冷启动WLTC工况下配备二次空气系统与电加热催化器的汽油发动机排放特性研究

《ACS Omega》：Exhaust Emission Characteristics of Gasoline Engines with Secondary Air Systems and Electrically Heated Catalysts in Cold-Start WLTC Mode

　　

摘要专业翻译 冷启动排放仍然是实现日益严格的全球法规所要求的近零尾气排放的关键障碍。由于汽油直喷（GDI）发动机在冷态阶段存在不完全燃烧和催化器延迟激活的问题，对后处理系统进行有效的热管理至关重要。本研究评估了一台配备预热催化器（WCC）、地板下催化器（UCC）、电加热催化器（EHC）和二次空气喷射（SAI）的1.6升汽油直喷（GDI）发动机在全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）冷态阶段的冷启动减排潜力。研究人员评估了多种EHC和SAI运行策略，以量化一氧化碳（CO）、总碳氢化合物（THC）、氮氧化物（NOx）和颗粒数量（PN）的减排效果。在循环初始80秒内同时运行EHC和SAI，实现了THC降低69.1%、CO降低65.7%、NOx降低80.6%的效果，额外能耗为26.7 Wh。最有效的策略是在模式启动前50秒启动EHC预热，并在启动后维持30秒。相比之下，无EHC的持续SAI运行因在未加热催化器上发生部分氧化而导致CO排放增加，凸显了同步热管理的重要性。研究人员通过将冷却液温度降至?7 °C模拟冷环境条件，结果表明需要更高的EHC功率和更大的SAI流量来维持催化器预热效果。尽管在此条件下未燃燃料导致PN排放急剧增加，但优化的EHC–SAI协同策略使PN降低了30%以上。这些研究结果表明，EHC与SAI的协同策略能够显著提升冷启动排放性能，对于在未来法规环境中实现超低排放至关重要。

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一、研究背景与意义

随着全球汽车排放法规日益严格，排放监管的重点已从标准法规工况内的合规性转向实际道路环境下的排放削减。新欧洲驾驶循环（NEDC）已被更能反映真实驾驶工况的全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）所取代，该循环包含急加速、急减速和高速行驶等多种工况。与此同时，法规正不断强化，纳入了?7 °C低温环境应用测试以及更严格的实际道路排放标准，如欧7（Euro 7）和中国7（China 7）标准。此外，随着温室气体和燃油效率法规日趋严格，怠速启停（ISG）和混合动力总成等技术正日益普及，这对排放控制技术提出了更高要求。

汽油发动机通常在理论空燃比条件下运行，通过三元催化器（TWC）内的氧化和还原反应同时削减氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（UHC）等污染物。然而，在冷启动条件下，催化器尚未达到起燃温度（通常为250–300 °C），这些反应无法完全激活，导致初始阶段的废气绕过催化转化直接排入大气。冷态阶段虽然仅占整个驾驶循环的不到20%的时间，却贡献了总CO和HC尾气排放的80%以上。在真实驾驶场景中，冷态阶段和催化器预热期直接影响基于行程的排放特征，且随着环境温度降低，催化器预热时间延长，导致各工况下NOx排放升高。

为缩短冷态阶段持续时间，研究者已尝试多种策略，包括降低TWC起燃温度、减小热容量、增大基底涂层表面积以及将催化器靠近发动机布置等。然而，要满足?7 °C环境温度驾驶模式条件和日益严格的排放法规（如零影响排放标准、Euro 7和轻型车Tier 4），仍需进一步削减冷态阶段排放，这要求增强废气热管理能力，并在排气系统内供应氧化剂（如二次空气喷射，SAI）以促进发动机启动期间高浓度HC的氧化。

尽管已有大量研究分别探讨了二次空气喷射或电加热催化器（EHC）作为独立冷启动缓解技术的效果，但大多数研究仅限于评估特定驾驶模式下初始启动或催化器预热期间的加热效应。文献中仍缺乏对这些独立加热策略进行综合、系统级评估的研究，尤其是在WLTC等法规循环冷态阶段联合应用SAI和EHC时所产生的交互热行为和化学行为。

二、研究内容概述

本研究在一台配备预热催化器（WCC）和地板下催化器（UCC）的1.6升汽油直喷（GDI）发动机上实施了SAI和EHC系统，以缓解冷启动、断油重启和怠速启停（ISG）阶段大量释放的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放。研究在WLTC冷态阶段条件下分析了排放削减特性，考察了EHC和SAI系统在冷启动初始阶段（包括发动机点火）不同运行配置下对CO、THC和NOx排放的影响。通过系统分析，确定了EHC、SAI和TWC之间的最优排放控制条件。此外，为考察低温环境对冷启动排放的具体影响，研究人员通过系统改变发动机冷却液温度，再现了WLTC模式初始阶段与当量比波动相关的点火条件变化以及发动机表面温度降低导致的未燃燃料和CO浓度升高现象。

