HC吸附系統(tǒng)降低汽油車(chē)?yán)淦饎?dòng)HC排放的研究

趙紅英　謝曉峰　張國(guó)慶（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

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HC吸附系統(tǒng)降低汽油車(chē)?yán)淦饎?dòng)HC排放的研究

趙紅英謝曉峰張國(guó)慶
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

【摘要】為降低冷起動(dòng)時(shí)HC排放，利用吸附劑的低溫吸附、高溫脫附特性制作HC吸附系統(tǒng)。該系統(tǒng)由吸附催化器、控制閥及真空管路等組成，其中吸附催化器包含吸附和催化兩種載體。即通過(guò)真空調(diào)節(jié)吸附系統(tǒng)的閥體開(kāi)閉，控制流入吸附載體的氣體量以進(jìn)行吸附，達(dá)到一定溫度后進(jìn)行脫附，由后部催化器將其轉(zhuǎn)化。利用CFD模擬計(jì)算優(yōu)化氣流分布，并通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)確定閥體開(kāi)閉的最佳時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可降低冷起動(dòng)HC排放30%以上。

主題詞:汽油機(jī)冷起動(dòng)吸附系統(tǒng)HC排放

1　前言

HC排放的問(wèn)題主要集中在冷起動(dòng)階段，HC吸附系統(tǒng)是為降低冷起動(dòng)階段HC排放而研發(fā)的，在美國(guó)第1次應(yīng)用是被安裝于2001PZEV普銳斯1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)上[1]。有研究顯示，80%排氣尾管排放的HC來(lái)源于冷起動(dòng)過(guò)程的第1個(gè)循環(huán)[2]，其原因在于催化劑還未達(dá)到有效氧化HC的工作溫度即催化劑的起燃溫度。因此，在催化劑未達(dá)到起燃溫度（通常為300℃）之前，排氣尾管排出的HC基本等于發(fā)動(dòng)機(jī)出口的HC排放。為了降低HC排放，通常采用的技術(shù)是縮短催化劑起燃時(shí)間，如推遲點(diǎn)火提前角以提高排氣溫度，但仍無(wú)法滿(mǎn)足法規(guī)要求。HC吸附系統(tǒng)是利用吸附劑的低溫吸附、高溫脫附性能，將冷起動(dòng)時(shí)排放的HC先行吸附，隨著溫度升高，當(dāng)后級(jí)催化劑起燃后，吸附的HC也將脫附出來(lái)，并由后級(jí)催化劑轉(zhuǎn)化掉。

大排量的汽油機(jī)冷起動(dòng)時(shí)HC排放較高，很容易導(dǎo)致緊耦合催化劑起燃前HC排放超過(guò)排放限值，因此采用貴金屬含量高的緊耦合催化劑配方，由此導(dǎo)致催化器成本成倍增加。為解決這一難題而研發(fā)HC吸附系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)降低冷起動(dòng)時(shí)HC排放的效果。

2　HC吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為3.0L V6車(chē)型的HC吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)由排氣控制部分和后處理部分組成，其中控制部分由進(jìn)氣真空度、單向閥、真空閥、執(zhí)行器、排氣雙向閥及連接管路等組成，后處理部分由一個(gè)緊耦合催化器和一個(gè)位于底盤(pán)下將吸附功能和催化功能集成在一起的吸附催化器組成。

圖1　HC吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[1]

2.1HC吸附系統(tǒng)工作原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，通過(guò)進(jìn)氣歧管真空驅(qū)動(dòng)真空閥工作，執(zhí)行器控制雙向閥關(guān)閉，排氣氣流通入HC吸附載體并被吸附；排氣溫度上升到或接近（根據(jù)實(shí)際效果確定）催化劑起燃溫度后，進(jìn)氣歧管真空度減小，單向閥關(guān)閉，雙向閥回位（常開(kāi)狀態(tài)），排氣氣流經(jīng)過(guò)內(nèi)管直接進(jìn)入后催化器進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，同時(shí)HC吸附載體吸附的HC在高溫下脫附后也進(jìn)入后催化器進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化。圖2所示為吸附催化器工作原理。

圖2　吸附催化器工作原理示意[1]

2.2吸附劑的特性

2.2.1吸附劑

吸附劑采用的是一種分子篩材料，通常稱(chēng)之沸石。將沸石均勻涂覆在載體表面，圖3所示為吸附涂層結(jié)構(gòu)。

圖3　吸附涂層結(jié)構(gòu)

沸石具有鋁硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)，SiO4和AlO4形成四面體，呈三維網(wǎng)狀，其結(jié)構(gòu)形狀和孔隙大小受網(wǎng)狀連接方式的影響。沸石結(jié)構(gòu)中的小孔尺寸在0.5～0.8 nm之間，而HC分子大小在0.4～0.7 nm之間。因此，在冷起動(dòng)時(shí)，沸石可以將HC分子吸附在具有多孔晶體結(jié)構(gòu)的小孔中[2]。

