汽車排氣系統清潔度與可燃物對排放PM值影響的研究

曾懸 鄒園 朱飛雄 徐益 盛優杰 向浩

神龍汽車有限公司技術中心 湖北省武漢市 430056

汽車發動機在正常使用過程中，由于燃油的不完全燃燒，汽車尾氣中往往伴隨有碳顆粒，尾氣排放到大氣中，造成大氣污染；中國第五階段排放法規對PM（顆粒）值的測量方法與限制有明確的規定。

1 國五排放標準PM測量方法及限制要求

1.1 車輛排放測試循環

目前輕型車國五排放測試循環為NEDC循環，運轉循環是由1部（市區運轉循環）和2部（市郊運轉循環）組成，詳見下圖1；

1.2 PM值的計算方法

用如下公式計算顆粒物排放量Mp（g/km）：

當顆粒物取樣樣氣排至稀釋通道外：

當顆粒物取樣樣氣排回稀釋通道內：

式中：

Vmix—標準狀態下，稀釋排氣的容積m3；

Vep—標準狀態下，流經顆粒物濾紙的排氣容積m3；

Pe—濾紙收集到的顆粒物質量g；

d—相當于運轉循環的實際距離km；

Mp—顆粒物排放量g/km。

1.3 輕型點燃式汽油車排放PM值限值

根據中國第五階段法規要求，輕型點燃式汽油車指常溫下冷起動后排氣污染物排放PM值限值為4.5 mg/km。

2 汽車尾氣中PM的生產原理

汽車尾氣PM的構成：（1）Soot（也稱DS，Dry Soot干碳煙）；（2）可溶性有機成分（SOF）；（3）硫酸鹽（sulfate）；大的燃油顆粒汽化剩下的重質烴，高溫脫氫碳化形成焦炭形狀大顆粒碳粒，氣相烴裂解、脫氫生產乙烯乙炔，高溫下形成具乙炔，反應生成原子級碳粒，聚合生成碳核，小碳粒碰撞、聚合生產較大不規則形狀的碳粒，同時吸附HC和硫酸鹽；（4）發動機進排氣系統的清潔度及內部可燃物不完全燃燒產生的碳煙顆粒。

3 排氣系統清潔度與可燃物對排放PM值影響的研究

圖1 NEDC循環

3.1 排氣管清潔度與可燃物

排氣管清潔度與內部可燃物的主要構成，詳見下表1；

3.2 試驗的方案

準備如下三種特殊狀態的排氣管樣件各一件，同時準備對應的試驗車（新車）一臺

方案一：排氣管在生產過程中對零件進行去油去塵清洗，同時取消吸音棉；

方案二：僅取消吸音棉；

方案三：僅排氣管在生產過程中對零件進行去油去塵清洗；

先將試驗車更換方案一排氣管，根據國五排放法規對PM值進行測試；然后更換方案二排氣管再次對PM值進行測試；再更換方案三排氣管，對PM值進行測試，最后更換原車排氣管，進行PM值測試；以上測試均采用NEDC循環；對各方案的測試值進行比較。

3.3 樣件準備

排氣管的生產工藝如下：（1）子零件沖壓成型，通常子零件由排氣管供應商的二級供應商完成；（2）消包組裝；通常包含吸音棉組裝，隔板消音管壓裝，隔板與消包殼體壓裝，端蓋咬口等工序；（3）總成焊接；將排氣管各部分管路、掛鉤、消包焊接起來；對于特制樣件，主要特別處理工序如下；

第一步：用清水及去油洗滌液對排氣管子件進行嚴格清洗，保證油污及雜質充分去除，清洗過程圖片見下圖2；

第二步：總成組裝前零件做密封防塵防護，存儲過程圖片見下圖3；

第三步：總成組裝焊接，對于方案一與方案二的樣件不裝吸音棉；對于方案一與方案三樣件在沖壓組裝時不使用沖壓用油，同時保證磨具表面清潔，生產過程圖片件下圖4；

第四步：樣件制作完成，成品樣件見下圖5；

3.3 整車試驗

按照3.2試驗方案中的流程進行排氣管樣件更換，拆換排氣管嚴格按照排氣管拆裝工藝流程進行，拆換過程保證排氣管內部不受異物污染，拆換過程圖片見下圖6；

按照3.2試驗方案中的流程，對不同排氣管狀態的試驗車先后進行排放測試，測試要求嚴格按照輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）試驗標準進行；記錄下測試前的整車起始里程數，測試過程圖片見下圖7，稱重過程下圖片見圖8。

表1 清潔度及可燃物的主要構成

圖2 樣件清洗圖

圖3 樣件清洗圖

圖4 組裝焊接圖

圖5 排氣管樣件

圖6 排氣管拆換

圖7 排放測試循環

圖8 PM值稱重

表2 PM值測試結果

3.4 試驗結果

通過對試驗結果的統計，各方案的PM質測量結果及測量起始里程數如下表2所示。

3.5 試驗分析及結論

為確認排氣系統清潔度與可燃物對整車排放PM值影響；本次試驗采用了相同的試驗車，且試驗車為新車狀態；相同的試驗方法，采用國五輕型汽油車排放測試方法；僅僅試驗用排氣管不同，方案二，取消了吸音棉，主要是為了取消吸音棉的塑料包裝袋，通常吸音棉的包裝袋會在整車的運行過程中燃燒掉，在燃燒過程中，由于不完全燃燒，會產生顆粒物，從而影響PM值，取消吸音棉的方案有效的避免了這部分影響因素對PM值的影響；當然取消吸音棉對整車聲學性能有一定的影響，這里不做討論；方案三，組裝焊接前對排氣管各子件進行了去油去塵清洗，沖壓過程不使用沖壓用油，保證了排氣管內部清潔；有效避免了生產運輸過程中產生的排氣管內部微粒及沖壓油不完全燃燒產生的顆粒物對整車PM排放值得影響；方案一，同時對排氣管樣件同時滿足方案二與方案三的優點，理論上整車的PM測量值應該最好；另外，試驗車對應的試驗里程數有略微差異，由于試驗車為新車狀態，理論上里程數越大，發動機磨合越好，對排放PM值有利，但是由于三種方案試驗時里程數差別較小，因此這部分影響因素可以忽略。

從試驗結果看，方案一兩次試驗的PM值分別是1.8mg/km，0.97mg/km；為四種狀態中最好的值；與我們之前的分析結果一致；方案二的PM值是2mg/km、1.8mg/km，方案三的PM值是3.3mg/km、2.5mg/km，這兩種方案測試結果比較相近，取消吸音棉的方案要好一些，兩種方案PM值測量結果都明顯優于原車狀態排氣管方案；原車整車生產狀態排氣管試驗值為6.1mg/km、4.1mg/km，結果最差，與理論分析結果相符；因此從試驗結果我們可以判斷；通過控制排氣管的清潔度及減少內部可燃物能夠明顯的改善新車狀態整車的PM排放值。

整車生產過程中，為滿足新車能夠滿足國家法規對PM值的要求，通常要進行長里程的磨合，整車的磨合的過程會使排氣管內的雜質及可燃物消耗干凈，從使PM值降低；為減少排放測試時整車磨合的公里數，目前部分排氣管供應商已經運用了預成型吸音棉的生產工藝，通過此種工藝的應用可以取消吸音棉包裝袋，但此工藝將帶來比較大的成本上升，如何在不增加生產成本的前提下取消吸音棉的包裝袋與排氣管生產沖壓油，同時控制排氣管清潔度將是另外一個的研究課題。