李艷光 陳子兵 鄭豐 李權(quán)

奇瑞汽車股份有限公司 安徽省蕪湖市 241009

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化的不斷推進(jìn)，汽車的全國(guó)保有量在不斷地增長(zhǎng)。汽車尾氣已成為大氣污染的主要來(lái)源之一，安裝三元催化轉(zhuǎn)換器（TWC）是最有效的機(jī)外凈化措施[1]。在冷起動(dòng)過(guò)程中，車輛排放對(duì)環(huán)境污染影響很大[2-3]。因此，研制出優(yōu)異的低溫TWC意義重大。隗寒冰等人[4]針對(duì)冷起動(dòng)階段TWC起燃特性對(duì)整車排放影響顯著的問(wèn)題，提出了應(yīng)用于混合驅(qū)動(dòng)工況下以加快TWC起燃為目的、通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的模糊控制策略以及基于極小值原理的起燃時(shí)間最優(yōu)控制策略，結(jié)果表明2種控制策略均能有效改善混合動(dòng)力汽車?yán)淦饎?dòng)階段的排放?？紫槿A等人[5]發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度高可以加快起燃，提出在催化轉(zhuǎn)化器前加電加熱催化器，或加HC吸附器，在冷啟動(dòng)時(shí)把HC污染物吸附儲(chǔ)存，等催化轉(zhuǎn)化器起燃之后，再放出進(jìn)行催化氧化。代鵬等人[6]發(fā)現(xiàn)對(duì)原有后處理裝置添加溫度補(bǔ)償裝置后，能有效提高對(duì)污染物尾氣的凈化效率，減小污染物尾氣的排放。以上都是針對(duì)排氣溫度或增加裝置使催化轉(zhuǎn)換器更快起燃進(jìn)行研究。但隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，對(duì)汽車后處理裝置的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的陶瓷載體升溫慢，逐漸無(wú)法滿足減少排放的要求，通過(guò)使用更低的載體重量（熱容）可以更快的加熱，改善車輛冷啟動(dòng)階段的排放污染物；此外，貴金屬價(jià)格較高，通過(guò)使用輕質(zhì)載體可降低貴金屬含量（與常規(guī)載體對(duì)比），降低整車成本。因此，研究輕質(zhì)載體的使用對(duì)輕型車排放的影響具有重要的實(shí)際意義。本研究對(duì)比了在WLTC試驗(yàn)前100 s車輛裝配輕質(zhì)載體和常規(guī)載體的TWC溫度、排放濃度和總循環(huán)及其間4個(gè)速度段污染物轉(zhuǎn)化效率，以期為TWC的改進(jìn)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)試設(shè)備及研究方法

1.1 試驗(yàn)車與載體

試驗(yàn)車輛為某車企搭載1.5T的SUV車型，輕質(zhì)載體（孔隙率55%，質(zhì)量密度200g/L）和常規(guī)載體（孔隙率35%，質(zhì)量密度267g/L）均為康寧公司生產(chǎn)，試驗(yàn)用燃油為國(guó)六基準(zhǔn)燃油。

1.2 測(cè)試工況

本次試驗(yàn)采用WLTC試驗(yàn)，其由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分組成，持續(xù)時(shí)間共1 800 s，其中低速段持續(xù)時(shí)間589 s，中速段持續(xù)時(shí)間433 s，高速段的持續(xù)時(shí)間為455 s，超高速段的持續(xù)時(shí)間為323 s[7]。試驗(yàn)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)試驗(yàn)主要參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備采用AVL底盤測(cè)功機(jī)和AVL AMAI60、CVS I60等主要排放測(cè)試系統(tǒng)，顆粒物測(cè)試系統(tǒng)為AVL489，環(huán)境艙為IMTECH環(huán)境艙，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試設(shè)備參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方案

整車預(yù)處理后，置于環(huán)境艙（296 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測(cè)功機(jī)上對(duì)裝有常規(guī)載體的試驗(yàn)車輛進(jìn)行WLTC試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后更換輕質(zhì)載體樣件，預(yù)處理后置于環(huán)境艙（296 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測(cè)功機(jī)上對(duì)裝有輕質(zhì)載體的試驗(yàn)車輛進(jìn)行WLTC試驗(yàn)，基于車輛裝配2種載體的排放數(shù)據(jù)差異，綜合分析不同載體對(duì)整車排放的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷起動(dòng)前100 s溫度上升速率對(duì)比

