某輕型汽油車國Ⅴ排放異常問題分析與改進

張廣軍　陳國棟　武斐　袁忠莊（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

某輕型汽油車國Ⅴ排放異常問題分析與改進

張廣軍陳國棟武斐袁忠莊
（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

針對某輕型汽油車在國Ⅴ排放開發(fā)過程中出現(xiàn)的THC、CO和NOx3種排放物同時大量產(chǎn)生的異常問題，通過魚骨圖分析識別出可能的影響因素，并通過對三效催化轉(zhuǎn)換器貴金屬含量和氣流均勻性進行重點分析得出氣流均勻性為主要影響因素。通過排氣歧管設計變更以改善催化器氣流均勻性，進而解決排放異常問題，使排放耐久試驗順利進行，同時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Ⅴ排放氣流均勻性

三效催化轉(zhuǎn)換器（下文簡稱催化器）是輕型汽油車排氣污染物排放控制的關鍵裝置，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，使之轉(zhuǎn)化為無害氣體以達到凈化的作用。催化器在濃混合氣時對NOx的轉(zhuǎn)化效率高，在稀混合氣時對THC、CO的轉(zhuǎn)化效率高，而在理論空燃比附近對3種排放物的轉(zhuǎn)化效率都很高，此時稱之為最佳“工作窗口”。當催化器工作在最佳“工作窗口”時，尾氣中3種排放物近乎為零；當某種排放物較高時，可以通過空燃比標定使催化器工作在最佳“工作窗口”來解決，但是當3種排放物同時較高時，問題就變得比較復雜，需要從多方面進行綜合分析。

1 問題描述及原因分析

以某款A級輕型汽油車為研究對象，其匹配1.6L自然吸氣發(fā)動機和5MT變速器，排放開發(fā)目標為符合國Ⅴ排放標準，排放測試工況為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應近乎為零，但本研究對象卻出現(xiàn)3種排放物同時較高的現(xiàn)象，分別占國Ⅴ排放限值的18%、32%和24%，見圖1。

對于排放法規(guī)要求的I型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗）［2］，盡管可以通過標定優(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Ⅴ排放工程目標（法規(guī)限值的50%）要求，暫時掩蓋市郊循環(huán)3種排放物同時較高的問題。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過程中僅進行到13 000 km就出現(xiàn)了排放超標現(xiàn)象。

圖1　國Ⅴ排放測試循環(huán)累積排放曲線

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

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上述問題的影響，試驗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)果對比，增加貴金屬含量對排放結(jié)果有一定的改善作用，但3種排放物仍大量存在，見圖3。考慮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比曲線

3 催化器氣流均勻性分析

對催化器氣流均勻性進行分析，最直觀的方法是觀察催化器載體留下的氣流痕跡。對13 000 km排放耐久試驗的催化器進行解剖，載體前端面清晰可見4個較黑的區(qū)域，與催化器入口的4個排氣管口對應的位置相吻合；同時，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個排氣管直接從催化器入口吹向催化器前端面，在管口正對的區(qū)域氣流集中且流速較高，而外圍區(qū)域流速低、氣流少，催化器無法充分利用，總體利用效率降低，導致3種排放物同時大量產(chǎn)生。同時，中心區(qū)域溫度高，加速催化器劣化，縮短使用壽命，導致僅經(jīng)歷13 000 km的排放耐久試驗就出現(xiàn)了排放超標現(xiàn)象。

對氣流均勻性進行進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進行評價［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)與催化器擴張段結(jié)構、載體端面形式、載體位置等設計有關［3～6］。

對原方案排氣歧管結(jié)構進行分析，在發(fā)動機額定轉(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)構改進

為了改善催化器氣流均勻性，對原排氣歧管結(jié)構進行改進，將4支歧管先匯為一個總管，再經(jīng)擴張腔后連接到催化器，見圖6。排氣氣流經(jīng)過總管和擴張腔的混合和擴散，改善了流經(jīng)催化器載體的氣流均勻性。

對改進方案排氣歧管結(jié)構（圖6b）進行分析，在發(fā)動機額定轉(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　改進前、后排氣歧管結(jié)構對比

結(jié)果表明，改進后流經(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)達到了0.9以上，滿足0.85以上的目標值。

圖7　改進方案催化器排氣速度分布云圖

表2　改進方案催化器速度均勻性指數(shù)

5 試驗驗證

5.1 排放結(jié)果驗證

對改進方案進行催化器排放驗證，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比

對模擬160 000 km快速老化催化器也進行排放驗證，排放結(jié)果滿足快速老化催化器國Ⅴ排放工程目標（法規(guī)限值的80%）要求。

5.2 排放耐久試驗驗證

按照排放法規(guī)要求，需要對整車進行160 000 km排放耐久試驗，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排放耐久試驗結(jié)果

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

圖10　催化器前端面觀測示意

6 結(jié)束語

通過理論分析和試驗驗證，證明了催化器氣流均勻性對整車排放的重要影響，不僅影響催化器利用效率，導致尾氣中3種排放物同時大量產(chǎn)生的現(xiàn)象，同時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)排放超標問題。

排氣歧管結(jié)構設計優(yōu)化可以改善催化器氣流均勻性，進而改善整車排放性能，避免單純增加催化器貴金屬含量的做法，有利于整車的成本控制，也是應對日益嚴格排放法規(guī)的重要手段。

1輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）. 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.歐Ⅳ標準催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構設計.汽車技術，2006（5）：30～34.

4吳國江，黃震，陳曉玲.速度分布對三效催化器性能的影響（Ⅱ）結(jié)果與分析.化工學報，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)構對其內(nèi)部流動的影響.上海交通大學學報，2004（7）：1206～1208.

6丁柏群，何立.車用催化器結(jié)構與載體端面型式耦合對內(nèi)部流場影響研究.車輛與動力技術，2007（1）：25～27.

（責任編輯晨曦）

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