基于廢氣電加熱方案的試驗研究

【德】 F.FRICKE T.STEINHUBER E.GRU?MANN U.RUSCHE

關(guān)鍵詞：廢氣后處理;電加熱;混合動力汽車

0 前言

為了進行方案比較，Benteler公司的研究人員選擇了1款搭載了2.0L增壓汽油機的插電式混合動力汽車（PHEV），并對其降低排放的潛力進行了模擬，SilverAtena公司的研究人員則負責調(diào)控加熱盤的效率。該2家公司合作的目標是開發(fā)出1種能實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)的高品質(zhì)解決方案，并投入批量生產(chǎn)。在進行方案開發(fā)時，研究人員根據(jù)當前市場要求，制訂了1項全面的規(guī)范目錄[1]。除了能滿足技術(shù)要求（表1）外，研究人員重點對成本進行了評估，并對生產(chǎn)情況進行了專門預(yù)測。根據(jù)技術(shù)標準，研究人員選用了1種自行支承式的結(jié)構(gòu)，并將其靈活地與陶瓷或金屬催化轉(zhuǎn)化器相組合。加熱元件可采用催化涂層，且易于集成到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)空間之中，使研究人員在一定程度上能靈活地為電觸點選擇位置。為了使這種加熱裝置能投入高效的工業(yè)化生產(chǎn)，研究人員需要重點關(guān)注薄鋼板的制造工藝和裝配過程，并重點研究能用于開發(fā)載熱體和廢氣部件的常規(guī)方法。

1 基于電加熱盤的設(shè)計與研究

從功能上進行考慮，研究人員將電加熱盤和毗鄰的催化轉(zhuǎn)化器組成了同1個單元，并且使催化轉(zhuǎn)化器在幾秒鐘內(nèi)就能達到足夠高的工作溫度，產(chǎn)生的熱量也處于均勻分布狀態(tài)。將該款產(chǎn)品分別用于汽油機與柴油機時，主要區(qū)別如下：當其用于汽油機時，須使三元催化轉(zhuǎn)化器盡可能快速起燃;而當其用于柴油機時，重點則在于降低氮氧化物（NOx）排放。對于汽油機而言，加熱盤必須采用催化涂層，從而有效減少傳熱時間。在該情況下，采用加熱盤有助于提高催化轉(zhuǎn)化器的整體溫度。對于配備有選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的柴油機而言，則必須由還原劑分解出氨。為了能有效地降低NOx 排放，加熱盤必須持久地耐受超過200℃的極限溫度[2]。

研究人員針對這2種用途設(shè)計了不同的解決方案，并制造出了樣機。圖1示出了其主要的設(shè)計特點。對于具備快速加熱功能的設(shè)計方案而言，發(fā)熱體的質(zhì)量及熱容量有著較高的重要性，發(fā)熱體的電阻必須符合實際用途，并能滿足規(guī)定的可用功率要求。48V 汽車電路的電阻數(shù)值通常為350～600mΩ，而當其投入批量生產(chǎn)時，僅允許產(chǎn)生較小的電阻誤差。較大的表面積有利于改善熱效率，并可提升催化涂層的應(yīng)用效果。研究人員依據(jù)對比評價表（表2），對上述幾種方案進行了相互比較。該比較過程主要基于功能樣機的結(jié)構(gòu)、試驗室中的流動測量，以及工藝專家的經(jīng)驗而開展。

方案1、方案2、方案3以發(fā)熱體金屬薄片為基礎(chǔ)，其形狀由陶瓷電絕緣子決定。這些金屬薄片借助于快速滾筒，并經(jīng)兩級工藝過程壓制而成，是1種能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工藝過程。同時，由陶瓷絕緣子決定的形狀，以及與發(fā)熱體連接而成的整體結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)自行支承功能與較高可靠性及耐久性的基礎(chǔ)。通過數(shù)次焊接工藝，研究人員選擇了具有較小壁厚的金屬薄片，以此能獲得預(yù)先要求的電阻數(shù)值，同時也會提升系統(tǒng)的單位面積熱功率和催化涂層的應(yīng)用效果。

