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轻型汽油车国六排放匹配研究

2022-02-28袁观练余光耀李高坚

内燃机与配件 2022年5期

袁观练 余光耀 李高坚

摘要: 本文介绍了集成汽油机轻型车的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的产生机理、影响排放的因素以及三元催化器的工作原理与特性。针对HC、NOX、CO三种主要的气态污染,从起动&暖机阶段、催化器加热功能、过渡工况、目标空燃比、前氧露点及闭控制以及清氧功能等6个方面详细介绍了相关排放匹配内容及目标。

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.

關键词: 排放污染物;三元催化器;过渡工况;前氧露点;清氧功能

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

中图分类号:U46                                      文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)05-0046-03

1  概述

基于机动车保有量的不断提升以及环境污染的日益严重,汽车尾气排放已经成为大气污染的主要来源之一,因此汽车排放法规的被迫不断加严。我国在过去不到20年的时间内连续发布升级了6次轻型汽车污染物排放标准。随着2016年12月《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》(第六阶段)征求意见稿的发布,我国进入了号称史上最严排放法规的国六时代,同时也倒逼着各大汽车生产企业不断进行产品迭代升级。

对传统内燃机动力车辆来说,其尾气排放主要分为气态污染物和非气态污染物两类。其中气态污染物主要包含氮氧化物(NOX)、碳氢(HC)、非甲烷碳氢(NMHC)、一氧化碳(CO)以及氧化亚氮(N2O)等。非气态污染物主要指颗粒物(PM)和粒子数量(PN)。

2  排放污染物的生成机理

HC排放的重要影响因素是混合气空燃比,随空燃比的减小而增加,但这并不意味着混合气越稀,HC排放越低,当混合气稀到出现发动机失火的时候,HC排放会急剧增加。均质混合气下HC的生成主要有以下原因:冷激效应:①据研究冷激效应产生的HC排放占总量的50%~

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

CO是燃料燃烧的中间产物,排气中CO主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生的,影响CO排放量的主要因素是混合气的空燃比,当混合气偏浓时,CO的增加会很明显。如冷起动、起动后、暖机、过渡工况、全负荷、零部件保护等原因导致的混合气偏浓。

NOX生成的条件简而言之是高温富氧,内燃机排放的氮氧化物NOX主要是NO。NO的主要来源是参与燃烧的空气中的氮。在发动机工作中,无论是进行完全燃烧反应,还是不完全燃烧反应,其最初燃烧反应所产生的热必将使空气中的氧分子裂解为氧原子,并与空气中的氮分子发生反应而生成NO和氮原子,而氮原子又与空气中氧分子发生反应生成NO和氧原子,这部分氧原子又可与空气中氮分子重新反应,产生NO。

PM和PN的产生主要是燃油和空气混合不充分,导致混合气存在局部过浓,进而在燃烧时产生局部燃烧不充分产生大量的PM和PN。另一方面受国家购置税的影响,国内存在大量的小排量增压发动机匹配较大车型的情况,这些车WLTC排放循环中,车辆经常处于加速或高速状态,小排量增压直喷发动机为保证可靠的动力输出,长期工作在大负荷的部件加浓区域,燃烧不充分,也是会产生大量的PM和PN。

3  影响排放的因素

对一款车来说,影响排放的因素主要有三元催化器、发动机本体、发动机电喷系统及相关传感器、车辆本身、油品以及驾驶习惯等几个。在动力总成确定的前提下,三元催化器的匹配对车辆尾气排放起着决定性作用。

3.1 三元催化器的结构参数及工作原理

三元催化器由由载体(金属、材质)、贵金屬涂层、封装(金属外壳)组成,陶瓷载体由于成本优势被广泛应用。常见的三元催化器结构形状有圆柱形、椭圆形、跑道型,布置形式有单级、两级、多级以及一级多段等。市面上常见的三元催化器有400目、600目和750目等规格。催化器载体的体积与发动机排量的比值一般处于0.5~1之间。图1是三元催化器在排气系统中的安装示意图。在满足空间布置及NVH试验下,希望三元催化能够尽量靠近排气歧管,或者直接与排气歧管做成一体载体,以便充分利用尾气的热量缩短催化器的起燃时间,达到优化排放的作用。

三元催化器的配方是三元催化器的关键技术,包含三元金属含量配比和屠涂覆方案。三元金属主要指的是钯金Pd、铂金Pt和铑金Rh。钯Pd主要催化CO和HC的氧化反应,铑Rh催化NOx的还原反应,Pt也可以催化CO和HC的氧化反应。最近几年贵金属价格处于上升通道中,价格波动比较大,出于成本因素考虑,各金属之间的含量也即三元催化器的配方也根据贵金属期货市场进行调整,已达到成本平衡的作用。三元催化器的涂覆形式主要有平均涂覆和分段涂覆。平均涂覆指的是浆料均匀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响着三元催化器的起燃特性。图2是三元催化器的对尾气的催化转化示意图。

