【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(dòng)力汽車

0 前言

為了進(jìn)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(jī)的插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV），并對(duì)其降低排放的潛力進(jìn)行了模擬，SilverAtena公司的研究人員則負(fù)責(zé)調(diào)控加熱盤的效率。該2家公司合作的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出1種能實(shí)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(jìn)行方案開(kāi)發(fā)時(shí)，研究人員根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)要求，制訂了1項(xiàng)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(diǎn)對(duì)成本進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行了專門預(yù)測(cè)。根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)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(diǎn)關(guān)注薄鋼板的制造工藝和裝配過(guò)程，并重點(diǎn)研究能用于開(kāi)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(jì)與研究

從功能上進(jìn)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(gè)單元，并且使催化轉(zhuǎn)化器在幾秒鐘內(nèi)就能達(dá)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(jī)與柴油機(jī)時(shí)，主要區(qū)別如下：當(dāng)其用于汽油機(jī)時(shí)，須使三元催化轉(zhuǎn)化器盡可能快速起燃;而當(dāng)其用于柴油機(jī)時(shí)，重點(diǎn)則在于降低氮氧化物（NOx）排放。對(duì)于汽油機(jī)而言，加熱盤必須采用催化涂層，從而有效減少傳熱時(shí)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(duì)于配備有選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的柴油機(jī)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(guò)200℃的極限溫度[2]。

研究人員針對(duì)這2種用途設(shè)計(jì)了不同的解決方案，并制造出了樣機(jī)。圖1示出了其主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。對(duì)于具備快速加熱功能的設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)其投入批量生產(chǎn)時(shí)，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(duì)比評(píng)價(jià)表（表2），對(duì)上述幾種方案進(jìn)行了相互比較。該比較過(guò)程主要基于功能樣機(jī)的結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)室中的流動(dòng)測(cè)量，以及工藝專家的經(jīng)驗(yàn)而開(kāi)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(jí)工藝過(guò)程壓制而成，是1種能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工藝過(guò)程。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)自行支承功能與較高可靠性及耐久性的基礎(chǔ)。通過(guò)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(shí)也會(huì)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(gè)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(shí)由于其加熱質(zhì)量較小，因此能快速地實(shí)現(xiàn)加熱過(guò)程（圖2）。方案4通過(guò)采用薄膜金屬片，即可達(dá)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(shí)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(dāng)其布置于發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車地板下方的空間時(shí)，具有更高的靈活性。

研究人員通過(guò)工藝鏈和預(yù)期的性能誤差來(lái)評(píng)價(jià)方案的可制造性。方案5并未采用焊接工藝，這對(duì)成本評(píng)估起到了重要作用?？傮w而言，研究人員可以確認(rèn)方案5具有顯著的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)進(jìn)行的試驗(yàn)將重點(diǎn)關(guān)注其與催化轉(zhuǎn)化器共同運(yùn)作時(shí)的效果。在此之后，研究人員將主要針對(duì)上述方案的系統(tǒng)集成開(kāi)展研究。

2 實(shí)現(xiàn)最低排放的模擬過(guò)程

為了評(píng)估廢氣電加熱系統(tǒng)采用電加熱盤時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的最低排放，研究人員利用預(yù)驗(yàn)證的動(dòng)力總成系統(tǒng)與配備有相關(guān)子系統(tǒng)的模型來(lái)描述三元催化轉(zhuǎn)化器。其中，加熱盤被布置在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)域，并與三元催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)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(duì)加熱盤方案1的部件尺寸進(jìn)行了標(biāo)定。在模擬過(guò)程中，研究人員對(duì)加熱盤不采用涂層的前提條件進(jìn)行了設(shè)定。

在試驗(yàn)研究中，研究人員對(duì)1款搭載了2.0L汽油機(jī)，總質(zhì)量為2100kg的E級(jí)汽車進(jìn)行了模擬。在未采用加熱盤時(shí)，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(píng)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(jìn)行了全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）試驗(yàn)。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(shí)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(shí)的附加變化方案。這些變化方案相當(dāng)于通過(guò)方案2、方案3（減少20%）及方案4（減少50%）來(lái)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(kāi)始和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前，使加熱盤預(yù)熱40s，并通過(guò)二次空氣泵進(jìn)行輔助。通過(guò)預(yù)熱，該方案能明顯過(guò)度補(bǔ)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(kāi)始和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前為其預(yù)熱60s。隨著循環(huán)開(kāi)始，所有的變化都采用了能持續(xù)12s的機(jī)內(nèi)加熱策略。其中，電加熱功率恒定為4kW，當(dāng)溫度一旦達(dá)到400℃時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)停止加熱。

