劉義強 陸經文 戴正興 潘凌騰 王文禮 鐘祥麟

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

近十幾年來，隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，乘用車在市場上的占有量大幅提高，車用汽油發(fā)動機排放及污染對環(huán)境的影響變得日趨嚴重。為了加強對環(huán)境的保護，我國政府不斷頒布越來越嚴格的汽車排放標準，從2017 年開始實施接近當時歐盟水平的國五排放標準到2020 年迅速實施比歐Ⅵd 更嚴的國六b 排放標準，只有短短4 年。為了滿足日益嚴格的排放標準，作為未來幾年乘用車主要發(fā)展模式的混合動力汽車，該采取什么樣的措施和技術來進一步降低排放？

相對于傳統(tǒng)汽油車，混合動力汽車的發(fā)動機運行工況比較復雜。借助于電機輔助驅動，混合動力汽車運行期間，發(fā)動機容許頻繁起停，由此會造成瞬態(tài)污染物包括氣態(tài)和固態(tài)污染物排放急劇增加。在冷起動階段，排氣后處理系統(tǒng)的催化劑溫度還很低，對氣態(tài)污染物的轉化效率低于50%，若排氣流量較大，大量廢氣污染物不經轉化便被排入空氣中。據統(tǒng)計，乘用車70%的HC 尾氣排放來源于汽車冷起動階段，而混合動力汽車因頻繁起停，冷起動階段排放問題更為嚴重。在進行國六排放標準I 型WLTC 測試時，不少車輛在發(fā)動機冷起動后不超過100 s 的時間內，氣態(tài)污染物的累積排放量（尾氣排放）已經超過整個1 800 s 試驗行程的排放限值。因此，控制冷起動排放不僅是傳統(tǒng)汽油車，更是混合動力汽車排放控制的關鍵。

本文從混合動力汽車冷起動的排放特性出發(fā)，通過對比分析混合動力汽車與傳統(tǒng)汽油車在冷起動排放控制上的特點，探討降低混合動力汽車冷起動排放的策略和方法，包括原始排放和尾氣排放控制以及整車標定匹配等，結合市場上發(fā)動機和整車排放后處理開發(fā)實例解析，提出降低混合動力汽車冷起動排放的有效策略和技術路線。

1 冷起動排放特性

1.1 冷起動排氣污染物的生成

汽油發(fā)動機在燃燒過程中產生的主要污染物是一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）以及顆粒物質量PM 和數量PN。

1.1.1 一氧化碳（CO）

CO 是一種不完全燃燒的產物，其生成主要與混合氣濃度有關，當混合氣偏濃時，燃料中的碳因缺氧無法被氧化成CO2而變成了CO。

1.1.2 碳氫化合物（HC）

發(fā)動機排放中的HC 含有芳香烴、烯烴、烷烴等100 多種成分，主要來源于發(fā)動機缸內殘余的燃油和潤滑油。冷起動階段，盡管發(fā)動機流量較低，但相對于單位排氣流量而言，HC 原始排放并不低，甚至更高。主要是由于以下因素的影響：

1）發(fā)動機不完全燃燒。冷起動時，發(fā)動機冷卻水溫度低，缸內燃燒溫度低，燃燒不穩(wěn)定，點火時往往需要偏濃混合氣，導致燃燒不完全，HC 排放升高。

2）氣缸璧面淬熄效應。發(fā)動機冷起動和怠速時，燃燒室壁面溫度較低，容易在表面形成0.1～0.2 mm的火焰淬熄層，產生大量的未燃HC。

3）燃燒室縫隙效應。發(fā)動機在壓縮行程中，未燃燃油容易沉積在火焰無法傳播到的缸內縫隙中，增加了HC 排放。

1.1.3 氮氧化物（NOx）

NOx由NO 和NO2組成，通常汽油機NO 的排放在NOx中的占比達90%～99%。NO 主要在1 600 ℃高溫下生成，其影響因素主要是溫度、氧濃度和反應時間。即在足夠氧濃度下（空燃比＞14.7），溫度越高，反應時間越長，NO 排放量越多。

