面向超低氮氧化物排放的 EHC-ccSCR 系统评估：重型运输业可持续发展战略

《Journal of Cleaner Production》：Systematic assessment of EHC-ccSCR systems for ultra-low NOx emissions: A strategy for sustainable heavy-duty transportation

　　

• 主动热管理将低温循环（LLC）系统温度提升至200 °C阈值以上。
• 还原剂优化使下游尿素提升60.4%，以增强选择性催化还原（SCR）协同效应。
• 240 s热干预获得141.6%的热增益，将排气加热至416.06 °C。
• NOx减排在综合稳态循环（WHSC）和低温循环（LLC）中分别达到61.1%和95.5%（19.23 mg/kWh和53.38 mg/kWh）。

**引言**

重型柴油发动机凭借其卓越的耐用性和燃油经济性，仍是全球商业运输和工业机械的主要动力来源（Meng等，2024；Feng等，2026）。然而，减轻其环境影响，特别是氮氧化物（NOx）排放，仍是全球面临的紧迫挑战，因为柴油动力源贡献了交通相关NOx排放的80%以上（生态环境部，2022；Nett和Salomon，2022）。与此同时，现代柴油发动机面临着日益显著的 thermodynamic 权衡问题：为实现更高的缸内热效率，燃烧过程被不断优化，使更大比例的能量转化为有用功，而可用于后处理系统的排气热能却持续减少（You等，2022）。因此，后处理系统被驱入日益严峻的低温运行工况（Tan等，2020）。

当前排放控制主要依赖于由柴油氧化催化剂（DOC）、柴油颗粒捕集器（DPF）和选择性催化还原（SCR）组成的后处理架构（Li等，2025b）。尽管该系统在中高负荷工况下表现良好，但在冷启动和长时间低负荷运行时性能显著下降（Gao等，2019b；Weilenmann等，2009）。在冷启动循环中，催化剂起燃往往延迟数百秒，在全球统一轻型车测试循环（WLTC）条件下甚至可达254 s，在此期间大量未经处理的污染物被直接排放（Gao等，2019a）。DOC通常需要约200 °C才能有效氧化HC和CO，而SCR通常需要250 °C以上的温度才能实现高效的NOx转化（Ye等，2012；Praveena和Martin，2018）。当排气温度低于这些阈值时，热能的不足不仅显著抑制了催化活性，还增加了温度低于200 °C时尿素结晶的风险，从而导致NOx转化能力急剧下降甚至完全失效（Weeks等，2015）。

为缓解低温条件下的催化剂起燃困难，近置SCR（ccSCR）等结构优化策略已被广泛采用（Shiyu等，2022；Villafuerte等，2021）。通过将催化剂布置在更靠近排气歧管的位置，ccSCR可以更有效地利用发动机排气的初始热能（Lehtoranta等，2022）。Zavala等报告称，该配置可将低温循环（LLC）条件下的NOx排放降低至0.08 g/kWh（Zavala等，2020）。Zhao等进一步证明，在全球统一瞬态循环（WHTC）条件下，ccSCR将总污染物排放降低至常规SCR系统的39.77%（Zhao等，2023）。然而，当发动机在长时间运行中产生热量不足时，仅靠催化剂位移不足以维持催化活性。此外，将SCR放置得过于靠近发动机可能使催化剂在高负荷工况下暴露于过高的温度，从而增加NH3储存需求并加剧NH3逃逸风险（Liu等，2024）。

鉴于被动布局优化的局限性，主动热管理（ATM）逐渐成为满足未来排放法规的关键使能技术。早期研究主要关注基于发动机的热管理（engine-based ETM），包括进气和排气节流、可变气门正时（VVT）和气缸停用（CDA），这些方法均通过改变换气过程来提高排气温度（Arnau等，2021；Gosala等，2017）。然而，基于发动机的热管理通常伴随着相当的燃油经济性损失（Hu等，2023）。例如，进气节流可将排气温度提高103 °C，但代价是高达19.4%的燃油损失（Bai等，2018）。更引人注目的是，Joshi报告称，迟闭排气门（LEVO）产生的温度升高约为200 °C，同时使燃油消耗增加了高达86%（Joshi，2020）。如此巨大的燃油损失显然与日益严格的CO?减排目标相矛盾。

为克服热管理与缸内效率之间的权衡，电加热技术被认为是一种更有前景的解决方案（Knorr等，2015）。Pfahl等报告称，为实现相同的催化剂目标温度，基于发动机的热管理所消耗的能量几乎为电加热的三倍（Pfahl等，2012）。近期研究进一步强调了电加热在超低温度条件下的关键作用。Masoudi等发现，在LLC条件下，使用电加热混合器可以显著促进还原剂的生成，即使在排气温度仅为160 °C左右的情况下，在快速瞬态阶段仍可实现的NOx最大转化效率为96%（Masoudi等，2022）。众多研究还证实，集成式电加热催化剂（EHC）可以有效抑制冷启动期间的污染物排放，与额外燃油喷射等热管理方法相比，可节省约65%的一次能源（Pfahl等，2012；Kim等，2012）。Duan等的综合评估考察了EHC实施对冷态稳态和瞬态运行下排气热动态特性和排放特性的影响。对于低负荷冷启动，EHC大大加速了DOC的加热过程，将达到138 °C起燃阈值所需的时间缩短了约767 s（Duan等，2022）。因此，暖机期间CO和HC的整体转化率分别飙升至92.8%和50.8%。此外，在冷态WHTC的城市路段中，这些效率分别绝对提升了39.8%和38.5%。在针对低温NOx缓解的相关进展中，Kang等提出了一种将EHC与被动式NOx吸附器（PNA）配对使用的协同配置（Kang等，2023；Kang等，2024）。他们的研究结果显示，在发动机启动前30 s启动EHC，优化了PNA的热预处理，最终实现了CO 99.9%、HC 96.0%和NOx 90.1%的卓越转化效率。