2.2.2影響HC吸附劑性能的主要因素

a.分子篩種類(lèi)：沸石孔徑、孔徑分布、骨架結(jié)構(gòu)存在差異。多孔性物質(zhì)內(nèi)表面積很大，與流體分子接觸面就會(huì)更大，因此在多孔性固體物質(zhì)上吸附現(xiàn)象表現(xiàn)更加明顯。

b.吸附溫度：吸附伴隨著放熱，脫附伴隨吸熱，因此吸附-脫附現(xiàn)象與環(huán)境溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般表現(xiàn)為低溫吸附，溫度升高就會(huì)脫附。

c.氣體濃度：濃度高低影響達(dá)到吸附飽和的吸附時(shí)間。

d.氣體流量：流量大小同樣也影響達(dá)到吸附飽和的吸附時(shí)間。

2.2.3HC吸附劑性能要求

a.HC吸附容量大：吸附的總量大，其主要由吸附載體的體積大小決定；

b.HC吸附速率快：短時(shí)間內(nèi)吸附量大，以盡可能將冷起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的HC完全吸附；

c.被吸附的HC脫附的溫度要高：脫附溫度應(yīng)高于后級(jí)催化劑起燃溫度；

d.被吸附的HC脫附時(shí)速率要慢：HC被緩慢釋放，后級(jí)催化器才能完全轉(zhuǎn)化；

e.吸附劑可以循環(huán)使用。

2.2.4吸附劑方案選定

為了增加有效吸附量，對(duì)吸附劑涂層的助劑、微孔道修飾等進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1HC吸附劑改進(jìn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

可知，改進(jìn)方案1、2新鮮300 s吸附的HC吸附量較原方案新鮮樣品明顯提高；方案2老化后300 s吸附的HC吸附量與原方案相當(dāng)，但方案1老化后下降幅度大。確定采用方案2，基本參數(shù)為硅鋁分子篩材料，涂覆量200 g/L。

2.3吸附載體

吸附載體采用環(huán)型載體，參數(shù)為：體積0.42 L，外徑×長(zhǎng)度為105.7 mm×75 mm，內(nèi)徑×長(zhǎng)度為64 mm×75 mm，孔數(shù)為600個(gè)，壁厚4.3 μm。催化器載體參數(shù)為：體積0.88 L，直徑×長(zhǎng)度為105.7 mm×100 mm，孔數(shù)為600個(gè)，壁厚為4.3 μm。圖4和圖5是模擬排氣溫度400℃時(shí)載體壓降的特性曲線(xiàn)。

2.4吸附轉(zhuǎn)化率的計(jì)算方法[3]

以某吸附系統(tǒng)為例，圖6為吸附前、后的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4　吸附載體單位長(zhǎng)度壓降特性曲線(xiàn)

圖5　后級(jí)催化器載體單位長(zhǎng)度壓降特性曲線(xiàn)

圖6　某吸附系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)[3]

HC吸附系統(tǒng)常用參數(shù)：

式中，A0為進(jìn)入吸附器的HC總量；A1為吸附的HC量；A2為脫附后轉(zhuǎn)化的HC量。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)匹配

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了3種方案：方案1為HC吸附載體與主流道之間有間隙，有多孔板；方案2為HC吸附載體與主流道之間無(wú)間隙，有多孔板；方案3為HC吸附載體與主流道之間無(wú)間隙，無(wú)多孔板。依據(jù)HC吸附裝置不同的工作狀態(tài)（圖7），分別進(jìn)行流場(chǎng)分布的CFD模擬計(jì)算，選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，取消多孔板能提高催化載體入口的均勻性，并能降低總壓壓降，即方案3的催化載體入口均勻性系數(shù)比前兩個(gè)方案提高2%，總壓壓降比前兩個(gè)方案降低5%；當(dāng)閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時(shí)，方案2和方案3通過(guò)HC吸附載體的氣體流量比方案1略有提高，3種方案的HC吸附載體和催化載體入口均勻性基本相同，密封和多孔板在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)對(duì)載體性能影響不大。因此，應(yīng)適當(dāng)增加閥門(mén)附近進(jìn)入HC吸附載體流道的流通面積，適當(dāng)加大多孔板的開(kāi)孔流通面積。

