混合動(dòng)力汽車零排放的研究

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

目前，裝配點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車和輕型貨車在熱機(jī)狀態(tài)下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)排氣污染物的完全轉(zhuǎn)化，但減少排放的目標(biāo)仍面臨挑戰(zhàn)。這主要受到冷起動(dòng)和暖機(jī)策略的影響。對(duì)排氣后處理系統(tǒng)技術(shù)研究的重點(diǎn)是熱管理，并希望發(fā)動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到熱機(jī)狀態(tài)。目前，新的挑戰(zhàn)是實(shí)際駕駛工況排放（RDE）法規(guī)，因?yàn)镽DE法規(guī)包含更頻繁的不同冷起動(dòng)工況，這與以前法規(guī)要求的測(cè)試循環(huán)迥然不同。另一方面，如果排氣能實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，對(duì)于許多排氣后處理系統(tǒng)（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(tǒng)的耐久性。為了進(jìn)一步大幅度降低排放，實(shí)現(xiàn)零排放概念，研究了電加熱催化器（EHC）技術(shù)，同時(shí)也包括預(yù)熱策略。排氣后處理明確的目標(biāo)是在合適的時(shí)間、位置獲得合適的溫度。對(duì)排氣后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、EHC加熱策略等多種方案進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)顯著的冷起動(dòng)減排。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）的應(yīng)用正快速地增長(zhǎng)，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(qū)動(dòng)，還包括由電能支持的排氣后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。沃爾沃汽車和大陸Emitec公司已經(jīng)對(duì)嵌入EHC型的排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。當(dāng)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(tǒng);混合動(dòng)力;冷起動(dòng)

0?前言

為了應(yīng)對(duì)未來的排放法規(guī)，研究人員提出了“零排放混合動(dòng)力車（HEV）”的概念。設(shè)定“零排放”目標(biāo)有不同的原因，如歐6、歐7之后的排放法規(guī)規(guī)劃、大城市或人口稠密地區(qū)地方法規(guī)的演變、未來消費(fèi)者對(duì)清潔動(dòng)力的接受程度，以及替代動(dòng)力系統(tǒng)的可用性等。

此外，隨著HEV的引入，汽車制造商同時(shí)面臨著更多的挑戰(zhàn)和可能性。HEV最基礎(chǔ)的版本是在車輛停止時(shí)的起停技術(shù)。1個(gè)更為先進(jìn)的混合動(dòng)力車的代表是插電式沃爾沃T8車型。該車型實(shí)現(xiàn)了全時(shí)電驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收。然而，此類混合動(dòng)力車也應(yīng)該考慮“大負(fù)荷冷起動(dòng)”的排放挑戰(zhàn)[1]。

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

電加熱催化器（EHC）技術(shù)的1個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以自由地使用電能來預(yù)熱、暖機(jī)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(jī)狀態(tài)和過量空氣系數(shù)λ=1條件下的廢氣轉(zhuǎn)化率接近100%。新的排氣后處理系統(tǒng)技術(shù)研究主要集中在冷起動(dòng)和暖機(jī)階段。尤其是催化器的安裝、傳感器策略和發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略是盡快實(shí)現(xiàn)催化器起燃的關(guān)鍵參數(shù)。催化器的安裝及與排氣后處理系統(tǒng)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(tǒng)為例展開討論，其排氣系統(tǒng)示例見圖1。

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

圖1（b）是升級(jí)版在用的排氣后處理系統(tǒng)，具有更為先進(jìn)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(dòng)。催化器前端有打孔的金屬片結(jié)構(gòu)，因此排氣與徑向氣體可進(jìn)行混合，并支持精確的傳感器信號(hào)質(zhì)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(fù)荷，促進(jìn)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(tǒng)。在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上，氣體混合在渦輪中完成，渦輪同時(shí)也充當(dāng)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(shí)集成了氧傳感器技術(shù)支持催化器控制的早期起動(dòng)。在彎管內(nèi)安裝2個(gè)載體（緊湊型催化器）可最大限度地減小背壓，避免在額外區(qū)域內(nèi)發(fā)生壓縮和膨脹，還可進(jìn)一步降低溫度。第2級(jí)催化器（即后催化器）轉(zhuǎn)化率非常高，這得益于在進(jìn)入后催化器之前在水平壁上發(fā)生的氣體脈動(dòng)平衡，使得整個(gè)系統(tǒng)的尺寸相對(duì)較小。這種設(shè)計(jì)減少了電力驅(qū)動(dòng)期間的熱損失，降低了冷卻效應(yīng)?？傊?，對(duì)于T8插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）而言，這是1個(gè)有效的系統(tǒng)。當(dāng)然，排氣后處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不能完全消除大負(fù)荷冷起動(dòng)的負(fù)面影響[6]。

