電加熱金屬載體催化劑對(duì)汽油機(jī)冷起動(dòng)階段排放性能的影響

劉旻，郭冬冬，曹宏林，陳婷，林赫，湛日景

(1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心，北京 100176)

輕型車三元催化器(TWC)的主要作用是降低汽油機(jī)氣體污染物HC、CO和NOx的排放 。相對(duì)國(guó)5法規(guī)，國(guó)6法規(guī)中的Ⅰ型試驗(yàn)由NEDC循環(huán)改為WLTP測(cè)試循環(huán)，不管是在WLTC還是在NEDC循環(huán)下，冷起動(dòng)排放占比都較大(其中THC占94.7%，CH4占75.1%，CO占63.6%，NOx占65.1%)[1]。排氣污染物國(guó)6b階段限值相對(duì)國(guó)5限值降低了45%～50%，因此，對(duì)于國(guó)6輕型汽油車排放達(dá)標(biāo)，冷起動(dòng)排放控制至關(guān)重要。

通常三元催化器只有在排氣溫度達(dá)到250～400 ℃的時(shí)候才有較高的轉(zhuǎn)化效率。為了降低冷起動(dòng)階段的排放，可以通過改變催化器布置、改善機(jī)內(nèi)燃燒以及增加額外的部件等方式來縮短TWC達(dá)到起燃所需的時(shí)間(可縮短20%～90%)，但上述方法各有利弊，比如TWC距離發(fā)動(dòng)機(jī)出口越近，催化器越容易達(dá)到起燃溫度，但大多數(shù)工況下催化器將處于高溫狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響催化器的壽命[2]。現(xiàn)階段主要是通過增加三元催化器的貴金屬含量以及更精細(xì)的標(biāo)定來降低低溫工況排放。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外一直致力于開發(fā)150 ℃就能達(dá)到90%以上轉(zhuǎn)化效率的TWC，但難以突破技術(shù)瓶頸。

TWC常用的載體是陶瓷載體，而金屬載體與陶瓷載體相比具有機(jī)械強(qiáng)度高、比熱容小、傳熱快等優(yōu)點(diǎn)，能夠使TWC快速達(dá)到工作溫度，縮短催化劑起燃時(shí)間，提高冷起動(dòng)階段催化劑的轉(zhuǎn)化效率[3-9]，因此，采用金屬載體的電加熱催化器(EHC)有望有效降低輕型車?yán)淦饎?dòng)階段的排放。

輕型車國(guó)6法規(guī)的另一個(gè)大改變是增加了實(shí)際道路排放試驗(yàn)(RDE)。RDE下車輛行駛工況多變，低速低負(fù)荷工況更是排放控制的難點(diǎn)。如果電加熱催化器能夠獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)排氣進(jìn)行加熱，不受發(fā)動(dòng)機(jī)工況限制，有利于簡(jiǎn)化車輛的排放控制策略[10-11]，因此EHC也是RDE工況下排放控制的一種簡(jiǎn)單高效的方法。

EHC技術(shù)需要外部提供電源來加熱催化劑，勢(shì)必會(huì)增加能耗(增加CO2排放)。Pace等的研究表明，通過發(fā)動(dòng)機(jī)多噴油也能夠預(yù)熱催化劑。如果采用發(fā)動(dòng)機(jī)多噴油方式與EHC方式獲得一樣的排放結(jié)果，但由于EHC技術(shù)直接對(duì)零部件進(jìn)行加熱，熱損失少，EHC所需要的能耗僅是發(fā)動(dòng)機(jī)加熱方式的1/3，面對(duì)未來CO2排放的加嚴(yán)，仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)[12]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于EHC技術(shù)的應(yīng)用研究較少，相關(guān)的方案和策略研究還不多。本研究針對(duì)一款汽油機(jī)，開發(fā)EHC技術(shù)，考察該技術(shù)的減排潛力，同時(shí)評(píng)估通過EHC技術(shù)來減少TWC貴金屬用量的可行性。