研究人員采用了方案5，以重疊金屬絲編織網(wǎng)覆蓋整個橫截面，從而使系統(tǒng)呈現(xiàn)出均勻的溫度分布。這種金屬絲編織網(wǎng)有效減少了催化涂層的表面積，同時由于其加熱質(zhì)量較小，因此能快速地實現(xiàn)加熱過程（圖2）。方案4通過采用薄膜金屬片，即可達到相似的溫度梯度。方案5中的金屬絲編織網(wǎng)與能使發(fā)熱元件實現(xiàn)縱向排列的方案3一樣，適用于橫截面形狀不同的催化轉(zhuǎn)化器，當其布置于發(fā)動機和汽車地板下方的空間時，具有更高的靈活性。

研究人員通過工藝鏈和預(yù)期的性能誤差來評價方案的可制造性。方案5并未采用焊接工藝，這對成本評估起到了重要作用?？傮w而言，研究人員可以確認方案5具有顯著的優(yōu)勢，后續(xù)進行的試驗將重點關(guān)注其與催化轉(zhuǎn)化器共同運作時的效果。在此之后，研究人員將主要針對上述方案的系統(tǒng)集成開展研究。

2 實現(xiàn)最低排放的模擬過程

為了評估廢氣電加熱系統(tǒng)采用電加熱盤時所能實現(xiàn)的最低排放，研究人員利用預(yù)驗證的動力總成系統(tǒng)與配備有相關(guān)子系統(tǒng)的模型來描述三元催化轉(zhuǎn)化器。其中，加熱盤被布置在靠近發(fā)動機的區(qū)域，并與三元催化轉(zhuǎn)化器進行組合。在上文所提到的方案中，研究人員還將該加熱盤作為金屬核心部件，并對加熱盤方案1的部件尺寸進行了標定。在模擬過程中，研究人員對加熱盤不采用涂層的前提條件進行了設(shè)定。

在試驗研究中，研究人員對1款搭載了2.0L汽油機，總質(zhì)量為2100kg的E級汽車進行了模擬。在未采用加熱盤時，該款車型就能充分滿足歐六d廢氣排放法規(guī)要求。為了評估該方案是否存在繼續(xù)降低排放的潛力，研究人員在外部溫度為-7 ℃的情況下進行了全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)（WLTC）試驗。除了循環(huán)和溫度變化曲線外，圖3還示出了車輛行駛5km后的循環(huán)累積排放情況，并與未采用加熱盤時的系統(tǒng)相比較。圖3示出了基本方案1，以及發(fā)熱體加熱質(zhì)量分別減少20%和50%時的附加變化方案。這些變化方案相當于通過方案2、方案3（減少20%）及方案4（減少50%）來減少加熱質(zhì)量。在出現(xiàn)了上述變化的情況下，1種方案是在循環(huán)開始和發(fā)動機起動之前，使加熱盤預(yù)熱40s，并通過二次空氣泵進行輔助。通過預(yù)熱，該方案能明顯過度補償由附加設(shè)備所增加的加熱盤質(zhì)量。變化最大的是方案4，該方案需要在循環(huán)開始和發(fā)動機起動之前為其預(yù)熱60s。隨著循環(huán)開始，所有的變化都采用了能持續(xù)12s的機內(nèi)加熱策略。其中，電加熱功率恒定為4kW，當溫度一旦達到400℃時，系統(tǒng)就會停止加熱。

與基本方案相比，通過循環(huán)最初5km 中的加熱催化轉(zhuǎn)化器方案1，NOx 排放降低了9%，并使碳氫（HC）排放降低15%。就降低排放的潛力而言，與歐六dTemp用途相比，方案2、方案3和方案4的效果更為顯著。通過上述幾類方案，可使CO 排放降低43%，使HC排放降低62%，并使NOx 排放降低42%

研究人員認為，延長預(yù)熱時間可進一步降低排放。通過對方案4的加熱盤進行技術(shù)調(diào)整，使其可在發(fā)動機起動前預(yù)熱60s。試驗結(jié)果顯示，CO 排放能降低65%，HC排放能降低94%，NOx 排放能降低75%。

正如表2中所示，加熱盤的催化涂層是1種附加的改善方案。對于WLTC工況而言，意味著加熱盤涂層必須通過機內(nèi)加熱和電加熱2種方式，從而在前12s內(nèi)將催化轉(zhuǎn)化器提高到起燃溫度，并且需要使起動時的最大功率達到7kW。研究人員計劃將在后續(xù)開發(fā)過程中對這種選擇進行評估。通過采用加熱措施，系統(tǒng)有著進一步降低起動排放的可能性，但是在具有較高扭矩需求的情況下，系統(tǒng)面臨著出現(xiàn)排放突增的風險。根據(jù)研究人員的評估，認為該情況為臨界狀態(tài)，而且還必須考慮到涂層老化帶來的附加效應(yīng)。