同時(shí)這還是1個(gè)平衡的系統(tǒng)。對(duì)于冷浸后起動(dòng)要考慮到保持熱量的能力;而對(duì)于冷起動(dòng)，則縮短了后催化器功能被完全激活的時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。例如，在換檔過程中，為了減少齒輪箱上的應(yīng)力而降低扭矩可能會(huì)產(chǎn)生催化器超過最大許用溫度的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

為了實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)，除了采取更有效的措施，還應(yīng)考慮使用EHC（包括預(yù)熱方法）的可能性。為了不僅在熱機(jī)狀態(tài)下具備實(shí)現(xiàn)零排放的潛力，而且在冷起動(dòng)和暖機(jī)情況下也能實(shí)現(xiàn)零排放，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理。這既可以通過對(duì)排氣系統(tǒng)零件（主要是電氣件）進(jìn)行預(yù)熱來實(shí)現(xiàn)，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(tǒng)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(jìn)行幾次預(yù)處理，則會(huì)導(dǎo)致蓄電池電量耗盡。然而，預(yù)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(jī)關(guān)的意圖和車輛技術(shù)結(jié)合起來是非常重要的。

1?沃爾沃PHEV排氣后處理系統(tǒng)

如上文所述，T8原排氣系統(tǒng)為兩級(jí)催化器結(jié)構(gòu)，催化器設(shè)計(jì)采用集成在彎管內(nèi)的1種創(chuàng)新方法（圖2）。開發(fā)樣件系統(tǒng)的設(shè)想是研究1種替代結(jié)構(gòu)，增加從渦輪增壓器出口到排氣后處理系統(tǒng)（EATS）催化劑載體入口的距離（表1）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙下方空間受限時(shí)，這種結(jié)構(gòu)有利于布置，并可降低催化器入口溫度。此外，出于實(shí)際原因，在前期工程研究期間，此樣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更容易使用，如傳感器更容易安裝。

樣件系統(tǒng)的長(zhǎng)度較短，具有經(jīng)充分優(yōu)化的彎管，以使排氣流動(dòng)順暢，從而最大化地減少熱損失。氣體混合區(qū)與柔性波紋管結(jié)合，半緊耦合EHC直接安裝在波紋管后面。

樣件系統(tǒng)的潛在缺點(diǎn)之一是在冷起動(dòng)和預(yù)熱期間，廢氣的平均溫度較低，導(dǎo)致排氣尾管排放比量產(chǎn)車輛稍高。原因是該方案包括后催化器，整個(gè)系統(tǒng)預(yù)熱需要更長(zhǎng)的時(shí)間。通常允許起停操作或大負(fù)荷冷起動(dòng)的條件之一是排氣后處理系統(tǒng)完全預(yù)熱。當(dāng)然，對(duì)于大負(fù)荷起動(dòng)而言，比小負(fù)荷起動(dòng)時(shí)需要更多的催化器容積。

圖3顯示了兩級(jí)催化器在全球輕型車統(tǒng)一試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）工況溫度達(dá)到250 ℃時(shí)所需的時(shí)間：量產(chǎn)系統(tǒng)在43 s后達(dá)到250 ℃，而樣件系統(tǒng)在85 s后達(dá)到相同的溫度。當(dāng)然，這種差異是由于應(yīng)用場(chǎng)景和駕駛循環(huán)的不同而存在差異。

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

2?EHC

EHC由20世紀(jì)90年代發(fā)展起來，其研發(fā)目標(biāo)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(zhuǎn)化器布置在底板下，之后將其移動(dòng)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(shí)間內(nèi)達(dá)到起燃的程度（圖5）。

