歐Ⅲ排氣系統(tǒng)的探索與研究

符紹斌 袁建新 錢 晉

(景德鎮(zhèn)學院機電系，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 前言

隨著《輕型汽車污染物排放標準(Ⅲ、Ⅳ)》實施的日益臨近，小轎車生產(chǎn)公司也正面臨著排放法規(guī)與市場需求的雙重考驗。為使生產(chǎn)的轎車能滿足小汽車低排放的要求，生產(chǎn)商便開始了對這款車型歐Ⅲ排放技術(shù)的升級工作，并制定了歐Ⅲ排放的標定工作。

1 一般車型現(xiàn)階段的基本情況

一般車型目前已經(jīng)達到歐Ⅱ階段排放標準13852.2-2001的要求，并通過了八萬公里耐久的考驗。以一般車型系列中的7100為例，其整車參數(shù)與排氣系統(tǒng)參數(shù)見表1-1所示:

表1-1:整車參數(shù)與排氣系統(tǒng)參數(shù)

表1-2:某車型Ⅱ階段排放指標

通過對表1-1和表1-2進行數(shù)據(jù)分析，我們不難看出，該車尾氣中有害氣體排放量是比較低的，在此基礎(chǔ)上通過對系統(tǒng)進行升級來達到排放Ⅲ階段的目標是可能實現(xiàn)的。

2 設(shè)計目標與設(shè)計流程圖

該車排氣系統(tǒng)的改造是該車實現(xiàn)Ⅲ階段排放達標的關(guān)鍵性技術(shù)。由于排氣系統(tǒng)中的三元催化轉(zhuǎn)化器直接負責汽車尾氣中有害氣體的凈化工作，改造方案的焦點也便集中在如何能使三元催化轉(zhuǎn)化器發(fā)揮最大的作用上。結(jié)合該車自身特點以及Ⅲ階段排放法規(guī)的要求而制定了排氣系統(tǒng)改造方案。

2.1 設(shè)計目標

⑴排氣系統(tǒng)設(shè)計更改后，排出的各項廢氣指標要明顯低于原車。在結(jié)合對整車電噴系統(tǒng)、發(fā)動機技術(shù)升級后汽車尾氣排放要滿足國家小汽車尾氣排放Ⅲ階段排放限值的要求。

⑵排氣系統(tǒng)設(shè)計更改后，要滿足整車的正常的使用性能。

⑶排氣系統(tǒng)改造要滿足整車經(jīng)濟的需要。通過對整車各系統(tǒng)改造方案的綜合考慮，而確定最終的改造方案，使改造后的制造成本盡可能維持在較低的水平。

⑷排氣系統(tǒng)改造要滿足整車裝配工藝性的要求。排氣系統(tǒng)設(shè)計中要充分考慮該車底盤系統(tǒng)和車身結(jié)構(gòu)的特點，對排氣系統(tǒng)中各零部件進行合理的安排。

2.2 設(shè)計流程圖

3 歐Ⅲ階段排放的可行性分析

某車型實現(xiàn)歐Ⅲ階段排放目標不能僅通過簡單的零部件替換來實現(xiàn)，必須經(jīng)過科學的分析、改進方案的設(shè)計、產(chǎn)品的試驗等幾個階段才能實現(xiàn)。產(chǎn)品的可行性分析是科學分析中重要的一步，它將關(guān)系到滿足歐Ⅲ階段排放法規(guī)限值要求的各零部件的順利開發(fā)。

3.1 對與歐Ⅲ階段排放有關(guān)的法規(guī)政策的分析

3.1.1 國家目前及將來對小汽車尾氣排放的要求及實施時間

表3-1:小汽車尾氣排放的要求及實施時間

3.1.2 GB18352.3-2004(Ⅲ階段標準)與GB18352.2-2001(Ⅱ階段標準)的區(qū)別

⑴增加了Ⅰ型(冷啟動后排氣排放試驗)試驗的排放限值;

⑵增加了Ⅱ型試驗(雙怠速試驗)的內(nèi)容;

⑶增加了在用車一致性檢查及其判定規(guī)程;

⑷改變了蒸發(fā)排放物的測定規(guī)程和所用的設(shè)備的要求;

⑸增加了低溫(-7℃)下CO和HC的排放量試驗及要求;

⑹增加了裝備車載診斷(OBD)系統(tǒng)及其功能要求;

⑺增加了對燃用氣體燃料的車輛的型式認證;

⑻增加了作為單獨技術(shù)總成的替代用催化轉(zhuǎn)化器形式認證要求。

3.2 實現(xiàn)Ⅲ階段排放的先進方法的收集與分析

國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)商以及電噴開發(fā)商都對冷啟動，工況低排放控制技術(shù)都想盡了辦法，通過實踐證明其中一些方法是十分有效的。這些方法歸納為以下幾種:第一種方法是對催化劑技術(shù)的進行改造;第二種方法是采用緊耦合式催化系統(tǒng);第三種方法是采用電子式催化轉(zhuǎn)化(EHC)系統(tǒng)。

