混合動力汽車零排放的研究

M. LAURELL L. PACE F. EKSTR M K. KONIECZNY

目前，裝配點燃式發動機的乘用車和輕型貨車在熱機狀態下已經實現了對排氣污染物的完全轉化，但減少排放的目標仍面臨挑戰。這主要受到冷起動和暖機策略的影響。對排氣后處理系統技術研究的重點是熱管理，并希望發動機盡快達到熱機狀態。目前，新的挑戰是實際駕駛工況排放（RDE）法規，因為RDE法規包含更頻繁的不同冷起動工況，這與以前法規要求的測試循環迥然不同。另一方面，如果排氣能實現完全轉化，對于許多排氣后處理系統（EATS）部件來說是有益的。例如，如果可以降低排氣溫度，則有利于排氣系統的耐久性。為了進一步大幅度降低排放，實現零排放概念，研究了電加熱催化器（EHC）技術，同時也包括預熱策略。排氣后處理明確的目標是在合適的時間、位置獲得合適的溫度。對排氣后處理系統結構、EHC加熱策略等多種方案進行了研究，以實現顯著的冷起動減排。混合動力電動汽車（HEV）的應用正快速地增長，這為支持新的減排策略提供了更多的可能性。該方案不僅能借助額外的電力驅動，還包括由電能支持的排氣后處理系統設計。沃爾沃汽車和大陸Emitec公司已經對嵌入EHC型的排氣后處理系統進行了設計和研究。當然，平衡排放與車輛的其他特性（如燃油耗）也很重要。

電加熱催化器;零排放;排氣后處理系統;混合動力;冷起動

0?前言

為了應對未來的排放法規，研究人員提出了“零排放混合動力車（HEV）”的概念。設定“零排放”目標有不同的原因，如歐6、歐7之后的排放法規規劃、大城市或人口稠密地區地方法規的演變、未來消費者對清潔動力的接受程度，以及替代動力系統的可用性等。

此外，隨著HEV的引入，汽車制造商同時面臨著更多的挑戰和可能性。HEV最基礎的版本是在車輛停止時的起停技術。1個更為先進的混合動力車的代表是插電式沃爾沃T8車型。該車型實現了全時電驅動和制動能量回收。然而，此類混合動力車也應該考慮“大負荷冷起動”的排放挑戰[1]。

越來越常見的是以不同的混合程度呈現的微混車型。電能的可用性在每種混合動力汽車類型之間有很大的差異，因此優化電能使用與排放、油耗、性能、駕駛性、耐久性，以及車內布置一樣重要，成為汽車設計需要考慮的重要因素。

電加熱催化器（EHC）技術的1個優勢是可以自由地使用電能來預熱、暖機或催化器保溫，以便在考慮到不同因素的情況下具有更好的整體排放性能。

自從在輕型車上引入三元催化器（TWC）以來[2]，熱機狀態和過量空氣系數λ=1條件下的廢氣轉化率接近100%。新的排氣后處理系統技術研究主要集中在冷起動和暖機階段。尤其是催化器的安裝、傳感器策略和發動機控制策略是盡快實現催化器起燃的關鍵參數。催化器的安裝及與排氣后處理系統控制的相互作用是必不可少的。本研究以沃爾沃的部分零排放汽車（PZEV）和過渡零排放汽車（TZEV）系統為例展開討論，其排氣系統示例見圖1。

圖1（a）是在2002年款5缸自然吸氣發動機上搭載的排氣后處理系統，由2個緊耦合催化器（CCC）和1個底板下催化器（UFC）組成[3-4]。兩級催化器盡可能靠近發動機，以保證廢氣最大限度地加熱催化劑。緊耦合結構中2塊載體之間的混合區通過高度混合均勻的廢氣提升了第2級催化器的效率，在冷起動早期就可以很大程度上利用第2級催化器而開展凈化工作[5]。