基于这些研究成果，我们之前的研究系统性地研究了ccSCR集成架构中EHC的空间和时间耦合策略，以实现最佳的排气热管理（Li等，2025c；Li等，2025a）。具体来说，前置EHC配合延长激活时间（480 s）可以显著加速冷启动期间的催化剂起燃，实现超低NOx排放（138.58 mg/kWh）。此外，基于EHC减排率（EER）指标的评估证实，动态调整EHC布局和加热时间是平衡严格排放法规与系统能效的关键（Li等，2025a）。尽管EHC在冷启动暖机期间的有效性已被广泛证明，但其在持续低负荷条件下的动态热补偿能力仍未得到充分研究（Moon等，2022；Canè等，2023）。这在EHC已证明的冷启动加热效益与其在低负荷运行中作为持续热补偿策略的实际应用之间造成了差距。现有研究主要关注WHTC等瞬态冷启动过程，而实际商用车辆运行往往涉及两种更具挑战性的低温场景。首先，在稳态怠速或巡航条件下（以WHSC为代表），排气温度可能在数百秒内保持在200 °C以下，导致后处理系统在热不活跃状态下长时间停留（Feng等，2025）。其次，在低负荷运行条件下（以LLC为代表），排气温度频繁且急剧波动，通常降至150 °C左右并在如此低的水平上长时间维持，有时超过1000 s，从而迫使中断尿素喷射（Wang等，2025）。此外，EHC辅助热管理在集成EHC-ccSCR架构中的系统级后果仍缺乏充分理解，尤其是在还原剂分布、多污染物排放和电能需求方面。因此，持续热补偿是否能在长时间低温运行中实现有效的双SCR协同和NOx控制，而不产生过大的能耗或二次排放代价，仍有待明确。

为解决上述研究空白，本研究在最严格的法规测试条件下系统评估了EHC-ccSCR架构中的主动热管理策略。与主要关注初始暖机的传统研究不同，本研究进一步考察了后处理系统在稳态和瞬态低温边界条件下的热管理能力。本研究的主要贡献总结如下：

（1）在WHSC和LLC两种条件下实验评估了EHC耦合ccSCR热管理的有效性，将EHC的应用从初始暖机扩展到持续低负荷运行；

（2）阐明了EHC/ccSCR区域向下游DOC、DPF、SCR和ASC的热传播效应，揭示了上游热量输入如何重塑整个后处理系统的温度场；

（3）系统评估了ATM对多污染物排放（包括NOx、CO、CH?、NH?、N?O、PN10和PN23）的影响，突出了减排效益和二次排放权衡；

（4）采用EER指标量化了能量归一化的排放减排性能，为未来面向欧七和中国七标准智能热管理策略校准提供了实用指导。

**实验系统描述**

为解决排气温度不足导致的催化剂起燃困难，本研究采用集成EHC的后处理系统进行主动热管理。EHC安装在后处理系统上游，作为电热转换装置，将电能转化为热能以提升整个系统温度。如图1a所示，本研究使用的EHC额定功率为5 kW，额定电压为48 V。

图1b展示了标准化工况下沿后处理系统的温度分布。

**WHSC条件下不同EHC策略下后处理系统的温度分布**

为直接量化EHC基于主动热管理策略在稳态低负荷条件下实现的瞬态热增强效果，图3比较了WHSC循环中未干预基准工况与第一个低负荷模式期间进行定向热补偿工况的三维瞬态温度分布。如图3(a)所示的基准工况中，第一个WHSC低负荷模式的低排气焓使发动机出口排气……

**结论**

本研究系统性地研究了ATM策略在WHSC和LLC条件下对集成EHC-ccSCR系统温度分布、尿素喷射行为和污染物排放特性的影响。主要结论总结如下：

（1）ATM显著改善了后处理系统的热状态。在稳态WHSC条件下，240 s的ATM实现了141.6%的瞬态热增益，将ccSCR入口平均温度从172.18 °C提高到……

**CRediT作者贡献声明**

李裕暄：撰写——初稿，可视化，验证，软件。徐鸿明：撰写——审阅与编辑，数据整理，概念设计。李吉：撰写——审阅与编辑，调查，形式分析。吴燕：可视化，软件，资源。赵应杰：监督，软件，方法论。廖建雄：项目管理，方法论，调查。胡杰：撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

**致谢**

作者感谢国家自然科学基金（编号：52272402）和教育部流体与动力机械重点实验室开放研究课题（编号：LTDL-2025019）的财政支持。作者感谢中国国家留学基金会的资助。

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