最近幾年，隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，實(shí)際駕駛工況排放（RDE）法規(guī)和盡可能大的過量空氣系數(shù)區(qū)域?qū)ε艢庀到y(tǒng)可靠處理污染物提出了更高的要求，這使得EHC再次受到關(guān)注。最近，沃爾沃開展了1項(xiàng)關(guān)鍵的開發(fā)工作，從標(biāo)準(zhǔn)的12 V EHC變?yōu)閯?chuàng)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(fù)荷階段也能更快地起燃。

EHC的基本思想是將由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱能從加熱盤高效地傳遞到催化劑載體。將加熱盤設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化污染物。加熱盤通過支撐銷與兩級(jí)催化器，即支撐催化器進(jìn)行機(jī)械連接，EHC構(gòu)造見圖6所示。

加熱盤的工作原理是通過電熱線圈進(jìn)行加熱。通過1個(gè)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(wǎng)絡(luò)或直接連接到EHC外殼體。這種結(jié)構(gòu)能確保催化器長(zhǎng)期承受排氣系統(tǒng)中的高溫和機(jī)械負(fù)荷。

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

3?KatProg軟件

KatProg軟件是在2000年左右發(fā)展起來的，用來計(jì)算催化器系統(tǒng)的冷起動(dòng)性能。其功能主要基于二維溫度分布計(jì)算程序，其中添加了幾何數(shù)據(jù)計(jì)算和轉(zhuǎn)化特性的代碼。計(jì)算網(wǎng)格如圖7所示，采用10個(gè)徑向和20個(gè)軸向單元組成的網(wǎng)格模擬催化器。軸向單元的數(shù)量由催化器的長(zhǎng)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(jì)算催化器的溫度分布和轉(zhuǎn)化反應(yīng)，KatProg軟件需要錄入系統(tǒng)的一些幾何參數(shù)，如直徑、長(zhǎng)度、單元密度，以及原始排放量、質(zhì)量流量和催化器前端的溫度等。這些數(shù)據(jù)由特定的文件提供，輸出的結(jié)果以列表的形式給出，其中包含了所有網(wǎng)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(jì)網(wǎng)格中每個(gè)單元的轉(zhuǎn)化效率。轉(zhuǎn)化效率受溫度或傳質(zhì)系數(shù)β的限制，可使用式（1）計(jì)算

β=（Sh×D）/ Dh（1）

式中，Sh是舍伍德數(shù)，D是二元擴(kuò)散系數(shù)，Dh是單通道的水力直徑。

KatProg軟件使用最先進(jìn)的求解器和算法，將仿真時(shí)間減少到實(shí)際的10%以下。圖8給出了測(cè)量的和模擬的碳?xì)洌℉C）排放量的比較。將發(fā)動(dòng)機(jī)原始HC排放作為KatProg軟件仿真的輸入，對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)尾管排放進(jìn)行了比較。由于TWC涂層中吸附劑的作用，前幾秒時(shí)間內(nèi)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(yàn)

帶EHC的排氣后處理系統(tǒng)樣件在量產(chǎn)XC90 T6滿足歐6c排放的車型上進(jìn)行了測(cè)試，該車型配備了2.0 L渦輪增壓和機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表2。運(yùn)用不同的電加熱策略，即相同的功率但不同的加熱時(shí)間，從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)開始進(jìn)行了排放測(cè)試（圖9）。在所有情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的表征參數(shù)，例如排放、空燃比和溫度都是可進(jìn)行對(duì)比的。

從圖9結(jié)果可見，隨著加熱時(shí)間的增加，HC的轉(zhuǎn)化提前開始，冷起動(dòng)排放可減少40%。在催化劑載體內(nèi)5 mm處用熱電偶測(cè)量了溫度。從圖10中的溫度分布來看，催化劑達(dá)到起燃溫度的時(shí)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(guī)律表現(xiàn)不同，溫度升高與減排的對(duì)應(yīng)關(guān)系似乎并不明顯。

加熱催化器的熱量有3個(gè)來源：（1）來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣熱量（包括發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，如點(diǎn)火正時(shí)）;（2）來自催化劑涂層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的放熱;（3）來自涂層內(nèi)側(cè)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(nèi)部熱量增多又會(huì)導(dǎo)致局部化學(xué)反應(yīng)加快，產(chǎn)生放熱，如此循環(huán)。

