某插電混動(dòng)車(chē)型的排放和后處理開(kāi)發(fā)應(yīng)用

史冬敏　閆海東

摘 要：文章針對(duì)插電混動(dòng)（PHEV）汽油車(chē)型電池提供部分動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻繁的運(yùn)行特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)靈活且相對(duì)集中，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)時(shí)的污染物排放高。基于此，對(duì)PHEV車(chē)型的排放后處理進(jìn)行匹配開(kāi)發(fā)，以臺(tái)架性能結(jié)果展開(kāi)評(píng)估，包括起燃溫度、儲(chǔ)氧性能和背壓特性，針對(duì)臺(tái)架性能優(yōu)異的后處理新技術(shù)開(kāi)展整車(chē)排放（WLTC+RDE）試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比混動(dòng)和傳統(tǒng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，并對(duì)混動(dòng)車(chē)的后處理選型開(kāi)發(fā)特點(diǎn)進(jìn)行小結(jié)。文章篩選出低成本高性能的排放后處理技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)降本增效的同時(shí)為應(yīng)對(duì)愈加嚴(yán)格的排放法規(guī)儲(chǔ)備技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混動(dòng)PHEV 排放 后處理匹配 RDE

1 引言

在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，各種型式的新能源汽車(chē)逐步擴(kuò)大市場(chǎng)，其中插電式混動(dòng)汽車(chē)因其續(xù)航里程的優(yōu)勢(shì)已逐步被消費(fèi)者接受。排放和能耗法規(guī)對(duì)混動(dòng)車(chē)型明確了測(cè)試要求，且其復(fù)雜程度及測(cè)試要求明顯高于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。并且由于插電式混動(dòng)汽車(chē)的電池容量較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用范圍更加靈活，為了達(dá)到省油的目的，起停工況較多，未充分熱機(jī)情況下，起停對(duì)污染物排放和顆粒物排放帶來(lái)了不小的壓力，優(yōu)秀的后處理三元催化轉(zhuǎn)換器（TWC）和顆粒捕集器（GPF）匹配是非常有效的機(jī)外凈化措施[1]。尤其是排放法規(guī)的愈加嚴(yán)格，對(duì)汽車(chē)后處理裝置的要求越來(lái)越高，通過(guò)使用更低的載體重量（熱容）和超薄壁載體可以更快的加熱，同時(shí)優(yōu)化貴金屬分配方式，并改善車(chē)輛冷啟動(dòng)排放；此外，貴金屬鉑金（Pt）、鈀金（Pd）和銠金（Rh）的價(jià)格較高，通過(guò)采用后處理新技術(shù)可降低貴金屬總量，降低整車(chē)匹配開(kāi)發(fā)成本，從而提升品牌車(chē)型競(jìng)爭(zhēng)力。

本文基于某動(dòng)力平臺(tái)基礎(chǔ)項(xiàng)目插電混動(dòng)車(chē)型開(kāi)展后處理技術(shù)方案匹配，以臺(tái)架性能結(jié)果展開(kāi)評(píng)估，對(duì)比超薄壁載體采用不同涂層新技術(shù)的臺(tái)架性能和整車(chē)排放結(jié)果，篩選出低成本高性能的排放后處理技術(shù)和方案，以滿(mǎn)足現(xiàn)階段整車(chē)排放國(guó)6b+RDE法規(guī)為目標(biāo)。文中通過(guò)對(duì)比臺(tái)架后處理起燃溫度、儲(chǔ)氧性能和背壓，再針對(duì)臺(tái)架性能結(jié)果篩選較優(yōu)后處理方案開(kāi)展整車(chē)排放WLTC+RDE性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)比混動(dòng)和傳統(tǒng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，并對(duì)混動(dòng)車(chē)的后處理選型開(kāi)發(fā)特點(diǎn)進(jìn)行小結(jié)，對(duì)混動(dòng)車(chē)的排放后處理選型特點(diǎn)給出建議，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)車(chē)型降本并為未來(lái)法規(guī)升級(jí)儲(chǔ)備新技術(shù)。

2 插電混動(dòng)車(chē)排放后處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 插電混動(dòng)車(chē)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

插電混動(dòng)（PHEV），近幾年發(fā)展勢(shì)頭迅猛，它具有省錢(qián)、無(wú)里程焦慮可上綠牌，動(dòng)力提升明顯的顯著優(yōu)勢(shì)。PHEV車(chē)驅(qū)動(dòng)能量端能量來(lái)源可以是電池或發(fā)動(dòng)機(jī)或兩者共同驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)、電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等不同驅(qū)動(dòng)方式，能最大化優(yōu)化能量來(lái)源途徑，實(shí)現(xiàn)能量效率最優(yōu)。其主要特征：電池容量大、能充電、純電續(xù)航長(zhǎng)、小排量車(chē)型油耗在2L/100km以下（充電環(huán)境好）；由于電機(jī)電池分擔(dān)部分動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)平順?lè)€(wěn)定經(jīng)濟(jì)性能好；且發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻次遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)車(chē)。