與基本方案相比，通過(guò)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?xì)洌℉C）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(guò)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(rèn)為，延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間可進(jìn)一步降低排放。通過(guò)對(duì)方案4的加熱盤進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，使其可在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前預(yù)熱60s。試驗(yàn)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(duì)于WLTC工況而言，意味著加熱盤涂層必須通過(guò)機(jī)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(dòng)時(shí)的最大功率達(dá)到7kW。研究人員計(jì)劃將在后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)這種選擇進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)采用加熱措施，系統(tǒng)有著進(jìn)一步降低起動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)研究人員的評(píng)估，認(rèn)為該情況為臨界狀態(tài)，而且還必須考慮到涂層老化帶來(lái)的附加效應(yīng)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究人員通過(guò)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(shí)也期望車輛在真實(shí)行駛排放（RDE）循環(huán)中能具有同樣的減排效果。對(duì)于所研究的汽油機(jī)而言，研究人員也需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。為將蓄電池應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車，并且不對(duì)其行駛過(guò)程進(jìn)行限制，研究人員需要將電加熱過(guò)程作為前提條件進(jìn)行考慮。

3 焊接工藝的開(kāi)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(zhǎng)期存在，加熱元件對(duì)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(wú)法進(jìn)行正常工作，形成的氧化層將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而且會(huì)因循環(huán)負(fù)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(huì)引起短路現(xiàn)象，另一方面會(huì)減小承載負(fù)荷的橫截面積，并且會(huì)形成絕熱層，加速材料的氧化過(guò)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(guò)高溫焊接工藝來(lái)制造加熱盤。通過(guò)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(shí)間、溫度、真空品質(zhì)、熱處理，以及焊縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都能有針對(duì)性地提供必要的參數(shù)，從而能使加熱盤具有較高的熱機(jī)械性能和高強(qiáng)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(guò)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(dāng)焊縫較寬時(shí)，可明顯觀察到硅的析出過(guò)程，并且在連接處具有脆性較高的問(wèn)題。研究人員借助于顯微硬度測(cè)量過(guò)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(huì)影響此處臨界的熱機(jī)械強(qiáng)度。在硬度較高的情況下，該方案無(wú)法起到增塑作用，應(yīng)力會(huì)通過(guò)裂縫進(jìn)行釋放。因此，研究人員需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)措施，那么研究人員就能對(duì)焊縫進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，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(kāi)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(dòng)力汽車，以此為加熱盤供電。在試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，接口和功能可進(jìn)行相互調(diào)整。電控單元（ECU）能以1個(gè)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(duì)其進(jìn)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(shí)研究人員需要對(duì)其整個(gè)功率范圍內(nèi)的效率進(jìn)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(wú)法準(zhǔn)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(huì)因電加熱盤加熱元件的損壞，而對(duì)乘客造成危害。

對(duì)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(shí)，正如檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)LV123中的規(guī)定，研究人員可根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理，通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換過(guò)程將高電壓換流器與低電壓換流器隔離開(kāi)來(lái)。

目前，移相全橋控制（PSFB）拓?fù)鋵W(xué)已得到了大規(guī)模推廣。以該原理為基礎(chǔ)，研究人員通過(guò)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(shí)，研究人員在變壓器次邊實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)整流，從而進(jìn)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(guò)程中的技術(shù)設(shè)備。如果研究人員對(duì)LLC實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)控制，在主動(dòng)構(gòu)件數(shù)量較少的情況下，會(huì)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(huì)喪失其效率優(yōu)勢(shì)。目前，PSFB 拓?fù)鋵W(xué)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(xiàng)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(shí)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(xiàng)目早期即已進(jìn)行了合作，從而便于針對(duì)該方面開(kāi)展后續(xù)優(yōu)化工作。

在開(kāi)發(fā)ECU 時(shí)，研究人員關(guān)注的重點(diǎn)是需要采用1種適于實(shí)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(biāo)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(guò)功率調(diào)節(jié)，預(yù)先為特定運(yùn)行工況點(diǎn)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(xiàng)決策與加熱程度和損耗無(wú)關(guān)。研究人員通過(guò)對(duì)加熱催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，在監(jiān)控加熱元件時(shí)，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(guò)程通常采用雙向進(jìn)行的方式，從而會(huì)有多種診斷數(shù)據(jù)可供用戶使用。同時(shí)，該系統(tǒng)還能提供多種參數(shù)，例如運(yùn)行模式、預(yù)設(shè)的額定值和最大值，以及起動(dòng)狀況。

用于轉(zhuǎn)換器的微控制器平臺(tái)允許汽車具有開(kāi)放的架構(gòu)集成方案，此外還單獨(dú)實(shí)現(xiàn)了誤操作保護(hù)和監(jiān)控等所有必備的功能，滿足了對(duì)廢氣管路部件的認(rèn)證要求。

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

5 總結(jié)

在對(duì)部件進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)自行支承式加熱盤的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。

對(duì)汽油機(jī)的評(píng)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(shì)。最終會(huì)應(yīng)用哪1種設(shè)計(jì)方案，主要取決于計(jì)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(biāo)定過(guò)程。

為滿足即將實(shí)施的廢氣排放法規(guī)，選用自行支承式電加熱盤是1項(xiàng)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(jī)和柴油機(jī)，特別是當(dāng)2類機(jī)型被用于混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力來(lái)源時(shí)。研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)合適的電子控制系統(tǒng)，在項(xiàng)目早期階段就能為用戶提供1種具有較高價(jià)值的產(chǎn)品，從而能縮短該款加熱盤的開(kāi)發(fā)時(shí)間。