輕型汽車尾氣排放異常的解析方法及工程防范對(duì)策

摘 要：根據(jù)輕型汽車排放污染物排放的生成時(shí)機(jī)及傳遞路徑，文章從國(guó)標(biāo)關(guān)于污染物計(jì)算的公式出發(fā)，以傳遞到尾管排放路徑遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒異常，燃燒前的進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比異常三個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的引起排放異常的因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的防范措施。可為整車開發(fā)企業(yè)相關(guān)技術(shù)工作人員快速定位實(shí)踐中出現(xiàn)的排放異常提供解析思路，并對(duì)如何采取對(duì)策提供一定參考。

關(guān)鍵詞：輕型汽車；排放；試驗(yàn)；故障解析

引言

關(guān)于輕型汽車排放污染物的控制，國(guó)家監(jiān)管層面，制定了排放法規(guī)對(duì)試驗(yàn)條件、方法、排放物的限值有著詳盡的要求，并且隨著時(shí)間的推進(jìn)與技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)新產(chǎn)品品質(zhì)保證要求不斷加嚴(yán)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)層面，各廠家新車型推出層出不窮，滿足消費(fèi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，企業(yè)的管理者不遺余力的壓縮產(chǎn)品從立項(xiàng)到上市的開發(fā)確認(rèn)時(shí)間。

在產(chǎn)品上市前的開發(fā)及確認(rèn)階段，如何在降低輕型汽車尾管排放物的排放量以滿足國(guó)家監(jiān)管層面的技術(shù)要求的同時(shí)；對(duì)出現(xiàn)的排放異常實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)定位，甚至是在問(wèn)題惡化前盡早預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的預(yù)防性對(duì)策。對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有非常迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

1 輕型車尾氣污染物排放量計(jì)算方法

關(guān)于輕型汽車尾氣污染物的測(cè)量，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出了下述計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)273.2k和101.33kpa），L/實(shí)驗(yàn)。Qi-在標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算時(shí)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(dāng)于運(yùn)行循環(huán)的實(shí)際具體，km。

公式中，對(duì)于給定的污染i，其標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，KH與濕度有關(guān)，d與行駛距離有關(guān)。為了避免環(huán)境條件差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，國(guó)標(biāo)規(guī)定的NEDC試驗(yàn)工況對(duì)環(huán)境條件均有嚴(yán)格的規(guī)定。如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的異常變化。一般情況下，環(huán)境條件導(dǎo)致的異常可以快速發(fā)現(xiàn)并在糾正后驗(yàn)證解決。當(dāng)尾氣中污染物濃度Ci出現(xiàn)異常時(shí)，問(wèn)題的解析將變得相對(duì)復(fù)雜。

2 排放異常的解析方法及工程防范對(duì)策

考慮到排放物的生成路徑為：發(fā)動(dòng)機(jī)按照一定比例吸入汽油及空氣的混合物，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒做功后從排氣道排出，進(jìn)入到三元催化轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行一系列氧化還原等反應(yīng)，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(shí)踐中，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道，即觸媒入口前測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)系。

E.O.E×（1-？濁）=T.P.E……（2）

式中：E.O.E-發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，存在三種可能：一是觸媒轉(zhuǎn)換效率異常；二是發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放異常；三是觸媒轉(zhuǎn)換效率與發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放同時(shí)出現(xiàn)異常。

2.1 觸媒轉(zhuǎn)換效率異常的癥狀及對(duì)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(xué)中毒[2、3]等因素均可能導(dǎo)致觸媒轉(zhuǎn)換效率異常。

觸媒陶瓷載體破損時(shí)，會(huì)出現(xiàn)車輛本身急加速無(wú)力，車速限制，同時(shí)在三元觸媒相應(yīng)部位出現(xiàn)明顯金屬敲擊聲，通用故障儀診斷無(wú)異常故障碼等相應(yīng)癥狀，可以通過(guò)拆卸觸媒目視檢查進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。此類問(wèn)題可以通過(guò)分析觸媒設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等全流程進(jìn)行問(wèn)題分析對(duì)策。對(duì)于成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)商，上述分析思路的解析可能找不到線索，還需對(duì)車輛使用過(guò)程中排氣溫度引起陶瓷載體損毀的因素進(jìn)行調(diào)查解析，有時(shí)因燃油中混入異常雜質(zhì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)供油異常等細(xì)微因素，也會(huì)似蝴蝶效應(yīng)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(guò)加強(qiáng)部品設(shè)計(jì)壽命（耐久保證距離）及管理車輛運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起排氣溫度異常升高的因素進(jìn)行預(yù)防性對(duì)策，如通過(guò)觸媒部品設(shè)計(jì)加強(qiáng)涂層耐溫水平以滿足更高的耐久保證距離。通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷時(shí)進(jìn)行噴油量加濃保護(hù)等。通過(guò)實(shí)時(shí)排氣溫度監(jiān)控管理車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的異常排氣溫度狀況，如開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證階段，通過(guò)在觸媒相應(yīng)部位安裝溫度傳感器，實(shí)施監(jiān)控車輛排氣溫度變化，在問(wèn)題惡化前采取相關(guān)對(duì)策，防患未然。關(guān)于車輛排氣溫度監(jiān)控及其分布特性，CATARC整車耐久試驗(yàn)室的孫龍等人在借鑒個(gè)別整車生產(chǎn)廠家耐久試驗(yàn)排氣溫度監(jiān)控的基礎(chǔ)上，做了相關(guān)數(shù)據(jù)的解析[4]。