圖1（b）是升級版在用的排氣后處理系統，具有更為先進的控制功能，帶有集成式后氧傳感器，用于催化器控制的早期起動。催化器前端有打孔的金屬片結構，因此排氣與徑向氣體可進行混合，并支持精確的傳感器信號質量。該控制措施可以允許催化器的安裝位置后移，以便減輕高溫負荷，促進氣體混合，以最大限度地利用催化器。

圖1（c）為目前安裝在沃爾沃T8過渡零排放汽車（TZEV）上的排氣系統。在渦輪增壓發動機上，氣體混合在渦輪中完成，渦輪同時也充當散熱器。這在某種程度上降低了緊耦合催化器中的溫度，同時集成了氧傳感器技術支持催化器控制的早期起動。在彎管內安裝2個載體（緊湊型催化器）可最大限度地減小背壓，避免在額外區域內發生壓縮和膨脹，還可進一步降低溫度。第2級催化器（即后催化器）轉化率非常高，這得益于在進入后催化器之前在水平壁上發生的氣體脈動平衡，使得整個系統的尺寸相對較小。這種設計減少了電力驅動期間的熱損失，降低了冷卻效應。總之，對于T8插電式混合動力電動汽車（PHEV）而言，這是1個有效的系統。當然，排氣后處理系統的設計并不能完全消除大負荷冷起動的負面影響[6]。

同時這還是1個平衡的系統。對于冷浸后起動要考慮到保持熱量的能力;而對于冷起動，則縮短了后催化器功能被完全激活的時間延遲。這在一定程度上降低了排放的平均溫度，降低了過熱風險。例如，在換檔過程中，為了減少齒輪箱上的應力而降低扭矩可能會產生催化器超過最大許用溫度的風險[7]。

為了實現零排放的目標，除了采取更有效的措施，還應考慮使用EHC（包括預熱方法）的可能性。為了不僅在熱機狀態下具備實現零排放的潛力，而且在冷起動和暖機情況下也能實現零排放，必須對系統進行預處理。這既可以通過對排氣系統零件（主要是電氣件）進行預熱來實現，也可以在某些情況下考慮不同的隔熱方法。依賴于這些策略的系統可能很難做到。例如，如果駕駛員在不給蓄電池充電的情況下進行幾次預處理，則會導致蓄電池電量耗盡。然而，預處理顯示出巨大的減排潛力，因此將該策略與客戶接受度、立法機關的意圖和車輛技術結合起來是非常重要的。

1?沃爾沃PHEV排氣后處理系統

如上文所述，T8原排氣系統為兩級催化器結構，催化器設計采用集成在彎管內的1種創新方法（圖2）。開發樣件系統的設想是研究1種替代結構，增加從渦輪增壓器出口到排氣后處理系統（EATS）催化劑載體入口的距離（表1）。當發動機艙下方空間受限時，這種結構有利于布置，并可降低催化器入口溫度。此外，出于實際原因，在前期工程研究期間，此樣件系統結構更容易使用，如傳感器更容易安裝。

樣件系統的長度較短，具有經充分優化的彎管，以使排氣流動順暢，從而最大化地減少熱損失。氣體混合區與柔性波紋管結合，半緊耦合EHC直接安裝在波紋管后面。

樣件系統的潛在缺點之一是在冷起動和預熱期間，廢氣的平均溫度較低，導致排氣尾管排放比量產車輛稍高。原因是該方案包括后催化器，整個系統預熱需要更長的時間。通常允許起停操作或大負荷冷起動的條件之一是排氣后處理系統完全預熱。當然，對于大負荷起動而言，比小負荷起動時需要更多的催化器容積。

圖3顯示了兩級催化器在全球輕型車統一試驗循環（WLTC）工況溫度達到250 ℃時所需的時間：量產系統在43 s后達到250 ℃，而樣件系統在85 s后達到相同的溫度。當然，這種差異是由于應用場景和駕駛循環的不同而存在差異。

為了收集有關安裝EHC樣件系統的性能（排放與能耗）的一些初步信息，研究人員進行了一系列試驗。圖4展示了在WLTC工況實測的達到較低尾管排放的EHC的能量需求，基準是未激活EHC的樣件系統。由圖4可知，EHC工作時間越長，尾管排放就越低，但能耗也越高。

