关于催化剂起燃特性对排放影响的探讨

工作过程，提高发动机排气温度，使催化剂尽快起燃[4-5]。本文以此为着力点展开研究。

1 整车排放试验

每一辆汽车进入市场前都要进行多方面验证，包括排放试验，验证排放量。各国排放法规都对汽车尾气有严格标准，排放试验达标，车辆才能上市。目前我国排放工况主要借鉴欧洲而制定，排放总运行时间为1 180 s，总行驶行程为11 km，主要分为市区和市郊的道路行驶工况。市区道路由4个测试循环组成，每个循环为195 s，总共780 s，每个循环由怠速、加速、匀速等15种不同的车辆行驶工况构成，车速较慢；市郊道路行驶工况类似于市区，但车速较高，最高为120 km/h，运行时间为400 s。排放工况如图1所示，国5排放标准如表1所示。

2 三效催化剂起燃特性

三效催化剂特性主要包括空燃比特性、起燃特性和空速特性，其中起燃特性总体上通过起燃温度来评价。而整个催化转化系统的主要起燃特性则通过起燃时间来评价。研究表明：三效催化剂起燃特性主要受空燃比、点火提前角、发动机怠速转速的影响。

2.1 空燃比

空燃比指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比，是发动机运行的一个重要指标，对发动机排放、动力性和经济性都有显著影响。

对汽油机而言，空燃比大于14.7的混合气为稀混合气，燃烧完全，CO和HC转化效率高，NOx转化效率低，有利于降低冷起动时CO和HC的排放，但过稀的空燃比同时会导致燃烧不稳定，失火次数增多，使得HC有所回升；空燃比小于14.7混合气称为浓混合气，燃烧不完全，排放物多。汽油机在最大功率下的空燃比一般处于11.8～13.3之间，怠速冷启动时空燃比可达11.8或更低，因此为了减少污染，应尽量使用稀混合气（特殊工况除外）。

空燃比一般用过量空气系数表示。从三效催化转化剂特性可知，过量空气系数对起燃特性影响很大。图2为试验得到的过量空气系数对HC和CO起燃特性的影响规律。当过量空气系数为1.3时，CO和HC的起燃温度均最低，分别为185℃和280℃，这是因为随着混合气变稀，排气中氧含量增加，CO和HC的氧化反應容易进行，但也可能导致NOx增加。而随着过量空气系数逐渐减小，CO和HC的起燃温度逐渐升高，在过量空气系数为0.9 时，两者起燃温度分别达到250℃和380℃，这是由氧气不足、燃烧不充分导致的。因此较低的过量空气系数对发动机排气温度（即催化剂入口温度）有较大影响。但三效催化剂起燃特性又要求过量空气系数大，因此权衡考虑，折中选取其值为1.1。

2.2 点火提前角

在空燃比一定的情况下，发动机点火提前角对CO污染物排放影响不大，只有在点火提前角很大时，才会导致CO氧化时间过短而未被氧化，引起CO排放增加。但点火提前角对HC和NOx的影响较大：随着最佳点火提前角的推迟，后燃更加严重，发动机热效率变差，燃烧明显恶化，NOx和HC同时降低；而如果最佳点火提前角提前，则会导致排气温度升高，使三效催化剂的催化温度随之升高，HC在排气行程及排气管加速氧化，最终使HC污染物的排放减少。

2.3 发动机怠速转速

提高发动机在冷机时的怠速转速，不仅可以提高发动机排气温度，也可使发动机进气量得到提高，从而缩短三效催化剂起燃时间。提高怠速转速还可能会导致整车油耗增高，因此也需考虑油耗的影响。对某直喷2.0 L发动机进行试验，发现将发动机怠速转速从1 000 rpm/min提高到1 400 rpm/min后，发动机排气温度和进气量都显著提升，三效催化剂作用时间更早。

3 国5常温排放对比试验与分析

根据上述分析，使用不同的发动机标定文件，在一台汽油机整车上进行国5常温排放对比试验，结果如表2所示。可以看出：

（1）第1次试验，用基础标定文件，除了NOx满足排放标准，其它排放物均超标；

（2）第2～5次试验，对怠速转速提高了200、300、400 rpm/min，排放结果有所优化，但仍不满足排放标准；

（3）第6次试验，增加了点火提前角的优化，发现效果有所改善，但CO排放仍略偏高；

（4）第7次试验，将点火提前角再推迟5度，CO排放有所改善，但不明显；

（5）第8次试验，在上述基础上，将空燃比减稀20%，发现HC、CO排放有所增加，这是因为空燃比过稀，导致燃烧不好，引起排放增加；

（6）第9次试验，仅将空燃比减稀10%，发现催化剂起燃更快，排放更好；第10、11次的重复试验印证了该事实。

11次试验的数据曲线如图3所示，更加直观地说明了上述问题。

3 结束语

冷起动时，合理提高发动机怠速转速，推迟点火角，降低空燃比，可加快催化剂起燃。改良发动机冷起动工作过程，降低了HC和CO排放，在不改变硬件成本的前提下使得整车排放得以优化，提高了车辆污染物排放标准，帮助车企提高了产品合格率。

参考文献

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