基于不同載體對輕型車排放的研究

李艷光 陳子兵 鄭豐 李權

奇瑞汽車股份有限公司 安徽省蕪湖市 241009

隨著經濟的快速發展和城市化的不斷推進，汽車的全國保有量在不斷地增長。汽車尾氣已成為大氣污染的主要來源之一，安裝三元催化轉換器（TWC）是最有效的機外凈化措施[1]。在冷起動過程中，車輛排放對環境污染影響很大[2-3]。因此，研制出優異的低溫TWC意義重大。隗寒冰等人[4]針對冷起動階段TWC起燃特性對整車排放影響顯著的問題，提出了應用于混合驅動工況下以加快TWC起燃為目的、通過降低發動機輸出功率來提高發動機排氣溫度的模糊控制策略以及基于極小值原理的起燃時間最優控制策略，結果表明2種控制策略均能有效改善混合動力汽車冷起動階段的排放。孔祥華等人[5]發現進氣溫度高可以加快起燃，提出在催化轉化器前加電加熱催化器，或加HC吸附器，在冷啟動時把HC污染物吸附儲存，等催化轉化器起燃之后，再放出進行催化氧化。代鵬等人[6]發現對原有后處理裝置添加溫度補償裝置后，能有效提高對污染物尾氣的凈化效率，減小污染物尾氣的排放。以上都是針對排氣溫度或增加裝置使催化轉換器更快起燃進行研究。但隨著排放法規的進一步加嚴，對汽車后處理裝置的要求越來越高，傳統的陶瓷載體升溫慢，逐漸無法滿足減少排放的要求，通過使用更低的載體重量（熱容）可以更快的加熱，改善車輛冷啟動階段的排放污染物；此外，貴金屬價格較高，通過使用輕質載體可降低貴金屬含量（與常規載體對比），降低整車成本。因此，研究輕質載體的使用對輕型車排放的影響具有重要的實際意義。本研究對比了在WLTC試驗前100 s車輛裝配輕質載體和常規載體的TWC溫度、排放濃度和總循環及其間4個速度段污染物轉化效率，以期為TWC的改進提供一定的數據支撐。

1 測試設備及研究方法

1.1 試驗車與載體

試驗車輛為某車企搭載1.5T的SUV車型，輕質載體（孔隙率55%，質量密度200g/L）和常規載體（孔隙率35%，質量密度267g/L）均為康寧公司生產，試驗用燃油為國六基準燃油。

1.2 測試工況

本次試驗采用WLTC試驗，其由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分組成，持續時間共1 800 s，其中低速段持續時間589 s，中速段持續時間433 s，高速段的持續時間為455 s，超高速段的持續時間為323 s[7]。試驗的主要參數見表1。

表1 循環試驗主要參數

1.3 試驗設備

本次試驗測試設備采用AVL底盤測功機和AVL AMAI60、CVS I60等主要排放測試系統，顆粒物測試系統為AVL489，環境艙為IMTECH環境艙，設備參數見表2。

表2 測試設備參數

1.4 試驗方案

整車預處理后，置于環境艙（296 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測功機上對裝有常規載體的試驗車輛進行WLTC試驗，試驗完成后更換輕質載體樣件，預處理后置于環境艙（296 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測功機上對裝有輕質載體的試驗車輛進行WLTC試驗，基于車輛裝配2種載體的排放數據差異，綜合分析不同載體對整車排放的影響。

2 結果與分析

2.1 冷起動前100 s溫度上升速率對比

Du等[8]通過分析車輛起動后尾氣污染物瞬時排放曲線，表明車輛啟動排放通常在200 s內達到穩定。因此，為更好的分析2種載體對車輛排放的影響，本研究對比了車輛在WLTC試驗前100 s的試驗數據。圖1為TWC裝配輕質載體和常規載體的入口溫度和中心溫度，整體來看，裝配輕質載體的TWC入口溫度和中心溫度上升速率明顯高于常規載體。輕質載體在WLTC循環前30s時床溫比常規載體床溫平均高約30℃，輕質載體溫度上升較快，可以使TWC更快起燃。

圖1 不同載體TWC在冷起動前100 s溫度上升對比

2.2 冷起動前100 s污染物排放濃度對比

為減少排氣流量等方面對車輛排放的影響，本研究對比了WLTC循環工況前100 s車 輛 裝 配2種 載 體 的CO、THC和NOx污染物排放濃度，如圖2所示。整體來看，與輕質載體相比，裝配常規載體的車輛CO和THC排放濃度峰值較大，且頻率較高。在88 s時常規載體CO濃度達到2.72%，在18 s時常規載體THC濃度為6 899.83 ppm，分別是輕質載體的2.82倍和2.32倍，輕質載體的使用對車輛在冷起動階段的CO和THC排放有著較大的減排率。對于NOx排放，由于車輛起動階段原始排放含量較低，導致濃度頻率和峰值無明顯差異。

圖2 不同載體車輛在冷起動前100 s污染物排放濃度對比

2.3 冷起動前100 s污染物轉化效率對比

圖3為TWC裝配不同載體的污染物轉化效率。由圖可得，在20 s時裝配輕質載體的TWC對各污染物的轉化效率均超過50%，遠高于常規載體轉化效率；在30 s時裝配輕質載體的TWC對CO、NOx污染物轉化效率均超過80%，THC轉化效率超過70%。綜上所述，與常規載體相比，在冷起動前100 s內輕質載體的使用使得TWC對污染物的轉化效率有著較大的提升。

圖3 冷起動前100 s污染物轉化效率對比

2.4 各速度段排放轉化效率對比

表3為2種載體在WLTC試驗總循環和其間4個速度段的轉化效率。由表可得，在WLTC試驗的中速段、高速段和超高速段，2種載體對車輛3種污染物排放轉化效率差異較小，但在WLTC試驗的低速段，與常規載體相比，降低貴金屬的輕質載體對CO、THC和NOx排 放 分 別 提 升0.2%、3.52%和2.69%的轉化效率，這與裝配輕質載體的TWC有更快的起燃速率有關。在WLTC試驗總循環中，裝配輕質載體的車輛的CO、THC和NOx排 放 分 別 為126 mg/km、16 mg/km和7 mg/km，裝配常規載體的車輛的CO、THC和NOx排 放 分 別 為122 mg/km、26 mg/km和12 mg/km，2種載體的排放均滿足標準排放要求，且輕質載體對3種氣態污染物的轉化效率均高于常規載體，這表明輕質載體對3種污染物轉化的表現優于常規載體。

表3 各階段污染物轉化效率/（%）

3 結語

（1）輕質載體溫度上升速率比常規載體快。（2）排放循環工況下，輕質載體在20s時，各污染物轉化效率均超過50%，30s時超過70%，可有效改善冷起動階段排放。（3）降低貴金屬的輕質載體對THC和NOx排放分別提升3.52%和2.69%的轉化效率。（4）輕質載體在貴金屬降低的同時，排放可滿足標準要求，且在總循環中輕質載體對3種氣態污染物的轉化效率均高于常規載體。