HC吸附系统降低汽油车冷起动HC排放的研究

赵红英　谢晓峰　张国庆（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）



HC吸附系统降低汽油车冷起动HC排放的研究

赵红英谢晓峰张国庆
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

【摘要】为降低冷起动时HC排放，利用吸附剂的低温吸附、高温脱附特性制作HC吸附系统。该系统由吸附催化器、控制阀及真空管路等组成，其中吸附催化器包含吸附和催化两种载体。即通过真空调节吸附系统的阀体开闭，控制流入吸附载体的气体量以进行吸附，达到一定温度后进行脱附，由后部催化器将其转化。利用CFD模拟计算优化气流分布，并通过整车试验确定阀体开闭的最佳时间。试验结果表明，该系统可降低冷起动HC排放30%以上。

主题词:汽油机冷起动吸附系统HC排放

1　前言

HC排放的问题主要集中在冷起动阶段，HC吸附系统是为降低冷起动阶段HC排放而研发的，在美国第1次应用是被安装于2001PZEV普锐斯1.5 L发动机上[1]。有研究显示，80%排气尾管排放的HC来源于冷起动过程的第1个循环[2]，其原因在于催化剂还未达到有效氧化HC的工作温度即催化剂的起燃温度。因此，在催化剂未达到起燃温度（通常为300℃）之前，排气尾管排出的HC基本等于发动机出口的HC排放。为了降低HC排放，通常采用的技术是缩短催化剂起燃时间，如推迟点火提前角以提高排气温度，但仍无法满足法规要求。HC吸附系统是利用吸附剂的低温吸附、高温脱附性能，将冷起动时排放的HC先行吸附，随着温度升高，当后级催化剂起燃后，吸附的HC也将脱附出来，并由后级催化剂转化掉。

大排量的汽油机冷起动时HC排放较高，很容易导致紧耦合催化剂起燃前HC排放超过排放限值，因此采用贵金属含量高的紧耦合催化剂配方，由此导致催化器成本成倍增加。为解决这一难题而研发HC吸附系统，并通过试验验证该系统对降低冷起动时HC排放的效果。

2　HC吸附系统结构

图1所示为3.0L V6车型的HC吸附系统结构示意图。该系统由排气控制部分和后处理部分组成，其中控制部分由进气真空度、单向阀、真空阀、执行器、排气双向阀及连接管路等组成，后处理部分由一个紧耦合催化器和一个位于底盘下将吸附功能和催化功能集成在一起的吸附催化器组成。

图1　HC吸附系统结构示意[1]

2.1HC吸附系统工作原理

当发动机冷起动时，通过进气歧管真空驱动真空阀工作，执行器控制双向阀关闭，排气气流通入HC吸附载体并被吸附；排气温度上升到或接近（根据实际效果确定）催化剂起燃温度后，进气歧管真空度减小，单向阀关闭，双向阀回位（常开状态），排气气流经过内管直接进入后催化器进行催化转化，同时HC吸附载体吸附的HC在高温下脱附后也进入后催化器进行催化转化。图2所示为吸附催化器工作原理。

图2　吸附催化器工作原理示意[1]

2.2吸附剂的特性

2.2.1吸附剂

吸附剂采用的是一种分子筛材料，通常称之沸石。将沸石均匀涂覆在载体表面，图3所示为吸附涂层结构。

图3　吸附涂层结构

沸石具有铝硅酸盐的晶体结构，SiO4和AlO4形成四面体，呈三维网状，其结构形状和孔隙大小受网状连接方式的影响。沸石结构中的小孔尺寸在0.5～0.8 nm之间，而HC分子大小在0.4～0.7 nm之间。因此，在冷起动时，沸石可以将HC分子吸附在具有多孔晶体结构的小孔中[2]。

2.2.2影响HC吸附剂性能的主要因素

a.分子筛种类：沸石孔径、孔径分布、骨架结构存在差异。多孔性物质内表面积很大，与流体分子接触面就会更大，因此在多孔性固体物质上吸附现象表现更加明显。

b.吸附温度：吸附伴随着放热，脱附伴随吸热，因此吸附-脱附现象与环境温度有一定的对应关系，一般表现为低温吸附，温度升高就会脱附。

c.气体浓度：浓度高低影响达到吸附饱和的吸附时间。

d.气体流量：流量大小同样也影响达到吸附饱和的吸附时间。

2.2.3HC吸附剂性能要求

a.HC吸附容量大：吸附的总量大，其主要由吸附载体的体积大小决定；

b.HC吸附速率快：短时间内吸附量大，以尽可能将冷起动时产生的HC完全吸附；

c.被吸附的HC脱附的温度要高：脱附温度应高于后级催化剂起燃温度；

d.被吸附的HC脱附时速率要慢：HC被缓慢释放，后级催化器才能完全转化；

e.吸附剂可以循环使用。

2.2.4吸附剂方案选定

为了增加有效吸附量，对吸附剂涂层的助剂、微孔道修饰等进行改进。设计方案及试验结果如表1所列。

表1HC吸附剂改进方案及试验结果

可知，改进方案1、2新鲜300 s吸附的HC吸附量较原方案新鲜样品明显提高；方案2老化后300 s吸附的HC吸附量与原方案相当，但方案1老化后下降幅度大。确定采用方案2，基本参数为硅铝分子筛材料，涂覆量200 g/L。

