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干貨 | 滿足歐七排放法規(guī)的超緊湊型環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器方案

2021-10-13 18:37:20·  來源：汽車與新動力  
　
更清潔的發(fā)動機是未來動力總成系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)之一。目前的研究重點是在降低CO2排放的同時，在整個發(fā)動機特性曲線場內(nèi)提供采用電氣化設(shè)備的廢氣后處理裝置。高效
更清潔的發(fā)動機是未來動力總成系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)之一。目前的研究重點是在降低CO2排放的同時，在整個發(fā)動機特性曲線場內(nèi)提供采用電氣化設(shè)備的廢氣后處理裝置。高效的渦輪增壓內(nèi)燃機和催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)是實現(xiàn)該目標(biāo)的前提條件。Vitesco Technologies Emitec公司開發(fā)出了結(jié)構(gòu)緊湊的廢氣后處理系統(tǒng)，其由渦輪增壓器和催化轉(zhuǎn)化器組成。
0 前言
目前，汽車行業(yè)的研究重點之一是降低CO2排放。本文主要研究針對車輛運行時所排放的CO2，而不考慮燃料制備等過程中所產(chǎn)生的CO2。
根據(jù)物理學(xué)定理，發(fā)動機熱力學(xué)效率的提升存在上限，因此為了改善行駛循環(huán)和真實行駛狀況下動力總成系統(tǒng)的效率，研究人員有必要為整車選配電氣化設(shè)備，從而可使發(fā)動機在具有較高效率的負荷工況點運行，也可在某些行駛狀況下使發(fā)動機停止運行，而僅用電動力總成系統(tǒng)行駛。根據(jù)上述運行方案，與同類車型相比，由Vitesco Technologies Emitec公司開發(fā)的高效汽油車在市內(nèi)和長途行駛工況下的燃油耗改善了12%。對于不同的電氣化動力總成系統(tǒng)來說，進一步改善內(nèi)燃機效率均具有較高重要性。
除了內(nèi)燃機本身之外，渦輪增壓器等輔助設(shè)備也需要進行進一步優(yōu)化。研究人員將渦輪增壓器與催化轉(zhuǎn)化器合并成同1個組件，以此可有效節(jié)省安裝空間，并為未來動力總成系統(tǒng)提供了巨大的優(yōu)化潛力。在內(nèi)燃機停止運行期間，廢氣裝置會逐步冷卻，因此在采用電氣化驅(qū)動的情況下，針對催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)而開展的溫度管理措施有著較高重要性。除此之外，不采取零部件保護措施并在高負荷工況點運行的方案同樣也有著較高重要性，因為系統(tǒng)只有在過量空氣系數(shù)λ=1的情況下運行，才能確保三元催化轉(zhuǎn)化器具有最佳性能。
1 對未來催化轉(zhuǎn)化器的要求
未來動力總成系統(tǒng)的架構(gòu)目前無法完全確定，并且其主要取決于法規(guī)的制定。近期，研究人員所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是需要開發(fā)出1款新型催化轉(zhuǎn)化器，同時能使其理想地投入模塊化制造，并且能直接固定在發(fā)動機上。業(yè)界對催化轉(zhuǎn)化器的要求更易于受駕駛員自身需求及電驅(qū)動運行方案的影響，從而會影響催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計過程和必要的設(shè)備加熱措施。
此外，研究人員還必須使發(fā)動機在整個特性曲線場中具有較高效率，這就意味著催化轉(zhuǎn)化器必須盡可能迅速地投入運作，并且在怠速運轉(zhuǎn)或市內(nèi)行駛時不會停止運行，在高負荷工況下運行時無須加濃燃料，同時在整個運行期間應(yīng)盡量減緩催化轉(zhuǎn)化器的老化速度。目前，由于催化轉(zhuǎn)化器需要迅速加熱，研究人員通過設(shè)計優(yōu)化，使大部分催化轉(zhuǎn)化器的安裝位置盡可能靠近渦輪增壓器。
研究人員為催化轉(zhuǎn)化器配備了尺寸較短的圓錐體進口，并將其直接安裝在渦輪增壓器殼體上。目前，該方案已得到進一步完善。研究人員將催化轉(zhuǎn)化器作為1個完整單元，使其與渦輪增壓器相連，同時將上述設(shè)備集成到同1個結(jié)構(gòu)空間中。該項全新方案的主要目的是通過優(yōu)化出口流動以減少損失，并改善流動分布，從而使氣流均勻地進入催化轉(zhuǎn)化器，以此使渦輪增壓器實現(xiàn)高效運行。
就目前的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)而言，出于結(jié)構(gòu)等原因，大部分催化轉(zhuǎn)化器中的流動分布往往并不理想，在不同負荷下的工況點也會有所不同，特別是排氣門的開啟角度對流動分布及催化轉(zhuǎn)化器的峰值溫度均有著較大影響。圖1(a)示出了靠近發(fā)動機布置的催化轉(zhuǎn)化器在廢氣放氣閥打開度35%，以及在恒定負荷工況點(扭矩120 N·m和轉(zhuǎn)速4 000 r/min)時的溫度分布。研究人員通過應(yīng)用環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器，從而使渦輪增壓器出口氣體與廢氣放氣閥的氣體實現(xiàn)混合。該設(shè)計理念推動了后續(xù)的開發(fā)進程。