1.1.4 顆粒物排放（顆粒物質量PM 和數量PN）

顆粒物由數百種有機和無機成分組成，其中主要部分為元素碳、可溶有機成分（Soluble Organic Fraction，SOF）和灰分。發(fā)動機排放中，顆粒物的生成主要源于發(fā)動機的不完全燃燒及其烴類燃料在高溫缺氧條件下的裂解。當燃油噴射到高溫空氣時，輕質烴會被蒸發(fā)氣化，經過聚合結塊或脫氫等復雜過程，生成粒度較小的氣相析出型碳顆粒；而重質烴會以液態(tài)的形式在高溫缺氧條件下直接脫氫碳化，生成粒度較大的液相析出型碳顆粒。

1.2 冷起動各污染物原始排放

冷起動階段，各污染物原始排放分別如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 某PHEV 車型WLTC 循環(huán)CO 原始排放

圖2 某PHEV 車型WLTC 循環(huán)THC 原始排放

圖3 某PHEV 車型WLTC 循環(huán)NOx 原始排放

冷起動階段，通常因發(fā)動機燃燒溫度較低，混合氣偏濃以及缸內殘余碳氫的影響，造成HC 排放較高。因為不完全燃燒，CO 排放也比較高。但由于冷起動階段的排氣流量比較低，相對于WLTC 整個過程或其他工況，冷起動階段HC 和CO 的原始排放并不高。而NOx的原始排放往往在高速段較高，在冷起動階段并不顯著。

由于冷起動階段后處理系統(tǒng)的催化劑工作溫度比較低，導致催化劑對氣態(tài)污染物的轉化效率偏低，從而造成尾氣排放較高。尤其是混合動力汽車，在WLTC 循環(huán)，通常因為發(fā)動機起動較晚，影響催化劑溫度的提高，導致冷起動階段尾氣排放升高。

1.3 WLTC 循環(huán)混合動力汽車發(fā)動機運行工況

國六排放標準采用WLTC 整車測試循環(huán)，包括低速（包含冷起動）、中速、高速、超高速4 個階段，全程23.26 km，見圖4。雖然混合動力汽車和傳統(tǒng)汽車都按照相同的工況進行測試，但車用發(fā)動機的運行工況卻全然不同，混合動力汽車發(fā)動機的運行工況見圖5，傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的運行工況見圖6。借助于電機的輔助起動，混合動力汽車運行時，發(fā)動機可以頻繁地起停或延遲起動，從而給混合動力汽車的排放控制帶來了許多復雜的因素。

圖4 WLTC 循環(huán)整車試驗工況

圖5 某1.5TD PHEV 車型WLTC 循環(huán)發(fā)動機運行工況

圖6 某1.5L 傳統(tǒng)PFI 汽車WLTC 循環(huán)發(fā)動機運行工況

從圖5 和圖6 可知，按照WLTC 循環(huán)的發(fā)動機實際運行時間（轉速大于0 的時間）計算，混合動力汽車發(fā)動機的運行時間顯著縮短，尤其在冷起動和低速階段，整車更多地依靠電機起動和運行。雖然能減少發(fā)動機的原始排放，但會降低發(fā)動機的排氣溫度和后處理催化劑的工作溫度，進而降低催化器對廢氣的轉化效率。

圖7 為WLTC 循環(huán)混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機冷卻水溫度對比。

圖7 WLTC 循環(huán)混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機冷卻水溫度對比

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，在WLTC 循環(huán)，混合動力汽車由于發(fā)動機冷起動相對于傳統(tǒng)汽車延后以及發(fā)動機頻繁停機，造成低速階段冷卻水溫度偏低，不利于發(fā)動機原始排放的降低。

混合動力汽車的這一特點，反過來極大地豐富了排放控制的策略和手段。結合WLTC 循環(huán)，通過對混合動力汽車發(fā)動機起停時機的設計和轉矩及能量的分配，實現(xiàn)排放控制優(yōu)化是完全可能的。

1.4 冷起動后處理催化劑轉化效率

后處理催化劑對HC、CO 和NOx各氣態(tài)污染物的轉化效率主要與進氣溫度、空燃比、催化劑（包括貴金屬材料、催化劑工作表面積和反應時間）有關。其中，進氣溫度對催化劑轉化效率的影響非常大。