3.3 與排氣系統(tǒng)有關(guān)的零部件的產(chǎn)品分析

3.3.1 對發(fā)動機排氣歧管的分析

由于小轎車車型發(fā)動機艙的空間十分狹窄，所以機艙內(nèi)各零部件的布置都十分緊湊。見圖2所示，該車型排氣歧管出氣口處于被其他零部件包圍的狹小的空間內(nèi)，在達到Ⅱ階段排放時由于標準要求較低，所以采用的是催化轉(zhuǎn)化器距離出氣口較遠底盤催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。但是在Ⅲ階段排放時由于排放要求明顯高于了Ⅱ階段，根據(jù)國際上對排氣系統(tǒng)改造的先進的經(jīng)驗，應(yīng)采用緊耦合式催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是實現(xiàn)歐Ⅲ排放最行之有效的方法。曾試圖通過對該車型的車身結(jié)構(gòu)和零部件布置的改造來實現(xiàn)安裝緊耦合式催化劑，但由于該方案設(shè)計成本和制造成本都過于巨大，并且車身結(jié)構(gòu)更改后也將影響到整車的美觀，所以該方案沒有能夠進行下去。

圖2:發(fā)動機排氣歧管出氣口位置圖

3.3.2 對排氣管組件的分析

該車型采用的是底盤催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，出于對整車底盤系統(tǒng)的合理布置的需要，將排氣管組件中三元催化轉(zhuǎn)化器安排置于離發(fā)動機排氣歧管約1.1米處(參見圖3所示)，為了滿足三元催化轉(zhuǎn)化器起燃所需高溫，特將排氣管設(shè)計成雙層管結(jié)構(gòu)以達到保溫的目的(某車型三元催化轉(zhuǎn)化器入口溫度見表3-2所示)。

圖3:排氣管組件

表3 -2:某車型三元催化轉(zhuǎn)化器入口溫度與時間關(guān)系表

由于Ⅲ階段排放標準中刪除Ⅱ階段排放標準中的40秒怠速，工況不進行采樣的規(guī)定(即發(fā)動機啟動后立即采樣)，所以如表3-2所示，原狀態(tài)時，發(fā)動機啟動后50秒內(nèi)該車排氣管根本不能達到三元催化轉(zhuǎn)化器所需的起燃溫度，這樣采集到的尾氣是一定不能達到Ⅲ階段排放標準的要求。所以必須將三元催化轉(zhuǎn)化器盡量向發(fā)動機排氣口位置靠近，以減少排氣管前段對熱量吸收。只有這樣才能在短時間內(nèi)有效地提高三元催化轉(zhuǎn)化器的入口溫度。

3.3.3 對三元催化轉(zhuǎn)化器的分析

三元催化轉(zhuǎn)化器是對汽車排出的尾氣進行轉(zhuǎn)化的零部件，它的性能直接關(guān)系到汽車尾氣排放是否能夠達標。

某車型三元催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬用量為0.704 g/L(20g/平方英尺)，根據(jù)圖4所示，該用量并未達到尾氣轉(zhuǎn)化效率最高時的用量，該用量是出于某車經(jīng)濟性的考慮而定制的。

圖4:貴金屬比表面含量與尾氣轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系

某車型三元催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬配比為Pt∶Rh=3∶1。不同的貴金屬在尾氣排放中起到不同的作用，見表3-3所示。

表3-3:貴金屬在尾氣排放中的作用

由于Ⅲ階段排放法規(guī)對尾氣排放的測試方法和測試限值都作出了新的規(guī)定，同時還增加了裝備車載診斷(OBD)系統(tǒng)及其功能要求，所以要滿足新規(guī)定就必須要對三元催化轉(zhuǎn)化器載體中貴金屬含量和貴金屬配比作重大的調(diào)整。

4 制定某車型Ⅲ階段排氣系統(tǒng)開發(fā)研究方向

通過對某車型Ⅲ階段排放的可行性分析，已經(jīng)得出了明確的設(shè)計方向:一是在底盤結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量將三元催化轉(zhuǎn)化器向發(fā)動機出氣口處靠近;二是改變?nèi)呋D(zhuǎn)化器涂層配方，以適應(yīng)低溫排放的要求;三是電子式催化轉(zhuǎn)化(EHC)系統(tǒng)可作為補救方案在排氣系統(tǒng)改進后仍不能達標時使用。

5 某車型Ⅲ階段排氣系統(tǒng)的開發(fā)方案

某車型在完成了對發(fā)動機升級(由DA-465Q/2D1升級到DA-465Q/2D3型)與電噴系統(tǒng)升級(由M1.5.4系統(tǒng)升級到M7.9.7系統(tǒng))后，開始了對排氣系統(tǒng)的開發(fā)工作。

5.1 對排氣管組件的開發(fā)