圖1 靠近發(fā)動機布置的量產(chǎn)催化轉(zhuǎn)化器與整體式環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器溫度分布的比較
2 渦輪增壓器-催化轉(zhuǎn)化器方案
將渦輪增壓器與催化轉(zhuǎn)化器合并成同1個組件的創(chuàng)新方案具有諸多優(yōu)勢。在常規(guī)的渦輪增壓器中，從渦輪流出的氣流橫截面會突然擴大，而新方案則與其不同。在渦輪后集成的出口圓錐形輪廓具有最佳的壓力回收效果。這意味著隨著背壓降低，可相應(yīng)減小換氣損失，從而有利于燃燒重點位置的分布。除此之外，來自廢氣放氣閥的氣流會被對稱地導(dǎo)入，同時經(jīng)過渦輪出口圓周上的1個環(huán)形通道，能使其以旋流的狀態(tài)進行分布。
上述對策能降低混合損失，并能實現(xiàn)噴射效應(yīng)，在廢氣質(zhì)量流量較大的情況下能獲得較為理想的效果。此外，通過導(dǎo)入來自廢氣放氣閥的廢氣流，改善了整個圓周范圍內(nèi)的混合效果，并相應(yīng)降低了催化轉(zhuǎn)化器入口的熱不均勻性。通過環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器與中央入口的直接連接降低了熱損失，從而使催化轉(zhuǎn)化器能從內(nèi)部進行預(yù)熱。上述情況有利于冷起動，以此改善了催化轉(zhuǎn)化器的起燃效果。
圖2示出了帶有整體式催化轉(zhuǎn)化器的渦輪增壓器。為了開展相關(guān)試驗，研究人員采用了配備有電動廢氣放氣閥的RAAX渦輪增壓器。在以轎車為試驗車型的情況下，由于其配備有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)空間，以及流向廢氣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化接口，從而使流向渦輪的氣流會出現(xiàn)橫截面突然擴大的現(xiàn)象，并會導(dǎo)致不對稱流動，特別是在廢氣質(zhì)量流量較大的情況下會導(dǎo)致較大的損失，動能無法充分轉(zhuǎn)換成靜態(tài)壓力。
 
圖2 配備有環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的渦輪增壓器
在以轎車為試驗車型時，圓錐形擴壓器至今尚未充分利用其在熱力學(xué)方面的優(yōu)勢，因為軸向布置所需要的附加結(jié)構(gòu)空間往往會受到限制，而且在渦輪葉輪下游還必須導(dǎo)入來自廢氣放氣閥的氣流，考慮到可靠性和成本方面的需求，由此所產(chǎn)生的熱力學(xué)損失至今仍無法被業(yè)界所接受。
在進行數(shù)字化研究的過程中，研究人員對經(jīng)優(yōu)化后廢氣流的熱力學(xué)潛力與常規(guī)的廢氣流進行了比較。研究人員將導(dǎo)入局部廢氣的幾何空間作為基準(zhǔn)，與環(huán)形縫隙方案進行了比較。圖3根據(jù)渦輪葉輪下游子午線截面上的馬赫數(shù)，說明了研究中所考察的廢氣流導(dǎo)入方案的流動結(jié)構(gòu)，通過廢氣放氣閥的不對稱流動導(dǎo)致了強烈的流動損失，并且流場存在明顯的不均勻現(xiàn)象。圖3同樣示出了不同轉(zhuǎn)速和壓比對渦輪效率的影響。研究人員通過對環(huán)形縫隙進行優(yōu)化，從而明顯改善了效率。
圖3 常規(guī)廢氣放氣閥幾何學(xué)渦輪葉輪后的馬赫數(shù)分布和總靜態(tài)效率與環(huán)形縫隙的比較示意圖
就渦輪效率和催化轉(zhuǎn)化器效率而言，相關(guān)研究表明，通過對圓錐形擴壓器進行幾何優(yōu)化，并通過環(huán)形縫隙導(dǎo)入氣流具有顯著的優(yōu)勢。通過采用環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器與廢氣渦輪增壓器的集成方案，無須對附加的結(jié)構(gòu)空間進行優(yōu)化，可顯示出這2種方案的優(yōu)勢。
3 環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器
環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器已在貨車和越野車中得到廣泛應(yīng)用，并具有柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)的功能。1個單孔尿素噴嘴沿著廢氣流動方向布置，并串聯(lián)在DOC后方，此類緊湊的結(jié)構(gòu)型式有著顯著優(yōu)勢，因為催化轉(zhuǎn)化器容積實際上不僅可用于催化轉(zhuǎn)化，而且也可用于尿素的制備過程。就催化轉(zhuǎn)化器容積因內(nèi)部管道引起的損失而言，研究人員可通過將其外徑加大數(shù)毫米予以補償。
