HC吸附系統降低汽油車冷起動HC排放的研究

趙紅英　謝曉峰　張國慶（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

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HC吸附系統降低汽油車冷起動HC排放的研究

趙紅英謝曉峰張國慶
（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

【摘要】為降低冷起動時HC排放，利用吸附劑的低溫吸附、高溫脫附特性制作HC吸附系統。該系統由吸附催化器、控制閥及真空管路等組成，其中吸附催化器包含吸附和催化兩種載體。即通過真空調節吸附系統的閥體開閉，控制流入吸附載體的氣體量以進行吸附，達到一定溫度后進行脫附，由后部催化器將其轉化。利用CFD模擬計算優化氣流分布，并通過整車試驗確定閥體開閉的最佳時間。試驗結果表明，該系統可降低冷起動HC排放30%以上。

主題詞:汽油機冷起動吸附系統HC排放

1　前言

HC排放的問題主要集中在冷起動階段，HC吸附系統是為降低冷起動階段HC排放而研發的，在美國第1次應用是被安裝于2001PZEV普銳斯1.5 L發動機上[1]。有研究顯示，80%排氣尾管排放的HC來源于冷起動過程的第1個循環[2]，其原因在于催化劑還未達到有效氧化HC的工作溫度即催化劑的起燃溫度。因此，在催化劑未達到起燃溫度（通常為300℃）之前，排氣尾管排出的HC基本等于發動機出口的HC排放。為了降低HC排放，通常采用的技術是縮短催化劑起燃時間，如推遲點火提前角以提高排氣溫度，但仍無法滿足法規要求。HC吸附系統是利用吸附劑的低溫吸附、高溫脫附性能，將冷起動時排放的HC先行吸附，隨著溫度升高，當后級催化劑起燃后，吸附的HC也將脫附出來，并由后級催化劑轉化掉。

大排量的汽油機冷起動時HC排放較高，很容易導致緊耦合催化劑起燃前HC排放超過排放限值，因此采用貴金屬含量高的緊耦合催化劑配方，由此導致催化器成本成倍增加。為解決這一難題而研發HC吸附系統，并通過試驗驗證該系統對降低冷起動時HC排放的效果。

2　HC吸附系統結構

圖1所示為3.0L V6車型的HC吸附系統結構示意圖。該系統由排氣控制部分和后處理部分組成，其中控制部分由進氣真空度、單向閥、真空閥、執行器、排氣雙向閥及連接管路等組成，后處理部分由一個緊耦合催化器和一個位于底盤下將吸附功能和催化功能集成在一起的吸附催化器組成。

圖1　HC吸附系統結構示意[1]

2.1HC吸附系統工作原理

當發動機冷起動時，通過進氣歧管真空驅動真空閥工作，執行器控制雙向閥關閉，排氣氣流通入HC吸附載體并被吸附；排氣溫度上升到或接近（根據實際效果確定）催化劑起燃溫度后，進氣歧管真空度減小，單向閥關閉，雙向閥回位（常開狀態），排氣氣流經過內管直接進入后催化器進行催化轉化，同時HC吸附載體吸附的HC在高溫下脫附后也進入后催化器進行催化轉化。圖2所示為吸附催化器工作原理。

圖2　吸附催化器工作原理示意[1]

2.2吸附劑的特性

2.2.1吸附劑

吸附劑采用的是一種分子篩材料，通常稱之沸石。將沸石均勻涂覆在載體表面，圖3所示為吸附涂層結構。

圖3　吸附涂層結構

沸石具有鋁硅酸鹽的晶體結構，SiO4和AlO4形成四面體，呈三維網狀，其結構形狀和孔隙大小受網狀連接方式的影響。沸石結構中的小孔尺寸在0.5～0.8 nm之間，而HC分子大小在0.4～0.7 nm之間。因此，在冷起動時，沸石可以將HC分子吸附在具有多孔晶體結構的小孔中[2]。

