某插電混動車型的排放和后處理開發應用

史冬敏　閆海東

摘 要：文章針對插電混動（PHEV）汽油車型電池提供部分動力和發動機啟停頻繁的運行特點，發動機運行工況點靈活且相對集中，同時發動機的頻繁啟動時的污染物排放高。基于此，對PHEV車型的排放后處理進行匹配開發，以臺架性能結果展開評估，包括起燃溫度、儲氧性能和背壓特性，針對臺架性能優異的后處理新技術開展整車排放（WLTC+RDE）試驗，同時對比混動和傳統車發動機運行特點，并對混動車的后處理選型開發特點進行小結。文章篩選出低成本高性能的排放后處理技術方案，實現降本增效的同時為應對愈加嚴格的排放法規儲備技術。

關鍵詞：混動PHEV 排放 后處理匹配 RDE

1 引言

在“雙碳”目標的推動下，各種型式的新能源汽車逐步擴大市場，其中插電式混動汽車因其續航里程的優勢已逐步被消費者接受。排放和能耗法規對混動車型明確了測試要求，且其復雜程度及測試要求明顯高于傳統燃油汽車。并且由于插電式混動汽車的電池容量較大，發動機的使用范圍更加靈活，為了達到省油的目的，起停工況較多，未充分熱機情況下，起停對污染物排放和顆粒物排放帶來了不小的壓力，優秀的后處理三元催化轉換器（TWC）和顆粒捕集器（GPF）匹配是非常有效的機外凈化措施[1]。尤其是排放法規的愈加嚴格，對汽車后處理裝置的要求越來越高，通過使用更低的載體重量（熱容）和超薄壁載體可以更快的加熱，同時優化貴金屬分配方式，并改善車輛冷啟動排放；此外，貴金屬鉑金（Pt）、鈀金（Pd）和銠金（Rh）的價格較高，通過采用后處理新技術可降低貴金屬總量，降低整車匹配開發成本，從而提升品牌車型競爭力。

本文基于某動力平臺基礎項目插電混動車型開展后處理技術方案匹配，以臺架性能結果展開評估，對比超薄壁載體采用不同涂層新技術的臺架性能和整車排放結果，篩選出低成本高性能的排放后處理技術和方案，以滿足現階段整車排放國6b+RDE法規為目標。文中通過對比臺架后處理起燃溫度、儲氧性能和背壓，再針對臺架性能結果篩選較優后處理方案開展整車排放WLTC+RDE性能測試，同時對比混動和傳統車發動機運行特點，并對混動車的后處理選型開發特點進行小結，對混動車的排放后處理選型特點給出建議，實現平臺車型降本并為未來法規升級儲備新技術。

2 插電混動車排放后處理系統簡介

2.1 插電混動車特點簡介

插電混動（PHEV），近幾年發展勢頭迅猛，它具有省錢、無里程焦慮可上綠牌，動力提升明顯的顯著優勢。PHEV車驅動能量端能量來源可以是電池或發動機或兩者共同驅動，能實現電驅動、串聯模式驅動、電機和發動機并聯模式驅動及發動機直驅等不同驅動方式，能最大化優化能量來源途徑，實現能量效率最優。其主要特征：電池容量大、能充電、純電續航長、小排量車型油耗在2L/100km以下（充電環境好）；由于電機電池分擔部分動力，發動機運行工況點平順穩定經濟性能好；且發動機啟停頻次遠高于傳統車。

2.2 混動汽油車排放后處理簡介

混動車排放后處理包括催化劑涂層和載體兩部分，本文主要在載體不變的前提下，對催化劑涂層進行研究，方案設計主要參考PHEV車型的啟停策略、發動機排量和空燃比的特點，同時結合已量產項目信息，選定貴金屬含量波動范圍和涂層技術方案。

混動汽油車的后處理系統包括三元催化器和顆粒捕集器兩部分。三元催化器包含涂層和貴金屬兩部分，涂層由氧化鋁（Al2O3）、鈰鋯氧化物和稀土金屬等組成，貴金屬主要指鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh），通常以g/cft3表示貴金屬的總量和比例；顆粒捕集器是具有捕集和處理顆粒（PM）功能的排氣后處理裝置，有涂覆式和非涂覆式（白載體）之分，涂覆式汽油顆粒捕集器（c-GPF）簡稱四元催化器，即具備顆粒物處理能力，又可轉化氣態污染物（THC、CO和NOX）。