然而，就目前已在渦輪增壓器-催化轉(zhuǎn)化器組件中使用的環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器而言，其流動方向正好與貨車環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器中的流動方向相反。氣流首先流過內(nèi)管，然后接著流過位于外部的三元催化轉(zhuǎn)化器，但在批量生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)商可能會以相同方法制造該類環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器。環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)管壁厚僅為0.5 mm，以便使發(fā)動機在冷起動過程中所造成的熱損失降至最低。
4 渦輪增壓器-催化轉(zhuǎn)化器的效率
該方案的第1步是將靠近發(fā)動機布置的基準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器的加熱特性與渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器進行比較(圖4)。當(dāng)研究人員在將渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器與標(biāo)準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器進行比較時，發(fā)現(xiàn)兩者在廢氣放氣閥打開時的反應(yīng)正好相反。環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器在廢氣放氣閥關(guān)閉時，即使是厚壁樣品，催化轉(zhuǎn)化器前的溫度與靠近發(fā)動機布置的催化轉(zhuǎn)化器廢氣放氣閥打開時相同，因此渦輪增壓器在怠速時會以較高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而改善了發(fā)動機的動態(tài)性能。
圖4 冷起動后20 s、35 s和50 s后2種催化轉(zhuǎn)化器前的溫度
該方案的第2步是測量廢氣放氣閥在打開35%時催化轉(zhuǎn)化器的溫度分布。在扭矩120 N·m 和轉(zhuǎn)速4 000 r/min負荷工況點上，環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的峰值溫度能降低27 ℃，這就證實了主渦輪增壓器氣流與廢氣放氣閥氣流已得以充分混合，從而緩解了催化轉(zhuǎn)化器的老化現(xiàn)象。
為了特別說明在廢氣放氣閥打開時的混合效果，研究人員調(diào)整了試驗發(fā)動機氣缸的λ值，并對氣缸1和氣缸2的λ值進行設(shè)置，同時降低其余氣缸的混合氣濃度，直至整個發(fā)動機的λ值達到1。因為催化轉(zhuǎn)化器對λ值的變化較為敏感，HC、CO和氮氧化物(NOx)轉(zhuǎn)化率的評價在恒定負荷工況點進行。圖5示出了靠近發(fā)動機布置的催化轉(zhuǎn)化器與渦輪增壓器-催化轉(zhuǎn)化器組件的轉(zhuǎn)化率比較過程。
圖5 在轉(zhuǎn)速4 000 r/min和平均有效壓力1.6 MPa運行工況點，并且氣缸1和氣缸2燃油質(zhì)量系統(tǒng)相同的情況下，燃油質(zhì)量變化為-1%時，HC、CO和NOx轉(zhuǎn)化率的比較
與基準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器相比，在環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計過程中，各個氣缸廢氣的良好均勻混合有效提高了所有排放物的轉(zhuǎn)化率，以此證實了在發(fā)動機使用壽命期內(nèi)λ變化的情況下，渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器是更為可靠的解決方案。
對尚處于研究過程中的歐七排放法規(guī)和中國排放法規(guī)而言，更高的冷起動效率是必不可少的。因為實際行駛排放(RDE)法規(guī)的行駛路程可能會縮短200%，就其原理而言，會使汽車尾管排放也提高相同的比例。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是在汽油機冷起動期間，其排放為總排放的80%~90%。圖6示出了全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)(WLTC)工況前600 s的排放試驗結(jié)果。
圖6 渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器WLTC工況試驗前600 s的排放試驗結(jié)果與近發(fā)動機基準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器的比較
5 結(jié)語
本文所介紹的試驗結(jié)果證實了渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)潛力。對于主動溫度管理，以及未來RDE排放要求和混合動力應(yīng)用場合而言，其還能集成電加熱功能，從而使其能進一步滿足未來清潔、高效的排放要求。
本文發(fā)表于《汽車與新動力》雜志2021年第3期
作者：[德]R.BRÜCK等
整理：范明強
編輯：伍賽特 
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