歐Ⅲ排氣系統的探索與研究

符紹斌 袁建新 錢 晉

(景德鎮學院機電系，江西 景德鎮 333000)

0 前言

隨著《輕型汽車污染物排放標準(Ⅲ、Ⅳ)》實施的日益臨近，小轎車生產公司也正面臨著排放法規與市場需求的雙重考驗。為使生產的轎車能滿足小汽車低排放的要求，生產商便開始了對這款車型歐Ⅲ排放技術的升級工作，并制定了歐Ⅲ排放的標定工作。

1 一般車型現階段的基本情況

一般車型目前已經達到歐Ⅱ階段排放標準13852.2-2001的要求，并通過了八萬公里耐久的考驗。以一般車型系列中的7100為例，其整車參數與排氣系統參數見表1-1所示:

表1-1:整車參數與排氣系統參數

表1-2:某車型Ⅱ階段排放指標

通過對表1-1和表1-2進行數據分析，我們不難看出，該車尾氣中有害氣體排放量是比較低的，在此基礎上通過對系統進行升級來達到排放Ⅲ階段的目標是可能實現的。

2 設計目標與設計流程圖

該車排氣系統的改造是該車實現Ⅲ階段排放達標的關鍵性技術。由于排氣系統中的三元催化轉化器直接負責汽車尾氣中有害氣體的凈化工作，改造方案的焦點也便集中在如何能使三元催化轉化器發揮最大的作用上。結合該車自身特點以及Ⅲ階段排放法規的要求而制定了排氣系統改造方案。

2.1 設計目標

⑴排氣系統設計更改后，排出的各項廢氣指標要明顯低于原車。在結合對整車電噴系統、發動機技術升級后汽車尾氣排放要滿足國家小汽車尾氣排放Ⅲ階段排放限值的要求。

⑵排氣系統設計更改后，要滿足整車的正常的使用性能。

⑶排氣系統改造要滿足整車經濟的需要。通過對整車各系統改造方案的綜合考慮，而確定最終的改造方案，使改造后的制造成本盡可能維持在較低的水平。

⑷排氣系統改造要滿足整車裝配工藝性的要求。排氣系統設計中要充分考慮該車底盤系統和車身結構的特點，對排氣系統中各零部件進行合理的安排。

2.2 設計流程圖

3 歐Ⅲ階段排放的可行性分析

某車型實現歐Ⅲ階段排放目標不能僅通過簡單的零部件替換來實現，必須經過科學的分析、改進方案的設計、產品的試驗等幾個階段才能實現。產品的可行性分析是科學分析中重要的一步，它將關系到滿足歐Ⅲ階段排放法規限值要求的各零部件的順利開發。

3.1 對與歐Ⅲ階段排放有關的法規政策的分析

3.1.1 國家目前及將來對小汽車尾氣排放的要求及實施時間

表3-1:小汽車尾氣排放的要求及實施時間

3.1.2 GB18352.3-2004(Ⅲ階段標準)與GB18352.2-2001(Ⅱ階段標準)的區別

⑴增加了Ⅰ型(冷啟動后排氣排放試驗)試驗的排放限值;

⑵增加了Ⅱ型試驗(雙怠速試驗)的內容;

⑶增加了在用車一致性檢查及其判定規程;

⑷改變了蒸發排放物的測定規程和所用的設備的要求;

⑸增加了低溫(-7℃)下CO和HC的排放量試驗及要求;

⑹增加了裝備車載診斷(OBD)系統及其功能要求;

⑺增加了對燃用氣體燃料的車輛的型式認證;

⑻增加了作為單獨技術總成的替代用催化轉化器形式認證要求。

3.2 實現Ⅲ階段排放的先進方法的收集與分析

國內外各大汽車生產商以及電噴開發商都對冷啟動，工況低排放控制技術都想盡了辦法，通過實踐證明其中一些方法是十分有效的。這些方法歸納為以下幾種:第一種方法是對催化劑技術的進行改造;第二種方法是采用緊耦合式催化系統;第三種方法是采用電子式催化轉化(EHC)系統。

