HC吸附技術(shù)在整車排放中的應(yīng)用

尹伊郡 劉金玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

HC吸附技術(shù)在整車排放中的應(yīng)用

尹伊郡 劉金玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

將HC吸附裝置集成在整車后處理系統(tǒng)中，就HC吸附技術(shù)對(duì)整車排放性能的影響展開了研究。研究發(fā)現(xiàn)，該裝置在整車起動(dòng)階段存在最優(yōu)的吸附時(shí)間，所使用的HC吸附裝置最優(yōu)吸附時(shí)間為45 s。試驗(yàn)結(jié)果表明，HC吸附技術(shù)可降低常溫及低溫整車NEDC循環(huán)THC排放量30%以上，并可降低前三效催化轉(zhuǎn)換器的貴金屬涂覆量，降低后處理成本，但后三效催化轉(zhuǎn)換器的處理能力需要加強(qiáng)。

主題詞:HC吸附 排放 汽油機(jī) 冷起動(dòng)

1 前言

隨著輕型汽車污染物排放限值要求的日益嚴(yán)格，大排量汽油機(jī)的HC排放問題越來越突出。HC吸附技術(shù)利用特殊吸附材料，在整車?yán)淦饎?dòng)期間對(duì)HC進(jìn)行吸附，待三效催化轉(zhuǎn)換器（以下簡(jiǎn)稱催化器）啟燃后再將其釋放并處理，從而達(dá)到降低HC排放的目的[1]。這項(xiàng)技術(shù)最早被豐田公司應(yīng)用在普銳斯車型上以滿足美國FTP循環(huán)測(cè)試[2]。日產(chǎn)公司以沸石作為吸附材料，在一輛搭載2.4 L直列四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的整車上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，HC吸附系統(tǒng)使整車FTP循環(huán)冷起動(dòng)階段的HC排放量降低60%[3]。本田公司和NGK公司共同開發(fā)了一種HC吸附系統(tǒng)，使整車FTP循環(huán)冷起動(dòng)階段HC排放量降低了70%，NMHC排放量降低了60%[4]。豐田公司為雷克薩斯車型開發(fā)的一款HC吸附系統(tǒng)使HC排放量降低了50%[5]。國內(nèi)對(duì)于HC吸附技術(shù)的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，并沒有量產(chǎn)車型使用該技術(shù)。

本文在HC吸附技術(shù)對(duì)排放的影響、吸附及脫附時(shí)間的控制策略對(duì)HC排放的影響等方面展開研究，并探索應(yīng)用HC吸附裝置后改善催化器配方、降低后處理成本的可能性。

2 HC吸附裝置及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)車輛使用兩級(jí)催化器后處理系統(tǒng)，HC吸附裝置與后級(jí)催化器緊耦合，吸附劑以稀土為主要成分，HC吸附系統(tǒng)及后級(jí)催化器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過閥門的開閉控制尾氣流經(jīng)路徑，即閥門關(guān)閉時(shí)尾氣先通過HC吸附劑再通過后級(jí)催化器，閥門開啟時(shí)尾氣直接通過后級(jí)催化器。

在整車轉(zhuǎn)鼓環(huán)境倉中進(jìn)行常溫25℃和低溫-7℃的整車NEDC循環(huán)排放測(cè)試。對(duì)4處排放氣體進(jìn)行直采，并采集5處溫度數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)的位置見圖2。

圖1 HC吸附系統(tǒng)及后級(jí)催化器結(jié)構(gòu)示意

圖2 排放及溫度測(cè)點(diǎn)布置

3 HC吸附排放試驗(yàn)

3.1 HC吸附裝置閥門控制策略優(yōu)化試驗(yàn)

使用原車催化器（前催化器貴金屬涂覆12.4 g，后催化器貴金屬涂覆1.2 g），未加裝HC吸附裝置條件下各排放測(cè)點(diǎn)的THC濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，后級(jí)催化器后THC排放峰值出現(xiàn)在35 s前，因此，HC吸附最短時(shí)間應(yīng)為35 s。THC排放量主要集中在測(cè)試循環(huán)的前60 s內(nèi)，之后由于催化器溫度逐漸升高，尾氣中的THC大部分被反應(yīng)消除，因此，HC吸附最長時(shí)間不應(yīng)超過60 s。

