汽車排氣系統(tǒng)清潔度與可燃物對排放PM值影響的研究

曾懸 鄒園 朱飛雄 徐益 盛優(yōu)杰 向浩

神龍汽車有限公司技術(shù)中心 湖北省武漢市 430056

汽車發(fā)動機(jī)在正常使用過程中，由于燃油的不完全燃燒，汽車尾氣中往往伴隨有碳顆粒，尾氣排放到大氣中，造成大氣污染；中國第五階段排放法規(guī)對PM（顆粒）值的測量方法與限制有明確的規(guī)定。

1 國五排放標(biāo)準(zhǔn)PM測量方法及限制要求

1.1 車輛排放測試循環(huán)

目前輕型車國五排放測試循環(huán)為NEDC循環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)是由1部（市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）組成，詳見下圖1；

1.2 PM值的計(jì)算方法

用如下公式計(jì)算顆粒物排放量Mp（g/km）：

當(dāng)顆粒物取樣樣氣排至稀釋通道外：

當(dāng)顆粒物取樣樣氣排回稀釋通道內(nèi)：

式中：

Vmix—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，稀釋排氣的容積m3；

Vep—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，流經(jīng)顆粒物濾紙的排氣容積m3；

Pe—濾紙收集到的顆粒物質(zhì)量g；

d—相當(dāng)于運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的實(shí)際距離km；

Mp—顆粒物排放量g/km。

1.3 輕型點(diǎn)燃式汽油車排放PM值限值

根據(jù)中國第五階段法規(guī)要求，輕型點(diǎn)燃式汽油車指常溫下冷起動后排氣污染物排放PM值限值為4.5 mg/km。

2 汽車尾氣中PM的生產(chǎn)原理

汽車尾氣PM的構(gòu)成：（1）Soot（也稱DS，Dry Soot干碳煙）；（2）可溶性有機(jī)成分（SOF）；（3）硫酸鹽（sulfate）；大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化形成焦炭形狀大顆粒碳粒，氣相烴裂解、脫氫生產(chǎn)乙烯乙炔，高溫下形成具乙炔，反應(yīng)生成原子級碳粒，聚合生成碳核，小碳粒碰撞、聚合生產(chǎn)較大不規(guī)則形狀的碳粒，同時(shí)吸附HC和硫酸鹽；（4）發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的清潔度及內(nèi)部可燃物不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙顆粒。

3 排氣系統(tǒng)清潔度與可燃物對排放PM值影響的研究

圖1 NEDC循環(huán)

3.1 排氣管清潔度與可燃物

排氣管清潔度與內(nèi)部可燃物的主要構(gòu)成，詳見下表1；

3.2 試驗(yàn)的方案

準(zhǔn)備如下三種特殊狀態(tài)的排氣管樣件各一件，同時(shí)準(zhǔn)備對應(yīng)的試驗(yàn)車（新車）一臺

方案一：排氣管在生產(chǎn)過程中對零件進(jìn)行去油去塵清洗，同時(shí)取消吸音棉；

方案二：僅取消吸音棉；

方案三：僅排氣管在生產(chǎn)過程中對零件進(jìn)行去油去塵清洗；

先將試驗(yàn)車更換方案一排氣管，根據(jù)國五排放法規(guī)對PM值進(jìn)行測試；然后更換方案二排氣管再次對PM值進(jìn)行測試；再更換方案三排氣管，對PM值進(jìn)行測試，最后更換原車排氣管，進(jìn)行PM值測試；以上測試均采用NEDC循環(huán)；對各方案的測試值進(jìn)行比較。

3.3 樣件準(zhǔn)備

排氣管的生產(chǎn)工藝如下：（1）子零件沖壓成型，通常子零件由排氣管供應(yīng)商的二級供應(yīng)商完成；（2）消包組裝；通常包含吸音棉組裝，隔板消音管壓裝，隔板與消包殼體壓裝，端蓋咬口等工序；（3）總成焊接；將排氣管各部分管路、掛鉤、消包焊接起來；對于特制樣件，主要特別處理工序如下；

第一步：用清水及去油洗滌液對排氣管子件進(jìn)行嚴(yán)格清洗，保證油污及雜質(zhì)充分去除，清洗過程圖片見下圖2；

第二步：總成組裝前零件做密封防塵防護(hù)，存儲過程圖片見下圖3；

第三步：總成組裝焊接，對于方案一與方案二的樣件不裝吸音棉；對于方案一與方案三樣件在沖壓組裝時(shí)不使用沖壓用油，同時(shí)保證磨具表面清潔，生產(chǎn)過程圖片件下圖4；