3.3 與排氣系統有關的零部件的產品分析

3.3.1 對發動機排氣歧管的分析

由于小轎車車型發動機艙的空間十分狹窄，所以機艙內各零部件的布置都十分緊湊。見圖2所示，該車型排氣歧管出氣口處于被其他零部件包圍的狹小的空間內，在達到Ⅱ階段排放時由于標準要求較低，所以采用的是催化轉化器距離出氣口較遠底盤催化轉化系統。但是在Ⅲ階段排放時由于排放要求明顯高于了Ⅱ階段，根據國際上對排氣系統改造的先進的經驗，應采用緊耦合式催化轉化系統是實現歐Ⅲ排放最行之有效的方法。曾試圖通過對該車型的車身結構和零部件布置的改造來實現安裝緊耦合式催化劑，但由于該方案設計成本和制造成本都過于巨大，并且車身結構更改后也將影響到整車的美觀，所以該方案沒有能夠進行下去。

圖2:發動機排氣歧管出氣口位置圖

3.3.2 對排氣管組件的分析

該車型采用的是底盤催化轉化系統，出于對整車底盤系統的合理布置的需要，將排氣管組件中三元催化轉化器安排置于離發動機排氣歧管約1.1米處(參見圖3所示)，為了滿足三元催化轉化器起燃所需高溫，特將排氣管設計成雙層管結構以達到保溫的目的(某車型三元催化轉化器入口溫度見表3-2所示)。

圖3:排氣管組件

表3 -2:某車型三元催化轉化器入口溫度與時間關系表

由于Ⅲ階段排放標準中刪除Ⅱ階段排放標準中的40秒怠速，工況不進行采樣的規定(即發動機啟動后立即采樣)，所以如表3-2所示，原狀態時，發動機啟動后50秒內該車排氣管根本不能達到三元催化轉化器所需的起燃溫度，這樣采集到的尾氣是一定不能達到Ⅲ階段排放標準的要求。所以必須將三元催化轉化器盡量向發動機排氣口位置靠近，以減少排氣管前段對熱量吸收。只有這樣才能在短時間內有效地提高三元催化轉化器的入口溫度。

3.3.3 對三元催化轉化器的分析

三元催化轉化器是對汽車排出的尾氣進行轉化的零部件，它的性能直接關系到汽車尾氣排放是否能夠達標。

某車型三元催化轉化器中貴金屬用量為0.704 g/L(20g/平方英尺)，根據圖4所示，該用量并未達到尾氣轉化效率最高時的用量，該用量是出于某車經濟性的考慮而定制的。

圖4:貴金屬比表面含量與尾氣轉化效率的關系

某車型三元催化轉化器中貴金屬配比為Pt∶Rh=3∶1。不同的貴金屬在尾氣排放中起到不同的作用，見表3-3所示。

表3-3:貴金屬在尾氣排放中的作用

由于Ⅲ階段排放法規對尾氣排放的測試方法和測試限值都作出了新的規定，同時還增加了裝備車載診斷(OBD)系統及其功能要求，所以要滿足新規定就必須要對三元催化轉化器載體中貴金屬含量和貴金屬配比作重大的調整。

4 制定某車型Ⅲ階段排氣系統開發研究方向

通過對某車型Ⅲ階段排放的可行性分析，已經得出了明確的設計方向:一是在底盤結構允許的情況下盡量將三元催化轉化器向發動機出氣口處靠近;二是改變三元催化轉化器涂層配方，以適應低溫排放的要求;三是電子式催化轉化(EHC)系統可作為補救方案在排氣系統改進后仍不能達標時使用。

5 某車型Ⅲ階段排氣系統的開發方案

某車型在完成了對發動機升級(由DA-465Q/2D1升級到DA-465Q/2D3型)與電噴系統升級(由M1.5.4系統升級到M7.9.7系統)后，開始了對排氣系統的開發工作。

