某轻型汽油车国Ⅴ排放异常问题分析与改进

张广军　陈国栋　武斐　袁忠庄（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

某轻型汽油车国Ⅴ排放异常问题分析与改进

张广军陈国栋武斐袁忠庄
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

针对某轻型汽油车在国Ⅴ排放开发过程中出现的THC、CO和NOx3种排放物同时大量产生的异常问题，通过鱼骨图分析识别出可能的影响因素，并通过对三效催化转换器贵金属含量和气流均匀性进行重点分析得出气流均匀性为主要影响因素。通过排气歧管设计变更以改善催化器气流均匀性，进而解决排放异常问题，使排放耐久试验顺利进行，同时避免了大幅增加催化器贵金属含量。

主题词：轻型汽油车三效催化转换器国Ⅴ排放气流均匀性

三效催化转换器（下文简称催化器）是轻型汽油车排气污染物排放控制的关键装置，通过催化剂的催化作用加速汽车尾气中THC、CO和NOx的氧化还原反应，使之转化为无害气体以达到净化的作用。催化器在浓混合气时对NOx的转化效率高，在稀混合气时对THC、CO的转化效率高，而在理论空燃比附近对3种排放物的转化效率都很高，此时称之为最佳“工作窗口”。当催化器工作在最佳“工作窗口”时，尾气中3种排放物近乎为零；当某种排放物较高时，可以通过空燃比标定使催化器工作在最佳“工作窗口”来解决，但是当3种排放物同时较高时，问题就变得比较复杂，需要从多方面进行综合分析。

1 问题描述及原因分析

以某款A级轻型汽油车为研究对象，其匹配1.6L自然吸气发动机和5MT变速器，排放开发目标为符合国Ⅴ排放标准，排放测试工况为NEDC循环，分为市区循环和市郊循环两部分［1］。在市郊循环中，催化器处于正常工作温度，正常情况下尾气中的CO、THC和NOx应近乎为零，但本研究对象却出现3种排放物同时较高的现象，分别占国Ⅴ排放限值的18%、32%和24%，见图1。

对于排放法规要求的I型试验（常温下冷起动后排气污染物排放试验）［2］，尽管可以通过标定优化降低市区循环的排放量，使得总排放结果满足国Ⅴ排放工程目标（法规限值的50%）要求，暂时掩盖市郊循环3种排放物同时较高的问题。但是，在排放耐久过程中此问题表现的更加突出，即模拟160 000 km排放耐久的快速老化催化器排放试验过程中仅进行到13 000 km就出现了排放超标现象。

图1　国Ⅴ排放测试循环累积排放曲线

因此，只有解决市郊循环3种排放物同时较高的问题，才能保证国Ⅴ排放耐久里程（160 000 km）内排放结果都达标。从发动机原始排放开始，沿着排放物的传递路线进行鱼骨图分析，识别出影响此问题的主要因素，见图2。经过多项试验和分析，排除了发动机原始排放、电控系统标定等因素，最终确定催化器的贵金属含量和气流均匀性两个重点因素。

图2　鱼骨图分析示意

2 催化器贵金属含量分析

为了分析催化器贵金属含量对上述问题的影响，试验提供了一种高配方催化器方案，贵金属含量较原配方增加了80%。通过排放结果对比，增加贵金属含量对排放结果有一定的改善作用，但3种排放物仍大量存在，见图3。考虑到此高配方方案已使单车成本增加约100元，因此试图继续大幅增加贵金属含量来解决此问题是不可取的。

图3　两种催化器贵金属配方对比曲线

3 催化器气流均匀性分析

对催化器气流均匀性进行分析，最直观的方法是观察催化器载体留下的气流痕迹。对13 000 km排放耐久试验的催化器进行解剖，载体前端面清晰可见4个较黑的区域，与催化器入口的4个排气管口对应的位置相吻合；同时，中心区域出现多条裂纹和不同程度的“凹坑”，见图4。

图4　催化器解剖图

根据上述现象做出如下推断：排气分别经4个排气管直接从催化器入口吹向催化器前端面，在管口正对的区域气流集中且流速较高，而外围区域流速低、气流少，催化器无法充分利用，总体利用效率降低，导致3种排放物同时大量产生。同时，中心区域温度高，加速催化器劣化，缩短使用寿命，导致仅经历13 000 km的排放耐久试验就出现了排放超标现象。

