輕型汽油車國六排放匹配研究

袁觀練 余光耀 李高堅

摘要： 本文介紹了集成汽油機(jī)輕型車的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的產(chǎn)生機(jī)理、影響排放的因素以及三元催化器的工作原理與特性。針對HC、NOX、CO三種主要的氣態(tài)污染，從起動&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點及閉控制以及清氧功能等6個方面詳細(xì)介紹了相關(guān)排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

Abstract： This article introduces the generation mechanism of the main pollutants HC， NOX， CO emissions from light-duty vehicles with integrated gasoline engines， the factors affecting emissions， and the working principles and characteristics of the three-way catalyst. Aiming at the three main gaseous pollutions of HC， NOX， and CO， it introduces 6 aspects in detail from the start-up & warm-up phase， catalytic converter heating function， transitional conditions， target air-fuel ratio， front oxygen dew point and shut-off control， and oxygen purging function. Related emission matching content and targets.

關(guān)鍵詞： 排放污染物;三元催化器;過渡工況;前氧露點;清氧功能

Key words： emission of pollutants;three-way catalytic converter;transitional conditions;pre-oxygen dew point;oxygen-clearing function

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0046-03

1 ?概述

基于機(jī)動車保有量的不斷提升以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，汽車尾氣排放已經(jīng)成為大氣污染的主要來源之一，因此汽車排放法規(guī)的被迫不斷加嚴(yán)。我國在過去不到20年的時間內(nèi)連續(xù)發(fā)布升級了6次輕型汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著2016年12月《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（第六階段）征求意見稿的發(fā)布，我國進(jìn)入了號稱史上最嚴(yán)排放法規(guī)的國六時代，同時也倒逼著各大汽車生產(chǎn)企業(yè)不斷進(jìn)行產(chǎn)品迭代升級。

對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動力車輛來說，其尾氣排放主要分為氣態(tài)污染物和非氣態(tài)污染物兩類。其中氣態(tài)污染物主要包含氮氧化物（NOX）、碳?xì)洌℉C）、非甲烷碳?xì)洌∟MHC）、一氧化碳（CO）以及氧化亞氮（N2O）等。非氣態(tài)污染物主要指顆粒物（PM）和粒子數(shù)量（PN）。

2 ?排放污染物的生成機(jī)理

HC排放的重要影響因素是混合氣空燃比，隨空燃比的減小而增加，但這并不意味著混合氣越稀，HC排放越低，當(dāng)混合氣稀到出現(xiàn)發(fā)動機(jī)失火的時候，HC排放會急劇增加。均質(zhì)混合氣下HC的生成主要有以下原因：冷激效應(yīng)：①據(jù)研究冷激效應(yīng)產(chǎn)生的HC排放占總量的50%～

70%;②油膜和沉積物吸附：其中油膜吸附占25%～30%，沉積物吸附占10%左右。

CO是燃料燃燒的中間產(chǎn)物，排氣中CO主要是在局部缺氧或低溫下由于烴的不完全燃燒產(chǎn)生的，影響CO排放量的主要因素是混合氣的空燃比，當(dāng)混合氣偏濃時，CO的增加會很明顯。如冷起動、起動后、暖機(jī)、過渡工況、全負(fù)荷、零部件保護(hù)等原因?qū)е碌幕旌蠚馄珴狻?/p>

NOX生成的條件簡而言之是高溫富氧，內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物NOX主要是NO。NO的主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。在發(fā)動機(jī)工作中，無論是進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)，還是不完全燃燒反應(yīng)，其最初燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱必將使空氣中的氧分子裂解為氧原子，并與空氣中的氮分子發(fā)生反應(yīng)而生成NO和氮原子，而氮原子又與空氣中氧分子發(fā)生反應(yīng)生成NO和氧原子，這部分氧原子又可與空氣中氮分子重新反應(yīng)，產(chǎn)生NO。

PM和PN的產(chǎn)生主要是燃油和空氣混合不充分，導(dǎo)致混合氣存在局部過濃，進(jìn)而在燃燒時產(chǎn)生局部燃燒不充分產(chǎn)生大量的PM和PN。另一方面受國家購置稅的影響，國內(nèi)存在大量的小排量增壓發(fā)動機(jī)匹配較大車型的情況，這些車WLTC排放循環(huán)中，車輛經(jīng)常處于加速或高速狀態(tài)，小排量增壓直噴發(fā)動機(jī)為保證可靠的動力輸出，長期工作在大負(fù)荷的部件加濃區(qū)域，燃燒不充分，也是會產(chǎn)生大量的PM和PN。