2.2.2影響HC吸附劑性能的主要因素

a.分子篩種類：沸石孔徑、孔徑分布、骨架結構存在差異。多孔性物質內表面積很大，與流體分子接觸面就會更大，因此在多孔性固體物質上吸附現象表現更加明顯。

b.吸附溫度：吸附伴隨著放熱，脫附伴隨吸熱，因此吸附-脫附現象與環境溫度有一定的對應關系，一般表現為低溫吸附，溫度升高就會脫附。

c.氣體濃度：濃度高低影響達到吸附飽和的吸附時間。

d.氣體流量：流量大小同樣也影響達到吸附飽和的吸附時間。

2.2.3HC吸附劑性能要求

a.HC吸附容量大：吸附的總量大，其主要由吸附載體的體積大小決定；

b.HC吸附速率快：短時間內吸附量大，以盡可能將冷起動時產生的HC完全吸附；

c.被吸附的HC脫附的溫度要高：脫附溫度應高于后級催化劑起燃溫度；

d.被吸附的HC脫附時速率要慢：HC被緩慢釋放，后級催化器才能完全轉化；

e.吸附劑可以循環使用。

2.2.4吸附劑方案選定

為了增加有效吸附量，對吸附劑涂層的助劑、微孔道修飾等進行改進。設計方案及試驗結果如表1所列。

表1HC吸附劑改進方案及試驗結果

可知，改進方案1、2新鮮300 s吸附的HC吸附量較原方案新鮮樣品明顯提高；方案2老化后300 s吸附的HC吸附量與原方案相當，但方案1老化后下降幅度大。確定采用方案2，基本參數為硅鋁分子篩材料，涂覆量200 g/L。

2.3吸附載體

吸附載體采用環型載體，參數為：體積0.42 L，外徑×長度為105.7 mm×75 mm，內徑×長度為64 mm×75 mm，孔數為600個，壁厚4.3 μm。催化器載體參數為：體積0.88 L，直徑×長度為105.7 mm×100 mm，孔數為600個，壁厚為4.3 μm。圖4和圖5是模擬排氣溫度400℃時載體壓降的特性曲線。

2.4吸附轉化率的計算方法[3]

以某吸附系統為例，圖6為吸附前、后的測量數據。

圖4　吸附載體單位長度壓降特性曲線

圖5　后級催化器載體單位長度壓降特性曲線

圖6　某吸附系統測量數據[3]

HC吸附系統常用參數：

式中，A0為進入吸附器的HC總量；A1為吸附的HC量；A2為脫附后轉化的HC量。

3　結構設計及系統匹配

3.1結構設計

設計了3種方案：方案1為HC吸附載體與主流道之間有間隙，有多孔板；方案2為HC吸附載體與主流道之間無間隙，有多孔板；方案3為HC吸附載體與主流道之間無間隙，無多孔板。依據HC吸附裝置不同的工作狀態（圖7），分別進行流場分布的CFD模擬計算，選出最優的結構方案，計算結果見表2。

由表2可知，當閥門處于關閉狀態，取消多孔板能提高催化載體入口的均勻性，并能降低總壓壓降，即方案3的催化載體入口均勻性系數比前兩個方案提高2%，總壓壓降比前兩個方案降低5%；當閥門處于開啟狀態，發動機轉速達到3 000 r/min時，方案2和方案3通過HC吸附載體的氣體流量比方案1略有提高，3種方案的HC吸附載體和催化載體入口均勻性基本相同，密封和多孔板在閥門開啟時對載體性能影響不大。因此，應適當增加閥門附近進入HC吸附載體流道的流通面積，適當加大多孔板的開孔流通面積。

