輕型汽車尾氣排放異常的解析方法及工程防范對策

摘 要：根據(jù)輕型汽車排放污染物排放的生成時機及傳遞路徑，文章從國標關于污染物計算的公式出發(fā)，以傳遞到尾管排放路徑遠近，追本溯源，將引起排放異常的各種可能原因劃分為后處理異常，在發(fā)動機內(nèi)燃燒異常，燃燒前的進入發(fā)動機的空燃比異常三個節(jié)點。結(jié)合工程實踐，對各個節(jié)點可能出現(xiàn)的引起排放異常的因素進行了分析，并提出了相應的防范措施?？蔀檎囬_發(fā)企業(yè)相關技術(shù)工作人員快速定位實踐中出現(xiàn)的排放異常提供解析思路，并對如何采取對策提供一定參考。

關鍵詞：輕型汽車；排放；試驗；故障解析

引言

關于輕型汽車排放污染物的控制，國家監(jiān)管層面，制定了排放法規(guī)對試驗條件、方法、排放物的限值有著詳盡的要求，并且隨著時間的推進與技術(shù)的進步，對新產(chǎn)品品質(zhì)保證要求不斷加嚴。市場競爭層面，各廠家新車型推出層出不窮，滿足消費者要求的新產(chǎn)品的推出速度很大程度上決定了企業(yè)的市場競爭力。因此，企業(yè)的管理者不遺余力的壓縮產(chǎn)品從立項到上市的開發(fā)確認時間。

在產(chǎn)品上市前的開發(fā)及確認階段，如何在降低輕型汽車尾管排放物的排放量以滿足國家監(jiān)管層面的技術(shù)要求的同時；對出現(xiàn)的排放異常實現(xiàn)快速精準定位，甚至是在問題惡化前盡早預知風險，采取有效的預防性對策。對于節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本，縮減開發(fā)日程等方面，提升企業(yè)市場競爭力具有非常迫切的現(xiàn)實意義。

1 輕型車尾氣污染物排放量計算方法

關于輕型汽車尾氣污染物的測量，國家標準給出了下述計算公式

Mi=■…（1）[1]

式中：Mi-污染物i的排放質(zhì)量，g/km。Vmix-稀釋排氣的容積（校正至標準狀態(tài)273.2k和101.33kpa），L/實驗。Qi-在標準溫度和壓力（273.2k和101.33kpa）下污染物i的密度，g/L。KH-NOx排放質(zhì)量計算時的濕度修正系數(shù)（THC、CH4、CO不需要濕度修正）。Ci-稀釋排氣中污染物i的濃度，ppm。d-相當于運行循環(huán)的實際具體，km。

公式中，對于給定的污染i，其標準狀態(tài)下的密度Qi是固定的。剩下的可變量中Vmix與環(huán)境條件溫度、壓力有關，KH與濕度有關，d與行駛距離有關。為了避免環(huán)境條件差異對試驗結(jié)果的影響，國標規(guī)定的NEDC試驗工況對環(huán)境條件均有嚴格的規(guī)定。如果實驗環(huán)境條件不能滿足標準要求，將導致試驗結(jié)果的異常變化。一般情況下，環(huán)境條件導致的異?？梢钥焖侔l(fā)現(xiàn)并在糾正后驗證解決。當尾氣中污染物濃度Ci出現(xiàn)異常時，問題的解析將變得相對復雜。

2 排放異常的解析方法及工程防范對策

考慮到排放物的生成路徑為：發(fā)動機按照一定比例吸入汽油及空氣的混合物，在發(fā)動機內(nèi)燃燒做功后從排氣道排出，進入到三元催化轉(zhuǎn)換器中進行一系列氧化還原等反應，最終以尾氣的形式從汽車尾管排出到環(huán)境大氣中。工程實踐中，通過在發(fā)動機排氣道，即觸媒入口前測量發(fā)動機原排，及汽車尾管中各排放物的排放，其與觸媒本身性能存在下述關系。

E.O.E×（1-？濁）=T.P.E……（2）

式中：E.O.E-發(fā)動機原排EngineOutEmission；？濁-觸媒轉(zhuǎn)換效率；T.P.E-汽車尾排TailPipeEmission

由公式（2）可以看出，T.P.E出現(xiàn)異常時，存在三種可能：一是觸媒轉(zhuǎn)換效率異常；二是發(fā)動機原始排放異常；三是觸媒轉(zhuǎn)換效率與發(fā)動機原始排放同時出現(xiàn)異常。