对气流均匀性进行进一步的理论分析和仿真，采用Weltens等建立的速度均匀性指数γ进行评价［2］：

式中，Ai为单元面积；A为总面积；ui为单元速度；u¯为平均速度。

速度均匀性指数γ在0和1之间，其值越大，则流速分布越均匀，一般要求其不小于0.85。速度均匀性指数与催化器扩张段结构、载体端面形式、载体位置等设计有关［3～6］。

对原方案排气歧管结构进行分析，在发动机额定转速5 500 r/min、最大排气流量345 kg/h的工况下，催化器截面的流速分布见图5，速度均匀性指数见表1。

结果表明，各缸排气集中分布在排气管口正对区域，这与催化器解剖图的推断一致。各缸排气速度均匀性指数均低于0.8，不满足0.85以上的目标值。

图5　原方案催化器排气速度分布云图

表1　原方案催化器速度均匀性指数

4 结构改进

为了改善催化器气流均匀性，对原排气歧管结构进行改进，将4支歧管先汇为一个总管，再经扩张腔后连接到催化器，见图6。排气气流经过总管和扩张腔的混合和扩散，改善了流经催化器载体的气流均匀性。

对改进方案排气歧管结构（图6b）进行分析，在发动机额定转速5 500 r/min、最大排气流量345 kg/h的工况下，催化器截面的流速分布见图7，速度均匀性指数见表2。

图6　改进前、后排气歧管结构对比

结果表明，改进后流经催化器载体的气流没有明显的集中分布区域，速度均匀性指数达到了0.9以上，满足0.85以上的目标值。

图7　改进方案催化器排气速度分布云图

表2　改进方案催化器速度均匀性指数

5 试验验证

5.1 排放结果验证

对改进方案进行催化器排放验证，市郊循环过程中THC、CO和NOx3种排放物近乎为0，3种排放物同时大量产生的问题得到彻底解决，见图8。

图8　两种方案排气歧管排放曲线对比

对模拟160 000 km快速老化催化器也进行排放验证，排放结果满足快速老化催化器国Ⅴ排放工程目标（法规限值的80%）要求。

5.2 排放耐久试验验证

按照排放法规要求，需要对整车进行160 000 km排放耐久试验，目前已经完成，排放物均在限值以内，见图9。

图9　160 000 km排放耐久试验结果

同时，利用专业内窥镜等设备观测160 000 km排放耐久试验后的催化器前端面，颜色较均匀，未出现明显裂纹或“凹坑”，见图10。

图10　催化器前端面观测示意

6 结束语

通过理论分析和试验验证，证明了催化器气流均匀性对整车排放的重要影响，不仅影响催化器利用效率，导致尾气中3种排放物同时大量产生的现象，同时也影响催化器使用寿命和排放耐久性能，造成车辆使用过程中过早出现排放超标问题。

排气歧管结构设计优化可以改善催化器气流均匀性，进而改善整车排放性能，避免单纯增加催化器贵金属含量的做法，有利于整车的成本控制，也是应对日益严格排放法规的重要手段。

1轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）. GB 18352.5-2013：7～8，44～49.

2 Weltens H，Bressler H，Terres F，etal.Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction. SAEPaper930780，1993.

3张逸，凌振国.欧Ⅳ标准催化转换器的结构设计.汽车技术，2006（5）：30～34.

4吴国江，黄震，陈晓玲.速度分布对三效催化器性能的影响（Ⅱ）结果与分析.化工学报，2005（1）：95～99.

5陈晓玲，张武高，黄震.车用催化转化器封装结构对其内部流动的影响.上海交通大学学报，2004（7）：1206～1208.

6丁柏群，何立.车用催化器结构与载体端面型式耦合对内部流场影响研究.车辆与动力技术，2007（1）：25～27.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年2月1日。

Analysis and Im provement of Abnormal China V Em ission of a Lightduty Gasoline Vehicle

Zhang Guangjun，Chen Guodong，Wu Fei，Yuan Zhongzhuang
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】Based on the abnormal emission that THC，CO and NOxare massively produced simultaneously in the development of China V emission of a light-duty gasoline vehicle，the main factors are identified by using fishbone diagram，and the preciousmetal content of the catalyst converter and uniformity of flow distribution are selectively analyzed which points out uniformity of flow distribution is the main cause of the problem.Through design optimization of exhaust manifold，uniformity of flow distribution is improved and the abnormal emission issue is solved，and then emission durability test can be carried out smoothly.At the same time，substantial increase of preciousmetal content of the catalyst is avoided.

Light-duty gasoline vehicle，Three-way catalyst converter，China V em ission，Uniform ity of flow distribution

U467.4+8

A

1000-3703（2016）08-0058-04