system: [SYSTEM]

user: 4. 实际道路行驶瞬态NO排放特性 众多的研究结果都表明，目前轻型汽油车实际道路行驶过程中最容易超标的尾气排放是NO。英国的Duckhouse和Peckham等人 [ 12 ] 在研究机动车瞬态排放时发现轻型汽油车在道路试验过程中三效催化器出口处会出现NO排放恶化的现象，他们将这种排放恶化的现象称作NO的穿透或泄露(NO Breakthrough)。 通常住宅区空气中NO浓度最高不能超过0.15 mg/m 3 ，换算成体积浓度约为0.12 × 10 −6 ；而工作区的NO浓度最高不能超过5 mg/m 3 ，换算成体积浓度约为4.07 × 10 −6 ，三级标准下的NO日平均浓度限值为20 mg/m 3 ，换算成体积浓度为16.3 × 10 −6 。由此可见，空气中NO的浓度限值比较低，基本都低于20 × 10 −6 。实际在排放试验过程中，当发动机处于热机稳态工况下运行时，催化器出口处检测到的NO浓度低于10 × 10 −6 ，而在一些特殊工况下，催化器出口处测量到的NO浓度会非常高。这些尾气进入到空气中后还会被大幅稀释，所以考虑稀释倍数为10倍时，要满足NO排气浓度低于空气中气体浓度限值的要求，那么催化器出口端的NO浓度应低于200 × 10 −6 。当催化器出口处NO浓度值超过200 × 10 −6 时，本文称为NO穿透。 4.1. NO排放特性 内燃机燃烧生成的氮氧化物NO x 主要包括NO和NO 2 ，对于汽油机，其尾气中的NO 2 通常只占NO x 总质量的1%~2% [ 13 ]，因此一般对汽油机的氮氧化物排放重点关注NO。 对试验车实际道路行驶NO浓度分析，催化器入口的(Engine-out) NO浓度与发动机节气门开度有明显的相关性，如图2所示。当发动机节气门开度突然增大时，发动机缸内燃烧生成的NO明显增加，节气门开度相对平稳时，催化器入口的NO也相应处于较低水平。原因是当发动机需求负荷增大时，ECU会控制节气门开度以增加进气量；而发动机的负荷增大时，缸内燃烧温度升高，导致催化器入口的NO增加。 图2. 试验车催化器入口NO浓度与节气门开度的相关性 4.2. 汽油车瞬态NO排放特性的数据采集与分析 在分析汽油车瞬态NO排放特征时将具体到每一个工况点，如发动机的运行工况和车辆的行驶工况。本文重点研究区域是三效催化器出口出现NO排放尖峰，即NO穿透的区域。分析特殊区域下NO穿透的机理，提出有效控制策略以优化排放恶化的工况。 4.2.1 . 瞬态NO排放分析 图3中所示为本文试验车道路行驶时的NO瞬态排放特性。该段数据截取自试验车在某次路试试验中的一个典型片段，时间为360~380 s。该过程中最特殊的是三效催化器出口处出现了三个NO排放尖峰A、B、C，各自的尖峰浓度值都超过了200 × 10 −6 ，最高的B峰甚至达到了1200 × 10 −6 ，这表明在短短20 s的时间内一共出现了三次典型的NO穿透催化器现象。这些NO尖峰也正是该车路试过程中NO排放的主要来源，如果能有效避免这些尖峰的出现，那么该试验车的NO排放总量会有非常明显的降低。图3下方是对该片段A、B、C、D四个工况点说明。 1) A工况点催化器出口处出现NO浓度为698.4 × 10 − 6 的排放尖峰(A1：出现NO尖峰之前汽车油门踏板位置为0，即未踩油门，对应发动机缸内燃烧生成的NO也为0；A2：NO尖峰出现之前持续了1.2 s左右的断油，此时发动机需求转矩也为0；A3：发动机转速由1点的3120 r/min迅速降低到2点的1440 r/min)； 2) B工况点催化器出口处出现NO浓度为1213 × 10 − 6 的排放尖峰； 3) C工况点催化器出口处出现NO浓度为350.6 × 10 − 6 的排放尖峰，其出现的情况与A、B处完全一致； 4) D工况点汽车油门踏板位置为0，即未踩油门，但此时并未出现断油信号和催化器后端的NO峰值。 从上述对图3中特定点的分析，可以发现该片段中A、B、C三个催化器后端NO排放尖峰出现的原因是完全一致的。在这三个尖峰之前均出现了汽车换挡但未加大油门、发动机需求转矩为0、发动机原机NO排放为0、短暂断油和发动机转速急剧变化的现象。总结此时出现催后NO排放尖峰的原因：减小油门、换挡后而未加大油门，此时汽车继续前进，发动机需求转矩为0，因为道路阻力和减小油门开度使得发动机转速迅速下降，同时出现短暂断油的现象，由此过量空气系数急剧升高，混合气处于极稀的状态；发动机也出现停缸现象，发动机缸内并未燃烧，原机NO排放近似为0。