根據(jù)試驗結(jié)果，研究人員通過使用電預(yù)熱方案，使排放能明顯低于歐七法規(guī)排放限值，同時也期望車輛在真實行駛排放（RDE）循環(huán)中能具有同樣的減排效果。對于所研究的汽油機而言，研究人員也需要對其進行預(yù)熱。為將蓄電池應(yīng)用于混合動力汽車，并且不對其行駛過程進行限制，研究人員需要將電加熱過程作為前提條件進行考慮。

3 焊接工藝的開發(fā)

在方案1～4中，為提升系統(tǒng)的可制造性和使用壽命，焊接工藝具有重要意義。由于溫度在不斷變化，使物體氧化的大氣環(huán)境也將長期存在，加熱元件對材料技術(shù)提出了較高的要求。在廢氣裝置中，如鐵氧體合金鋼1.4509等典型材料就無法進行正常工作，形成的氧化層將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而且會因循環(huán)負荷和內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。脫落的顆粒一方面會引起短路現(xiàn)象，另一方面會減小承載負荷的橫截面積，并且會形成絕熱層，加速材料的氧化過程。因此，研究人員建議使用溫度較為穩(wěn)定的FeCrAl合金。在真空條件下，研究人員通過高溫焊接工藝來制造加熱盤。通過該工藝，研究人員可為FeCrAl合金有序地添加Al2O3 涂層和Cr2O3 涂層。焊接持續(xù)時間、溫度、真空品質(zhì)、熱處理，以及焊縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計都能有針對性地提供必要的參數(shù)，從而能使加熱盤具有較高的熱機械性能和高強度的連接效果。圖4示出了焊接加熱盤的焊縫連接，其中工藝技術(shù)參數(shù)保持相同，而焊縫則處于持續(xù)變化過程中。結(jié)果表明，不同的焊縫尺寸產(chǎn)生了不同的焊縫金相組織。當焊縫較寬時，可明顯觀察到硅的析出過程，并且在連接處具有脆性較高的問題。研究人員借助于顯微硬度測量過程（圖4），可知連接內(nèi)部的硬度差別因數(shù)為3.7，而在焊縫較小的情況下該因數(shù)僅為2.2。這種差異較大的硬度會影響此處臨界的熱機械強度。在硬度較高的情況下，該方案無法起到增塑作用，應(yīng)力會通過裂縫進行釋放。因此，研究人員需要優(yōu)化設(shè)計，使構(gòu)件配備有性能更優(yōu)越的氧化層。如果采取必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，那么研究人員就能對焊縫進行精確設(shè)計，使焊縫尺寸低于硅析出的臨界值，該數(shù)值通常為80μm。

4 解決方案

研究人員開發(fā)了1種最大功率為7kW 且電壓為400V 的最佳系統(tǒng)方案（圖5），并可用于高電壓插電式混合動力汽車，以此為加熱盤供電。在試驗運行過程中，接口和功能可進行相互調(diào)整。電控單元（ECU）能以1個直流（DC）變流器為基礎(chǔ)，該變流器能根據(jù)多種加熱元件的不同要求，分別對其進行優(yōu)化。技術(shù)上的挑戰(zhàn)主要在于加熱元件需要具備較高的功率密度，同時研究人員需要對其整個功率范圍內(nèi)的效率進行優(yōu)化。

就電加熱催化轉(zhuǎn)化器加熱元件的損壞情況而言，目前研究人員尚無法準確排查出相關(guān)原因，因此加熱盤的輸入電壓被限制在低于60V 的界限內(nèi)。在此前提下，如果出現(xiàn)濺水的情況，就不會因電加熱盤加熱元件的損壞，而對乘客造成危害。

對于ECU 而言，研究人員考慮使用配備有串聯(lián)電流放大器的DC/DC換流器。同時，正如檢驗標準LV123中的規(guī)定，研究人員可根據(jù)拓撲學原理，通過變壓器轉(zhuǎn)換過程將高電壓換流器與低電壓換流器隔離開來。