2.1 觸媒轉(zhuǎn)換效率異常的癥狀及對策措施

觸媒陶瓷載體破損，觸媒不可逆轉(zhuǎn)性熱劣化，貴金屬硫、鉛、磷、錳化學中毒[2、3]等因素均可能導致觸媒轉(zhuǎn)換效率異常。

觸媒陶瓷載體破損時，會出現(xiàn)車輛本身急加速無力，車速限制，同時在三元觸媒相應部位出現(xiàn)明顯金屬敲擊聲，通用故障儀診斷無異常故障碼等相應癥狀，可以通過拆卸觸媒目視檢查進行進一步確認。此類問題可以通過分析觸媒設計、生產(chǎn)等全流程進行問題分析對策。對于成熟的產(chǎn)品設計及生產(chǎn)商，上述分析思路的解析可能找不到線索，還需對車輛使用過程中排氣溫度引起陶瓷載體損毀的因素進行調(diào)查解析，有時因燃油中混入異常雜質(zhì)導致發(fā)動機供油異常等細微因素，也會似蝴蝶效應般產(chǎn)生疊加，引起觸媒破損的重大故障。

觸媒涂層熱劣化一旦發(fā)生，將不可逆轉(zhuǎn)。需要通過加強部品設計壽命（耐久保證距離）及管理車輛運轉(zhuǎn)時引起排氣溫度異常升高的因素進行預防性對策，如通過觸媒部品設計加強涂層耐溫水平以滿足更高的耐久保證距離。通過優(yōu)化發(fā)動機控制數(shù)據(jù)降低車輛生涯周期的整體排溫水平，如高速高負荷時進行噴油量加濃保護等。通過實時排氣溫度監(jiān)控管理車輛運轉(zhuǎn)過程中的異常排氣溫度狀況，如開發(fā)及試驗驗證階段，通過在觸媒相應部位安裝溫度傳感器，實施監(jiān)控車輛排氣溫度變化，在問題惡化前采取相關對策，防患未然。關于車輛排氣溫度監(jiān)控及其分布特性，CATARC整車耐久試驗室的孫龍等人在借鑒個別整車生產(chǎn)廠家耐久試驗排氣溫度監(jiān)控的基礎上，做了相關數(shù)據(jù)的解析[4]。

貴金屬硫、鉛、磷、錳等化學中毒可通過管理燃油中相應成分指標進行預防，而一旦出現(xiàn)相關癥狀，可以通過特定的車輛行駛工況進行脫附對策。隨著油品提煉技術(shù)的進步，目前關于鉛、錳中毒的情況已經(jīng)較為少見。而對于硫中毒，其最明顯的特點是可逆，通過特定脫附工況，可以降低甚至完全減除中毒癥狀，恢復觸媒的催化轉(zhuǎn)化性能。工程經(jīng)驗中成熟的建議是車輛行駛一定里程后，按特定的脫附工況行駛一段距離，典型的脫硫工況應該包含一個較高排溫水平的運行車速，并持續(xù)一定的時間，從而達到燃燒相關硫化物的目的。除此之外，還應有車速快速變化的工況，從而收到氣流吹掃脫附下來微粒的效果。常見的廠家推薦用戶在市區(qū)道路上行駛一段時間后，需到高速公路上行駛一定距離以改善車輛狀態(tài)的建議，就含有此類效果。

2.2 發(fā)動機原排異常的癥狀及對策措施

從污染物生成路徑考慮，無論是直噴發(fā)動機還是非直噴發(fā)動機，均可以將異常因素劃分為兩大類，一是發(fā)動機燃燒輸入物配比（空燃比）異常，一是燃燒時機（點火時間）異常。在發(fā)動機控制高度依賴傳感器、執(zhí)行器電信號的今天，相關異常的判斷及對策需要在發(fā)動機控制信號的輔助下進行。

2.2.1 燃燒輸入物配比異常。汽油、新鮮空氣、碳罐中回收的油氣、曲軸箱通風系統(tǒng)中回收的油氣混合物、EGR廢氣等均是燃燒輸入物，其最終體現(xiàn)在空燃比的精確配比上，空燃比的偏離將會導致發(fā)動機原始排放異常。工程實踐中，此類問題通常由控制油氣配比的各類傳感器、執(zhí)行器工作異常引起。