2.2 混動(dòng)汽油車(chē)排放后處理簡(jiǎn)介

混動(dòng)車(chē)排放后處理包括催化劑涂層和載體兩部分，本文主要在載體不變的前提下，對(duì)催化劑涂層進(jìn)行研究，方案設(shè)計(jì)主要參考PHEV車(chē)型的啟停策略、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和空燃比的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合已量產(chǎn)項(xiàng)目信息，選定貴金屬含量波動(dòng)范圍和涂層技術(shù)方案。

混動(dòng)汽油車(chē)的后處理系統(tǒng)包括三元催化器和顆粒捕集器兩部分。三元催化器包含涂層和貴金屬兩部分，涂層由氧化鋁（Al2O3）、鈰鋯氧化物和稀土金屬等組成，貴金屬主要指鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh），通常以g/cft3表示貴金屬的總量和比例；顆粒捕集器是具有捕集和處理顆粒（PM）功能的排氣后處理裝置，有涂覆式和非涂覆式（白載體）之分，涂覆式汽油顆粒捕集器（c-GPF）簡(jiǎn)稱(chēng)四元催化器，即具備顆粒物處理能力，又可轉(zhuǎn)化氣態(tài)污染物（THC、CO和NOX）。

文中混動(dòng)車(chē)型的后處理系統(tǒng)采用緊耦合TWC+GPF布置方式，TWC端面距離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口較近，有利于催化器起燃和冷啟動(dòng)階段的污染物轉(zhuǎn)化。

2.3 車(chē)型相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)在一款插電混動(dòng)汽油車(chē)上進(jìn)行，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示，試驗(yàn)在常溫發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和排放試驗(yàn)室開(kāi)展，過(guò)程中利用恒溫恒濕系統(tǒng)控制試驗(yàn)室溫度為（22～25）℃，濕度為45%±8%。

2.4 試驗(yàn)方案

催化器選型標(biāo)準(zhǔn)：以選型方案的臺(tái)架性能結(jié)果作為初步篩選依據(jù)，以老化催化器的排放目標(biāo)在對(duì)應(yīng)車(chē)型限值的80%以下作為選型合格判定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)綜合新鮮排放結(jié)果（新鮮排放需考慮法規(guī)推薦劣化系數(shù)）進(jìn)行判定。

2.4.1 選型方案的技術(shù)信息

選型方案技術(shù)信息見(jiàn)表2，本次后處理選型采用臺(tái)架老化GMAC875循環(huán)，同時(shí)開(kāi)展排放后處理的臺(tái)架性能測(cè)試；并在平臺(tái)基礎(chǔ)車(chē)型上進(jìn)行后處理技術(shù)的排放性能對(duì)比，綜合判斷較優(yōu)方案。

備注：

1）A-1采用新一代的涂層材料，一定程度上拓寬催化器轉(zhuǎn)化窗口；

2）B-1為新一代涂層技術(shù)，特點(diǎn)是提高了PGM分散度，改善HC冷啟動(dòng)的轉(zhuǎn)化效率，可以降低Pd含量；

3）C-1和D-1是同一涂層技術(shù)，區(qū)別是貴金屬用量不同，其技術(shù)特點(diǎn)：起燃性能和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氧能力較優(yōu)越，冷啟動(dòng)、高/超高速段污染物轉(zhuǎn)化性能較好；

4）臺(tái)架老化循環(huán)為臺(tái)架GMAC875循環(huán)，老化時(shí)間100h（基于經(jīng)驗(yàn)及實(shí)車(chē)SRC循環(huán)）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

文中通過(guò)分析各技術(shù)方案臺(tái)架性能的數(shù)據(jù)結(jié)果，再進(jìn)一步開(kāi)展整車(chē)排放性能試驗(yàn)，分析總結(jié)較優(yōu)技術(shù)方案，并以此作為降本產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的選型技術(shù)預(yù)研，儲(chǔ)備新涂層技術(shù)備用。

3.1 后處理方案的臺(tái)架性能對(duì)比

臺(tái)架性能包括起燃性能、儲(chǔ)氧性能和背壓性能，首先通過(guò)4種性能的對(duì)比，分析各技術(shù)方案性能的優(yōu)勢(shì)，選擇較優(yōu)方案開(kāi)展進(jìn)一步整車(chē)排放性能測(cè)試。