2?EHC

EHC由20世紀90年代發展起來，其研發目標是在極低的排氣溫度下也能使催化器快速起燃。最初催化轉化器布置在底板下，之后將其移動到緊耦合的位置。在緊耦合位置，廢氣溫度夠高，足以在所需時間內達到起燃的程度（圖5）。

最近幾年，隨著排放法規的日趨嚴格，實際駕駛工況排放（RDE）法規和盡可能大的過量空氣系數區域對排氣系統可靠處理污染物提出了更高的要求，這使得EHC再次受到關注。最近，沃爾沃開展了1項關鍵的開發工作，從標準的12 V EHC變為創新的48 V EHC。與12 V的EHC相比，48 V的EHC有更高的功率，即使在用電高負荷階段也能更快地起燃。

EHC的基本思想是將由焦耳效應產生的熱能從加熱盤高效地傳遞到催化劑載體。將加熱盤設計成蜂窩盤形狀，作為催化器的一部分置于催化器入口。將直接加熱的圓盤涂上涂層，即開始轉化污染物。加熱盤通過支撐銷與兩級催化器，即支撐催化器進行機械連接，EHC構造見圖6所示。

加熱盤的工作原理是通過電熱線圈進行加熱。通過1個電氣接頭提供電源，將電能傳送到加熱盤（金屬片組）。其本身的電阻決定了加熱催化劑消耗的功率。與金屬載體的正常卷繞工藝一樣，加熱盤被卷繞成S形的特定形狀。另一電氣接頭與車輛接地，該接頭可連接到車載網絡或直接連接到EHC外殼體。這種結構能確保催化器長期承受排氣系統中的高溫和機械負荷。

為了尋找在減排和能耗方面的最優策略，研究人員使用了專有的模擬工具KatProg軟件進行仿真計算。

3?KatProg軟件

KatProg軟件是在2000年左右發展起來的，用來計算催化器系統的冷起動性能。其功能主要基于二維溫度分布計算程序，其中添加了幾何數據計算和轉化特性的代碼。計算網格如圖7所示，采用10個徑向和20個軸向單元組成的網格模擬催化器。軸向單元的數量由催化器的長度決定，徑向單元模擬殼體、空氣隔熱層或陶瓷纖維層和外殼體。

為了計算催化器的溫度分布和轉化反應，KatProg軟件需要錄入系統的一些幾何參數，如直徑、長度、單元密度，以及原始排放量、質量流量和催化器前端的溫度等。這些數據由特定的文件提供，輸出的結果以列表的形式給出，其中包含了所有網格單元的溫度和濃度。

KatProg軟件使用1條起燃曲線作為輸入以估計網格中每個單元的轉化效率。轉化效率受溫度或傳質系數β的限制，可使用式（1）計算

β=（Sh×D）/ Dh（1）

式中，Sh是舍伍德數，D是二元擴散系數，Dh是單通道的水力直徑。

KatProg軟件使用最先進的求解器和算法，將仿真時間減少到實際的10%以下。圖8給出了測量的和模擬的碳氫（HC）排放量的比較。將發動機原始HC排放作為KatProg軟件仿真的輸入，對模擬結果與實測尾管排放進行了比較。由于TWC涂層中吸附劑的作用，前幾秒時間內的排放曲線的形狀不同，KatProg軟件無法模擬。但總體上，這些線的形狀偏差較小，具有可比性。

4?EHC試驗

帶EHC的排氣后處理系統樣件在量產XC90 T6滿足歐6c排放的車型上進行了測試，該車型配備了2.0 L渦輪增壓和機械增壓發動機，發動機基本參數見表2。運用不同的電加熱策略，即相同的功率但不同的加熱時間，從發動機起動開始進行了排放測試（圖9）。在所有情況下，發動機的表征參數，例如排放、空燃比和溫度都是可進行對比的。