1 試驗(yàn)方案

針對(duì)一款汽油機(jī)，采用前置的電加熱催化器，部分取代原來的陶瓷載體催化劑，并減少TWC催化劑的貴金屬用量。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，從冷機(jī)狀態(tài)開始起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，按照控制策略對(duì)EHC進(jìn)行加熱，然后按WLTC循環(huán)運(yùn)行，同時(shí)用CVS測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的THC，CO和NOx排放，其中CVS全流稀釋排放測(cè)試系統(tǒng)為MEXA-ONE-C1，排氣溫度測(cè)量采用K型細(xì)絲熱電偶，熱電偶直徑0.5 mm。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

電加熱催化器結(jié)構(gòu)如圖1所示。電加熱催化器由電加熱盤、支撐針、催化器殼體、加熱接頭和金屬載體(主催化器部分)組成，因此電加熱催化器實(shí)際是將傳統(tǒng)的三元催化劑涂敷在帶有電加熱盤的金屬載體上的后處理單元。

圖1 電加熱催化器(EHC)結(jié)構(gòu)

電加熱系統(tǒng)主要由電加熱催化器、電加熱控制器、蓄電池等部件組成，電加熱器通過蓄電池供電加熱，通電時(shí)間等通過控制器來控制。本研究的電加熱控制程序由labview編寫，通過NI控制器控制EHC加熱的通斷，可以實(shí)現(xiàn)提前、同時(shí)、延遲加熱；通過NI控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的WLTC循環(huán)運(yùn)行。

為研究不同電源電壓對(duì)排放的影響，本研究采用了12 V和48 V兩種不同電源電壓；為研究電加熱時(shí)間對(duì)排放的影響，設(shè)計(jì)了不同加熱時(shí)間的方案；為研究貴金屬含量對(duì)排放結(jié)果的影響，選取了兩種貴金屬方案(貴金屬降低量為30%和50%)進(jìn)行涂覆。試驗(yàn)方案見表2。

表2中，陶瓷載體方案為TWC前后級(jí)均為陶瓷載體，電加熱方案是把前級(jí)的陶瓷載體等體積替換為電加熱催化器，同時(shí)減少電加熱器上的貴金屬涂敷量，設(shè)計(jì)方案中降低了30%和50%的貴金屬用量。12 V是目前車用常用蓄電池電壓，48 V是混合動(dòng)力車常用蓄電池電壓，因此選擇了這兩種不同電源電壓進(jìn)行對(duì)比。 電加熱策略包含兩部分：一部分是EHC預(yù)加熱時(shí)間，0 s代表發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)同時(shí)開啟電加熱，5 s代表在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前5 s開啟電加熱；另一部分是加熱時(shí)長(zhǎng)，從EHC加熱開始計(jì)算。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加熱電壓對(duì)排放的影響

EHC在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前5 s開始加熱，本研究將48 V樣件加熱30 s(方案5， 標(biāo)注為48V-5s-30s)、12 V樣件加熱30 s(方案2，標(biāo)注為12V-5s-30s)與陶瓷載體方案(方案0，標(biāo)注為Ceramic Cat.)進(jìn)行了對(duì)比。圖2示出不同加熱電壓下WLTC循環(huán)下的排放對(duì)比。從圖2可以看出，EHC方案的THC，CO和NOx排放比陶瓷載體方案少，尤其是48 V加熱電壓下，THC，CO和NOx的排放量分別比陶瓷載體方案低86%，32%和74%。圖3示出不同加熱電壓下WLTC第1個(gè)階段(低速段)的排放對(duì)比。從圖3可以看出，加熱時(shí)長(zhǎng)30 s條件下，相對(duì)于12 V載體，48 V載體功率大(約4.8 kW)，加熱升溫快，THC和NOx轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高，且轉(zhuǎn)化效率的差異大部分來自WLTC循環(huán)的第1個(gè)階段(低速段)的排放差異，說明EHC主要對(duì)冷起動(dòng)排放有影響。