發(fā)動(dòng)機(jī)加熱和電加熱的根本區(qū)別在于發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(cè)點(diǎn)分別距離支撐載體前端面2 mm和25 mm。

5?非固定循環(huán)工況下的排放穩(wěn)健性

對(duì)XC90 T6 歐6c車型進(jìn)行了基本研究后，使用PHEV版本的XC90 T8進(jìn)行試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)軟件標(biāo)定更自由，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表2所示。沃爾沃XC90 T8 歐6d TEMP車型經(jīng)過重新標(biāo)定和改制，以便能夠?qū)蛹到y(tǒng)中加入EHC后的影響進(jìn)行穩(wěn)健性研究。

典型的汽油機(jī)排放系統(tǒng)后處理效果在很大程度上依賴于冷起動(dòng)排放性能。過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火正時(shí)是需要調(diào)整的典型參數(shù)。當(dāng)然，當(dāng)工況穩(wěn)定時(shí)，這種調(diào)整最容易實(shí)現(xiàn)。如果排放系統(tǒng)在催化劑加熱期間受到干擾，則會(huì)產(chǎn)生一些影響。干擾可以通過軟件功能和/或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電力）的支持進(jìn)行補(bǔ)償，以限制不利影響。在本研究中，采用不帶上述補(bǔ)償?shù)能囕v開展試驗(yàn)，評(píng)估2種水平的干擾。其目的是區(qū)分和量化在配備EHC的排氣后處理系統(tǒng)上，能夠抑制排放系統(tǒng)干擾的更好策略。通常，在討論非固定循環(huán)（如實(shí)際駕駛工況）面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，這些干擾起著主要作用。未來，包括RDE法規(guī)在內(nèi)，確實(shí)會(huì)引起人們對(duì)這類問題的更多關(guān)注。

從試驗(yàn)和模擬中確定了優(yōu)化的加熱策略后，研究將繼續(xù)關(guān)注樣件系統(tǒng)的穩(wěn)健性，這些樣件采用了電加熱策略。定義的試驗(yàn)工況如下所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

工況A，0 s對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)車輛起動(dòng)策略，這些策略已針對(duì)WLTC工況進(jìn)行了優(yōu)化。

工況B，在第1個(gè)怠速期間，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷施加了一些干擾。在整個(gè)催化器完成加熱之前，這些干擾會(huì)導(dǎo)致明顯的空燃比偏差。

工況C，在第1個(gè)加速期間，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷施加了一些干擾。在整個(gè)催化器完成加熱前，干擾會(huì)導(dǎo)致明顯的空燃比偏差和廢氣質(zhì)量流量偏差。

由于PHEV車輛具有電驅(qū)動(dòng)的特性，可以對(duì)工況C進(jìn)行標(biāo)定（空燃比和流量偏差），并具有良好的重復(fù)性。其中心思想是由1個(gè)擾動(dòng)水平引起的排放增加可以通過電加熱進(jìn)行補(bǔ)償，并恢復(fù)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(jù)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(yōu)化加熱時(shí)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(jié)果如圖14所示。在EATS1結(jié)構(gòu)下，自行預(yù)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(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(tǒng)中，但該系統(tǒng)在最初幾秒鐘內(nèi)處于溫度較低的狀態(tài)。所以，將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前和起動(dòng)后加熱相結(jié)合似乎是最好的策略。

6?EHC預(yù)熱

預(yù)熱在有無氣流的情況下都可以進(jìn)行。有氣流時(shí)隨著氣體質(zhì)量流量的增加，熱量可以很快地通過排氣后處理系統(tǒng)傳輸，并使催化器迅速超過起燃溫度。缺點(diǎn)是輔助氣流裝置的安裝相當(dāng)復(fù)雜。無氣流的預(yù)熱會(huì)面臨催化器加熱盤過熱的風(fēng)險(xiǎn)，但本研究測(cè)試車輛不存在此問題。為了簡(jiǎn)化起見，本試驗(yàn)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(gè)催化器，以捕捉輻射能量。圖15所示的EATS2系統(tǒng)布置采用電加熱的排放收益比借助發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量加熱策略的EATS1小得多。原因是在怠速時(shí)，廢氣在通過熱的電加熱盤之前被第1級(jí)載體冷卻，因此第1次加速時(shí)EATS2的平均溫度低于EATS1的平均溫度。此外，對(duì)于從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)開始的標(biāo)準(zhǔn)加熱，支撐載體軸向25 mm處的溫度在“露點(diǎn)”左右，冷凝水需要蒸發(fā)，因此有延遲。這實(shí)際上類似于催化器完全沒有加熱時(shí)的情況。