3 ?影響排放的因素

對一款車來說，影響排放的因素主要有三元催化器、發(fā)動機(jī)本體、發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)及相關(guān)傳感器、車輛本身、油品以及駕駛習(xí)慣等幾個。在動力總成確定的前提下，三元催化器的匹配對車輛尾氣排放起著決定性作用。

3.1 三元催化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作原理

三元催化器由由載體（金屬、材質(zhì)）、貴金屬涂層、封裝（金屬外殼）組成，陶瓷載體由于成本優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。常見的三元催化器結(jié)構(gòu)形狀有圓柱形、橢圓形、跑道型，布置形式有單級、兩級、多級以及一級多段等。市面上常見的三元催化器有400目、600目和750目等規(guī)格。催化器載體的體積與發(fā)動機(jī)排量的比值一般處于0.5～1之間。圖1是三元催化器在排氣系統(tǒng)中的安裝示意圖。在滿足空間布置及NVH試驗下，希望三元催化能夠盡量靠近排氣歧管，或者直接與排氣歧管做成一體載體，以便充分利用尾氣的熱量縮短催化器的起燃時間，達(dá)到優(yōu)化排放的作用。

三元催化器的配方是三元催化器的關(guān)鍵技術(shù)，包含三元金屬含量配比和屠涂覆方案。三元金屬主要指的是鈀金Pd、鉑金Pt和銠金Rh。鈀Pd主要催化CO和HC的氧化反應(yīng)，銠Rh催化NOx的還原反應(yīng)，Pt也可以催化CO和HC的氧化反應(yīng)。最近幾年貴金屬價格處于上升通道中，價格波動比較大，出于成本因素考慮，各金屬之間的含量也即三元催化器的配方也根據(jù)貴金屬期貨市場進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到成本平衡的作用。三元催化器的涂覆形式主要有平均涂覆和分段涂覆。平均涂覆指的是漿料均勻涂覆在三元催化器的壁面上，而分段涂覆有前段涂覆、后段涂覆和中段涂覆。涂覆方式在很大程度上影響著三元催化器的起燃特性。圖2是三元催化器的對尾氣的催化轉(zhuǎn)化示意圖。

3.2 三元催化器的特性

轉(zhuǎn)化效率、起燃溫度和儲氧能力是考核三元催化器的關(guān)鍵指標(biāo)。轉(zhuǎn)化效率（%）=（TWC入口污染物排放出口污染物排放）/TWC入口污染物排放。如圖3所示，在三元催化器完全加熱后，其轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到97%～100%。起燃溫度：催化轉(zhuǎn)化器對某一種污染物的催化轉(zhuǎn)化效率達(dá)到50%時所對應(yīng)的催化轉(zhuǎn)化器入口的氣體溫度，一般為300～350℃。為了滿足越來越高的排放要求，希望三元催化器的起燃溫度越低越好，目前優(yōu)化貴金屬配方和涂覆方案與工藝后，三元催化器的起燃溫度可以大幅降低，已經(jīng)可以做到250～300℃左右。儲氧能力：在稀或濃混合氣下，氧與儲氧元素的不同價化合物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實現(xiàn)了氧的儲存和釋放，見圖4。三元催化器在新鮮的時候儲氧能力很高，老化后，儲氧能力會降低。

圖5是三元催化器的的最佳lambda窗口，從圖中可以看出的催化器最佳的過量空氣系數(shù)在0.997～0.999之間，寬度只有0.002，是一個非常窄的窗口。對發(fā)動機(jī)的動力匹配標(biāo)定提出了非常大的挑戰(zhàn)。

4 ?排放控制匹配

汽油機(jī)的排放控制匹配非常復(fù)雜，要考慮的因素比較多。下面就起動&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點及閉控制以及清氧功能等6個方面介紹汽油機(jī)的排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