因为过量空气系数极高，这些气体进入三效催化器内部使得催化器处于富氧状态 [ 2 ]。当重新喷油的瞬间，发动机缸内重新开始燃烧并伴随排气生成，但此时三效催化器内的氧气与THC和CO发生反应，导致没有足够的还原剂与NO发生反应，所以部分NO气体直接穿过催化器到达出口端，测得NO浓度尖峰。 图3. 试验车道路行驶NO瞬态排放特性(360 s~380 s) 通过验证其他时间点出现NO穿透的位置，图4和图5出了391~394 s、395~398 s、514~517 s和602~605 s的瞬态排放结果，都证明了上述结论的一致性和准确性。 4.2.2 . 发动机瞬时断油对瞬态NO排放影响 需要注意的是，并非所有发动机瞬时断油使得过量空气系数变大的情况都会出现NO穿透三效催化器的现象。图6中所示的B区域出现了短暂的发动机断油，同时三效催化器前端的氧传感器测得过量空气系数达到4.2，但是此时并没有出现催化器出口处的NO排放尖峰。分析认为，真正影响NO穿透三效催化器的是催化器内部的还原反应是否完全，只有当催化器内部出现过量空气系数偏大，整体氧浓度偏高时，NO才可能会因反应不完全而被排出催化器。但是试验测量的是催化器进口处的过量空气系数，并不能准确的反应催化器内部的气体组分情况。对比图6中的A、B两个区域，A区域中出现断油信号的短时间内进气流量明显高于B区域，同时A区域的断油持续时间也明显长于B区域，最终导致催化器前端的氧传感器检测到A区域的过量空气系数高达15.3，而B区域的过量空气系数最高仅为4.2，这说明在A区域有明显多于B区域的新鲜空气存在。这些气体进入催化器后与随后缸内燃烧排出的尾气混合发生反应，因为A区域中氧气过多，导致有部分NO并未完全参与反应；而B区域进入催化器的氧气相比于A区域要少很多，所以缸内燃烧产生的排气进入催化器后仍然有足够的还原剂与NO发生反应，因而催化器出口处并没有检测到NO排放尖峰。 图4. 试验车道路行驶NO瞬态排放特性 图5. 试验车道路行驶NO瞬态排放特性 图6. 试验车在两处断油瞬时的NO排放对比 从上文对图6的分析可知，断油信号持续的时间长短可能会影响催化器前端混合气过量空气系数的高低。为了更准确的说明该现象，现将试验车行车片段200~400 s的排放结果由图7给出。 图7. 试验车断油信号持续时间对过量空气系数的影响 图7中发动机断油信号与过量空气系数具有明显的对应关系，每一次断油信号出现的瞬间都会有相应极高的过量空气系数，而且断油信号持续的时间越长，则对应出现的过量空气系数值越大，说明此时的混合气越稀，混合气过稀进入催化器中很可能会使得三效催化器富氧从而出现NO穿透现象。但是需要注意，瞬时过量空气系数的高低与催化器出口处检测到NO排放尖峰的大小没有必然关系，过量空气系数越大，混合气越稀，但并不意味着此时穿透催化器的NO越多，因为最终影响NO穿透催化器的因素是在三效催化器内部NO是否能够完全发生反应。所以当过量空气系数小于1，即混合气处于偏浓状态时，通常不会出现NO穿透催化器的现象。 4.2.3 . 小结 轻型汽油车在快速减小油门踏板开度的过程中，会依靠自身惯性继续前进，此时发动机处在高速运转的状态中，进入气缸中的新鲜空气很少，为降低有害气体的排放同时减少燃油消耗，发动机发出瞬时断油信号，导致催化器前端气体的过量空气系数偏高，这些气体进入到催化器后会与排气中的THC和CO发生氧化反应，当氧气量过多，NO会因还原剂不够，反应不完全而被排到催化器出口处，导致催化器后端检测到NO穿透。 轻型车实际道路行驶过程中出现催化器出口处NO排放尖峰的主要原因有：实际道路行驶过程中有档位变化时，ECU控制发动机瞬时断油；当实际行驶中依靠汽车惯性前进时，ECU控制发动机瞬时断油；当激烈驾驶，突然减小油门，同样引起 ECU控制发动机瞬时断油。这三类断油信号的出现，会使得混合气出现瞬时偏稀，这些气体进入三效催化器后使得催化器富氧，没有足够的还原剂THC、CO与NO发生氧化还原反应，故部分未完全反应的NO被排到催化器出口端。 4.3. 针对NO瞬态排放特性的应对策略 为了应对实际行驶过程中NO瞬态穿透催化器的现象，应该着重关注和检测行驶时出现断油信号的位置和工况，并相应在这些断油信号出现的瞬时之后采取混合气加浓的策略，以补给三效催化器足够的THC和CO，使之与NO发生氧化还原反应，降低NO排放。 断油会降低油耗但很可能会导致NO穿透催化器进入到大气中，所以一定要在燃油经济性和排放性之间找准平衡点。可以适当地将断油时间控制得更短一些或控制发动机减小油门踏板开度之后的进气量迅速降低，使得混合气不至于过稀而使三效催化器内部富氧，最后导致NO穿透催化器。