1 前言
由于汽車排放標(biāo)準(zhǔn)限值的加嚴(yán)，電控多點燃油噴射加催化轉(zhuǎn)化技術(shù)作為有效的凈化方式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代的催化轉(zhuǎn)化器對三種污染物的轉(zhuǎn)化效率普遍在90%以上(催化劑充分起燃后)，且車輛三種污染物(HC、CO、NOX)的70%～80%產(chǎn)生在冷起動階段。例如，FTP75 在測試循環(huán)下，三種污染物HC、CO、NOX在冷起動階段排放量占整個循環(huán)的84%、83%、51%[1]。為適應(yīng)新的排放法規(guī)要求，降低車輛冷起動排放已經(jīng)成為新的工作重點。我國已基本明確了向歐洲靠攏的排放標(biāo)準(zhǔn)體系，汽車制造商及科研單位已經(jīng)開始EUROⅢ試驗室建設(shè)及技術(shù)儲備。表1 給出了歐洲不同階段的排放標(biāo)準(zhǔn)限值，單從排放限值來看，從歐Ⅱ到歐Ⅲ的過渡并無太大變化，但由于在新的測試方法(NEDC)上取消了前40 秒怠速過程，使得冷起動階段排放量大大增加。從歐Ⅱ到歐Ⅲ的過渡將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
表1 歐洲不同階段的排放標(biāo)準(zhǔn)限值 (g/km)
2 冷起動階段車輛排放特征
冷起動階段較高的污染物排放由許多復(fù)雜因素決定，按其影響方式可分為以下幾方面：
1)發(fā)動機(jī)本身的HC 和CO 排放量較大，HC 和CO 雖然都是不完全燃燒的產(chǎn)物，但 CO 排放量主要取決于空燃比，所有影響空燃比的因素都會影響CO 排放。油溫、水溫沒有達(dá)到設(shè)定值之前，發(fā)動機(jī)未能進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)，空燃比發(fā)生偏離以及為了迅速提高排氣溫度而在發(fā)動機(jī)標(biāo)定時的燃油加濃等原因而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)本身的CO 排放量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱機(jī)狀態(tài)。而一切對火焰?zhèn)鞑ズ腿紵幸种谱饔玫囊蛩囟紩绊?/SPAN>HC排放，冷起動階段由于冷卻液溫度上升緩慢，燃燒過程有大量的熱需要向較冷的氣缸壁傳遞，如果在某一瞬間局部熱量傳遞速度超過燃燒熱量傳播，部分燃油混合物將不充分燃燒而產(chǎn)生較多的HC。研究發(fā)現(xiàn)，氣缸壁溫度與冷卻液溫度大致存在如下關(guān)系；
Tw=Tc+(0.01575-0.00013Tc)+4.6Pe
式中 Tw——氣缸壁溫度
Tc——冷卻液溫度
N——轉(zhuǎn)速
Pe——功率
2) 催化轉(zhuǎn)化器未能有效發(fā)揮作用
催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率是控制汽車排放的關(guān)鍵，由于冷起動階段排氣溫度未能達(dá)到催化劑起燃溫度以及空燃比發(fā)生偏離使得催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率很低，圖1、2 為某催化轉(zhuǎn)化器溫度特性及空燃比特性圖。
圖1 某催化轉(zhuǎn)化器溫度特性
圖2 某催化器空燃比特性圖
圖中可以看出，當(dāng)空燃比偏濃時, HC 和CO 轉(zhuǎn)化效率明顯降低，而“S”形的溫度特性曲線表示了催化轉(zhuǎn)化器在低溫狀態(tài)(低于250℃)基本不起作用?，F(xiàn)代的催化轉(zhuǎn)化器起燃溫度(T50)一般在300℃左右，一些起燃性能較好的進(jìn)口產(chǎn)品(或國內(nèi)封裝)起燃溫度可以達(dá)到250~260℃，并且催化轉(zhuǎn)化器起燃性能將隨使用過程逐步降低。經(jīng)過100 小時的臺架老化(相當(dāng)于實車行駛80000km)后，起燃溫度一般都要升高20~50℃。表2 為部分催化轉(zhuǎn)化器起燃溫度，基本代表了目前我國催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)品現(xiàn)狀(近40 種試驗樣本中選取)。