3.2 三元催化器的特性

转化效率、起燃温度和储氧能力是考核三元催化器的关键指标。转化效率(%)=(TWC入口污染物排放出口污染物排放)/TWC入口污染物排放。如图3所示,在三元催化器完全加热后,其转化效率可以达到97%~100%。起燃温度:催化转化器对某一种污染物的催化转化效率达到50%时所对应的催化转化器入口的气体温度,一般为300~350℃。为了满足越来越高的排放要求,希望三元催化器的起燃温度越低越好,目前优化贵金属配方和涂覆方案与工艺后,三元催化器的起燃温度可以大幅降低,已经可以做到250~300℃左右。储氧能力:在稀或浓混合气下,氧与储氧元素的不同价化合物的转化反应,实现了氧的储存和释放,见图4。三元催化器在新鲜的时候储氧能力很高,老化后,储氧能力会降低。

图5是三元催化器的的最佳lambda窗口,从图中可以看出的催化器最佳的过量空气系数在0.997~0.999之间,宽度只有0.002,是一个非常窄的窗口。对发动机的动力匹配标定提出了非常大的挑战。

4  排放控制匹配

汽油机的排放控制匹配非常复杂,要考虑的因素比较多。下面就起动&暖机阶段、催化器加热功能、过渡工况、目标空燃比、前氧露点及闭控制以及清氧功能等6个方面介绍汽油机的排放匹配内容及目标。

4.1 起动阶段和暖机阶段匹配

起动阶段和暖机阶段匹配的目标是通过优化发动机控制参数尽量减少发动机的原始排放。起动阶段由于排气温度低,催化器未到起燃温度,催化转化效率低。在保证起动安全的前提下,调整起动和起动后的点火角、空燃比,使得lambda在起动后能够尽快的到1附近的催化器最佳转化窗口。起动过冲转速也是需要调整的对象,一般不要超过稳态怠速转速的300~500rpm,否则会带来冲击与过大的噪音。另外,在保证燃烧稳定,即不出现失火现象的情况下可以采用一定程度的稀燃,但应同时检查lambda继续减稀20%,发动机是否工作正常。

4.2 三元催化器加热功能匹配

NOX、HC、CO三种气态排放污染物在整个WLTC排放循环中在起动及暖机阶阶段的占到总量绝大部分,由此可见催化器加热的重要性。催化器的起燃需要一定的温度条件,一般在300~350℃。为了让催化器尽快起燃,让催化器更快的达到高转化效率,需要启用催化器加热功能。在没有电加热等其它外在加热条件下,催化器温度的升高主要来源于废气的热量。催化器加热的目的实际上就是要提高废气的热量,通过提高废气的温度或通过提高废气的流量来实现。其主要手段为:①提高怠速转速,可以直接提高废气流量;②推迟点火角,可以提高排气温度(燃烧推迟,引起部分燃烧在排气门打开时仍在持续,因此排出的气体温度较高)提高怠速转速需要得到客户的确认,点火角和空燃比的调节需要注意不要影响怠速稳定性及车辆的起步能力。

需要注意的是,利用提高怠速和推迟点火角的手段来进行三元催化器加热都会带来油耗的上升,因此该功能使用力度,需要综合平衡油耗和排放情况,同时还须兼顾怠速稳定性。另外,过强的催化器加热,会过多增加发动机原始排放,反而会增加排放污染物。故而三元催化器加热功能合理匹配是一项比较复杂的工作。

评价催化器加热是否结束主要取决于在不同的起动温度下使得三元催化器充分加热的总的空气量(M_air),范围一般在0.2到5kg之间,一般在18~32℃的区间启用(20~30℃温度范围稍微扩展)。在其它点关闭即相应工况点下M_air=0,即不开启三元催化器加热功能。对于部门项目国六VI型(-7℃)排放困难,也可以尝试启用此功能。当起动后三种排放物的转化效率都达到90%以上时的空气总量的值,可以作为M_air值。

M_air对应的时间即为催化器加热时间,一般根据标定匹配打开催化器加热功能最低温度的加热时间来确定三元催化加热的最长时间T_mx。如果在起动后超过T_mx,一直保持怠速状态,并且对于AT来说没有进入行驶档,三元催化加热复位一般三元催化器加热复位时间选择在第二次加速(32km/h)过程中,即50~96S之间。个别项目会需要更长的加热时间。