文中混動車型的后處理系統采用緊耦合TWC+GPF布置方式，TWC端面距離發動機排氣出口較近，有利于催化器起燃和冷啟動階段的污染物轉化。

2.3 車型相關參數

試驗在一款插電混動汽油車上進行，相關參數見表1所示，試驗在常溫發動機臺架和排放試驗室開展，過程中利用恒溫恒濕系統控制試驗室溫度為（22～25）℃，濕度為45%±8%。

2.4 試驗方案

催化器選型標準：以選型方案的臺架性能結果作為初步篩選依據，以老化催化器的排放目標在對應車型限值的80%以下作為選型合格判定標準，同時綜合新鮮排放結果（新鮮排放需考慮法規推薦劣化系數）進行判定。

2.4.1 選型方案的技術信息

選型方案技術信息見表2，本次后處理選型采用臺架老化GMAC875循環，同時開展排放后處理的臺架性能測試；并在平臺基礎車型上進行后處理技術的排放性能對比，綜合判斷較優方案。

備注：

1）A-1采用新一代的涂層材料，一定程度上拓寬催化器轉化窗口；

2）B-1為新一代涂層技術，特點是提高了PGM分散度，改善HC冷啟動的轉化效率，可以降低Pd含量；

3）C-1和D-1是同一涂層技術，區別是貴金屬用量不同，其技術特點：起燃性能和動態儲氧能力較優越，冷啟動、高/超高速段污染物轉化性能較好；

4）臺架老化循環為臺架GMAC875循環，老化時間100h（基于經驗及實車SRC循環）。

3 試驗結果與分析

文中通過分析各技術方案臺架性能的數據結果，再進一步開展整車排放性能試驗，分析總結較優技術方案，并以此作為降本產品開發的選型技術預研，儲備新涂層技術備用。

3.1 后處理方案的臺架性能對比

臺架性能包括起燃性能、儲氧性能和背壓性能，首先通過4種性能的對比，分析各技術方案性能的優勢，選擇較優方案開展進一步整車排放性能測試。

3.1.1 起燃性能

圖1～圖6分別是各技術方案的臺架新鮮和老化的起燃溫度（包含T50和T90），表現如下：

a）新鮮催化器：C-1在T50上略有優勢；B-1的T90表現優勢明顯，較A-1和C-1兩高方案低5-8℃；

b）老化催化器：B-1起燃溫度整體最優，所有污染物的T50和T90均較兩個A-1和C-1高方案低5℃左右，NOx低8℃；

c）起燃衰減量：B-1的T50的衰減量最小；

針對臺架起燃性能，B-1的技術方案起燃性能最佳，且其貴金屬用量也較低。

備注：①T50為各污染物轉化效率50%對應的溫度點，稱為起燃溫度點；T90同理；②T50和T90溫度越低，起燃性能越好；③起燃溫度為（TWC+GPF）整體測試。

3.1.2 儲氧性能

圖7～圖8是各技術方案的儲氧性能對比，詳細如下：

a）新鮮催化器：B-1在高低溫度/流量下的儲氧量最高；D-1因貴金屬含量降低，相對C-1的儲氧有5%左右的降幅；

b）老化催化器：B-1在高低溫度/流量下的儲氧量最高，較其它方案高20%；

c）劣化率：A-1和B-1兩方案的儲氧劣化整體低于C-1和D-1；

注：①儲氧僅測試TWC；②儲氧高，對高排氣流量CO和NOx的轉化有益處。

3.1.3 背壓性能

圖9是選型方案的GPF臺架背壓對比，具體如下：

a） GPF：A-1和B-1背壓低，較C-1和D-1背壓低4.4kpa（約24%）；

b） GPF背壓增加率：老化后，F涂層技術的兩個GPF背壓增加率達30%；這與其涂覆方式和涂覆量強相關，使用高捕集效率的涂覆方式和涂覆量，則意味著其初始背壓高，也決定了其老化后背壓更高；E涂覆技術的初始背壓相對低，經老化后的背壓無明顯差異。E系列技術和F系列技術分別屬于不同顆粒物捕集效率需求的樣件，但也因此帶來背壓差異的問題，故下一步通過整車排放篩選相應技術。

臺架性能小結：技術方案B-1的起燃性能、儲氧性能、GPF背壓性能均較優；F涂覆技術系列對應的GPF技術方案背壓高且背壓增加率也高，但捕集效率較優；結合貴金屬用量的特點，選用B-1/E-2和D-1/F-2兩組組合開展下一步整車排放試驗選型。