圖7　工作狀態及氣流通道示意

表2CFD模擬計算結果

3.2系統匹配

依據不同控制策略進行試驗，研究吸附系統最佳的HC吸附及脫附時間。

3.2.1閥門關閉時長設定

安裝于吸附器前端的排氣雙向閥處于常開狀態，當發動機起動后雙向閥立即關閉，排氣流向吸附載體，為確保吸附與脫附達到最佳狀態，需確定雙向閥關閉的時長。因此，通過多次試驗，比較HC吸附裝置不同吸附時間（0 s、25 s、30 s、35 s、40 s、50 s）NEDC循環第1階段的排放和油耗。圖8和圖9為雙向閥不同關閉時長對HC排放的影響，其中THC為總碳氫，NMHC為甲烷碳氫。由圖8和圖9可以確定閥門關閉的時長最優點為HC吸附時間35 s。

3.2.2催化劑涂層開發

依據不同的催化劑配方，結合HC吸附裝置的應用，通過開發試驗研究探索降低后處理成本的可能性，試驗結果見表3。

圖8　尾管HC排放測量數據

圖9　雙向閥不同關閉時長NMHC排放測量數據

表3催化器臺架試驗測試結果

HC吸附劑吸附大量HC后將延遲HC的排放，但會增加底盤催化劑的負擔。HC吸附劑脫附的HC必須被底盤催化劑轉化才能達到降低HC排放的目標。因而底盤催化劑設計時應兼顧HC吸附劑大量脫附HC的溫度區間（220～350℃）。

4　整車試驗驗證

4.1試驗車輛及測量標準

試驗車輛為V6發動機車型，排量3.0 L。

測量標準為GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》。

4.2測量方法

試驗方案為常溫下NEDC循環測量排放及油耗，溫度傳感器及排放測量點位置如圖10所示。

圖10　溫度傳感器及排放測量點位置

4.3測量數據分析

通過多次試驗數據比較分析，增加HC吸附裝置后，第1階段HC排放從0.170 g/km下降到0.090 g/km，降幅47%；NMHC排放從0.160 g/km下降到0.080 g/km，降幅50%。完整NEDC循環中，THC排放從0.063 g/km下降到0.033 g/km，降幅48%；NMHC排放從0.058 g/km下降到0.027 g/km，降幅53%。試驗數據對比見表4。

4.4吸附轉化率的計算結果

圖11為在吸附系統前、后測得的數據。根據測量數據計算的結果為：A0=0.4 g、A1=0.2429 g、A2=0.072 g，則HC吸附率=A1/A0=59.03%，吸附的HC轉化量=A1-A2= 0.17 g，轉化率=（A1-A2）/A1=70.09%，總的吸附轉化率= HC吸附率×轉化率=41.37%。可知計算結果與表4的測量結果基本吻合。

圖11　HC排放測試曲線

參考文獻

1Keisuke Sano,Takashi Kawai,Satoshi Yoshizaki，etal.HC Adsorber System for SULEVs of Large Volume Displace?ment.SAE Paper 2007-01-0929.

2Fuquan zhao.汽油車近零排放技術.帥石金譯.北京：機械工業出版社，2010.

3Jason A Lupescu,Timothy B Chanko,Joel F Richert，etal. The Effect of Spark Timing on Engine–Out Hydrocarbon Speciation and Hydrocarbon Trap Performance.SAE Paper 2009-01-1068.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月21日。

Study on Reduction of Cold Start HC Emission by HC Absorption System in Gasoline Car

Zhao Hongying,Xie Xiaofeng,Zhang Guoqing
（China FAW Co.,Ltd.R&D Center,Changchun 130011）

【Abstract】To reduce cold start HC emission,we make use of the low temperature adsorption and high temperature desorption performance of absorbent to produce HC absorption system.This system consists of an absorber catalytic converter,control valve,vacuum circuit and so on,the HC absorber includes adsorption material and substrate.Through adjust the vacuum adsorption system's valve opening and closing to control the amount of gas flowing into the adsorption substrate for absorption,which is then desorbed at certain temperature,and converted by the rear catalytic converter.CFD simulation is carried out to optimize the distribution of gas flow,and vehicle test is performed to determine the best time to open the valve.The test results show that the HC emission can be reduced by over 30%with this system.

Key words:Gasoline engine,Cold start,Adsorption system,HC emission

中圖分類號:U464.134

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0001-04