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干货 | 满足欧七排放法规的超紧凑型环形催化转化器方案

2021-10-13 18:37:20·  来源：汽车与新动力  
　
更清洁的发动机是未来动力总成系统的开发目标之一。目前的研究重点是在降低CO2排放的同时，在整个发动机特性曲线场内提供采用电气化设备的废气后处理装置。高效
更清洁的发动机是未来动力总成系统的开发目标之一。目前的研究重点是在降低CO2排放的同时，在整个发动机特性曲线场内提供采用电气化设备的废气后处理装置。高效的涡轮增压内燃机和催化转化器技术是实现该目标的前提条件。Vitesco Technologies Emitec公司开发出了结构紧凑的废气后处理系统，其由涡轮增压器和催化转化器组成。
0 前言
目前，汽车行业的研究重点之一是降低CO2排放。本文主要研究针对车辆运行时所排放的CO2，而不考虑燃料制备等过程中所产生的CO2。
根据物理学定理，发动机热力学效率的提升存在上限，因此为了改善行驶循环和真实行驶状况下动力总成系统的效率，研究人员有必要为整车选配电气化设备，从而可使发动机在具有较高效率的负荷工况点运行，也可在某些行驶状况下使发动机停止运行，而仅用电动力总成系统行驶。根据上述运行方案，与同类车型相比，由Vitesco Technologies Emitec公司开发的高效汽油车在市内和长途行驶工况下的燃油耗改善了12%。对于不同的电气化动力总成系统来说，进一步改善内燃机效率均具有较高重要性。
除了内燃机本身之外，涡轮增压器等辅助设备也需要进行进一步优化。研究人员将涡轮增压器与催化转化器合并成同1个组件，以此可有效节省安装空间，并为未来动力总成系统提供了巨大的优化潜力。在内燃机停止运行期间，废气装置会逐步冷却，因此在采用电气化驱动的情况下，针对催化转化器系统而开展的温度管理措施有着较高重要性。除此之外，不采取零部件保护措施并在高负荷工况点运行的方案同样也有着较高重要性，因为系统只有在过量空气系数λ=1的情况下运行，才能确保三元催化转化器具有最佳性能。
1 对未来催化转化器的要求
未来动力总成系统的架构目前无法完全确定，并且其主要取决于法规的制定。近期，研究人员所面临的主要技术挑战是需要开发出1款新型催化转化器，同时能使其理想地投入模块化制造，并且能直接固定在发动机上。业界对催化转化器的要求更易于受驾驶员自身需求及电驱动运行方案的影响，从而会影响催化转化器的设计过程和必要的设备加热措施。
此外，研究人员还必须使发动机在整个特性曲线场中具有较高效率，这就意味着催化转化器必须尽可能迅速地投入运作，并且在怠速运转或市内行驶时不会停止运行，在高负荷工况下运行时无须加浓燃料，同时在整个运行期间应尽量减缓催化转化器的老化速度。目前，由于催化转化器需要迅速加热，研究人员通过设计优化，使大部分催化转化器的安装位置尽可能靠近涡轮增压器。
研究人员为催化转化器配备了尺寸较短的圆锥体进口，并将其直接安装在涡轮增压器壳体上。目前，该方案已得到进一步完善。研究人员将催化转化器作为1个完整单元，使其与涡轮增压器相连，同时将上述设备集成到同1个结构空间中。该项全新方案的主要目的是通过优化出口流动以减少损失，并改善流动分布，从而使气流均匀地进入催化转化器，以此使涡轮增压器实现高效运行。
就目前的催化转化器系统而言，出于结构等原因，大部分催化转化器中的流动分布往往并不理想，在不同负荷下的工况点也会有所不同，特别是排气门的开启角度对流动分布及催化转化器的峰值温度均有着较大影响。图1(a)示出了靠近发动机布置的催化转化器在废气放气阀打开度35%，以及在恒定负荷工况点(扭矩120 N·m和转速4 000 r/min)时的温度分布。研究人员通过应用环形催化转化器，从而使涡轮增压器出口气体与废气放气阀的气体实现混合。该设计理念推动了后续的开发进程。
图1 靠近发动机布置的量产催化转化器与整体式环形催化转化器温度分布的比较
2 涡轮增压器-催化转化器方案
将涡轮增压器与催化转化器合并成同1个组件的创新方案具有诸多优势。在常规的涡轮增压器中，从涡轮流出的气流横截面会突然扩大，而新方案则与其不同。在涡轮后集成的出口圆锥形轮廓具有最佳的压力回收效果。这意味着随着背压降低，可相应减小换气损失，从而有利于燃烧重点位置的分布。除此之外，来自废气放气阀的气流会被对称地导入，同时经过涡轮出口圆周上的1个环形通道，能使其以旋流的状态进行分布。