如圖16、圖17和圖18所示，將使用預(yù)加熱與無預(yù)熱相比，可以觀察到排放減少了50%，原因是第2級(jí)催化器中不再存在蒸發(fā)延遲。當(dāng)然，加熱盤在預(yù)熱期間達(dá)到高溫，彌補(bǔ)了冷催化器的冷卻作用。

從以上結(jié)果可以看出，預(yù)加熱是1個(gè)很好的減排策略，通常也可以從電動(dòng)系統(tǒng)中獲得所需的能量。更復(fù)雜的是關(guān)于可用功率的情況，這是因?yàn)樵S多電器之間存在功率競(jìng)爭(zhēng)。典型的理想預(yù)熱策略如圖19所示，在起動(dòng)過程中應(yīng)關(guān)閉EHC加熱，但在起動(dòng)后應(yīng)持續(xù)一定時(shí)間，需在減速階段增加額外的EHC功率。

然而，預(yù)加熱策略需要進(jìn)一步全面的研究，包括多個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器之間的功率分配，車載診斷相關(guān)法規(guī)，甚至客戶的感知，以及系統(tǒng)與駕駛員之間的互動(dòng)。例如，司機(jī)是否會(huì)接受在車門打開時(shí)起動(dòng)預(yù)熱，或者在司機(jī)坐到駕駛位上后起動(dòng)預(yù)熱。同時(shí)，也必須對(duì)在減速過程中使用EHC的可能性進(jìn)行深入的研究?？紤]到電池充電和保持排氣后處理系統(tǒng)高于起燃溫度用電之間的分配，應(yīng)避免任何可能增加排放的“熄火”動(dòng)作。

從排放系統(tǒng)的應(yīng)用來看，預(yù)加熱是1個(gè)非常理想的方案。事實(shí)上，正是該策略具有能夠達(dá)到絕對(duì)最佳排放的潛力。加熱盤在整個(gè)排氣后處理系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，因此加熱盤不應(yīng)布置在溫度過高和污染嚴(yán)重的位置。在2塊載體中間有1個(gè)有涂層的圓盤，看起來更有吸引力，盡管這種布局只能在預(yù)熱策略研究時(shí)才能運(yùn)用。

對(duì)于未來的發(fā)展，另1個(gè)方案是EHC技術(shù)研究要考慮到保護(hù)氧傳感器，因?yàn)樵搨鞲衅髟谂瘷C(jī)階段對(duì)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(shí)間的加熱過程?？傊_發(fā)包括預(yù)熱實(shí)現(xiàn)零排放在內(nèi)的實(shí)用方法是很有吸引力的。此外，其他文獻(xiàn)也報(bào)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(jié)合使用。

7?油耗討論

由于使用混合動(dòng)力汽車不僅提供了電動(dòng)駕駛的樂趣，主要目的是為了節(jié)省燃油。如上所述，在樣件系統(tǒng)EATS1上，整個(gè)系統(tǒng)升溫前的加熱時(shí)間較長(zhǎng)。這意味著對(duì)兩級(jí)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(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，如果等待時(shí)間較長(zhǎng)，直到HEV功能完全起動(dòng)，則會(huì)喪失節(jié)油潛力。因此，如何平衡提供給EHC的電能，以達(dá)到更快的混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)模式，降低燃油消耗。當(dāng)然，這種平衡取決于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

