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，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，在發動機內燃燒異常，燃燒前的進入發動機的空燃比異常三個節點。結合工程實踐，對各個節點可能出現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_發企業相關技術工作人員快速定位實踐中出現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，國家監管層面，制定了排放法規對試驗條件、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的進步，對新產品品質保證要求不斷加嚴。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品的推出速度很大程度上決定了企業的市場競爭力。因此，企業的管理者不遺余力的壓縮產品從立項到上市的開發確認時間。

在產品上市前的開發及確認階段，如何在降低輕型汽車尾管排放物的排放量以滿足國家監管層面的技術要求的同時；對出現的排放異常實現快速精準定位，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。對于節約企業開發成本，縮減開發日程等方面，提升企業市場競爭力具有非常迫切的現實意義。

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的排放質量，g/km。Vmix-稀釋排氣的容積（校正至標準狀態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排放質量計算時的濕度修正系數（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-相當于運行循環的實際具體，km。

公式中，對于給定的污染i，其標準狀態下的密度Qi是固定的。剩下的可變量中Vmix與環境條件溫度、壓力有關，KH與濕度有關，d與行駛距離有關。為了避免環境條件差異對試驗結果的影響，國標規定的NEDC試驗工況對環境條件均有嚴格的規定。如果實驗環境條件不能滿足標準要求，將導致試驗結果的異常變化。一般情況下，環境條件導致的異?？梢钥焖侔l現并在糾正后驗證解決。當尾氣中污染物濃度Ci出現異常時，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：發動機按照一定比例吸入汽油及空氣的混合物，在發動機內燃燒做功后從排氣道排出，進入到三元催化轉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境大氣中。工程實踐中，通過在發動機排氣道，即觸媒入口前測量發動機原排，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-發動機原排EngineOutEmission；？濁-觸媒轉換效率；T.P.E-汽車尾排TailPipeEmission

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

2.1 觸媒轉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換效率異常。

觸媒陶瓷載體破損時，會出現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、生產等全流程進行問題分析對策。對于成熟的產品設計及生產商，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查解析，有時因燃油中混入異常雜質導致發動機供油異常等細微因素，也會似蝴蝶效應般產生疊加，引起觸媒破損的重大故障。

觸媒涂層熱劣化一旦發生，將不可逆轉。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。通過優化發動機控制數據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控管理車輛運轉過程中的異常排氣溫度狀況，如開發及試驗驗證階段，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廠家耐久試驗排氣溫度監控的基礎上，做了相關數據的解析[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。隨著油品提煉技術的進步，目前關于鉛、錳中毒的情況已經較為少見。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，恢復觸媒的催化轉化性能。工程經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的建議，就含有此類效果。

2.2 發動機原排異常的癥狀及對策措施

從污染物生成路徑考慮，無論是直噴發動機還是非直噴發動機，均可以將異常因素劃分為兩大類，一是發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。在發動機控制高度依賴傳感器、執行器電信號的今天，相關異常的判斷及對策需要在發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，其最終體現在空燃比的精確配比上，空燃比的偏離將會導致發動機原始排放異常。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物未按預定實際進入發動機燃燒；實現閉環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；因排氣系統泄漏，致使實現閉環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監控，結合定期檢查、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生油垢易堵塞噴孔等。一般情況下，成熟的產品設計及供應商較少出現零件本身質量引起的問題，防患的重點應該放在車輛使用油品質量的監控上，如雜質、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、可變氣門系統等，火花塞會由于積碳、高溫等因素造成點火能力減弱，使發動機出現失火癥狀。點火線圈會因老化原因點火能量降低，無法產生足夠的點火能量形成失火等。失火發生時，會伴隨發動機的異常抖動，發動機控制參數中會顯示失火相關的的故障?？勺儦忾T系統中，會由于積碳、磨損、雜質堵塞驅動油路等造成正時異位。一款設計成熟的發動機，其硬件系統本身較少出現機能缺陷，依據設計規范定期更換、保養，可以最大限度防范此類問題的出現。日常的試驗及既有機型的適應性開發匹配中，需要更多的對點火提前角這個控制參數進行優化匹配及實時監控，一旦出現異常，盡早檢查對策。

3 結束語

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，在發動機內燃燒異常，燃燒前的進入發動機的空燃比異常三個節點。通過對觸媒轉換效率這個參數的判斷，可以快速定位排放異常發生在發動機原排還是后處理部分。通過對發動機控制數據的參數監控，結合必要的故障表象及調查確認，可以定位故障發生的具體原因。在明確故障產生機理后，可以針對性的采取防范對策，在問題惡化前加以解決，從而節約開發成本及縮減日程，提高開發驗證效率。

參考文獻

[1]國家環境?？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化器[M].北京：化學出版社，2002：239-241.

[3]蔣德明.內燃機燃燒與排放學[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，主要從事美標產品安全認證工作。