电加热金属载体催化剂对汽油机冷起动阶段排放性能的影响

刘旻，郭冬冬，曹宏林，陈婷，林赫，湛日景

(1.上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240；2.北京市机动车排放管理中心，北京 100176)

轻型车三元催化器(TWC)的主要作用是降低汽油机气体污染物HC、CO和NOx的排放 。相对国5法规，国6法规中的Ⅰ型试验由NEDC循环改为WLTP测试循环，不管是在WLTC还是在NEDC循环下，冷起动排放占比都较大(其中THC占94.7%，CH4占75.1%，CO占63.6%，NOx占65.1%)[1]。排气污染物国6b阶段限值相对国5限值降低了45%～50%，因此，对于国6轻型汽油车排放达标，冷起动排放控制至关重要。

通常三元催化器只有在排气温度达到250～400 ℃的时候才有较高的转化效率。为了降低冷起动阶段的排放，可以通过改变催化器布置、改善机内燃烧以及增加额外的部件等方式来缩短TWC达到起燃所需的时间(可缩短20%～90%)，但上述方法各有利弊，比如TWC距离发动机出口越近，催化器越容易达到起燃温度，但大多数工况下催化器将处于高温状态，会严重影响催化器的寿命[2]。现阶段主要是通过增加三元催化器的贵金属含量以及更精细的标定来降低低温工况排放。长期以来，国内外一直致力于开发150 ℃就能达到90%以上转化效率的TWC，但难以突破技术瓶颈。

TWC常用的载体是陶瓷载体，而金属载体与陶瓷载体相比具有机械强度高、比热容小、传热快等优点，能够使TWC快速达到工作温度，缩短催化剂起燃时间，提高冷起动阶段催化剂的转化效率[3-9]，因此，采用金属载体的电加热催化器(EHC)有望有效降低轻型车冷起动阶段的排放。

轻型车国6法规的另一个大改变是增加了实际道路排放试验(RDE)。RDE下车辆行驶工况多变，低速低负荷工况更是排放控制的难点。如果电加热催化器能够独立运行，对排气进行加热，不受发动机工况限制，有利于简化车辆的排放控制策略[10-11]，因此EHC也是RDE工况下排放控制的一种简单高效的方法。

EHC技术需要外部提供电源来加热催化剂，势必会增加能耗(增加CO2排放)。Pace等的研究表明，通过发动机多喷油也能够预热催化剂。如果采用发动机多喷油方式与EHC方式获得一样的排放结果，但由于EHC技术直接对零部件进行加热，热损失少，EHC所需要的能耗仅是发动机加热方式的1/3，面对未来CO2排放的加严，仍然具有一定的优势[12]。

目前，国内外对于EHC技术的应用研究较少，相关的方案和策略研究还不多。本研究针对一款汽油机，开发EHC技术，考察该技术的减排潜力，同时评估通过EHC技术来减少TWC贵金属用量的可行性。

1 试验方案

针对一款汽油机，采用前置的电加热催化器，部分取代原来的陶瓷载体催化剂，并减少TWC催化剂的贵金属用量。发动机基本参数见表1。发动机试验时，从冷机状态开始起动发动机，按照控制策略对EHC进行加热，然后按WLTC循环运行，同时用CVS测量发动机的THC，CO和NOx排放，其中CVS全流稀释排放测试系统为MEXA-ONE-C1，排气温度测量采用K型细丝热电偶，热电偶直径0.5 mm。

表1 发动机基本参数

电加热催化器结构如图1所示。电加热催化器由电加热盘、支撑针、催化器壳体、加热接头和金属载体(主催化器部分)组成，因此电加热催化器实际是将传统的三元催化剂涂敷在带有电加热盘的金属载体上的后处理单元。

图1 电加热催化器(EHC)结构

电加热系统主要由电加热催化器、电加热控制器、蓄电池等部件组成，电加热器通过蓄电池供电加热，通电时间等通过控制器来控制。本研究的电加热控制程序由labview编写，通过NI控制器控制EHC加热的通断，可以实现提前、同时、延迟加热；通过NI控制器控制发动机的起动，起动后发动机按照预先设定的WLTC循环运行。

为研究不同电源电压对排放的影响，本研究采用了12 V和48 V两种不同电源电压；为研究电加热时间对排放的影响，设计了不同加热时间的方案；为研究贵金属含量对排放结果的影响，选取了两种贵金属方案(贵金属降低量为30%和50%)进行涂覆。试验方案见表2。

