基于不同载体对轻型车排放的研究

李艳光 陈子兵 郑丰 李权

奇瑞汽车股份有限公司 安徽省芜湖市 241009

随着经济的快速发展和城市化的不断推进，汽车的全国保有量在不断地增长。汽车尾气已成为大气污染的主要来源之一，安装三元催化转换器（TWC）是最有效的机外净化措施[1]。在冷起动过程中，车辆排放对环境污染影响很大[2-3]。因此，研制出优异的低温TWC意义重大。隗寒冰等人[4]针对冷起动阶段TWC起燃特性对整车排放影响显著的问题，提出了应用于混合驱动工况下以加快TWC起燃为目的、通过降低发动机输出功率来提高发动机排气温度的模糊控制策略以及基于极小值原理的起燃时间最优控制策略，结果表明2种控制策略均能有效改善混合动力汽车冷起动阶段的排放。孔祥华等人[5]发现进气温度高可以加快起燃，提出在催化转化器前加电加热催化器，或加HC吸附器，在冷启动时把HC污染物吸附储存，等催化转化器起燃之后，再放出进行催化氧化。代鹏等人[6]发现对原有后处理装置添加温度补偿装置后，能有效提高对污染物尾气的净化效率，减小污染物尾气的排放。以上都是针对排气温度或增加装置使催化转换器更快起燃进行研究。但随着排放法规的进一步加严，对汽车后处理装置的要求越来越高，传统的陶瓷载体升温慢，逐渐无法满足减少排放的要求，通过使用更低的载体重量（热容）可以更快的加热，改善车辆冷启动阶段的排放污染物；此外，贵金属价格较高，通过使用轻质载体可降低贵金属含量（与常规载体对比），降低整车成本。因此，研究轻质载体的使用对轻型车排放的影响具有重要的实际意义。本研究对比了在WLTC试验前100 s车辆装配轻质载体和常规载体的TWC温度、排放浓度和总循环及其间4个速度段污染物转化效率，以期为TWC的改进提供一定的数据支撑。

1 测试设备及研究方法

1.1 试验车与载体

试验车辆为某车企搭载1.5T的SUV车型，轻质载体（孔隙率55%，质量密度200g/L）和常规载体（孔隙率35%，质量密度267g/L）均为康宁公司生产，试验用燃油为国六基准燃油。

1.2 测试工况

本次试验采用WLTC试验，其由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分组成，持续时间共1 800 s，其中低速段持续时间589 s，中速段持续时间433 s，高速段的持续时间为455 s，超高速段的持续时间为323 s[7]。试验的主要参数见表1。

表1 循环试验主要参数

1.3 试验设备

本次试验测试设备采用AVL底盘测功机和AVL AMAI60、CVS I60等主要排放测试系统，颗粒物测试系统为AVL489，环境舱为IMTECH环境舱，设备参数见表2。

表2 测试设备参数

1.4 试验方案

整车预处理后，置于环境舱（296 K，100 kPa）浸车8 h后在底盘测功机上对装有常规载体的试验车辆进行WLTC试验，试验完成后更换轻质载体样件，预处理后置于环境舱（296 K，100 kPa）浸车8 h后在底盘测功机上对装有轻质载体的试验车辆进行WLTC试验，基于车辆装配2种载体的排放数据差异，综合分析不同载体对整车排放的影响。

2 结果与分析

2.1 冷起动前100 s温度上升速率对比

Du等[8]通过分析车辆起动后尾气污染物瞬时排放曲线，表明车辆启动排放通常在200 s内达到稳定。因此，为更好的分析2种载体对车辆排放的影响，本研究对比了车辆在WLTC试验前100 s的试验数据。图1为TWC装配轻质载体和常规载体的入口温度和中心温度，整体来看，装配轻质载体的TWC入口温度和中心温度上升速率明显高于常规载体。轻质载体在WLTC循环前30s时床温比常规载体床温平均高约30℃，轻质载体温度上升较快，可以使TWC更快起燃。

图1 不同载体TWC在冷起动前100 s温度上升对比

2.2 冷起动前100 s污染物排放浓度对比

为减少排气流量等方面对车辆排放的影响，本研究对比了WLTC循环工况前100 s车 辆 装 配2种 载 体 的CO、THC和NOx污染物排放浓度，如图2所示。整体来看，与轻质载体相比，装配常规载体的车辆CO和THC排放浓度峰值较大，且频率较高。在88 s时常规载体CO浓度达到2.72%，在18 s时常规载体THC浓度为6 899.83 ppm，分别是轻质载体的2.82倍和2.32倍，轻质载体的使用对车辆在冷起动阶段的CO和THC排放有着较大的减排率。对于NOx排放，由于车辆起动阶段原始排放含量较低，导致浓度频率和峰值无明显差异。

图2 不同载体车辆在冷起动前100 s污染物排放浓度对比

2.3 冷起动前100 s污染物转化效率对比

图3为TWC装配不同载体的污染物转化效率。由图可得，在20 s时装配轻质载体的TWC对各污染物的转化效率均超过50%，远高于常规载体转化效率；在30 s时装配轻质载体的TWC对CO、NOx污染物转化效率均超过80%，THC转化效率超过70%。综上所述，与常规载体相比，在冷起动前100 s内轻质载体的使用使得TWC对污染物的转化效率有着较大的提升。

图3 冷起动前100 s污染物转化效率对比

2.4 各速度段排放转化效率对比

表3为2种载体在WLTC试验总循环和其间4个速度段的转化效率。由表可得，在WLTC试验的中速段、高速段和超高速段，2种载体对车辆3种污染物排放转化效率差异较小，但在WLTC试验的低速段，与常规载体相比，降低贵金属的轻质载体对CO、THC和NOx排 放 分 别 提 升0.2%、3.52%和2.69%的转化效率，这与装配轻质载体的TWC有更快的起燃速率有关。在WLTC试验总循环中，装配轻质载体的车辆的CO、THC和NOx排 放 分 别 为126 mg/km、16 mg/km和7 mg/km，装配常规载体的车辆的CO、THC和NOx排 放 分 别 为122 mg/km、26 mg/km和12 mg/km，2种载体的排放均满足标准排放要求，且轻质载体对3种气态污染物的转化效率均高于常规载体，这表明轻质载体对3种污染物转化的表现优于常规载体。

表3 各阶段污染物转化效率/（%）

3 结语

（1）轻质载体温度上升速率比常规载体快。（2）排放循环工况下，轻质载体在20s时，各污染物转化效率均超过50%，30s时超过70%，可有效改善冷起动阶段排放。（3）降低贵金属的轻质载体对THC和NOx排放分别提升3.52%和2.69%的转化效率。（4）轻质载体在贵金属降低的同时，排放可满足标准要求，且在总循环中轻质载体对3种气态污染物的转化效率均高于常规载体。