目前，移相全橋控制（PSFB）拓撲學已得到了大規(guī)模推廣。以該原理為基礎(chǔ)，研究人員通過H 型電橋在變壓器轉(zhuǎn)換的原邊產(chǎn)生交流電壓，并采用集成的控制器將轉(zhuǎn)換損失降至最低程度，以此提高了系統(tǒng)效率。同時，研究人員在變壓器次邊實現(xiàn)了主動整流，從而進一步提高了系統(tǒng)效率。

諧振電路（LLC）轉(zhuǎn)換器是1類正處于發(fā)展過程中的技術(shù)設(shè)備。如果研究人員對LLC實現(xiàn)了最優(yōu)控制，在主動構(gòu)件數(shù)量較少的情況下，會使系統(tǒng)具有更高的效率。在輸入電壓和輸出電壓較低的情況下，LLC 就會喪失其效率優(yōu)勢。目前，PSFB 拓撲學已被用于ECU中（表3）。

將用于加熱催化轉(zhuǎn)化器的ECU 集成到汽車上是1項具有較高技術(shù)挑戰(zhàn)性的工作。除了要尋找到合適的布置空間之外，研究人員還應(yīng)考慮是否采用高壓引線，必要時還要為部件選用冷卻循環(huán)回路。加熱盤和ECU的制造商與系統(tǒng)集成者在項目早期即已進行了合作，從而便于針對該方面開展后續(xù)優(yōu)化工作。

在開發(fā)ECU 時，研究人員關(guān)注的重點是需要采用1種適于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且使產(chǎn)品具有較高功率密度和較高集成度的方案。該方案的主要目標是逐步減小ECU 的外形尺寸，從而能將其集成到車內(nèi)結(jié)構(gòu)空間中。

這種轉(zhuǎn)換器包括1種最優(yōu)的調(diào)節(jié)策略，這樣使用者就能通過功率調(diào)節(jié)，預(yù)先為特定運行工況點提供所需要的功率。在電子系統(tǒng)中，用于控制電加熱催化轉(zhuǎn)化器的加熱盤與最佳的電流-電壓系統(tǒng)相匹配。其中，研究人員要考慮到系統(tǒng)所能承受的電壓極限，這樣就能始終為系統(tǒng)提供合適的功率，而此項決策與加熱程度和損耗無關(guān)。研究人員通過對加熱催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)進行智能調(diào)節(jié)，在監(jiān)控加熱元件時，就能省去附加的溫度傳感器，從而降低部件成本。

就ECU 而言，研究人員可選擇具有靈活數(shù)據(jù)傳輸率的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線或局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）及汽車通訊等方式。由于傳輸過程通常采用雙向進行的方式，從而會有多種診斷數(shù)據(jù)可供用戶使用。同時，該系統(tǒng)還能提供多種參數(shù)，例如運行模式、預(yù)設(shè)的額定值和最大值，以及起動狀況。

用于轉(zhuǎn)換器的微控制器平臺允許汽車具有開放的架構(gòu)集成方案，此外還單獨實現(xiàn)了誤操作保護和監(jiān)控等所有必備的功能，滿足了對廢氣管路部件的認證要求。

在這些研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員將開發(fā)出1款能在汽車上實現(xiàn)快速評估的平臺，并進行大規(guī)模推廣，以供用戶選用。

5 總結(jié)

在對部件進行精確設(shè)計和反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，研究人員對自行支承式加熱盤的設(shè)計方案進行了詳細評估。

對汽油機的評估結(jié)果表明，提升加熱梯度能有效降低廢氣排放，但其他的加熱盤方案在降低復(fù)雜性和成本方面也具有其自身優(yōu)勢。最終會應(yīng)用哪1種設(shè)計方案，主要取決于計劃用途、安裝位置、所選擇的廢氣后處理策略，以及特定的廢氣排放標定過程。

為滿足即將實施的廢氣排放法規(guī)，選用自行支承式電加熱盤是1項較為理想的方案，以此可有效減少排放。該設(shè)備適用于汽油機和柴油機，特別是當2類機型被用于混合動力汽車的動力來源時。研究人員通過開發(fā)合適的電子控制系統(tǒng)，在項目早期階段就能為用戶提供1種具有較高價值的產(chǎn)品，從而能縮短該款加熱盤的開發(fā)時間。