗”，氧含量高，無形中創(chuàng)造了NOX生成的條件。清氧功能便是提供偏濃混合氣消耗催化器中的氧含量，使后氧電壓上升。但是過多的清氧，反過來會(huì)生成HC和CO，并增加油耗。當(dāng)空燃比濃稀動(dòng)態(tài)變化時(shí)，由于催化器中增加了CeO2涂層作為儲(chǔ)放氧材料，催化器對三種污染物具有很高的轉(zhuǎn)化效率，窗口明顯加寬。通過調(diào)整噴油系數(shù)在濃端或稀端的延遲使混和氣偏濃或偏稀，實(shí)現(xiàn)空燃比窗口的精確匹配，從而使三種排放物轉(zhuǎn)化效率都處于理想水平線上。

4.7 三元催化器的“磨合”

全新的新鮮、老化、臨界催化器都需要磨合，至少在高速大負(fù)荷工況下，運(yùn)行50km以上。國六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不帶GPF/DPF（汽油機(jī)顆粒物捕捉器/柴油機(jī)顆粒物捕捉器）排放后處理系統(tǒng)的催化器最大可磨合300km的里程，而帶GPF/DPF排放后處理系統(tǒng)的催化器允許最大磨合里程為3000km。磨合100km后，主要?dú)鈶B(tài)污染物HC、CO、NOX分別出現(xiàn)了13%、5%和36%的降低。

5 ?總結(jié)

本文介紹了輕型汽油車的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的產(chǎn)生機(jī)理、影響排放的因素以及三元催化器的工作原理與特性。從起動(dòng)&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點(diǎn)及閉控制以及清氧功能等6個(gè)方面詳細(xì)介紹了汽油機(jī)的排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

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