圖3 未加裝HC吸附裝置條件下各測(cè)點(diǎn)THC濃度

在原車催化器基礎(chǔ)上耦合HC吸附裝置，以整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)開始為時(shí)間起點(diǎn)，控制HC吸附裝置閥門的關(guān)閉時(shí)間，HC吸附裝置的閥門為人工手動(dòng)控制，控制時(shí)間存在一定誤差，各方案時(shí)間間隔設(shè)定為10 s，廢氣通過HC吸附劑的時(shí)間（吸附時(shí)間）分別為35 s、45 s、55 s。不同吸附時(shí)間的排放結(jié)果如圖4所示，吸附時(shí)間為45 s和55 s時(shí)的THC和NMHC排放較低，與不使用HC吸附裝置相比，THC排放改善約34%，NMHC排放改善約39%。

不同吸附時(shí)間條件下各排放測(cè)點(diǎn)的THC濃度曲線如圖5所示。HC吸附劑前、后的THC排放曲線在第40 s附近存在交匯點(diǎn)，此后吸附劑后THC濃度高于吸附劑前THC濃度，說明當(dāng)廢氣通過吸附劑40 s時(shí)，吸附劑吸附的THC量接近飽和，繼續(xù)延長吸附時(shí)間會(huì)導(dǎo)致氣流攜帶被吸附的THC至后催化器，而此時(shí)催化器轉(zhuǎn)化效率較低，導(dǎo)致排放惡化。吸附時(shí)間為45 s、55 s條件下NEDC循環(huán)THC排放結(jié)果基本一致，但THC排放的時(shí)間特性并不相同。吸附時(shí)間45 s與55 s相比，前100 s的后級(jí)催化器后THC濃度較低，而100～1 200 s的濃度較高（見圖6），說明吸附時(shí)間45 s條件下吸附劑吸附的THC較多，并且被氣流攜帶至催化劑的量較少，使得前100 s的后級(jí)催化器后THC濃度較低。在NEDC循環(huán)后期，由于氣流的加熱作用，被吸附的HC逐漸脫附流向后催化器，而無法被高效轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致100～1 200 s的后級(jí)催化器后THC濃度提高。

圖4 閥門控制策略對(duì)排放的影響

根據(jù)上述分析，吸附時(shí)間45 s為最優(yōu)控制策略，可大幅降低催化器起燃前的THC排放，但會(huì)導(dǎo)致循環(huán)后期THC排放濃度增大，為解決這個(gè)問題，應(yīng)提高后級(jí)催化器能力。

圖5 不同吸附時(shí)間條件下各測(cè)點(diǎn)THC濃度

圖6 后級(jí)催化器后THC濃度

3.2 HC吸附裝置與催化器匹配優(yōu)化試驗(yàn)

催化器方案如表1所示，共包括3個(gè)方案。方案1前級(jí)催化器的貴金屬涂覆量最大，后級(jí)催化器貴金屬涂覆量最?。环桨?減少了前級(jí)催化器的貴金屬涂覆量，增大了后級(jí)催化器貴金屬涂覆量，后處理成本降低；方案3進(jìn)一步減少前級(jí)催化器的貴金屬涂覆量，后級(jí)催化器貴金屬涂覆量與方案2相同，后處理成本最低。各方案HC吸附裝置閥門關(guān)閉時(shí)間設(shè)定為45 s。

各方案的整車NEDC循環(huán)排放結(jié)果如圖7所示。方案1由于貴金屬涂覆量最大，催化器處理尾氣能力強(qiáng)，排放結(jié)果最優(yōu)。方案2由于減少了貴金屬涂覆量，與方案1相比THC排放增加，但與無HC吸附方案相比，THC排放仍降低29%，NMHC排放降低32%。方案3與方案2相比，THC排放降低4%，NMHC排放降低5%。