圖8 展示了某PHEV 車型在WLTC 循環(huán)冷起動階段后處理催化劑對THC 的轉化效率與催化劑溫度的關系。催化器采用等效20 萬km 耐久的發(fā)動機臺架老化件。

圖8 某混合動力汽車WLTC 循環(huán)THC 的轉化效率與催化劑催中溫度的關系

從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，當催化劑催中溫度低于200 ℃時，THC 的轉化效率不高于10%；當催化劑催中溫度達到350 ℃時，THC 的轉化效率接近50%，即T50；而當催化劑催中溫度達到560 ℃時，THC 的轉化效率達到80%。一般老化催化劑的T50 均在300～350℃，新鮮催化劑的T50 則在250～300 ℃。所以，提高混合動力汽車冷起動催化劑的溫度，是提高催化劑轉化效率的關鍵。

2 控制冷起動排放的策略和技術

2.1 原始排放控制技術

發(fā)動機原始排放控制，即機內凈化，是以改善發(fā)動機燃燒過程為核心，也包含發(fā)動機整車排放匹配，是排放控制的根本。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機機內凈化水平在不斷提高，各種相關技術層出不窮，有的已經在量產車上得到廣泛運用。這些技術主要有：

1）發(fā)動機高壓噴油。采用35 MPa 或更高的噴油壓力，增強燃油霧化，降低顆粒物排放；

2）發(fā)動機進氣道和缸內混合噴射。降低氣態(tài)污染物HC、CO 排放和顆粒物排放，降低油耗；

3）多孔噴油器。加強燃油霧化，降低顆粒物排放，減少濕壁；

4）EGR。降低缸內燃燒溫度，降低NOx排放，降低油耗；

5）均質壓縮燃燒（HCCI）。采用稀薄混合氣，降低NOx排放；

6）超稀薄燃燒。降低HC、CO 以及NOx排放，同時降低油耗；

7）可變氣門定時；

8）高能點火。能幫助實現(xiàn)混合氣較稀狀態(tài)下的點火；

9）多次噴油。包括噴油相位、噴油脈寬、噴油次數和噴油提前角優(yōu)化，減少濕壁，控制燃油分布，降低排放；

10）空燃比=14.7，精確控制。降低HC、CO、NOx和顆粒物綜合排放；

11）無露點氧傳感器。實現(xiàn)快速閉環(huán)，減少冷起動混合氣偏濃，降低HC 排放。

2.2 后處理和尾氣排放控制技術

近十年來，隨著國五/國六排放標準的先后頒布和排放要求的不斷提高，發(fā)動機及整車尾氣排放控制技術有了迅猛的發(fā)展。這些控制技術主要包括：

1）高目數超簿載體。目前，國內外市場上廣泛應用750/2 和900/2 高目數超簿載體。其中900/2 主要在北美地區(qū)應用。高目數超簿載體用于三元催化轉化器（TWC），能夠顯著增加催化劑比表面積，降低熱質量，有利于冷起動快速起燃，提高后處理催化能力[1]。另外，康寧孔隙率為50%的超低熱質量高目數超簿載體已問世，給冷起動排放控制帶來了福音。

2）催化劑分區(qū)涂覆技術。發(fā)動機冷起動時，流量較低，在不增加貴金屬總量的條件下，可以通過分區(qū)涂覆顯著增加前區(qū)貴金屬濃度，從而加強前區(qū)催化劑活性和轉化效率，降低尾氣排放[2]。隨著近幾年來貴金屬價格的迅猛增長，分區(qū)涂覆技術在國內量產車上的運用愈加普遍，以便滿足既降低排放又控制成本的要求。

3）電加熱金屬載體技術（EHC）。金屬載體的結構特性有利于與電加熱盤緊密結合，借助于12～48 V電池，在冷起動時或冷起動前對催化劑進行加熱或預熱，縮短催化劑起燃時間，降低HC 和CO 甚至顆粒物PN 的尾氣排放。