4.1 起動階段和暖機(jī)階段匹配

起動階段和暖機(jī)階段匹配的目標(biāo)是通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)控制參數(shù)盡量減少發(fā)動機(jī)的原始排放。起動階段由于排氣溫度低，催化器未到起燃溫度，催化轉(zhuǎn)化效率低。在保證起動安全的前提下，調(diào)整起動和起動后的點火角、空燃比，使得lambda在起動后能夠盡快的到1附近的催化器最佳轉(zhuǎn)化窗口。起動過沖轉(zhuǎn)速也是需要調(diào)整的對象，一般不要超過穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速的300～500rpm，否則會帶來沖擊與過大的噪音。另外，在保證燃燒穩(wěn)定，即不出現(xiàn)失火現(xiàn)象的情況下可以采用一定程度的稀燃，但應(yīng)同時檢查lambda繼續(xù)減稀20%，發(fā)動機(jī)是否工作正常。

4.2 三元催化器加熱功能匹配

NOX、HC、CO三種氣態(tài)排放污染物在整個WLTC排放循環(huán)中在起動及暖機(jī)階階段的占到總量絕大部分，由此可見催化器加熱的重要性。催化器的起燃需要一定的溫度條件，一般在300～350℃。為了讓催化器盡快起燃，讓催化器更快的達(dá)到高轉(zhuǎn)化效率，需要啟用催化器加熱功能。在沒有電加熱等其它外在加熱條件下，催化器溫度的升高主要來源于廢氣的熱量。催化器加熱的目的實際上就是要提高廢氣的熱量，通過提高廢氣的溫度或通過提高廢氣的流量來實現(xiàn)。其主要手段為：①提高怠速轉(zhuǎn)速，可以直接提高廢氣流量;②推遲點火角，可以提高排氣溫度（燃燒推遲，引起部分燃燒在排氣門打開時仍在持續(xù)，因此排出的氣體溫度較高）提高怠速轉(zhuǎn)速需要得到客戶的確認(rèn)，點火角和空燃比的調(diào)節(jié)需要注意不要影響怠速穩(wěn)定性及車輛的起步能力。

需要注意的是，利用提高怠速和推遲點火角的手段來進(jìn)行三元催化器加熱都會帶來油耗的上升，因此該功能使用力度，需要綜合平衡油耗和排放情況，同時還須兼顧怠速穩(wěn)定性。另外，過強(qiáng)的催化器加熱，會過多增加發(fā)動機(jī)原始排放，反而會增加排放污染物。故而三元催化器加熱功能合理匹配是一項比較復(fù)雜的工作。

評價催化器加熱是否結(jié)束主要取決于在不同的起動溫度下使得三元催化器充分加熱的總的空氣量（M_air），范圍一般在0.2到5kg之間，一般在18～32℃的區(qū)間啟用（20～30℃溫度范圍稍微擴(kuò)展）。在其它點關(guān)閉即相應(yīng)工況點下M_air=0，即不開啟三元催化器加熱功能。對于部門項目國六VI型（-7℃）排放困難，也可以嘗試啟用此功能。當(dāng)起動后三種排放物的轉(zhuǎn)化效率都達(dá)到90%以上時的空氣總量的值，可以作為M_air值。

M_air對應(yīng)的時間即為催化器加熱時間，一般根據(jù)標(biāo)定匹配打開催化器加熱功能最低溫度的加熱時間來確定三元催化加熱的最長時間T_mx。如果在起動后超過T_mx，一直保持怠速狀態(tài)，并且對于AT來說沒有進(jìn)入行駛檔，三元催化加熱復(fù)位一般三元催化器加熱復(fù)位時間選擇在第二次加速（32km/h）過程中，即50～96S之間。個別項目會需要更長的加熱時間。

需要考慮根據(jù)三元催化器加熱的相對空氣量積分值ML_air來控制扭矩預(yù)留開始和關(guān)閉的時刻，同時可以控制點火角推遲在不同時刻的推遲量。匹配數(shù)據(jù)的設(shè)置應(yīng)該能夠保證在扭矩預(yù)留開始和結(jié)束時點火效率逐漸降低和恢復(fù)，相應(yīng)點火角也是逐漸降低和恢復(fù)，防止由于點火角突然大幅度變化引起怠速不穩(wěn)，或者怠速空氣量突然變化導(dǎo)致的lambda的突變。

三元催化器加熱的扭矩預(yù)留M_label，通過對該label的匹配可以定義點火角推遲作用的區(qū)域和點火角的推遲量，一般怠速狀態(tài)下三元催化器加熱的點火角在0～-10℃A BTDC。點火角設(shè)置注意不要影響怠速穩(wěn)定性及車輛的起步能力。在第一個15km/h部分負(fù)荷工況也可以進(jìn)行推遲點火提前角三元催化加熱，但是需要注意推遲的幅度，不要由于點火角的推遲出現(xiàn)失火或燃燒不充分，引起排放的增加。