表1 催化器方案 g

圖7 后處理方案對(duì)排放的影響

吸附劑前、后的THC濃度差如圖8所示。NEDC循環(huán)前50 s方案3吸附劑前、后濃度差高于方案2，即方案3被吸附的THC量大于方案2。前級(jí)催化器后、吸附劑前的溫度如圖9所示。由圖9可知，NEDC循環(huán)前50 s方案3吸附劑前的溫度低于方案2。由于方案3前級(jí)催化器貴金屬涂覆量小于方案2，前級(jí)催化器內(nèi)尾氣的化學(xué)反應(yīng)程度較低，放熱量較小，導(dǎo)致方案3吸附劑前的溫度較低。而HC吸附劑的物理特性為低溫條件下吸附、高溫脫附。因此，方案3吸附劑吸附的THC量大于方案2，方案3整車NEDC循環(huán)THC和NMHC排放較優(yōu)。

圖8 吸附劑前、后THC濃度差

綜合考慮排放結(jié)果和后處理成本，方案3為最優(yōu)方案。該方案常溫THC排放降低31.4%，NMHC排放降低35.4%。

圖9 前催化器后、吸附劑前溫度

3.3 HC吸附技術(shù)對(duì)低溫排放的影響

各方案低溫整車NEDC循環(huán)排放結(jié)果如圖10所示。方案2的前級(jí)催化器轉(zhuǎn)化能力在各方案中最強(qiáng)，并且由于環(huán)境溫度較低，前級(jí)催化器中催化還原反應(yīng)釋放的熱量對(duì)廢氣的加熱程度有限，HC吸附劑在低溫條件下吸附能力較強(qiáng)，因此方案2低溫排放結(jié)果最好。但由于方案2后處理貴金屬涂覆量較大，綜合考慮排放性能和后處理成本，方案3為最優(yōu)方案，低溫THC排放與不使用HC吸附技術(shù)相比降低了30.5%。

圖10 低溫THC排放（國Ⅴ排放限值1.8 g/km）

4 結(jié)論

HC吸附技術(shù)可以降低常溫及低溫整車NEDC循環(huán)THC排放30%以上，改善整車排放性能。使用HC吸附技術(shù)需要對(duì)整車起動(dòng)階段HC吸附劑的吸附時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。由于HC吸附劑具有低溫吸附、高溫脫附的特性，需要將其布置在前、后催化器之間。HC吸附技術(shù)可以減少前催化器貴金屬涂覆量，但后催化器能力需要加強(qiáng)。參考文獻(xiàn)

1 李維，蘇嶺，周龍保，等.點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理技術(shù)新發(fā)展.汽車技術(shù)，2003（1）：18～22.

2 Inoue T,Kusada M,Kanai H,et al.Improvement of Highly Efficient Hybrid Vehicle and Integrating Super Low Emission.SAE Paper No.2000-01-2930.

3 Yamamoto S,Matsushita K,Etoh S,et al.In-line Hydrocarbon Adsorber System for Reducing Cold-Star Emissions.SAE Paper 2000-01-0892.

4 Yamazaki H,Endo T,Ueno M,et al.Research on HC Adsorption Emission System.SAE Paper No.2004-01-1273.

5 Sano K,Kawai T,Yoshizaki S,et al.HC Adsorber System for SULEVs of Large Volume Displacement.SAE Paper No.2007-01-0929.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年4月11日。

Application of HC Adsorption Technology in Vehicle Emissions

Yin Yijun,Liu Jinyu
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

The effect of HC adsorption technology on emissions performance of a vehicle with aftertreatment system was studied in this paper.The research showed that there was an optimal adsorption time in the vehicle start-up stage.The optimal adsorption time of HC adsorption device used in this paper is 45 s.The vehicle test results showed that THC emissions could be reduced more than 30%in NEDC cycle both under normal temperature and low temperature environment by using HC adsorption technology.This technology could also reduce the cost of aftertreatment with lower coated weight of noble metal of three-way catalyst,while chassis catalyst ability needs to be strengthened.

HC adsorption,Emissions,Gasoline engine,Cold start

464.134+.4

A

1000-3703（2016）11-0044-03