三、关键技术方法

本研究采用发动机台架模拟WLTC工况的方法，从实际车辆OBD（J1939）数据中实时采集发动机转速和参考扭矩，计算制动扭矩后生成时间分辨的发动机转速和扭矩曲线，应用于测功机构建发动机模拟WLTC模式。实验装置主要包括目标发动机（1.6升涡轮增压GDI发动机）、进气系统、排气系统、后处理系统和测量仪器。后处理系统包含原装TWC（WCC+UCC），EHC位于WCC上游，由金属片电加热器（直径115 mm、长度15 mm）和200 cpsi金属基底（直径115 mm、长度20 mm）串联组成。SAI装置由SAI泵和阀门构成，二次空气经分支管路分配至四个排气端口，在通过涡轮增压器后与废气混合进入后处理系统。研究使用K型热电偶测量EHC、WCC和UCC上下游排气温度，采用Horiba Mexa 7100DEGR排气分析仪和CAMBUSTION DMS500颗粒数量分析仪测量排气成分。为模拟Euro 7拟议的?7 °C环境条件，使用乙二醇与水的1:1混合冷却液将冷却液温度分别控制在约25 °C（室温）、0 °C和?7 °C。SAI流量通过泵转速控制，设定为200 SLPM（标准升/分钟），EHC功率通过调节供电电压控制。

四、研究结果

4.1 SAI和EHC系统对尾气排放特性的影响

4.1.1 仅SAI应用时的排放特性

在未应用EHC的情况下，从冷WLTC循环开始连续向涡轮增压器排气歧管供应二次空气40秒（约200 SLPM）。结果表明，SAI的供应使未燃燃料在排气歧管中与引入的空气发生进一步氧化，减少了初始润湿量，使THC排放峰值提前至约24秒，并消除了无SAI条件下约39秒时因燃料蒸发引起的THC急剧上升。然而，与未应用SAI的基准排放相比，初始500秒内CO排放从6.7 g增加至约13.5 g，几乎翻倍。这是因为持续供应SAI而不考虑排气正时时，发动机启动时存在的未燃燃料在与二次空气混合后倾向于发生部分氧化，导致CO排放大幅增加。因此，仅靠持续SAI供应难以在冷启动条件下同时降低CO和THC排放。

4.1.2 SAI和EHC联合应用时的排放特性

当SAI（200 SLPM）和EHC（1 kW）从模式启动前20秒至启动后100秒同时应用时，模式开始30秒后WCC入口温度即超过250 °C，达到催化器激活阈值。预热的空气减少了发动机燃烧室排出的大量未燃燃料在表面的润湿并促进其蒸发，随后随着WCC催化器温度接近激活阈值，供应的二次空气促进了THC氧化，有效降低了排放。这一快速氧化过程显著提高了WCC出口排气温度。在WLTC模式初始80秒内同时运行EHC和SAI，实现了THC降低69.1%、CO降低65.7%、NOx降低80.6%的效果，额外能耗为26.7 Wh。

4.2 EHC和SAI运行条件优化

最有效的策略是在模式启动前50秒启动EHC预热，并在启动后维持30秒。相比之下，无EHC的持续SAI运行导致CO排放增加，这归因于未加热催化器上的部分氧化反应，凸显了同步热管理的重要性。研究还考察了EHC和SAI的预加热时间和加热持续时间对排放的影响，确定了最优的协同控制策略。

4.3 低温环境条件下的排放特性

通过将冷却液温度降至?7 °C模拟冷环境条件，研究发现低温环境下需要更高的EHC功率（从1 kW增加至2 kW）和更大的SAI流量（增加至250 SLPM）来维持催化器预热效果。在此条件下，由于发动机在燃料过浓条件下运行以确保可靠点火，未燃燃料导致PN排放急剧增加。然而，优化的EHC–SAI协同策略使PN降低了30%以上。

五、结论与展望

本研究通过系统评估SAI和EHC在WLTC冷态阶段的联合应用效果，证明了EHC与SAI的协同热管理策略能够显著提升冷启动排放性能。仅应用SAI而不配合EHC会导致CO排放增加，而EHC与SAI的同步运行可实现THC、CO和NOx的大幅削减，并有效控制PN排放。在低温环境条件下，需要更高的EHC功率和SAI流量来维持催化器预热效果。这些发现表明，协调的EHC和SAI策略对于实现未来法规环境中的超低排放至关重要，为满足Euro 7和China 7等更严格排放标准提供了关键技术路径。