圖9 為國內某電加熱金屬載體。

圖9 電加熱金屬載體

電加熱金屬載體可布置在后處理催化轉化器的前端，在發(fā)動機起動時，電加熱開啟，對金屬載體進行加熱，快速提高催化劑溫度至300～400 ℃，提高催化劑轉化效率，降低冷起動排放。由于12 V 電壓條件下的電加熱盤額定功率只有2 kW，會影響電加熱盤的加熱速率，增加加熱時間，不利于冷起動排放控制。因此，最好采用發(fā)動機起動前的預先電加熱（提前加熱）。這樣做需要提供額外的氣源，控制有難度。Laurell M.等[3]把帶電加熱盤的金屬載體布置在前級TWC 后面，進行試驗，對比不加熱、正常加熱和預加熱條件下的冷起動催化劑溫度，結果見圖10。

圖10 不同加熱條件下Volvo 電加熱金屬載體催化劑溫度

由于混合動力汽車在冷起動排放控制策略上比傳統(tǒng)汽車有著更多的選擇和空間，預先電加熱的冷起動排放控制策略更易于實現(xiàn)。

4）碳氫捕集器（HC Trap）。碳氫捕集器尚在研發(fā)中，原理是采用分子篩材料捕集和吸附低溫下碳氫。當溫度高于150 ℃時，所吸附的碳氫會開始自動釋放，而此時后置催化器轉化效率較低，給尾氣排放控制帶來困難[4-5]。

5）排氣道二次空氣噴射。冷起動時的排氣道二次空氣噴射系統(tǒng)由空氣泵、分流閥、連接管道、空氣噴射歧管等組成。根據混合氣偏濃時的燃燒和排放狀況，進行排氣道二次空氣噴射，在排氣道和前級催化劑中發(fā)生再氧化和催化氧化[6]，從而提高催化劑溫度，降低HC 排放。該技術早在十多年前已經在國外個別量產車型上得到應用。

6）發(fā)動機點火推遲（點火提前角減?。?。推遲發(fā)動機點火時間，可降低污染物排放。一方面是因為排氣溫度提高，增強了對HC 和CO 的氧化，提高了后處理催化劑的轉化效率；另一方面是降低了缸內最高燃燒溫度，從而降低了NOx和顆粒物排放。早在20 年前，國外就有人在這方面進行了深入研究。福特汽車公司Stephen Russ 等[7]的研究成果顯示，推遲點火，可以有效改善催化劑的起燃特性。Ueno 等[8]的試驗表明，發(fā)動機轉速和推遲點火對排氣溫度的影響非常顯著。他們采用大幅度推遲點火的方法使催化劑快速起燃，使FTP 循環(huán)HC 排放降低50%。大幅推遲點火對燃油經濟性和發(fā)動機工作平順性影響有限，因為大幅推遲點火通常發(fā)生在暖機時刻，一般持續(xù)時間為60 s 或更短；而保持燃燒的一致性，可有效改善發(fā)動機工作的平順性。

2.3 冷起動排放控制技術和控制策略

根據混合動力汽車排放特性，綜合分析上述技術以及效果與成本VE，進行優(yōu)化組合，從而形成一套有效的混合動力汽車冷起動排放控制技術和控制策略。

2.3.1 發(fā)動機開發(fā)

注重對噴油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的設計優(yōu)化，采用35 MPa 或更高噴油壓力的噴油裝置。

2.3.2 后處理系統(tǒng)開發(fā)

因為電加熱金屬載體和進氣道二次空氣噴射技術成本比較昂貴，在其他較低成本技術能滿足國六排放標準的條件下，電加熱金屬載體和進氣道二次空氣噴射技術可用于滿足未來國七、歐Ⅶ排放標準以及ZEV（零排放車輛）要求。滿足國六排放標準的發(fā)動機可采用750/2 高目數超簿陶瓷載體和緊耦式全隔熱封裝布置。TWC 前氧傳感器采用無露點線氧，縮短空燃比閉環(huán)時間。

