排氣歧管結構型式對整車HC排放的影響

吳喜慶 崔振偉 王亞飛 夏銘希 馬榮勇 韓艷輝

（1.中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心）

國VI排放標準即將執行，碳氫（HC）排放限值變得越來越嚴格。因此減少HC排放成為急需要解決的問題。試驗研究表明排放測試中50%～80%的HC都是在整車冷啟動過程中產生的[1]1035-1036。在美國極低排放汽車（ULEV）標準中，80%～90%的尾管HC排放來自美國聯邦測試循環（FTP）的第一個循環[2]。之所以在冷啟動過程中HC排放高，其原因在于三元催化轉化劑未達到有效氧化HC的工作溫度，一般HC的轉化溫度在260℃以上[1]1036。目前主要通過改善燃燒室結構和燃燒過程的方式來控制HC排放，而針對排氣歧管結構型式對HC排放影響的研究很少。文章從排氣歧管的結構型式和氧傳感器的布置位置等方面分析了其在整車HC排放上的影響。最終分析確認出采用殼式排氣歧管對整車HC排放明顯優于彎管式排氣歧管。

1 整車排放試驗

當前大部分整車廠采用不銹鋼焊接式的排氣歧管來取代傳統的鑄造排氣歧管，而不銹鋼式排氣歧管的結構型式主要分為彎管焊接式和沖壓蚌殼焊接式2種，其優缺點對比，如表1所示。針對這2種不同結構型式的排氣歧管，通過對其內部流場以及前氧傳感器附近氣流流速分布的分析，得出其對整車HC排放方面的影響。

表1 排氣歧管優缺點對比表

這2種排氣歧管采用相同的三元催化轉化芯體，主要區別為封裝型式，文章對這2種樣件在同一輛整車上進行了常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗（I型試驗）。為了保證測試結果的準確性和一致性，對每種結構型式的排氣歧管進行了2次數據采集。圖1示出這2種型式排氣歧管I型試驗結果。從圖1中可知，蚌殼式排氣歧管的非甲烷碳氫（NMHC）和總碳氫（THC）排放均比彎管式排氣歧管要低，均低了40%以上。同時蚌殼式的HC排放都在新鮮芯體一次性過限值以內，而彎管式沒有達到這一要求，僅滿足國家法規限值要求。試驗表明，這2種方案對整車HC排放的影響比較明顯。

圖1 排氣歧管2次I型試驗中HC排放結果

根據國V排放標準要求，I型試驗采用新歐洲駕駛循環（NEDC）標準進行，而在整個循環工況下，HC排放主要集中在冷啟動階段，而且主要是前120 s，因此選取了前120 s時域內的THC排放進行細化分析。在同一輛車上搭載這2種排氣歧管分別進行I型試驗，冷啟動階段實時監測的THC排放和觸媒溫度情況，如圖2所示。從圖2中可知，蚌殼式排氣歧管在40～60 s時域和65～80 s時域的THC排放明顯低于彎管式排氣歧管，其余階段基本上一樣。THC排放主要與燃油混合氣過濃有關，而冷啟動階段由于排放溫度過低，前氧傳感器和催化轉化芯體均未達到工作溫度（它們的工作溫度均為300℃以上）。催化轉化芯體未達到工作溫度會降低氧化還原反應的效率，而前氧傳感器未達到工作溫度會使其排放控制處于開環狀態。以上兩方面原因導致冷啟動階段HC排放過高。根據圖2中的觸媒溫度變化曲線可知，這2種排氣歧管在前40 s時溫度上升基本一致，在40 s后，蚌殼式的觸媒溫度上升幅度逐漸超過彎管式，在60 s后平均比彎管式高50℃以上。說明蚌殼式要先于彎管式達到催化轉化芯體的工作溫度，由此造成其HC排放優于彎管式。