表2中，陶瓷载体方案为TWC前后级均为陶瓷载体，电加热方案是把前级的陶瓷载体等体积替换为电加热催化器，同时减少电加热器上的贵金属涂敷量，设计方案中降低了30%和50%的贵金属用量。12 V是目前车用常用蓄电池电压，48 V是混合动力车常用蓄电池电压，因此选择了这两种不同电源电压进行对比。 电加热策略包含两部分：一部分是EHC预加热时间，0 s代表发动机起动同时开启电加热，5 s代表在发动机起动前5 s开启电加热；另一部分是加热时长，从EHC加热开始计算。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 加热电压对排放的影响

EHC在发动机起动前5 s开始加热，本研究将48 V样件加热30 s(方案5， 标注为48V-5s-30s)、12 V样件加热30 s(方案2，标注为12V-5s-30s)与陶瓷载体方案(方案0，标注为Ceramic Cat.)进行了对比。图2示出不同加热电压下WLTC循环下的排放对比。从图2可以看出，EHC方案的THC，CO和NOx排放比陶瓷载体方案少，尤其是48 V加热电压下，THC，CO和NOx的排放量分别比陶瓷载体方案低86%，32%和74%。图3示出不同加热电压下WLTC第1个阶段(低速段)的排放对比。从图3可以看出，加热时长30 s条件下，相对于12 V载体，48 V载体功率大(约4.8 kW)，加热升温快，THC和NOx转化效率相对较高，且转化效率的差异大部分来自WLTC循环的第1个阶段(低速段)的排放差异，说明EHC主要对冷起动排放有影响。

从EHC主催化器床温对比(见图4)来看，48 V催化器床温Tbed达到300 ℃要需24 s，12 V催化器床温Tbed达到300 ℃需要32 s， 48 V催化器虽然升温只比12 V催化器快8 s，但48 V催化器第1个阶段的THC，CO和NOx的排放量分别低了28%，5%和12%(见图3)。

图2 不同加热电压下WLTC循环的排放总量对比

图3 不同加热电压下WLTC第1阶段的排放对比

图4 前级催化器床温对比

2.2 加热时间对排放的影响

本研究采用减少30%贵金属用量的12 V样件，进行了EHC不加热(方案1，0s-0s)、EHC在发动机起动前5 s开始加热30 s(方案2，5s-30s)和60 s(方案3，5s-60s)的试验，还进行了EHC在发动机起动时开始加热30 s(方案4，0s-30s)的试验，并将这些试验结果与发动机陶瓷载体方案(方案0，标注为Ceramic Cat.)试验结果进行了对比(见图5)。提前5 s加热方案中，12 V载体加热30 s的HC，CO和NOx排放量与加热60 s的排放量相当，例如图5a中，加热30 s和60 s条件下，WLTC循环第1个阶段中HC的排放量分别比陶瓷载体方案低了50%和47%，说明达到一定加热时间后，发动机本身排气温度已经高于催化剂的起燃温度，EHC继续加热对于提升排温如果没有起到效果，污染物排放就不会因为EHC加热而继续改善。

同样加热时长为30 s，如果EHC能够在发动机起动前预加热5 s，相对于EHC与发动机同时起动，HC，CO和NOx的排放量分别降低12%，33%和9%(见图5)，这是因为提前预热情况下，由于热辐射的作用，周边管路及气体温度有了一定提升，使排气更容易达到起燃温度。

2.3 贵金属含量对排放的影响

试验发现，减少50%贵金属用量的EHC方案(方案6，12V-50%-5s-30s)的THC，CO和NOx减排效果整体不如减少30%贵金属用量的EHC方案(方案2，12V-30%-5s-30s)，WLTC循环下，HC，CO和NOx的排放量均相差10%左右(见图6)。但是，方案6的减排效率明显高于陶瓷载体方案，HC，CO和NOx的排放量分别降低了47%，22%和52%(见图6)。因此可知，通过EHC方案减少50%贵金属用量是可行的。

图6 不同贵金属用量下WLTC循环的排放总量对比

3 结束语

EHC本质是一种金属载体，其热容小，升温快， 在TWC上应用时, 对THC，CO和NOx的转化效率比陶瓷载体TWC高。一般来说，电压越大，EHC加热功率越大，有利于降低THC，CO和NOx的排放量；预加热有利于优化EHC的加热效果，而且EHC加热一定时长后，发动机本身排气温度已经高于催化剂起燃温度，继续增加加热时间，不一定能达到减排效果，反而会增加能耗；通过EHC的应用，能够减少TWC上50%的贵金属用量。

总体上来说，EHC的控制相对独立，无须对发动机喷油进行改动，能够减少发动机热管理控制策略的复杂性，如果EHC应用可以结合整车标定策略进行优化，能够进一步提升其优势。