2.3.3 混合動力汽車總體控制策略

結合降低排放和油耗共同要求，混合動力汽車總體控制策略有：

1）整車起步時由電機驅動；

2）勻速行駛時由發(fā)動機驅動；

3）加速高載荷行駛時由發(fā)動機和電機聯(lián)合驅動；

4）停車或滑行時發(fā)動機拖動發(fā)電機向電池充電；

5）制動和減速時通過能量回收系統(tǒng)向電池充電。

2.3.4 WLTC 循環(huán)冷起動階段整車匹配策略

WLTC 循環(huán)冷起動階段整車匹配策略有：

1）直噴發(fā)動機采用多次噴油；

2）冷起動和低速階段點火推遲；

3）冷起動宜早不宜晚，以便在整車運行之初動力性要求較低時發(fā)動機冷起動能單純用于催化器加熱，降低發(fā)動機轉矩和原始排放；

4）提高怠速至1 000～1 500 r/min；

5）WLTC 循環(huán)，將發(fā)動機首次起動以及低速階段前幾次起動時間與轉速、轉矩分配、催化劑溫度、電池SOC 實現(xiàn)優(yōu)化匹配，控制發(fā)動機原始排放和尾氣排放；

6）控制空燃比，減少混合氣偏濃，適當采用稀混合氣，增加空燃比變化頻率，提高催化劑低溫活性，盡早進入閉環(huán)。

3 冷起動排放控制策略在市場上某車型運用實例解析

3.1 汽車主要技術參數

汽車的主要技術參數見表1。

表1 汽車主要技術參數

該車型為一款油電混合動力緊湊型SUV，搭載2.5 L 直列4 缸自然吸氣汽油發(fā)動機，采用混合噴油模式和低壓EGR?；旌蠂娚?，即進氣道噴射和缸內直噴，在冷起動或低速行駛時，以進氣道噴射為主；在中高速運行階段，以缸內直噴為主，以便燃油和空氣更好地混合，實現(xiàn)充分燃燒，從而降低HC、CO 和顆粒物PN 排放。

3.2 后處理系統(tǒng)設計

該車型的后處理系統(tǒng)采用排氣歧管集成式催化器和底盤催化器，結構分別如圖11 和圖12 所示。

圖11 排氣歧管集成式催化器

圖12 底盤催化器

排氣歧管集成式催化器作為緊耦式催化器中的一種類型，緊靠發(fā)動機出口，有利于冷起動催化劑溫度的迅速提高和快速起燃。該催化器采用一個容積為0.7～0.8 L 的600/3 六邊形孔載體，熱質量低，起燃快。

底盤催化器距離發(fā)動機較遠，包含一個1.3 L 左右的TWC 載體，主要針對熱機載體下的廢氣排放。

整個排氣后處理系統(tǒng)沒有配置通常的汽油機顆粒捕集器（GPF），主要是由于混合噴油模式導致發(fā)動機顆粒物原始排放降低，實現(xiàn)了去除GPF 的可行性。

3.3 排放控制匹配策略

3.3.1 常溫下發(fā)動機運行工況

基于常溫下的標準WLTC 循環(huán)所設計的發(fā)動機工況，包含31 次發(fā)動機起停，起停非常頻繁，不利于原始排放和尾氣排放。常溫下發(fā)動機運行工況見圖13。

圖13 常溫下WLTC 循環(huán)發(fā)動機和整車工況

WLTC 循環(huán)，電池SOC 變化如圖14 所示?？芍?，電池充放電控制在SOC 為60%～40%～60%的較佳范圍內。

圖14 WLTC 循環(huán)電池SOC 變化

為了降低發(fā)動機冷起動原始排放，需要減小發(fā)動機冷起動轉矩。

圖15 為WLTC 循環(huán)發(fā)動機轉矩變化。

圖15 WLTC 循環(huán)發(fā)動機轉矩變化

從圖15 可以看出，WLTC 循環(huán)，發(fā)動機起動轉矩僅為最大轉矩的1/4 左右。

3.3.2 冷起動發(fā)動機工況

WLTC 循環(huán)前200 s 車速與發(fā)動機轉速如圖16所示。

圖16 WLTC 循環(huán)前200 s 車速與發(fā)動機轉速

在SOC 為57%狀態(tài)下汽車起動，電機首先拖動汽車。8 s 后發(fā)動機起動，以1 300 r/min 的較高怠速轉速運行56 s，為催化器加熱。發(fā)動機轉矩較低且緩慢增加，控制冷起動原始排放。

