電加熱金屬載體催化劑對汽油機冷起動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)動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.北京市機動車排放管理中心，北京 100176)

輕型車三元催化器(TWC)的主要作用是降低汽油機氣體污染物HC、CO和NOx的排放 。相對國5法規(guī)，國6法規(guī)中的Ⅰ型試驗由NEDC循環(huán)改為WLTP測試循環(huán)，不管是在WLTC還是在NEDC循環(huán)下，冷起動排放占比都較大(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6b階段限值相對國5限值降低了45%～50%，因此，對于國6輕型汽油車排放達標，冷起動排放控制至關(guān)重要。

通常三元催化器只有在排氣溫度達到250～400 ℃的時候才有較高的轉(zhuǎn)化效率。為了降低冷起動階段的排放，可以通過改變催化器布置、改善機內(nèi)燃燒以及增加額外的部件等方式來縮短TWC達到起燃所需的時間(可縮短20%～90%)，但上述方法各有利弊，比如TWC距離發(fā)動機出口越近，催化器越容易達到起燃溫度，但大多數(shù)工況下催化器將處于高溫狀態(tài)，會嚴重影響催化器的壽命[2]?，F(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的標定來降低低溫工況排放。長期以來，國內(nèi)外一直致力于開發(fā)150 ℃就能達到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械強度高、比熱容小、傳熱快等優(yōu)點，能夠使TWC快速達到工作溫度，縮短催化劑起燃時間，提高冷起動階段催化劑的轉(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冷起動階段的排放。

輕型車國6法規(guī)的另一個大改變是增加了實際道路排放試驗(RDE)。RDE下車輛行駛工況多變，低速低負荷工況更是排放控制的難點。如果電加熱催化器能夠獨立運行，對排氣進行加熱，不受發(fā)動機工況限制，有利于簡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，勢必會增加能耗(增加CO2排放)。Pace等的研究表明，通過發(fā)動機多噴油也能夠預(yù)熱催化劑。如果采用發(fā)動機多噴油方式與EHC方式獲得一樣的排放結(jié)果，但由于EHC技術(shù)直接對零部件進行加熱，熱損失少，EHC所需要的能耗僅是發(fā)動機加熱方式的1/3，面對未來CO2排放的加嚴，仍然具有一定的優(yōu)勢[12]。

目前，國內(nèi)外對于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。本研究針對一款汽油機，開發(fā)EHC技術(shù)，考察該技術(shù)的減排潛力，同時評估通過EHC技術(shù)來減少TWC貴金屬用量的可行性。

1 試驗方案

針對一款汽油機，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)動機基本參數(shù)見表1。發(fā)動機試驗時，從冷機狀態(tài)開始起動發(fā)動機，按照控制策略對EHC進行加熱，然后按WLTC循環(huán)運行，同時用CVS測量發(fā)動機的THC，CO和NOx排放，其中CVS全流稀釋排放測試系統(tǒng)為MEXA-ONE-C1，排氣溫度測量采用K型細絲熱電偶，熱電偶直徑0.5 mm。

表1 發(fā)動機基本參數(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，可以實現(xiàn)提前、同時、延遲加熱；通過NI控制器控制發(fā)動機的起動，起動后發(fā)動機按照預(yù)先設(shè)定的WLTC循環(huán)運行。

為研究不同電源電壓對排放的影響，本研究采用了12 V和48 V兩種不同電源電壓；為研究電加熱時間對排放的影響，設(shè)計了不同加熱時間的方案；為研究貴金屬含量對排放結(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%)進行涂覆。試驗方案見表2。

表2中，陶瓷載體方案為TWC前后級均為陶瓷載體，電加熱方案是把前級的陶瓷載體等體積替換為電加熱催化器，同時減少電加熱器上的貴金屬涂敷量，設(shè)計方案中降低了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是混合動力車常用蓄電池電壓，因此選擇了這兩種不同電源電壓進行對比。 電加熱策略包含兩部分：一部分是EHC預(yù)加熱時間，0 s代表發(fā)動機起動同時開啟電加熱，5 s代表在發(fā)動機起動前5 s開啟電加熱；另一部分是加熱時長，從EHC加熱開始計算。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加熱電壓對排放的影響

EHC在發(fā)動機起動前5 s開始加熱，本研究將48 V樣件加熱30 s(方案5， 標注為48V-5s-30s)、12 V樣件加熱30 s(方案2，標注為12V-5s-30s)與陶瓷載體方案(方案0，標注為Ceramic Cat.)進行了對比。圖2示出不同加熱電壓下WLTC循環(huán)下的排放對比。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個階段(低速段)的排放對比。從圖3可以看出，加熱時長30 s條件下，相對于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)化效率相對較高，且轉(zhuǎn)化效率的差異大部分來自WLTC循環(huán)的第1個階段(低速段)的排放差異，說明EHC主要對冷起動排放有影響。

從EHC主催化器床溫對比(見圖4)來看，48 V催化器床溫Tbed達到300 ℃要需24 s，12 V催化器床溫Tbed達到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)的排放總量對比

圖3 不同加熱電壓下WLTC第1階段的排放對比

圖4 前級催化器床溫對比

2.2 加熱時間對排放的影響

本研究采用減少30%貴金屬用量的12 V樣件，進行了EHC不加熱(方案1，0s-0s)、EHC在發(fā)動機起動前5 s開始加熱30 s(方案2，5s-30s)和60 s(方案3，5s-60s)的試驗，還進行了EHC在發(fā)動機起動時開始加熱30 s(方案4，0s-30s)的試驗，并將這些試驗結(jié)果與發(fā)動機陶瓷載體方案(方案0，標注為Ceramic Cat.)試驗結(jié)果進行了對比(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，例如圖5a中，加熱30 s和60 s條件下，WLTC循環(huán)第1個階段中HC的排放量分別比陶瓷載體方案低了50%和47%，說明達到一定加熱時間后，發(fā)動機本身排氣溫度已經(jīng)高于催化劑的起燃溫度，EHC繼續(xù)加熱對于提升排溫如果沒有起到效果，污染物排放就不會因為EHC加熱而繼續(xù)改善。

同樣加熱時長為30 s，如果EHC能夠在發(fā)動機起動前預(yù)加熱5 s，相對于EHC與發(fā)動機同時起動，HC，CO和NOx的排放量分別降低12%，33%和9%(見圖5)，這是因為提前預(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，使排氣更容易達到起燃溫度。

2.3 貴金屬含量對排放的影響

試驗發(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, 對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加熱一定時長后，發(fā)動機本身排氣溫度已經(jīng)高于催化劑起燃溫度，繼續(xù)增加加熱時間，不一定能達到減排效果，反而會增加能耗；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的控制相對獨立，無須對發(fā)動機噴油進行改動，能夠減少發(fā)動機熱管理控制策略的復(fù)雜性，如果EHC應(yīng)用可以結(jié)合整車標定策略進行優(yōu)化，能夠進一步提升其優(yōu)勢。