由于某車型底盤結(jié)構(gòu)十分緊湊，所以不可能采用緊耦合式催化系統(tǒng)，仍必須使用底盤式催化系統(tǒng)。基于某車底盤結(jié)構(gòu)，見圖5所示，決定將三元催化轉(zhuǎn)化器從原位置向前移動467.35mm，該位置已經(jīng)是所能移動的極限，否則在三元催化轉(zhuǎn)化器工作時產(chǎn)生的高溫將對底盤系統(tǒng)的部分零部件造成傷害。

圖5:車底盤結(jié)構(gòu)(部分)

雖然改進后的排氣管組件的溫度不可能達到緊耦合式催化系統(tǒng)的效果，但是由于該部分的改進已經(jīng)使三元催化轉(zhuǎn)化器的入口溫度在很短的時間內(nèi)得到了很大的提升，效果是十分明顯的。改進前后的排氣管結(jié)構(gòu)見圖6和圖7所示。考慮到OBD的需要，我們在①點處預(yù)留了氧傳感器的安裝位置。

圖6:改進前排氣管組件圖

同時由于一般車型底盤系統(tǒng)中換擋換位推拉桿式操縱機構(gòu)在使用過程中推拉桿與設(shè)計的排氣管組件發(fā)生干涉，所以歐Ⅲ一般車型取消了換擋推拉桿這種狀態(tài)，全部更換為換擋換位鋼索式操縱機構(gòu)。

圖7:改進后排氣管組件圖

5.2 三元催化轉(zhuǎn)化器涂層技術(shù)的開發(fā)

5.2.1 確定貴金屬比表面積的用量

根據(jù)圖4貴金屬比表面含量與尾氣轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系所示，要提高尾氣的轉(zhuǎn)化效率必須提高三元催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬的用量，通過試驗測定，貴金屬含量定在1.23g/L(35克/平方英尺)時催化效果最理想。

5.2.2 確定貴金屬之間的配比

由于Ⅲ階段排放標準在排放測試循環(huán)上有了新的規(guī)定(取消40秒怠速)，所以在貴金屬配比方面也必須有新的對策。

整車正常啟動時，由于發(fā)動機是冷態(tài)的，需要對燃油混合氣進行加濃，此時空燃比值λ值小于1。根據(jù)研究，該時段CH和CO為尾氣中的主要排放物的排放很低。三元催化轉(zhuǎn)化器中的化學反應(yīng)也主要以氧化反應(yīng)為主。同時也必須注意到OBD系統(tǒng)對汽車尾氣的檢測實質(zhì)上是對三元催化轉(zhuǎn)化器儲氧量的監(jiān)測，即集中對HC排放的監(jiān)測，所以必須提高Pt或Pd含量。至于NO的排放，由于現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能夠完全滿足排放的需要，所以在貴金屬Rh使用量上未作重大的調(diào)整。

通過對Ⅱ階段排放時的數(shù)據(jù)分析，暫定催化劑為:前級35克/平方英尺Pt∶Pd∶ Rh=0∶6∶1后級20克/平方英尺Pt∶Pd∶ Rh=3∶0∶1。經(jīng)過排放測試，其結(jié)果是令人鼓舞的，除了HC的排放仍然較高外(超過了50%的Ⅲ階段排放限值)，其他兩項排放指標都到達了預(yù)期的要求，結(jié)果見表5-1所示。所以仍需對涂層中貴金屬的含量進行調(diào)整。鑒于國際上貴金屬價格的波動，Pt的價格遠高于Pd的價格(Pt的價格為630.59美元/盎司，Pd的價格為167.24美元/盎司)，出于產(chǎn)品經(jīng)濟性的考慮，我們將Pt金屬換成了Pd金屬，同時調(diào)整前后級三元催化轉(zhuǎn)化器貴金屬含量都為35克/平方英尺、Pt∶Pd∶ Rh=0∶6∶1的配方技術(shù)。經(jīng)測試，該方案達到了我們預(yù)期的排放要求。

表5-1:Ⅲ階段排放一期試驗結(jié)果

6 總結(jié)

要實現(xiàn)Ⅲ階段排放是一個系統(tǒng)的工程，它需要整車各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作。在為排氣系統(tǒng)部分的設(shè)計工作中，盡量做到以該車型現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，結(jié)合自身特點，設(shè)計低成本、高效率的排氣系統(tǒng)。 在歐Ⅲ排氣系統(tǒng)開發(fā)過程中，充分利用現(xiàn)有零部件，除對排氣管組件進行了設(shè)計更改，以及更改了三元催化轉(zhuǎn)化器涂層配方外未新制其他零件，大量節(jié)約了生產(chǎn)制造成本。

［1］章聯(lián)萍.客車排氣系統(tǒng)設(shè)計［J］.客車設(shè)計與研究，2005，(2).

［2］馬麗萍.汽車尾氣三效催化器排氣系統(tǒng)冷啟動階段數(shù)值模擬［J］.化工學報，2005，(11).