5.1 對排氣管組件的開發

由于某車型底盤結構十分緊湊，所以不可能采用緊耦合式催化系統，仍必須使用底盤式催化系統?；谀耻嚨妆P結構，見圖5所示，決定將三元催化轉化器從原位置向前移動467.35mm，該位置已經是所能移動的極限，否則在三元催化轉化器工作時產生的高溫將對底盤系統的部分零部件造成傷害。

圖5:車底盤結構(部分)

雖然改進后的排氣管組件的溫度不可能達到緊耦合式催化系統的效果，但是由于該部分的改進已經使三元催化轉化器的入口溫度在很短的時間內得到了很大的提升，效果是十分明顯的。改進前后的排氣管結構見圖6和圖7所示。考慮到OBD的需要，我們在①點處預留了氧傳感器的安裝位置。

圖6:改進前排氣管組件圖

同時由于一般車型底盤系統中換擋換位推拉桿式操縱機構在使用過程中推拉桿與設計的排氣管組件發生干涉，所以歐Ⅲ一般車型取消了換擋推拉桿這種狀態，全部更換為換擋換位鋼索式操縱機構。

圖7:改進后排氣管組件圖

5.2 三元催化轉化器涂層技術的開發

5.2.1 確定貴金屬比表面積的用量

根據圖4貴金屬比表面含量與尾氣轉化效率的關系所示，要提高尾氣的轉化效率必須提高三元催化轉化器中貴金屬的用量，通過試驗測定，貴金屬含量定在1.23g/L(35克/平方英尺)時催化效果最理想。

5.2.2 確定貴金屬之間的配比

由于Ⅲ階段排放標準在排放測試循環上有了新的規定(取消40秒怠速)，所以在貴金屬配比方面也必須有新的對策。

整車正常啟動時，由于發動機是冷態的，需要對燃油混合氣進行加濃，此時空燃比值λ值小于1。根據研究，該時段CH和CO為尾氣中的主要排放物的排放很低。三元催化轉化器中的化學反應也主要以氧化反應為主。同時也必須注意到OBD系統對汽車尾氣的檢測實質上是對三元催化轉化器儲氧量的監測，即集中對HC排放的監測，所以必須提高Pt或Pd含量。至于NO的排放，由于現在的技術已經能夠完全滿足排放的需要，所以在貴金屬Rh使用量上未作重大的調整。

通過對Ⅱ階段排放時的數據分析，暫定催化劑為:前級35克/平方英尺Pt∶Pd∶ Rh=0∶6∶1后級20克/平方英尺Pt∶Pd∶ Rh=3∶0∶1。經過排放測試，其結果是令人鼓舞的，除了HC的排放仍然較高外(超過了50%的Ⅲ階段排放限值)，其他兩項排放指標都到達了預期的要求，結果見表5-1所示。所以仍需對涂層中貴金屬的含量進行調整。鑒于國際上貴金屬價格的波動，Pt的價格遠高于Pd的價格(Pt的價格為630.59美元/盎司，Pd的價格為167.24美元/盎司)，出于產品經濟性的考慮，我們將Pt金屬換成了Pd金屬，同時調整前后級三元催化轉化器貴金屬含量都為35克/平方英尺、Pt∶Pd∶ Rh=0∶6∶1的配方技術。經測試，該方案達到了我們預期的排放要求。

表5-1:Ⅲ階段排放一期試驗結果

6 總結

要實現Ⅲ階段排放是一個系統的工程，它需要整車各系統的協調合作。在為排氣系統部分的設計工作中，盡量做到以該車型現有產品為基礎，結合自身特點，設計低成本、高效率的排氣系統。 在歐Ⅲ排氣系統開發過程中，充分利用現有零部件，除對排氣管組件進行了設計更改，以及更改了三元催化轉化器涂層配方外未新制其他零件，大量節約了生產制造成本。

［1］章聯萍.客車排氣系統設計［J］.客車設計與研究，2005，(2).

［2］馬麗萍.汽車尾氣三效催化器排氣系統冷啟動階段數值模擬［J］.化工學報，2005，(11).