Du等[8]通過(guò)分析車輛起動(dòng)后尾氣污染物瞬時(shí)排放曲線，表明車輛啟動(dòng)排放通常在200 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。因此，為更好的分析2種載體對(duì)車輛排放的影響，本研究對(duì)比了車輛在WLTC試驗(yàn)前100 s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖1為TWC裝配輕質(zhì)載體和常規(guī)載體的入口溫度和中心溫度，整體來(lái)看，裝配輕質(zhì)載體的TWC入口溫度和中心溫度上升速率明顯高于常規(guī)載體。輕質(zhì)載體在WLTC循環(huán)前30s時(shí)床溫比常規(guī)載體床溫平均高約30℃，輕質(zhì)載體溫度上升較快，可以使TWC更快起燃。

圖1 不同載體TWC在冷起動(dòng)前100 s溫度上升對(duì)比

2.2 冷起動(dòng)前100 s污染物排放濃度對(duì)比

為減少排氣流量等方面對(duì)車輛排放的影響，本研究對(duì)比了WLTC循環(huán)工況前100 s車 輛 裝 配2種 載 體 的CO、THC和NOx污染物排放濃度，如圖2所示。整體來(lái)看，與輕質(zhì)載體相比，裝配常規(guī)載體的車輛CO和THC排放濃度峰值較大，且頻率較高。在88 s時(shí)常規(guī)載體CO濃度達(dá)到2.72%，在18 s時(shí)常規(guī)載體THC濃度為6 899.83 ppm，分別是輕質(zhì)載體的2.82倍和2.32倍，輕質(zhì)載體的使用對(duì)車輛在冷起動(dòng)階段的CO和THC排放有著較大的減排率。對(duì)于NOx排放，由于車輛起動(dòng)階段原始排放含量較低，導(dǎo)致濃度頻率和峰值無(wú)明顯差異。

圖2 不同載體車輛在冷起動(dòng)前100 s污染物排放濃度對(duì)比

2.3 冷起動(dòng)前100 s污染物轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

圖3為TWC裝配不同載體的污染物轉(zhuǎn)化效率。由圖可得，在20 s時(shí)裝配輕質(zhì)載體的TWC對(duì)各污染物的轉(zhuǎn)化效率均超過(guò)50%，遠(yuǎn)高于常規(guī)載體轉(zhuǎn)化效率；在30 s時(shí)裝配輕質(zhì)載體的TWC對(duì)CO、NOx污染物轉(zhuǎn)化效率均超過(guò)80%，THC轉(zhuǎn)化效率超過(guò)70%。綜上所述，與常規(guī)載體相比，在冷起動(dòng)前100 s內(nèi)輕質(zhì)載體的使用使得TWC對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化效率有著較大的提升。

圖3 冷起動(dòng)前100 s污染物轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

2.4 各速度段排放轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

表3為2種載體在WLTC試驗(yàn)總循環(huán)和其間4個(gè)速度段的轉(zhuǎn)化效率。由表可得，在WLTC試驗(yàn)的中速段、高速段和超高速段，2種載體對(duì)車輛3種污染物排放轉(zhuǎn)化效率差異較小，但在WLTC試驗(yàn)的低速段，與常規(guī)載體相比，降低貴金屬的輕質(zhì)載體對(duì)CO、THC和NOx排 放 分 別 提 升0.2%、3.52%和2.69%的轉(zhuǎn)化效率，這與裝配輕質(zhì)載體的TWC有更快的起燃速率有關(guān)。在WLTC試驗(yàn)總循環(huán)中，裝配輕質(zhì)載體的車輛的CO、THC和NOx排 放 分 別 為126 mg/km、16 mg/km和7 mg/km，裝配常規(guī)載體的車輛的CO、THC和NOx排 放 分 別 為122 mg/km、26 mg/km和12 mg/km，2種載體的排放均滿足標(biāo)準(zhǔn)排放要求，且輕質(zhì)載體對(duì)3種氣態(tài)污染物的轉(zhuǎn)化效率均高于常規(guī)載體，這表明輕質(zhì)載體對(duì)3種污染物轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)優(yōu)于常規(guī)載體。

表3 各階段污染物轉(zhuǎn)化效率/（%）

3 結(jié)語(yǔ)

（1）輕質(zhì)載體溫度上升速率比常規(guī)載體快。（2）排放循環(huán)工況下，輕質(zhì)載體在20s時(shí)，各污染物轉(zhuǎn)化效率均超過(guò)50%，30s時(shí)超過(guò)70%，可有效改善冷起動(dòng)階段排放。（3）降低貴金屬的輕質(zhì)載體對(duì)THC和NOx排放分別提升3.52%和2.69%的轉(zhuǎn)化效率。（4）輕質(zhì)載體在貴金屬降低的同時(shí)，排放可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且在總循環(huán)中輕質(zhì)載體對(duì)3種氣態(tài)污染物的轉(zhuǎn)化效率均高于常規(guī)載體。