貴金屬硫、鉛、磷、錳等化學(xué)中毒可通過(guò)管理燃油中相應(yīng)成分指標(biāo)進(jìn)行預(yù)防，而一旦出現(xiàn)相關(guān)癥狀，可以通過(guò)特定的車輛行駛工況進(jìn)行脫附對(duì)策。隨著油品提煉技術(shù)的進(jìn)步，目前關(guān)于鉛、錳中毒的情況已經(jīng)較為少見。而對(duì)于硫中毒，其最明顯的特點(diǎn)是可逆，通過(guò)特定脫附工況，可以降低甚至完全減除中毒癥狀，恢復(fù)觸媒的催化轉(zhuǎn)化性能。工程經(jīng)驗(yàn)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(yīng)該包含一個(gè)較高排溫水平的運(yùn)行車速，并持續(xù)一定的時(shí)間，從而達(dá)到燃燒相關(guān)硫化物的目的。除此之外，還應(yīng)有車速快速變化的工況，從而收到氣流吹掃脫附下來(lái)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(shí)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(dòng)機(jī)原排異常的癥狀及對(duì)策措施

從污染物生成路徑考慮，無(wú)論是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)還是非直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，均可以將異常因素劃分為兩大類，一是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒輸入物配比（空燃比）異常，一是燃燒時(shí)機(jī)（點(diǎn)火時(shí)間）異常。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制高度依賴傳感器、執(zhí)行器電信號(hào)的今天，相關(guān)異常的判斷及對(duì)策需要在發(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)的輔助下進(jìn)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(fēng)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放異常。工程實(shí)踐中，此類問(wèn)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(jìn)入量異常的常見的情形有：節(jié)氣門因曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)帶來(lái)的油氣混合物在閥體處沉積，形成積碳，導(dǎo)致進(jìn)氣量控制異常，進(jìn)氣不足，HC及CO等排放異常上升；進(jìn)氣空氣流量計(jì)因積碳、塵埃等吸附污染，造成空氣量計(jì)量不準(zhǔn)，排放異常；進(jìn)氣系統(tǒng)管路泄露，造成實(shí)際進(jìn)氣量與傳感器計(jì)量進(jìn)氣量差異，進(jìn)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(yù)定實(shí)際進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒；實(shí)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(hào)失真，空燃比控制偏離；因排氣系統(tǒng)泄漏，致使實(shí)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(hào)失真，空燃比控制偏離。此類問(wèn)題的預(yù)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(jìn)行處理，基本可以在問(wèn)題惡化前實(shí)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(guò)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(guò)后若長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)及供應(yīng)商較少出現(xiàn)零件本身質(zhì)量引起的問(wèn)題，防患的重點(diǎn)應(yīng)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(guān)注。

2.2.2 燃燒時(shí)機(jī)異常。與點(diǎn)火時(shí)機(jī)相關(guān)的零部件主要有火花塞、點(diǎn)火線圈、可變氣門系統(tǒng)等，火花塞會(huì)由于積碳、高溫等因素造成點(diǎn)火能力減弱，使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火癥狀。點(diǎn)火線圈會(huì)因老化原因點(diǎn)火能量降低，無(wú)法產(chǎn)生足夠的點(diǎn)火能量形成失火等。失火發(fā)生時(shí)，會(huì)伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)的異常抖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)中會(huì)顯示失火相關(guān)的的故障。可變氣門系統(tǒng)中，會(huì)由于積碳、磨損、雜質(zhì)堵塞驅(qū)動(dòng)油路等造成正時(shí)異位。一款設(shè)計(jì)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)，其硬件系統(tǒng)本身較少出現(xiàn)機(jī)能缺陷，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范定期更換、保養(yǎng)，可以最大限度防范此類問(wèn)題的出現(xiàn)。日常的試驗(yàn)及既有機(jī)型的適應(yīng)性開發(fā)匹配中，需要更多的對(duì)點(diǎn)火提前角這個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配及實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常，盡早檢查對(duì)策。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒異常，燃燒前的進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比異常三個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)觸媒轉(zhuǎn)換效率這個(gè)參數(shù)的判斷，可以快速定位排放異常發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)原排還是后處理部分。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(rèn)，可以定位故障發(fā)生的具體原因。在明確故障產(chǎn)生機(jī)理后，可以針對(duì)性的采取防范對(duì)策，在問(wèn)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(yàn)證效率。

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[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(dòng)機(jī)，2014（6）：69.

作者簡(jiǎn)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(jì)源人，助理工程師，主要從事美標(biāo)產(chǎn)品安全認(rèn)證工作。