從圖9結果可見，隨著加熱時間的增加，HC的轉化提前開始，冷起動排放可減少40%。在催化劑載體內5 mm處用熱電偶測量了溫度。從圖10中的溫度分布來看，催化劑達到起燃溫度的時間差異非常小。

如圖10所示，熱電偶溫升與排放起燃（圖9）的規律表現不同，溫度升高與減排的對應關系似乎并不明顯。

加熱催化器的熱量有3個來源：（1）來自發動機的排氣熱量（包括發動機標定，如點火正時）;（2）來自催化劑涂層內化學反應的放熱;（3）來自涂層內側的電加熱熱量。采用EHC降低排氣尾管排放的原因是涂覆有涂層加熱盤自身溫度的快速升高。在涂層內部熱量增多又會導致局部化學反應加快，產生放熱，如此循環。

發動機加熱和電加熱的根本區別在于發動機加熱存在傳熱延遲，而電加熱則將其熱量直接傳遞給催化器。

圖11顯示了采用3 kW電加熱30 s時，在有涂層的載體上沒有氣體通過情況下的加熱盤溫升曲線，測點分別距離支撐載體前端面2 mm和25 mm。

5?非固定循環工況下的排放穩健性

對XC90 T6 歐6c車型進行了基本研究后，使用PHEV版本的XC90 T8進行試驗，該發動機軟件標定更自由，發動機參數見表2所示。沃爾沃XC90 T8 歐6d TEMP車型經過重新標定和改制，以便能夠對樣件系統中加入EHC后的影響進行穩健性研究。

典型的汽油機排放系統后處理效果在很大程度上依賴于冷起動排放性能。過量空氣系數和點火正時是需要調整的典型參數。當然，當工況穩定時，這種調整最容易實現。如果排放系統在催化劑加熱期間受到干擾，則會產生一些影響。干擾可以通過軟件功能和/或其他執行機構（如電力）的支持進行補償，以限制不利影響。在本研究中，采用不帶上述補償的車輛開展試驗，評估2種水平的干擾。其目的是區分和量化在配備EHC的排氣后處理系統上，能夠抑制排放系統干擾的更好策略。通常，在討論非固定循環（如實際駕駛工況）面臨的挑戰時，這些干擾起著主要作用。未來，包括RDE法規在內，確實會引起人們對這類問題的更多關注。

從試驗和模擬中確定了優化的加熱策略后，研究將繼續關注樣件系統的穩健性，這些樣件采用了電加熱策略。定義的試驗工況如下所示，試驗結果如圖12所示。

工況A，0 s對應于標準車輛起動策略，這些策略已針對WLTC工況進行了優化。

工況B，在第1個怠速期間，為發動機轉速和負荷施加了一些干擾。在整個催化器完成加熱之前，這些干擾會導致明顯的空燃比偏差。

工況C，在第1個加速期間，為發動機轉速和負荷施加了一些干擾。在整個催化器完成加熱前，干擾會導致明顯的空燃比偏差和廢氣質量流量偏差。

由于PHEV車輛具有電驅動的特性，可以對工況C進行標定（空燃比和流量偏差），并具有良好的重復性。其中心思想是由1個擾動水平引起的排放增加可以通過電加熱進行補償，并恢復到先前的水平。在這種情況下，方案B使用的加熱能量過高。根據軟件模擬，可以將能量減少1/3，與先前的水平相匹配。

圖13給出了3種不同的加熱策略，并使用KatProg模擬了這3種加熱策略，以便優化加熱時間，使能量需求降到最小。在3種加熱策略下，WLTC工況累積HC排放結果如圖14所示。在EATS1結構下，自行預熱方案（HS1）并不是減少排放的最佳方式。沒有任何氣流，熱量就不能輸送到主催化器中。發動機起動后的加熱方案（HS2）允許廢氣直接將熱量傳遞到下游的后處理系統中，但該系統在最初幾秒鐘內處于溫度較低的狀態。所以，將發動機起動前和起動后加熱相結合似乎是最好的策略。