4.3 過渡工況控制

過渡工況就是動態(tài)工況，動態(tài)工況負(fù)荷的變化，不僅會影響到實際進(jìn)入氣缸的新鮮混合氣計算準(zhǔn)確性，同時也影響到油膜揮發(fā)作用帶來實際進(jìn)入氣缸燃油量計算的準(zhǔn)確性，同時對于自然吸氣發(fā)動機(jī)實際充氣死時間的存在，這些都帶來了過渡工況匹配的難度，對項目的直接影響是，動態(tài)工況空燃比變化比較大。過渡工況匹配的整體目標(biāo)是保證在加速減速過程中，空燃比在1附近;負(fù)荷變化大或冷機(jī)時允許±15%，負(fù)荷變化小時±10%。避免混合氣過濃，導(dǎo)致HC，CO大量冒出;混合氣過稀，導(dǎo)致NOX冒出，甚至失火，未燃燒的油氣直接排出。

4.4 目標(biāo)空燃比控制

為了降低HC排放，可以適當(dāng)采用稀燃控制，即把目標(biāo)空燃比設(shè)定成大于1的狀態(tài)，使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)可燃混合氣處于偏稀狀態(tài)，這會產(chǎn)生兩種效果：一方面，一定程度上會得到相對較高的排氣溫度，有利于催化器的加熱;另一方面，減少了噴油量，從源頭就遏制了HC產(chǎn)生的機(jī)會。后者是控制HC排放的關(guān)鍵，但是對于冷機(jī)起動，怠速的穩(wěn)定性會面臨巨大的風(fēng)險。

4.5 Lambda前氧露點及閉環(huán)控制

設(shè)置露點的目的是防止氧傳感器在加熱過程中由于凝結(jié)的水而失效。為了降低排放，應(yīng)當(dāng)盡可能提前過露點，進(jìn)入前氧閉環(huán)。目前普通前氧傳感器過露點的時間一般在25～100s之間，取決于前氧傳感器的布置位置和催化器加熱功能匹配。最近博世新開發(fā)的前氧傳感器LSU5.2過露點時間大幅縮短，最快可實現(xiàn)6s過露點，可大幅改善低溫排放水平和提高排放的穩(wěn)定性。

4.6 清氧功能

斷油功能結(jié)束時，催化器經(jīng)歷了新鮮空氣“沖洗”，氧含量高，無形中創(chuàng)造了NOX生成的條件。清氧功能便是提供偏濃混合氣消耗催化器中的氧含量，使后氧電壓上升。但是過多的清氧，反過來會生成HC和CO，并增加油耗。當(dāng)空燃比濃稀動態(tài)變化時，由于催化器中增加了CeO2涂層作為儲放氧材料，催化器對三種污染物具有很高的轉(zhuǎn)化效率，窗口明顯加寬。通過調(diào)整噴油系數(shù)在濃端或稀端的延遲使混和氣偏濃或偏稀，實現(xiàn)空燃比窗口的精確匹配，從而使三種排放物轉(zhuǎn)化效率都處于理想水平線上。

4.7 三元催化器的“磨合”

全新的新鮮、老化、臨界催化器都需要磨合，至少在高速大負(fù)荷工況下，運行50km以上。國六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不帶GPF/DPF（汽油機(jī)顆粒物捕捉器/柴油機(jī)顆粒物捕捉器）排放后處理系統(tǒng)的催化器最大可磨合300km的里程，而帶GPF/DPF排放后處理系統(tǒng)的催化器允許最大磨合里程為3000km。磨合100km后，主要氣態(tài)污染物HC、CO、NOX分別出現(xiàn)了13%、5%和36%的降低。

5 ?總結(jié)

本文介紹了輕型汽油車的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的產(chǎn)生機(jī)理、影響排放的因素以及三元催化器的工作原理與特性。從起動&暖機(jī)階段、催化器加熱功能、過渡工況、目標(biāo)空燃比、前氧露點及閉控制以及清氧功能等6個方面詳細(xì)介紹了汽油機(jī)的排放匹配內(nèi)容及目標(biāo)。

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