第四步：樣件制作完成，成品樣件見下圖5；

3.3 整車試驗(yàn)

按照3.2試驗(yàn)方案中的流程進(jìn)行排氣管樣件更換，拆換排氣管嚴(yán)格按照排氣管拆裝工藝流程進(jìn)行，拆換過程保證排氣管內(nèi)部不受異物污染，拆換過程圖片見下圖6；

按照3.2試驗(yàn)方案中的流程，對不同排氣管狀態(tài)的試驗(yàn)車先后進(jìn)行排放測試，測試要求嚴(yán)格按照輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；記錄下測試前的整車起始里程數(shù)，測試過程圖片見下圖7，稱重過程下圖片見圖8。

表1 清潔度及可燃物的主要構(gòu)成

圖2 樣件清洗圖

圖3 樣件清洗圖

圖4 組裝焊接圖

圖5 排氣管樣件

圖6 排氣管拆換

圖7 排放測試循環(huán)

圖8 PM值稱重

表2 PM值測試結(jié)果

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，各方案的PM質(zhì)測量結(jié)果及測量起始里程數(shù)如下表2所示。

3.5 試驗(yàn)分析及結(jié)論

為確認(rèn)排氣系統(tǒng)清潔度與可燃物對整車排放PM值影響；本次試驗(yàn)采用了相同的試驗(yàn)車，且試驗(yàn)車為新車狀態(tài)；相同的試驗(yàn)方法，采用國五輕型汽油車排放測試方法；僅僅試驗(yàn)用排氣管不同，方案二，取消了吸音棉，主要是為了取消吸音棉的塑料包裝袋，通常吸音棉的包裝袋會在整車的運(yùn)行過程中燃燒掉，在燃燒過程中，由于不完全燃燒，會產(chǎn)生顆粒物，從而影響PM值，取消吸音棉的方案有效的避免了這部分影響因素對PM值的影響；當(dāng)然取消吸音棉對整車聲學(xué)性能有一定的影響，這里不做討論；方案三，組裝焊接前對排氣管各子件進(jìn)行了去油去塵清洗，沖壓過程不使用沖壓用油，保證了排氣管內(nèi)部清潔；有效避免了生產(chǎn)運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的排氣管內(nèi)部微粒及沖壓油不完全燃燒產(chǎn)生的顆粒物對整車PM排放值得影響；方案一，同時(shí)對排氣管樣件同時(shí)滿足方案二與方案三的優(yōu)點(diǎn)，理論上整車的PM測量值應(yīng)該最好；另外，試驗(yàn)車對應(yīng)的試驗(yàn)里程數(shù)有略微差異，由于試驗(yàn)車為新車狀態(tài)，理論上里程數(shù)越大，發(fā)動機(jī)磨合越好，對排放PM值有利，但是由于三種方案試驗(yàn)時(shí)里程數(shù)差別較小，因此這部分影響因素可以忽略。

從試驗(yàn)結(jié)果看，方案一兩次試驗(yàn)的PM值分別是1.8mg/km，0.97mg/km；為四種狀態(tài)中最好的值；與我們之前的分析結(jié)果一致；方案二的PM值是2mg/km、1.8mg/km，方案三的PM值是3.3mg/km、2.5mg/km，這兩種方案測試結(jié)果比較相近，取消吸音棉的方案要好一些，兩種方案PM值測量結(jié)果都明顯優(yōu)于原車狀態(tài)排氣管方案；原車整車生產(chǎn)狀態(tài)排氣管試驗(yàn)值為6.1mg/km、4.1mg/km，結(jié)果最差，與理論分析結(jié)果相符；因此從試驗(yàn)結(jié)果我們可以判斷；通過控制排氣管的清潔度及減少內(nèi)部可燃物能夠明顯的改善新車狀態(tài)整車的PM排放值。

整車生產(chǎn)過程中，為滿足新車能夠滿足國家法規(guī)對PM值的要求，通常要進(jìn)行長里程的磨合，整車的磨合的過程會使排氣管內(nèi)的雜質(zhì)及可燃物消耗干凈，從使PM值降低；為減少排放測試時(shí)整車磨合的公里數(shù)，目前部分排氣管供應(yīng)商已經(jīng)運(yùn)用了預(yù)成型吸音棉的生產(chǎn)工藝，通過此種工藝的應(yīng)用可以取消吸音棉包裝袋，但此工藝將帶來比較大的成本上升，如何在不增加生產(chǎn)成本的前提下取消吸音棉的包裝袋與排氣管生產(chǎn)沖壓油，同時(shí)控制排氣管清潔度將是另外一個(gè)的研究課題。