6?EHC預熱

預熱在有無氣流的情況下都可以進行。有氣流時隨著氣體質量流量的增加，熱量可以很快地通過排氣后處理系統傳輸，并使催化器迅速超過起燃溫度。缺點是輔助氣流裝置的安裝相當復雜。無氣流的預熱會面臨催化器加熱盤過熱的風險，但本研究測試車輛不存在此問題。為了簡化起見，本試驗沒有提供氣體流量。

為了盡可能地從這種局部熱源中獲益，研究人員在加熱盤前面布置了1個催化器，以捕捉輻射能量。圖15所示的EATS2系統布置采用電加熱的排放收益比借助發動機排氣熱量加熱策略的EATS1小得多。原因是在怠速時，廢氣在通過熱的電加熱盤之前被第1級載體冷卻，因此第1次加速時EATS2的平均溫度低于EATS1的平均溫度。此外，對于從發動機起動開始的標準加熱，支撐載體軸向25 mm處的溫度在“露點”左右，冷凝水需要蒸發，因此有延遲。這實際上類似于催化器完全沒有加熱時的情況。

如圖16、圖17和圖18所示，將使用預加熱與無預熱相比，可以觀察到排放減少了50%，原因是第2級催化器中不再存在蒸發延遲。當然，加熱盤在預熱期間達到高溫，彌補了冷催化器的冷卻作用。

從以上結果可以看出，預加熱是1個很好的減排策略，通常也可以從電動系統中獲得所需的能量。更復雜的是關于可用功率的情況，這是因為許多電器之間存在功率競爭。典型的理想預熱策略如圖19所示，在起動過程中應關閉EHC加熱，但在起動后應持續一定時間，需在減速階段增加額外的EHC功率。

然而，預加熱策略需要進一步全面的研究，包括多個電動執行器之間的功率分配，車載診斷相關法規，甚至客戶的感知，以及系統與駕駛員之間的互動。例如，司機是否會接受在車門打開時起動預熱，或者在司機坐到駕駛位上后起動預熱。同時，也必須對在減速過程中使用EHC的可能性進行深入的研究。考慮到電池充電和保持排氣后處理系統高于起燃溫度用電之間的分配，應避免任何可能增加排放的“熄火”動作。

從排放系統的應用來看，預加熱是1個非常理想的方案。事實上，正是該策略具有能夠達到絕對最佳排放的潛力。加熱盤在整個排氣后處理系統中起著關鍵作用，因此加熱盤不應布置在溫度過高和污染嚴重的位置。在2塊載體中間有1個有涂層的圓盤，看起來更有吸引力，盡管這種布局只能在預熱策略研究時才能運用。

對于未來的發展，另1個方案是EHC技術研究要考慮到保護氧傳感器，因為該傳感器在暖機階段對水滴的耐久性通常是最敏感的。眾所周知，氧傳感器在正常工作前需要一段時間的加熱過程。總之，開發包括預熱實現零排放在內的實用方法是很有吸引力的。此外，其他文獻也報道了這種中心有加熱盤的布局，適合與排放污染物捕集器結合使用。

7?油耗討論

由于使用混合動力汽車不僅提供了電動駕駛的樂趣，主要目的是為了節省燃油。如上所述，在樣件系統EATS1上，整個系統升溫前的加熱時間較長。這意味著對兩級催化器的加熱影響了起停功能，因此燃油消耗收益將喪失。在首次發動機起動后，如果等待時間較長，直到HEV功能完全起動，則會喪失節油潛力。因此，如何平衡提供給EHC的電能，以達到更快的混合動力汽車驅動模式，降低燃油消耗。當然，這種平衡取決于實際應用場景。

為了評估加熱對EHC下游催化器的影響，在新歐洲行駛循環（NEDC）的一部分工況中，使用2 kW功率的加熱策略，對EATS1和EATS2這2個系統進行了比較試驗（表3），結果如圖20所示。EATS2在支持延長起停方面的優勢是顯而易見的，因為在EATS2布局中，底板下催化器的溫度迅速升高，從而使電氣驅動的后處理條件提前。另外，如圖21所示，可以看到采用不同的加熱策略，底板下催化器的溫度有明顯差異。