需要考虑根据三元催化器加热的相对空气量积分值ML_air来控制扭矩预留开始和关闭的时刻,同时可以控制点火角推迟在不同时刻的推迟量。匹配数据的设置应该能够保证在扭矩预留开始和结束时点火效率逐渐降低和恢复,相应点火角也是逐渐降低和恢复,防止由于点火角突然大幅度变化引起怠速不稳,或者怠速空气量突然变化导致的lambda的突变。

三元催化器加热的扭矩预留M_label,通过对该label的匹配可以定义点火角推迟作用的区域和点火角的推迟量,一般怠速状态下三元催化器加热的点火角在0~-10℃A BTDC。点火角设置注意不要影响怠速稳定性及车辆的起步能力。在第一个15km/h部分负荷工况也可以进行推迟点火提前角三元催化加热,但是需要注意推迟的幅度,不要由于点火角的推迟出现失火或燃烧不充分,引起排放的增加。

4.3 过渡工况控制

过渡工况就是动态工况,动态工况负荷的变化,不仅会影响到实际进入气缸的新鲜混合气计算准确性,同时也影响到油膜挥发作用带来实际进入气缸燃油量计算的准确性,同时对于自然吸气发动机实际充气死时间的存在,这些都带来了过渡工况匹配的难度,对项目的直接影响是,动态工況空燃比变化比较大。过渡工况匹配的整体目标是保证在加速减速过程中,空燃比在1附近;负荷变化大或冷机时允许±15%,负荷变化小时±10%。避免混合气过浓,导致HC,CO大量冒出;混合气过稀,导致NOX冒出,甚至失火,未燃烧的油气直接排出。

4.4 目标空燃比控制

为了降低HC排放,可以适当采用稀燃控制,即把目标空燃比设定成大于1的状态,使得发动机缸内可燃混合气处于偏稀状态,这会产生两种效果:一方面,一定程度上会得到相对较高的排气温度,有利于催化器的加热;另一方面,减少了喷油量,从源头就遏制了HC产生的机会。后者是控制HC排放的关键,但是对于冷机起动,怠速的稳定性会面临巨大的风险。

4.5 Lambda前氧露点及闭环控制

设置露点的目的是防止氧传感器在加热过程中由于凝结的水而失效。为了降低排放,应当尽可能提前过露点,进入前氧闭环。目前普通前氧传感器过露点的时间一般在25~100s之间,取决于前氧传感器的布置位置和催化器加热功能匹配。最近博世新开发的前氧传感器LSU5.2过露点时间大幅缩短,最快可实现6s过露点,可大幅改善低温排放水平和提高排放的稳定性。

4.6 清氧功能

断油功能结束时,催化器经历了新鲜空气“冲洗”,氧含量高,无形中创造了NOX生成的条件。清氧功能便是提供偏浓混合气消耗催化器中的氧含量,使后氧电压上升。但是过多的清氧,反过来会生成HC和CO,并增加油耗。当空燃比浓稀动态变化时,由于催化器中增加了CeO2涂层作为储放氧材料,催化器对三种污染物具有很高的转化效率,窗口明显加宽。通过调整喷油系数在浓端或稀端的延迟使混和气偏浓或偏稀,实现空燃比窗口的精确匹配,从而使三种排放物转化效率都处于理想水平线上。

4.7 三元催化器的“磨合”

全新的新鲜、老化、临界催化器都需要磨合,至少在高速大负荷工况下,运行50km以上。国六排放标准规定,不带GPF/DPF(汽油机颗粒物捕捉器/柴油机颗粒物捕捉器)排放后处理系统的催化器最大可磨合300km的里程,而带GPF/DPF排放后处理系统的催化器允许最大磨合里程为3000km。磨合100km后,主要气态污染物HC、CO、NOX分别出现了13%、5%和36%的降低。

5  总结

本文介绍了轻型汽油车的排放污染物HC、NOX、CO主要污染物的产生机理、影响排放的因素以及三元催化器的工作原理与特性。从起动&暖机阶段、催化器加热功能、过渡工况、目标空燃比、前氧露点及闭控制以及清氧功能等6个方面详细介绍了汽油机的排放匹配内容及目标。

参考文献:

[1]王国栋,余光耀,等.VVT扫气对发动机影响的研究[J].汽车科技,2019(6):23-26.

[2]杨梅军,李林斌,等.小型增压直喷发动机PN排放特性研究[J].小型内燃机与车辆技术,2017(5):52-56.

[3]余光耀,李岩,等.低压废气再循环(LP_EGR)在汽油机上的应用[J].汽车科技,2019(2):54-60.