為了評(píng)估加熱對(duì)EHC下游催化器的影響，在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的一部分工況中，使用2 kW功率的加熱策略，對(duì)EATS1和EATS2這2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了比較試驗(yàn)（表3），結(jié)果如圖20所示。EATS2在支持延長(zhǎng)起停方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，因?yàn)樵贓ATS2布局中，底板下催化器的溫度迅速升高，從而使電氣驅(qū)動(dòng)的后處理?xiàng)l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(tǒng)條件的角度來看，最快的加熱策略允許在起停狀態(tài)持續(xù)60 s，而沒有電加熱的方案則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在緊耦合催化器（CCC）系統(tǒng)中，則可以標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)催化器加熱策略，以便像CCC+UFC樣件系統(tǒng)，通過額外的加熱，達(dá)到完全相同的加熱時(shí)間。

通常，通過發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)加熱的催化器，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后仍需繼續(xù)加熱，直到整個(gè)排氣后處理系統(tǒng)達(dá)到溫度要求。這是出于排放的穩(wěn)健性要求。在該加熱過程中，以輸送到催化轉(zhuǎn)化器的一定熱能Q為特征，發(fā)動(dòng)機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，并禁用起停等混合動(dòng)力功能。

如圖22所示，可以將熱能分為3個(gè)來源：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，包括被動(dòng)催化器加熱（發(fā)動(dòng)機(jī)余熱）和主動(dòng)催化器加熱（點(diǎn)火延遲）;（2）催化劑中的放熱;（3）電加熱。

增加電加熱促進(jìn)了催化劑中的放熱反應(yīng)，加速了整個(gè)升溫過程，使得純電驅(qū)動(dòng)模式提前。為了說明這一點(diǎn)，研究人員將試驗(yàn)車在各種城市的行駛循環(huán)中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖23所示。在汽車能耗較低的情況下，主動(dòng)催化劑加熱起著較大的作用。當(dāng)然，用電加熱排氣后處理系統(tǒng)會(huì)影響汽車的能耗，從而也會(huì)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(fā)電機(jī)提供），這相當(dāng)于約6 g的燃油，換算成整個(gè)全球輕型車測(cè)試規(guī)程（WLTP）等效工況CO2排放約為0.75g/km，而借助于混合動(dòng)力在催化器加熱初期的廣泛使用，EHC可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

8?充電時(shí)預(yù)加熱

另1種可與PHEV結(jié)合使用的預(yù)熱策略是在車輛充電時(shí)進(jìn)行預(yù)熱（圖24）。研究人員對(duì)1個(gè)非商用的預(yù)熱策略進(jìn)行了研究。在現(xiàn)款沃爾沃T8插電式混合動(dòng)力車原先的后處理系統(tǒng)（緊湊型催化器）上安裝了1個(gè)加熱棒。該加熱棒是1個(gè)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(wǎng)絡(luò)。零件測(cè)試表明，用130 W的電阻加熱器預(yù)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(yōu)點(diǎn)在于2種系統(tǒng)都可以進(jìn)行低溫預(yù)熱，并且夾心式催化器還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)進(jìn)行全功率加熱。當(dāng)然，由于很難判斷汽車什么時(shí)候起動(dòng)，且采用低功率加熱方式需要數(shù)百分鐘后才能達(dá)到工作溫度，因此需要將用戶行為“智能連接”到車輛上進(jìn)行判斷。

9?結(jié)論

盡管現(xiàn)行法規(guī)中沒有規(guī)定現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)汽車要達(dá)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(zhàn)性的目標(biāo)來研究不同的技術(shù)。研究人員采用標(biāo)準(zhǔn)位置的EHC，即在載體前端加裝加熱盤，結(jié)果在減少排氣尾管排放方面顯示出優(yōu)異的效果，可達(dá)到排氣尾管排放減少約40%。此標(biāo)準(zhǔn)方法也可以支持混合動(dòng)力系統(tǒng)排放策略。如果加熱盤位于2塊載體之間，并且采用了預(yù)熱策略，則排氣尾管排放減少約50%。盡管需要預(yù)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(yù)熱的要求。配置有預(yù)熱功能的車輛對(duì)于實(shí)現(xiàn)零排放系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于PHEV的策略是，一旦連接到電?路，可以使整個(gè)排氣后處理系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)起停和電驅(qū)動(dòng)起用取決于完全加熱的排氣后處理系統(tǒng)和低速循環(huán)是否集中，能量回收則很有可能實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，能量回收將對(duì)降低燃油耗產(chǎn)生積極影響。

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