3.1.1 起燃性能

圖1～圖6分別是各技術(shù)方案的臺(tái)架新鮮和老化的起燃溫度（包含T50和T90），表現(xiàn)如下：

a）新鮮催化器：C-1在T50上略有優(yōu)勢(shì)；B-1的T90表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)明顯，較A-1和C-1兩高方案低5-8℃；

b）老化催化器：B-1起燃溫度整體最優(yōu)，所有污染物的T50和T90均較兩個(gè)A-1和C-1高方案低5℃左右，NOx低8℃；

c）起燃衰減量：B-1的T50的衰減量最??；

針對(duì)臺(tái)架起燃性能，B-1的技術(shù)方案起燃性能最佳，且其貴金屬用量也較低。

備注：①T50為各污染物轉(zhuǎn)化效率50%對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)，稱(chēng)為起燃溫度點(diǎn)；T90同理；②T50和T90溫度越低，起燃性能越好；③起燃溫度為（TWC+GPF）整體測(cè)試。

3.1.2 儲(chǔ)氧性能

圖7～圖8是各技術(shù)方案的儲(chǔ)氧性能對(duì)比，詳細(xì)如下：

a）新鮮催化器：B-1在高低溫度/流量下的儲(chǔ)氧量最高；D-1因貴金屬含量降低，相對(duì)C-1的儲(chǔ)氧有5%左右的降幅；

b）老化催化器：B-1在高低溫度/流量下的儲(chǔ)氧量最高，較其它方案高20%；

c）劣化率：A-1和B-1兩方案的儲(chǔ)氧劣化整體低于C-1和D-1；

注：①儲(chǔ)氧僅測(cè)試TWC；②儲(chǔ)氧高，對(duì)高排氣流量CO和NOx的轉(zhuǎn)化有益處。

3.1.3 背壓性能

圖9是選型方案的GPF臺(tái)架背壓對(duì)比，具體如下：

a） GPF：A-1和B-1背壓低，較C-1和D-1背壓低4.4kpa（約24%）；

b） GPF背壓增加率：老化后，F(xiàn)涂層技術(shù)的兩個(gè)GPF背壓增加率達(dá)30%；這與其涂覆方式和涂覆量強(qiáng)相關(guān)，使用高捕集效率的涂覆方式和涂覆量，則意味著其初始背壓高，也決定了其老化后背壓更高；E涂覆技術(shù)的初始背壓相對(duì)低，經(jīng)老化后的背壓無(wú)明顯差異。E系列技術(shù)和F系列技術(shù)分別屬于不同顆粒物捕集效率需求的樣件，但也因此帶來(lái)背壓差異的問(wèn)題，故下一步通過(guò)整車(chē)排放篩選相應(yīng)技術(shù)。

臺(tái)架性能小結(jié)：技術(shù)方案B-1的起燃性能、儲(chǔ)氧性能、GPF背壓性能均較優(yōu)；F涂覆技術(shù)系列對(duì)應(yīng)的GPF技術(shù)方案背壓高且背壓增加率也高，但捕集效率較優(yōu)；結(jié)合貴金屬用量的特點(diǎn)，選用B-1/E-2和D-1/F-2兩組組合開(kāi)展下一步整車(chē)排放試驗(yàn)選型。

3.2 整車(chē)排放性能對(duì)比

以基礎(chǔ)項(xiàng)目車(chē)型H作為選型樣車(chē)，選用B-1/E-2和D-1/F-2兩組組合開(kāi)展整車(chē)排放驗(yàn)證，變形項(xiàng)目L車(chē)型進(jìn)行排放驗(yàn)證，車(chē)輛信息見(jiàn)表1。

3.2.1 基礎(chǔ)車(chē)型H和變形項(xiàng)目車(chē)型L的技術(shù)方案選型

不同涂層技術(shù)B-1/E-2和D-1/F-2兩組的低成本老化方案整車(chē)排放結(jié)果：由圖10～圖11可知，B-1/E-2和D-1/F-2均滿(mǎn)足整車(chē)H和L排放開(kāi)發(fā)目標(biāo)80%，D-1/F-2的NMHC略有優(yōu)勢(shì)，車(chē)輛的排放污染物主要集中在前幾次啟動(dòng)時(shí)，總的污染物排放水平占限值百分比較低，遠(yuǎn)低于開(kāi)發(fā)目標(biāo)?？紤]D-1/F-2的GPF技術(shù)背壓較高，選型匹配度略差，且其貴金屬成本比B-1/E-2方案略高，針對(duì)H車(chē)型1.5TGDI的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力平臺(tái)，B-1/E-2的技術(shù)方案更合適。