從EHC主催化器床溫對(duì)比(見圖4)來看，48 V催化器床溫Tbed達(dá)到300 ℃要需24 s，12 V催化器床溫Tbed達(dá)到300 ℃需要32 s， 48 V催化器雖然升溫只比12 V催化器快8 s，但48 V催化器第1個(gè)階段的THC，CO和NOx的排放量分別低了28%，5%和12%(見圖3)。

圖2 不同加熱電壓下WLTC循環(huán)的排放總量對(duì)比

圖3 不同加熱電壓下WLTC第1階段的排放對(duì)比

圖4 前級(jí)催化器床溫對(duì)比

2.2 加熱時(shí)間對(duì)排放的影響

本研究采用減少30%貴金屬用量的12 V樣件，進(jìn)行了EHC不加熱(方案1，0s-0s)、EHC在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前5 s開始加熱30 s(方案2，5s-30s)和60 s(方案3，5s-60s)的試驗(yàn)，還進(jìn)行了EHC在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)開始加熱30 s(方案4，0s-30s)的試驗(yàn)，并將這些試驗(yàn)結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷載體方案(方案0，標(biāo)注為Ceramic Cat.)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(見圖5)。提前5 s加熱方案中，12 V載體加熱30 s的HC，CO和NOx排放量與加熱60 s的排放量相當(dāng)，例如圖5a中，加熱30 s和60 s條件下，WLTC循環(huán)第1個(gè)階段中HC的排放量分別比陶瓷載體方案低了50%和47%，說明達(dá)到一定加熱時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)本身排氣溫度已經(jīng)高于催化劑的起燃溫度，EHC繼續(xù)加熱對(duì)于提升排溫如果沒有起到效果，污染物排放就不會(huì)因?yàn)镋HC加熱而繼續(xù)改善。

同樣加熱時(shí)長(zhǎng)為30 s，如果EHC能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前預(yù)加熱5 s，相對(duì)于EHC與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)起動(dòng)，HC，CO和NOx的排放量分別降低12%，33%和9%(見圖5)，這是因?yàn)樘崆邦A(yù)熱情況下，由于熱輻射的作用，周邊管路及氣體溫度有了一定提升，使排氣更容易達(dá)到起燃溫度。

2.3 貴金屬含量對(duì)排放的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減少50%貴金屬用量的EHC方案(方案6，12V-50%-5s-30s)的THC，CO和NOx減排效果整體不如減少30%貴金屬用量的EHC方案(方案2，12V-30%-5s-30s)，WLTC循環(huán)下，HC，CO和NOx的排放量均相差10%左右(見圖6)。但是，方案6的減排效率明顯高于陶瓷載體方案，HC，CO和NOx的排放量分別降低了47%，22%和52%(見圖6)。因此可知，通過EHC方案減少50%貴金屬用量是可行的。

圖6 不同貴金屬用量下WLTC循環(huán)的排放總量對(duì)比

3 結(jié)束語

EHC本質(zhì)是一種金屬載體，其熱容小，升溫快， 在TWC上應(yīng)用時(shí), 對(duì)THC，CO和NOx的轉(zhuǎn)化效率比陶瓷載體TWC高。一般來說，電壓越大，EHC加熱功率越大，有利于降低THC，CO和NOx的排放量；預(yù)加熱有利于優(yōu)化EHC的加熱效果，而且EHC加熱一定時(shí)長(zhǎng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)本身排氣溫度已經(jīng)高于催化劑起燃溫度，繼續(xù)增加加熱時(shí)間，不一定能達(dá)到減排效果，反而會(huì)增加能耗；通過EHC的應(yīng)用，能夠減少TWC上50%的貴金屬用量。

總體上來說，EHC的控制相對(duì)獨(dú)立，無須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油進(jìn)行改動(dòng)，能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理控制策略的復(fù)雜性，如果EHC應(yīng)用可以結(jié)合整車標(biāo)定策略進(jìn)行優(yōu)化，能夠進(jìn)一步提升其優(yōu)勢(shì)。