圖2 排氣歧管I型試驗冷啟動階段觸媒溫度及THC排放結果

2 三維模擬分析

為了更好地分析造成冷啟動階段觸媒溫度上升的差異化與由此造成的THC排放差異化的原因。通過利用STAR CCM+軟件對這2種排氣歧管分別進行了流體動力學（CFD）模擬計算。邊界條件如下：氣體流動視為穩態、絕熱的不可壓縮湍流，采用k-ε湍流模型，三元催化轉化載體采用多孔介質處理。圖3示出排氣歧管CFD模擬分析模型。

圖3排氣歧管流體動力學模擬分析模型圖

2.1 整體流場分析

排氣氣流速度的大小關系到催化轉化芯體工作溫度上升的快慢。如果排氣速度較大，芯體溫度上升較快，更有利于提高芯體的催化轉化效率，進而降低整車HC的排放。圖4示出2種排氣歧管的流場流動軌跡圖。

圖4 排氣歧管流場流動軌跡模擬圖

從圖4a中可以看出，彎管式由于1缸和4缸相互連通，2缸和3缸相互連通，各缸排氣時，由于混合腔較小和載體的阻力作用，使得氣流形成渦流，減緩了氣流的流動速度和載體入口處速度的均勻度。而圖4b表明，蚌殼式1缸、2缸及3缸在排氣時均對4缸有干擾。另外，通過對比圖4a和圖4b可知，蚌殼式排氣流速明顯高于彎管式，尤其在各支管位置。這主要是由于蚌殼式各缸排氣時的氣流受氣流阻力影響較小，只有較少氣流分離到其他支管。同時其混合腔相對較大，整體氣流流動更均勻，氣流流速也較快[3]。說明排氣流速的快慢和進入載體的均勻性也直接導致高溫排氣能夠迅速、充分地通過催化轉化器芯體。由此可知這是導致觸媒溫度上升快慢的主要原因。

2.2 前氧傳感器位置分析

前氧傳感器的布置位置要處于排氣的高流速區，這樣可以更真實地測出排氣中的氧離子濃度，從而更準確地控制整車排放。圖5示出2種排氣歧管在各缸分別排氣時前氧傳感器切面流速分布云圖。從圖5a可以看出，彎管式只有在1缸排氣時，前氧傳感器處于排氣高流速區域，而蚌殼式在各缸排氣時均處于高速區域內。由此說明蚌殼式的前氧傳感器能夠更好地感受排氣中氧離子的濃度，從而將真實的空燃比信號反饋給ECU，ECU通過調整噴油量來保證合理的燃燒，降低HC的排放。

圖5 排氣歧管前氧傳感器切面流速分布云圖

圖6和圖7分別示出2種排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖，能更直觀地顯示出在前氧傳感器面上，蚌殼式的流速要明顯比彎管式大，且更均勻。

圖6 彎管式排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖

圖7 蚌殼式排氣歧管前氧傳感器面最大速度云圖

前氧傳感器的位置通常用4個缸分別排氣的最大流速的平均值（AFV）和流速差異性（FSD）進行評估。表2示出排氣歧管前氧傳感器位置評價參數，從表2中可知，蚌殼式的AFV明顯大于彎管式，這也說明了圖5，圖6和圖7中的流速分布狀態。另外，彎管式的FSD為1.34，不滿足評價標準。從圖6中可以明顯看出前氧傳感器面上的流速很不均勻，只有很小曲面處于高流速區，大部分曲面處于低流速區。由此說明前氧傳感器處的流速差異較大，直接影響氧傳感器的檢測準確度，造成不充分燃燒，導致HC及其他污染物的增加。

表2 排氣歧管前氧傳感器位置評價參數表

3 結論

1）彎管式和蚌殼式排氣歧管的整車I型試驗表明，搭載蚌殼式排氣歧管的整車HC排放要優于彎管式。

2）I型試驗的冷啟動階段，蚌殼式觸媒的溫度上升明顯高于彎管式，由此導致HC排放優于彎管式。

3）蚌殼式的排氣流速和均勻性明顯優于彎管式，這也是造成觸媒溫度上升快于彎管式以及載體利用率高的主要原因。同時其前氧傳感器也處于高流速區域，比彎管式能夠更好的感受排氣中的氧濃度。從而能夠將更真實的空燃比信號提供給ECU，降低HC及其他污染物的排放。