2.3吸附载体

吸附载体采用环型载体，参数为：体积0.42 L，外径×长度为105.7 mm×75 mm，内径×长度为64 mm×75 mm，孔数为600个，壁厚4.3 μm。催化器载体参数为：体积0.88 L，直径×长度为105.7 mm×100 mm，孔数为600个，壁厚为4.3 μm。图4和图5是模拟排气温度400℃时载体压降的特性曲线。

2.4吸附转化率的计算方法[3]

以某吸附系统为例，图6为吸附前、后的测量数据。

图4　吸附载体单位长度压降特性曲线

图5　后级催化器载体单位长度压降特性曲线

图6　某吸附系统测量数据[3]

HC吸附系统常用参数：

式中，A0为进入吸附器的HC总量；A1为吸附的HC量；A2为脱附后转化的HC量。

3　结构设计及系统匹配

3.1结构设计

设计了3种方案：方案1为HC吸附载体与主流道之间有间隙，有多孔板；方案2为HC吸附载体与主流道之间无间隙，有多孔板；方案3为HC吸附载体与主流道之间无间隙，无多孔板。依据HC吸附装置不同的工作状态（图7），分别进行流场分布的CFD模拟计算，选出最优的结构方案，计算结果见表2。

由表2可知，当阀门处于关闭状态，取消多孔板能提高催化载体入口的均匀性，并能降低总压压降，即方案3的催化载体入口均匀性系数比前两个方案提高2%，总压压降比前两个方案降低5%；当阀门处于开启状态，发动机转速达到3 000 r/min时，方案2和方案3通过HC吸附载体的气体流量比方案1略有提高，3种方案的HC吸附载体和催化载体入口均匀性基本相同，密封和多孔板在阀门开启时对载体性能影响不大。因此，应适当增加阀门附近进入HC吸附载体流道的流通面积，适当加大多孔板的开孔流通面积。

图7　工作状态及气流通道示意

表2CFD模拟计算结果

3.2系统匹配

依据不同控制策略进行试验，研究吸附系统最佳的HC吸附及脱附时间。

3.2.1阀门关闭时长设定

安装于吸附器前端的排气双向阀处于常开状态，当发动机起动后双向阀立即关闭，排气流向吸附载体，为确保吸附与脱附达到最佳状态，需确定双向阀关闭的时长。因此，通过多次试验，比较HC吸附装置不同吸附时间（0 s、25 s、30 s、35 s、40 s、50 s）NEDC循环第1阶段的排放和油耗。图8和图9为双向阀不同关闭时长对HC排放的影响，其中THC为总碳氢，NMHC为甲烷碳氢。由图8和图9可以确定阀门关闭的时长最优点为HC吸附时间35 s。

3.2.2催化剂涂层开发

依据不同的催化剂配方，结合HC吸附装置的应用，通过开发试验研究探索降低后处理成本的可能性，试验结果见表3。

图8　尾管HC排放测量数据

图9　双向阀不同关闭时长NMHC排放测量数据

表3催化器台架试验测试结果

HC吸附剂吸附大量HC后将延迟HC的排放，但会增加底盘催化剂的负担。HC吸附剂脱附的HC必须被底盘催化剂转化才能达到降低HC排放的目标。因而底盘催化剂设计时应兼顾HC吸附剂大量脱附HC的温度区间（220～350℃）。

4　整车试验验证

4.1试验车辆及测量标准

试验车辆为V6发动机车型，排量3.0 L。

测量标准为GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》。

4.2测量方法

试验方案为常温下NEDC循环测量排放及油耗，温度传感器及排放测量点位置如图10所示。

图10　温度传感器及排放测量点位置

4.3测量数据分析

通过多次试验数据比较分析，增加HC吸附装置后，第1阶段HC排放从0.170 g/km下降到0.090 g/km，降幅47%；NMHC排放从0.160 g/km下降到0.080 g/km，降幅50%。完整NEDC循环中，THC排放从0.063 g/km下降到0.033 g/km，降幅48%；NMHC排放从0.058 g/km下降到0.027 g/km，降幅53%。试验数据对比见表4。

4.4吸附转化率的计算结果

图11为在吸附系统前、后测得的数据。根据测量数据计算的结果为：A0=0.4 g、A1=0.2429 g、A2=0.072 g，则HC吸附率=A1/A0=59.03%，吸附的HC转化量=A1-A2= 0.17 g，转化率=（A1-A2）/A1=70.09%，总的吸附转化率= HC吸附率×转化率=41.37%。可知计算结果与表4的测量结果基本吻合。

图11　HC排放测试曲线

参考文献

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

2Fuquan zhao.汽油车近零排放技术.帅石金译.北京：机械工业出版社，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.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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

中图分类号:U464.134

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）03-0001-04