表2 部分催化轉(zhuǎn)化器起燃溫度
注：(1)為新鮮催化器試驗結(jié)果
(2)為經(jīng)過100 小時老化后試驗結(jié)果
3 測試循環(huán)對排放結(jié)果的影響
從歐Ⅱ到歐Ⅲ的過渡主要就在于新的測試方法(NEDC)同以前相比(UDC+EUDC)取消了前40 秒怠速過程，同時，將歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)下對HC+NOX總量的限制改為對HC、NOX分別進(jìn)行限制。歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)下的測試循環(huán)圖見圖3。新的測試方法(NEDC)同歐Ⅰ、歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)要求下的(UDC+EUDC)以及FTP 75 測試方法相比存在以下特征。
圖3 歐Ⅲ測試循環(huán)圖
由于測試方法的變化，已經(jīng)滿足歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的車輛在歐Ⅲ測試方法下必然要得出完全不同的結(jié)果。圖4～圖6 分別為歐洲市場5 種代表車型在歐Ⅱ、歐Ⅲ兩種測試方法下得出的試驗結(jié)果(數(shù)據(jù)來源SAE1999-01-1073)。
圖4 兩種測試方法下前195 秒排放量
圖5 兩種測試方法下UDC 階段排放量
圖6 兩種測試方法下總排放量
由于在取樣點上取消了前40 秒怠速過程，使得歐Ⅲ測試方法下，同一車輛CO、HC 排放量將增加約30%～40%，這主要在于前195 秒排放量大約增加60%～80%。兩種測試方法下，分別對5 種車型各階段排放量(CO、HC)占總排放量的比例進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。
表3 CO、HC 各階段排放量占總排放量比例統(tǒng)計表
通過表3 可以得出；
在歐Ⅱ測試方法下，5 種車型UDC 階段CO、HC 分別占總排放量的83.7%～97.1%和84.3%～97%，其平均值約為85.8%和84.5%。而在EUDC階段CO、HC 分別僅占總排放量的2.9%～16.3%和3.0%～15.7%其平均值約為14.2%和15.5%。在歐Ⅲ測試方法下，5 種車型UDC 階段CO、HC 分別占總排放量的88.0%～98.2%和89.6%～98.8%，其平均值約為93.8%和92.2%。而在EUDC 階段CO、HC 分別僅占總排放量的1.9%～12.0%和1.2%～10.4%其平均值約為6.2%和7.8%。在歐Ⅲ測試方法下，CO、HC 在UDC 階段排放量占總排放量比例的增加主要是由于前195 秒排放量的增加。
4 我國輕型汽車排放水平現(xiàn)狀
在法規(guī)要求和政策鼓勵的推動下，國內(nèi)各汽車制造商都在增加技術(shù)投入，努力降低汽車排放水平。圖7～圖9 為我國部分最新車輛排放結(jié)果，圖7 為UDC 階段CO、HC 排放量，圖8 為EUDC 階段CO、HC排放量，圖9 為CO、(HC+NOX)總排放量，所有車輛均為經(jīng)過磨合的新車，試驗在在歐Ⅱ測試方法下進(jìn)行。從試驗結(jié)果來看，絕大部分車輛均能滿足歐Ⅱ排放限值，但如果按新的歐Ⅲ測試方法進(jìn)行，必然要得到完全不同的結(jié)果。
圖7 UDC 階段CO、HC 排放量
圖8 EUDC 階段CO、HC 排放量