影響燃燒空氣進入量異常的常見的情形有：節(jié)氣門因曲軸箱強制通風帶來的油氣混合物在閥體處沉積，形成積碳，導致進氣量控制異常，進氣不足，HC及CO等排放異常上升；進氣空氣流量計因積碳、塵埃等吸附污染，造成空氣量計量不準，排放異常；進氣系統(tǒng)管路泄露，造成實際進氣量與傳感器計量進氣量差異，進氣異常；炭罐電磁閥工作異常，造成碳罐中回收的汽油揮發(fā)物未按預定實際進入發(fā)動機燃燒；實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的氧傳感器或空燃比傳感器因老化，破損，插接不良等引起反饋信號失真，空燃比控制偏離；因排氣系統(tǒng)泄漏，致使實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的氧傳感器或空燃比傳感器反饋信號失真，空燃比控制偏離。此類問題的預防及處理可以采用參數(shù)監(jiān)控，結(jié)合定期檢查、更換、清洗等進行處理，基本可以在問題惡化前實施防患處置。

影響供油異常的原因有，油泵工作異常，造成供油壓力不足或過大；供油管路堵塞或泄漏；噴油嘴異常如油密性不足滴漏，使用過后若長時間放置，由于殘留汽油的氧化產(chǎn)生油垢易堵塞噴孔等。一般情況下，成熟的產(chǎn)品設計及供應商較少出現(xiàn)零件本身質(zhì)量引起的問題，防患的重點應該放在車輛使用油品質(zhì)量的監(jiān)控上，如雜質(zhì)、水分等異物的侵入需要特別關注。

2.2.2 燃燒時機異常。與點火時機相關的零部件主要有火花塞、點火線圈、可變氣門系統(tǒng)等，火花塞會由于積碳、高溫等因素造成點火能力減弱，使發(fā)動機出現(xiàn)失火癥狀。點火線圈會因老化原因點火能量降低，無法產(chǎn)生足夠的點火能量形成失火等。失火發(fā)生時，會伴隨發(fā)動機的異常抖動，發(fā)動機控制參數(shù)中會顯示失火相關的的故障?？勺儦忾T系統(tǒng)中，會由于積碳、磨損、雜質(zhì)堵塞驅(qū)動油路等造成正時異位。一款設計成熟的發(fā)動機，其硬件系統(tǒng)本身較少出現(xiàn)機能缺陷，依據(jù)設計規(guī)范定期更換、保養(yǎng)，可以最大限度防范此類問題的出現(xiàn)。日常的試驗及既有機型的適應性開發(fā)匹配中，需要更多的對點火提前角這個控制參數(shù)進行優(yōu)化匹配及實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常，盡早檢查對策。

3 結(jié)束語

輕型汽車尾氣排放污染物的排放分析中，將引起排放異常的各種可能原因劃分為后處理異常，在發(fā)動機內(nèi)燃燒異常，燃燒前的進入發(fā)動機的空燃比異常三個節(jié)點。通過對觸媒轉(zhuǎn)換效率這個參數(shù)的判斷，可以快速定位排放異常發(fā)生在發(fā)動機原排還是后處理部分。通過對發(fā)動機控制數(shù)據(jù)的參數(shù)監(jiān)控，結(jié)合必要的故障表象及調(diào)查確認，可以定位故障發(fā)生的具體原因。在明確故障產(chǎn)生機理后，可以針對性的采取防范對策，在問題惡化前加以解決，從而節(jié)約開發(fā)成本及縮減日程，提高開發(fā)驗證效率。

參考文獻

[1]國家環(huán)境?？偩州p型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2013：39.

[2]王建昕，傅立新，黎維彬.汽車排氣污染治理及催化轉(zhuǎn)化器[M].北京：化學出版社，2002：239-241.

[3]蔣德明.內(nèi)燃機燃燒與排放學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：594-599.

[4]孫龍，李孟良，史廣寶，等.SRC工況下輕型車排氣溫度特征分析[J].車用發(fā)動機，2014（6）：69.

作者簡介：劉勇軍（1985-），男，本科，湖南新化人，助理工程師，主要研究方向：輕型車排放與節(jié)能控制。

李文雍（1985-），女，碩士，河南濟源人，助理工程師，主要從事美標產(chǎn)品安全認證工作。