圖7　工作狀態(tài)及氣流通道示意

表2CFD模擬計(jì)算結(jié)果

3.2系統(tǒng)匹配

依據(jù)不同控制策略進(jìn)行試驗(yàn)，研究吸附系統(tǒng)最佳的HC吸附及脫附時(shí)間。

3.2.1閥門(mén)關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)設(shè)定

安裝于吸附器前端的排氣雙向閥處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后雙向閥立即關(guān)閉，排氣流向吸附載體，為確保吸附與脫附達(dá)到最佳狀態(tài)，需確定雙向閥關(guān)閉的時(shí)長(zhǎng)。因此，通過(guò)多次試驗(yàn)，比較HC吸附裝置不同吸附時(shí)間（0 s、25 s、30 s、35 s、40 s、50 s）NEDC循環(huán)第1階段的排放和油耗。圖8和圖9為雙向閥不同關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)對(duì)HC排放的影響，其中THC為總碳?xì)?，NMHC為甲烷碳?xì)?。由圖8和圖9可以確定閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)長(zhǎng)最優(yōu)點(diǎn)為HC吸附時(shí)間35 s。

3.2.2催化劑涂層開(kāi)發(fā)

依據(jù)不同的催化劑配方，結(jié)合HC吸附裝置的應(yīng)用，通過(guò)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究探索降低后處理成本的可能性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖8　尾管HC排放測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9　雙向閥不同關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)NMHC排放測(cè)量數(shù)據(jù)

表3催化器臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

HC吸附劑吸附大量HC后將延遲HC的排放，但會(huì)增加底盤(pán)催化劑的負(fù)擔(dān)。HC吸附劑脫附的HC必須被底盤(pán)催化劑轉(zhuǎn)化才能達(dá)到降低HC排放的目標(biāo)。因而底盤(pán)催化劑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧HC吸附劑大量脫附HC的溫度區(qū)間（220～350℃）。

4　整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)車(chē)輛及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)車(chē)輛為V6發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型，排量3.0 L。

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為GB18352.5-2013《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》。

4.2測(cè)量方法

試驗(yàn)方案為常溫下NEDC循環(huán)測(cè)量排放及油耗，溫度傳感器及排放測(cè)量點(diǎn)位置如圖10所示。

圖10　溫度傳感器及排放測(cè)量點(diǎn)位置

4.3測(cè)量數(shù)據(jù)分析

通過(guò)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析，增加HC吸附裝置后，第1階段HC排放從0.170 g/km下降到0.090 g/km，降幅47%；NMHC排放從0.160 g/km下降到0.080 g/km，降幅50%。完整NEDC循環(huán)中，THC排放從0.063 g/km下降到0.033 g/km，降幅48%；NMHC排放從0.058 g/km下降到0.027 g/km，降幅53%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

4.4吸附轉(zhuǎn)化率的計(jì)算結(jié)果

圖11為在吸附系統(tǒng)前、后測(cè)得的數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果為：A0=0.4 g、A1=0.2429 g、A2=0.072 g，則HC吸附率=A1/A0=59.03%，吸附的HC轉(zhuǎn)化量=A1-A2= 0.17 g，轉(zhuǎn)化率=（A1-A2）/A1=70.09%，總的吸附轉(zhuǎn)化率= HC吸附率×轉(zhuǎn)化率=41.37%?？芍?jì)算結(jié)果與表4的測(cè)量結(jié)果基本吻合。

圖11　HC排放測(cè)試曲線(xiàn)

參考文獻(xiàn)

1Keisuke Sano,Takashi Kawai,Satoshi Yoshizaki，etal.HC Adsorber System for SULEVs of Large Volume Displace?ment.SAE Paper 2007-01-0929.

2Fuquan zhao.汽油車(chē)近零排放技術(shù).帥石金譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3Jason A Lupescu,Timothy B Chanko,Joel F Richert，etal. The Effect of Spark Timing on Engine–Out Hydrocarbon Speciation and Hydrocarbon Trap Performance.SAE Paper 2009-01-1068.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月21日。

Study on Reduction of Cold Start HC Emission by HC Absorption System in Gasoline Car

Zhao Hongying,Xie Xiaofeng,Zhang Guoqing
（China FAW Co.,Ltd.R&D Center,Changchun 130011）

【Abstract】To reduce cold start HC emission,we make use of the low temperature adsorption and high temperature desorption performance of absorbent to produce HC absorption system.This system consists of an absorber catalytic converter,control valve,vacuum circuit and so on,the HC absorber includes adsorption material and substrate.Through adjust the vacuum adsorption system's valve opening and closing to control the amount of gas flowing into the adsorption substrate for absorption,which is then desorbed at certain temperature,and converted by the rear catalytic converter.CFD simulation is carried out to optimize the distribution of gas flow,and vehicle test is performed to determine the best time to open the valve.The test results show that the HC emission can be reduced by over 30%with this system.

Key words:Gasoline engine,Cold start,Adsorption system,HC emission

中圖分類(lèi)號(hào):U464.134

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）03-0001-04