在法規(guī)要求和政策鼓勵的推動下，國內(nèi)各汽車制造商都在增加技術(shù)投入，努力降低汽車排放水平。圖7～圖9 為我國部分最新車輛排放結(jié)果，圖7 為UDC 階段CO、HC 排放量，圖8 為EUDC 階段CO、HC排放量，圖9 為CO、(HC+NOX)總排放量，所有車輛均為經(jīng)過磨合的新車，試驗在在歐Ⅱ測試方法下進(jìn)行。從試驗結(jié)果來看，絕大部分車輛均能滿足歐Ⅱ排放限值，但如果按新的歐Ⅲ測試方法進(jìn)行，必然要得到完全不同的結(jié)果。
5 降低冷起動階段排放對策
5.1 優(yōu)化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計
HC 排放主要產(chǎn)生在燃燒室縫隙緊挨缸壁的邊界層及第一活塞環(huán)上部間隙。緊湊的燃燒室具有較小的火焰冷激表面，同時降低冷態(tài)時活塞與氣缸壁之間間隙以及將第一活塞環(huán)上移等結(jié)構(gòu)改進(jìn)都有利于降低冷起動階段HC 排放量。減少冷起動時的加濃可降低冷起動階段CO 排放量，但必須要改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)以保證冷起動階段燃燒穩(wěn)定性。
5.2 適合催化轉(zhuǎn)化器快速升溫的排氣系統(tǒng)
高孔密度薄壁載體能夠提供更高的表面積及更低的熱容，有利于催化劑快速達(dá)到起燃溫度而降低排放。另外，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)排氣歧管一般由鑄鐵鑄造而成，熱容量大，將其改為低熱容的沖壓排氣歧管并結(jié)合催化轉(zhuǎn)化器前段的雙層保溫排氣管有助于催化轉(zhuǎn)化器快速升溫。這種排氣系統(tǒng)在國外部分車輛上已經(jīng)得到了應(yīng)用。
5.3 CCC 催化轉(zhuǎn)化器(Close Coupled Catalyst)的應(yīng)用
在不改變發(fā)動機(jī)設(shè)計及催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，將催化轉(zhuǎn)化器向發(fā)動機(jī)方向靠近而形成CCC催化轉(zhuǎn)化器可有效降低冷起動階段排放，其對降低HC 的效果最為明顯，相同結(jié)構(gòu)的CCC 催化轉(zhuǎn)化器較底盤下催化轉(zhuǎn)化器大約能降低60%的HC、9%的CO、及10%的NOX(EPEFE)。但CCC 催化轉(zhuǎn)化器在車輛高速行使時需要承受更高的熱負(fù)荷從而加速其老化。因為Pd 催化劑較Pt/Rh 催化劑具有更好的熱穩(wěn)定性，因而在CCC 催化轉(zhuǎn)化器中得到了廣泛應(yīng)用。
5.4 快速起燃的氧傳感器系統(tǒng)
在冷起動階段，除了催化轉(zhuǎn)化器沒能達(dá)到起燃溫度以外，氧傳感器未能有效發(fā)揮作用也是導(dǎo)致車輛高排放的另一重要原因。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)要借助氧傳感器的輸入信號，而氧傳感器也要達(dá)到一定溫度才能有效工作，冷起動階段發(fā)動機(jī)因不能進(jìn)入閉環(huán)控制而使得空燃比發(fā)生偏離。因而，通過快速加熱氧傳感器或?qū)⑵浔M量靠近發(fā)動機(jī)使氧傳感器快速起燃可以縮短發(fā)動機(jī)開環(huán)控制時間，減少發(fā)動機(jī)排放并有利于催化轉(zhuǎn)化器發(fā)揮作用。
5.5 適應(yīng)催化器工作環(huán)境的發(fā)動機(jī)標(biāo)定技術(shù)
減少冷起動階段供油量(λ=1.05)及推遲點火(20°)有利于快速提高排氣溫度而降低排放，由于電控發(fā)動機(jī)的標(biāo)定技術(shù)具有很大靈活性，因而可以在現(xiàn)有發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上找到合適的供油時間、脈寬及點火時間使其適應(yīng)催化轉(zhuǎn)化器工作環(huán)境，而不會明顯降低怠速穩(wěn)定性。
（轉(zhuǎn)載）