從排氣后處理系統條件的角度來看，最快的加熱策略允許在起停狀態持續60 s，而沒有電加熱的方案則需要更長的時間。在緊耦合催化器（CCC）系統中，則可以標定發動機催化器加熱策略，以便像CCC+UFC樣件系統，通過額外的加熱，達到完全相同的加熱時間。

通常，通過發動機主動加熱的催化器，在發動機起動后仍需繼續加熱，直到整個排氣后處理系統達到溫度要求。這是出于排放的穩健性要求。在該加熱過程中，以輸送到催化轉化器的一定熱能Q為特征，發動機保持運轉，并禁用起停等混合動力功能。

如圖22所示，可以將熱能分為3個來源：（1）發動機加熱，包括被動催化器加熱（發動機余熱）和主動催化器加熱（點火延遲）;（2）催化劑中的放熱;（3）電加熱。

增加電加熱促進了催化劑中的放熱反應，加速了整個升溫過程，使得純電驅動模式提前。為了說明這一點，研究人員將試驗車在各種城市的行駛循環中進行了測試，測試結果如圖23所示。在汽車能耗較低的情況下，主動催化劑加熱起著較大的作用。當然，用電加熱排氣后處理系統會影響汽車的能耗，從而也會影響燃油耗。為了量化燃油耗惡化情況，以3 kW和30 s加熱的方案為例，這將消耗90 kJ的電能（由交流發電機提供），這相當于約6 g的燃油，換算成整個全球輕型車測試規程（WLTP）等效工況CO2排放約為0.75g/km，而借助于混合動力在催化器加熱初期的廣泛使用，EHC可以提高燃油經濟性。

8?充電時預加熱

另1種可與PHEV結合使用的預熱策略是在車輛充電時進行預熱（圖24）。研究人員對1個非商用的預熱策略進行了研究。在現款沃爾沃T8插電式混合動力車原先的后處理系統（緊湊型催化器）上安裝了1個加熱棒。該加熱棒是1個240 V、130 W電阻加熱器元件，插入到載體的孔中（使用傳感器孔）。加熱棒直接連接到外部供電網絡。零件測試表明，用130 W的電阻加熱器預熱2 h，催化器溫度顯示約為400 °C。

作為該方案的另1種選擇，研究人員還研究了夾心式的催化器（圖25）。在某種程度上，與后面帶有EHC的樣件版本非常相似。與加熱棒法相比，夾心式的優點在于2種系統都可以進行低溫預熱，并且夾心式催化器還可以在發動機起動時進行全功率加熱。當然，由于很難判斷汽車什么時候起動，且采用低功率加熱方式需要數百分鐘后才能達到工作溫度，因此需要將用戶行為“智能連接”到車輛上進行判斷。

9?結論

盡管現行法規中沒有規定現有的內燃機汽車要達到零排放，然而沃爾沃汽車公司和大陸Emitec公司還是制定了這一具有挑戰性的目標來研究不同的技術。研究人員采用標準位置的EHC，即在載體前端加裝加熱盤，結果在減少排氣尾管排放方面顯示出優異的效果，可達到排氣尾管排放減少約40%。此標準方法也可以支持混合動力系統排放策略。如果加熱盤位于2塊載體之間，并且采用了預熱策略，則排氣尾管排放減少約50%。盡管需要預熱，但因該方法耐久性能更好，所以最受期待。這種方法也符合氧傳感器預熱的要求。配置有預熱功能的車輛對于實現零排放系統具有明顯的優勢。對于PHEV的策略是，一旦連接到電?路，可以使整個排氣后處理系統保持加熱，或使用低功率加熱器加熱。加熱所消耗的能量有可能被回收。如果發動機起停和電驅動起用取決于完全加熱的排氣后處理系統和低速循環是否集中，能量回收則很有可能實現。在這種情況下，能量回收將對降低燃油耗產生積極影響。

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