3.3.3 冷起動點火推遲

冷起動點火推遲與催化劑溫升關系如圖17 所示。

圖17 冷起動點火推遲與催化劑溫升（前150 s）

從圖17 可以看出，發(fā)動機起動后，在60 s 內先后2 次逐步推遲點火（點火提前角減?。?，點火提前角第1 次從5°CA 減小到-2.5°CA，第2 次從-2.5°CA 減小到-7.5°CA。在這期間，前級催化劑溫度從常溫迅速提高到500 ℃以上。

3.3.4 催化劑溫度及起燃時間

前級催化劑溫度和發(fā)動機轉速如圖18 所示。

圖18 前級催化劑溫度和發(fā)動機轉速

由于發(fā)動機頻繁起停，前級催化劑在WLTC 循環(huán)的總體溫度并不高，但借助于緊靠發(fā)動機出口的排氣歧管集成式催化器以及點火推遲等催化劑加熱手段，極大地提高了冷起動催化劑工作溫度。如圖19所示，發(fā)動機在第22 s 起動，再經過26 s，前級催化劑溫度達到350 ℃，此溫度為老化催化劑通常的起燃溫度。

圖19 WLTC 循環(huán)冷起動前級催化劑溫度（前200 s）

3.4 WLTC 循環(huán)排放測試結果

WLTC 循環(huán)整車排放測試結果如圖20 所示。圖中，縱坐標為排放降低程度，其計算公式為：

圖20 WLTC 循環(huán)整車排放測試結果

從圖20 可以看出，經過對發(fā)動機、后處理和匹配標定的綜合技術優(yōu)化，顯著改善了該車型冷起動排放性能，降低了各項污染物的尾氣排放，使之能滿足國六b 排放標準I 型試驗排放限值。

4 結論

降低混合動力汽車冷起動排放的策略包括發(fā)動機機內凈化、后處理催化器快速起燃、整車匹配和排放控制，在汽車行業(yè)內得到愈來愈多的關注。

冷起動階段盡管時間短，但由于該階段催化器對各氣態(tài)污染物的轉化效率低，發(fā)動機原始排放的高低往往直接影響尾氣排放?；旌蟿恿ζ嚨男旭偤团欧盘匦噪m然不利于提高后處理催化劑工作溫度和轉化效率，但通過發(fā)動機和電池能量的分配優(yōu)化，可以降低冷起動階段或低速階段的發(fā)動機轉矩，從而顯著降低該階段污染物的原始排放。在降低冷起動原始排放的同時，提高了催化劑對污染物的轉化效率。

發(fā)動機機內排放控制技術主要有35 MPa 高壓噴油、進氣道和缸內混合噴射、EGR、均質壓燃（HCCI）、超稀薄燃燒、高能點火、可變氣門定時、缸蓋集成式排氣歧管等；后處理技術主要有高目數超簿載體、電加熱金屬載體、高捕集率GPF、排氣道二次空氣噴射、碳氫捕集器等；與整車標定匹配的排放控制技術有點火推遲（點火提前角減小）、多次噴油、空燃比控制、混合動力汽車發(fā)動機和電池能量分配等。其中，高壓噴油、混合噴射、高目數超簿載體、電加熱金屬載體、碳氫捕集器、點火推遲、多次噴油、發(fā)動機和電池能量分配等技術對于混合動力汽車冷起動排放控制有顯著作用。

通過對市場上某款混合動力汽車排放控制策略的解析可知，混合動力汽車冷起動排放控制的關鍵在于降低冷起動階段發(fā)動機的原始排放和提高催化劑冷起動轉化效率。混合動力汽車的工作特性給冷起動排放控制帶來了豐富的標定和匹配手段，在現(xiàn)有的發(fā)動機技術上，結合后處理技術和標定匹配策略，綜合考慮排放、油耗和成本等要求，可以實現(xiàn)排放顯著降低的目標。