3.2.2 基礎(chǔ)車(chē)型H的RDE排放

基于H車(chē)型的B-1/E-2方案RDE路試排放驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表3，開(kāi)空調(diào)條件下，新鮮和老化催化器的NOx和PN排放均在RDE限值的20%以?xún)?nèi)，很好的滿(mǎn)足排放法規(guī)中RDE的要求，且余量較大；另外，路試Sport排放最高的運(yùn)行模式時(shí)的排放，冷機(jī)啟動(dòng)催化器加熱階段各污染物冒出峰值；在急加速過(guò)渡工況和高速工況，負(fù)荷瞬間增加或大負(fù)荷行駛時(shí)，伴隨著換擋和空燃比的波動(dòng)， PN冒出峰值較多，考慮PN和NOx跟RDE法規(guī)限值相比，余量較大，B-1/E-2方案已能很好滿(mǎn)足RDE排放法規(guī)的要求，此方案的貴金屬用量最低，GPF背壓小且背壓波動(dòng)率也小，成本最低。

綜上，整車(chē)WLTC和RDE排放結(jié)果，選型B-1/E-2方案能很好滿(mǎn)足RDE排放法規(guī)的要求，包括顆粒物PN的新鮮樣件的RDE排放也滿(mǎn)足要求，故針對(duì)H車(chē)型1.5TGDI動(dòng)力平臺(tái)的技術(shù)選型，B-1/E-2方案較適合且成本最低。

3.3 混動(dòng)車(chē)型排放運(yùn)行工況特點(diǎn)及對(duì)后處理選型的啟示

混動(dòng)車(chē)型由于電池和電機(jī)在低速小負(fù)荷運(yùn)行或大負(fù)荷提供部分助力，其發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有差異，見(jiàn)圖12和圖13分別列出了混動(dòng)和傳統(tǒng)車(chē)型RDE的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)：（1）混動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較集中，基本集中在經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域；（2）傳統(tǒng)車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)則較分散，高速段則更偏向大負(fù)荷外特性區(qū)域，負(fù)荷波動(dòng)范圍大。由此可見(jiàn)，混動(dòng)車(chē)CO和NOx排放的挑戰(zhàn)低于傳統(tǒng)車(chē)，不容易進(jìn)入外特性?huà)邭鈪^(qū)域或者大負(fù)荷排溫超的空燃比加濃區(qū)；但由于混動(dòng)車(chē)的頻繁啟停，THC/NMHC排放挑戰(zhàn)高于傳統(tǒng)車(chē)（啟動(dòng)次數(shù)的影響），基于此考慮混動(dòng)車(chē)的催化劑方案：TWC優(yōu)選起燃性能好的涂層技術(shù)，且貴金屬分區(qū)比例做出適當(dāng)調(diào)整；基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)處于高空速概率較低的情況，緊耦合GPF的Rh含量根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整；同時(shí)，由于運(yùn)行工況點(diǎn)差異，基于SRC計(jì)算的老化時(shí)間差異也較大，混動(dòng)車(chē)的老化時(shí)間已大大減少；針對(duì)混動(dòng)車(chē)型，結(jié)合老化循環(huán)特點(diǎn)，可適當(dāng)調(diào)整降低催化器的老化時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）本文的排放后處理選型，先通過(guò)基礎(chǔ)臺(tái)架起燃溫度、儲(chǔ)氧性能和背壓性能試驗(yàn)，對(duì)比各技術(shù)方案的特點(diǎn)，其中B-1/E-2和D-1/F-2兩方案的貴金屬用量較低，起燃溫度和儲(chǔ)氧性能較優(yōu)，但F-2的GPF方案背壓較高，老化后背壓增加率更高，F(xiàn)-2適用于顆粒物排放高對(duì)捕集效率需求高的車(chē)型，可為新車(chē)型開(kāi)發(fā)作技術(shù)儲(chǔ)備。

（2）較優(yōu)的后處理技術(shù)方案用于整車(chē)WLTC和RDE排放驗(yàn)證，WLTC排放在法規(guī)限值的80%內(nèi)，RDE排放在法規(guī)限值的20%內(nèi)，篩選出B-1/E-2滿(mǎn)足混動(dòng)車(chē)的后處理開(kāi)發(fā)要求，且其技術(shù)成本比其他方案均低。

（3）針對(duì)混動(dòng)車(chē)型啟停次數(shù)多且發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中在經(jīng)濟(jì)區(qū)，建議后處理選型選取起燃性能優(yōu)異；結(jié)合大空速的轉(zhuǎn)化效率需求較低，GPF適當(dāng)調(diào)整貴金屬分配方式，并適當(dāng)調(diào)整催化器老化時(shí)間，對(duì)混動(dòng)車(chē)進(jìn)行針對(duì)性匹配，最大化降低成本。

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