3.2 整車排放性能對比

以基礎項目車型H作為選型樣車，選用B-1/E-2和D-1/F-2兩組組合開展整車排放驗證，變形項目L車型進行排放驗證，車輛信息見表1。

3.2.1 基礎車型H和變形項目車型L的技術方案選型

不同涂層技術B-1/E-2和D-1/F-2兩組的低成本老化方案整車排放結果：由圖10～圖11可知，B-1/E-2和D-1/F-2均滿足整車H和L排放開發目標80%，D-1/F-2的NMHC略有優勢，車輛的排放污染物主要集中在前幾次啟動時，總的污染物排放水平占限值百分比較低，遠低于開發目標。考慮D-1/F-2的GPF技術背壓較高，選型匹配度略差，且其貴金屬成本比B-1/E-2方案略高，針對H車型1.5TGDI的發動機動力平臺，B-1/E-2的技術方案更合適。

3.2.2 基礎車型H的RDE排放

基于H車型的B-1/E-2方案RDE路試排放驗證，結果見表3，開空調條件下，新鮮和老化催化器的NOx和PN排放均在RDE限值的20%以內，很好的滿足排放法規中RDE的要求，且余量較大；另外，路試Sport排放最高的運行模式時的排放，冷機啟動催化器加熱階段各污染物冒出峰值；在急加速過渡工況和高速工況，負荷瞬間增加或大負荷行駛時，伴隨著換擋和空燃比的波動， PN冒出峰值較多，考慮PN和NOx跟RDE法規限值相比，余量較大，B-1/E-2方案已能很好滿足RDE排放法規的要求，此方案的貴金屬用量最低，GPF背壓小且背壓波動率也小，成本最低。

綜上，整車WLTC和RDE排放結果，選型B-1/E-2方案能很好滿足RDE排放法規的要求，包括顆粒物PN的新鮮樣件的RDE排放也滿足要求，故針對H車型1.5TGDI動力平臺的技術選型，B-1/E-2方案較適合且成本最低。

3.3 混動車型排放運行工況特點及對后處理選型的啟示

混動車型由于電池和電機在低速小負荷運行或大負荷提供部分助力，其發動機運行工況點與傳統發動機有差異，見圖12和圖13分別列出了混動和傳統車型RDE的發動機運行工況點：（1）混動車發動機工作點轉速和負荷較集中，基本集中在經濟性較好的區域；（2）傳統車的發動機工況點則較分散，高速段則更偏向大負荷外特性區域，負荷波動范圍大。由此可見，混動車CO和NOx排放的挑戰低于傳統車，不容易進入外特性掃氣區域或者大負荷排溫超的空燃比加濃區；但由于混動車的頻繁啟停，THC/NMHC排放挑戰高于傳統車（啟動次數的影響），基于此考慮混動車的催化劑方案：TWC優選起燃性能好的涂層技術，且貴金屬分區比例做出適當調整；基于發動機工作點處于高空速概率較低的情況，緊耦合GPF的Rh含量根據實際情況適當調整；同時，由于運行工況點差異，基于SRC計算的老化時間差異也較大，混動車的老化時間已大大減少；針對混動車型，結合老化循環特點，可適當調整降低催化器的老化時間。

4 結論

（1）本文的排放后處理選型，先通過基礎臺架起燃溫度、儲氧性能和背壓性能試驗，對比各技術方案的特點，其中B-1/E-2和D-1/F-2兩方案的貴金屬用量較低，起燃溫度和儲氧性能較優，但F-2的GPF方案背壓較高，老化后背壓增加率更高，F-2適用于顆粒物排放高對捕集效率需求高的車型，可為新車型開發作技術儲備。

（2）較優的后處理技術方案用于整車WLTC和RDE排放驗證，WLTC排放在法規限值的80%內，RDE排放在法規限值的20%內，篩選出B-1/E-2滿足混動車的后處理開發要求，且其技術成本比其他方案均低。

（3）針對混動車型啟停次數多且發動機工作點集中在經濟區，建議后處理選型選取起燃性能優異；結合大空速的轉化效率需求較低，GPF適當調整貴金屬分配方式，并適當調整催化器老化時間，對混動車進行針對性匹配，最大化降低成本。

參考文獻：

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