上述对策能降低混合损失，并能实现喷射效应，在废气质量流量较大的情况下能获得较为理想的效果。此外，通过导入来自废气放气阀的废气流，改善了整个圆周范围内的混合效果，并相应降低了催化转化器入口的热不均匀性。通过环形催化转化器与中央入口的直接连接降低了热损失，从而使催化转化器能从内部进行预热。上述情况有利于冷起动，以此改善了催化转化器的起燃效果。
图2示出了带有整体式催化转化器的涡轮增压器。为了开展相关试验，研究人员采用了配备有电动废气放气阀的RAAX涡轮增压器。在以轿车为试验车型的情况下，由于其配备有相应的结构空间，以及流向废气系统的标准化接口，从而使流向涡轮的气流会出现横截面突然扩大的现象，并会导致不对称流动，特别是在废气质量流量较大的情况下会导致较大的损失，动能无法充分转换成静态压力。
 
图2 配备有环形催化转化器的涡轮增压器
在以轿车为试验车型时，圆锥形扩压器至今尚未充分利用其在热力学方面的优势，因为轴向布置所需要的附加结构空间往往会受到限制，而且在涡轮叶轮下游还必须导入来自废气放气阀的气流，考虑到可靠性和成本方面的需求，由此所产生的热力学损失至今仍无法被业界所接受。
在进行数字化研究的过程中，研究人员对经优化后废气流的热力学潜力与常规的废气流进行了比较。研究人员将导入局部废气的几何空间作为基准，与环形缝隙方案进行了比较。图3根据涡轮叶轮下游子午线截面上的马赫数，说明了研究中所考察的废气流导入方案的流动结构，通过废气放气阀的不对称流动导致了强烈的流动损失，并且流场存在明显的不均匀现象。图3同样示出了不同转速和压比对涡轮效率的影响。研究人员通过对环形缝隙进行优化，从而明显改善了效率。
图3 常规废气放气阀几何学涡轮叶轮后的马赫数分布和总静态效率与环形缝隙的比较示意图
就涡轮效率和催化转化器效率而言，相关研究表明，通过对圆锥形扩压器进行几何优化，并通过环形缝隙导入气流具有显著的优势。通过采用环形催化转化器与废气涡轮增压器的集成方案，无须对附加的结构空间进行优化，可显示出这2种方案的优势。
3 环形催化转化器
环形催化转化器已在货车和越野车中得到广泛应用，并具有柴油机氧化催化转化器(DOC)的功能。1个单孔尿素喷嘴沿着废气流动方向布置，并串联在DOC后方，此类紧凑的结构型式有着显著优势，因为催化转化器容积实际上不仅可用于催化转化，而且也可用于尿素的制备过程。就催化转化器容积因内部管道引起的损失而言，研究人员可通过将其外径加大数毫米予以补偿。
然而，就目前已在涡轮增压器-催化转化器组件中使用的环形催化转化器而言，其流动方向正好与货车环形催化转化器中的流动方向相反。气流首先流过内管，然后接着流过位于外部的三元催化转化器，但在批量生产过程中，生产商可能会以相同方法制造该类环形催化转化器。环形催化转化器的内管壁厚仅为0.5 mm，以便使发动机在冷起动过程中所造成的热损失降至最低。
4 涡轮增压器-催化转化器的效率
该方案的第1步是将靠近发动机布置的基准催化转化器的加热特性与涡轮增压器-环形催化转化器进行比较(图4)。当研究人员在将涡轮增压器-环形催化转化器与标准催化转化器进行比较时，发现两者在废气放气阀打开时的反应正好相反。环形催化转化器在废气放气阀关闭时，即使是厚壁样品，催化转化器前的温度与靠近发动机布置的催化转化器废气放气阀打开时相同，因此涡轮增压器在怠速时会以较高的转速运转，从而改善了发动机的动态性能。
图4 冷起动后20 s、35 s和50 s后2种催化转化器前的温度
该方案的第2步是测量废气放气阀在打开35%时催化转化器的温度分布。在扭矩120 N·m 和转速4 000 r/min负荷工况点上，环形催化转化器的峰值温度能降低27 ℃，这就证实了主涡轮增压器气流与废气放气阀气流已得以充分混合，从而缓解了催化转化器的老化现象。
为了特别说明在废气放气阀打开时的混合效果，研究人员调整了试验发动机气缸的λ值，并对气缸1和气缸2的λ值进行设置，同时降低其余气缸的混合气浓度，直至整个发动机的λ值达到1。因为催化转化器对λ值的变化较为敏感，HC、CO和氮氧化物(NOx)转化率的评价在恒定负荷工况点进行。图5示出了靠近发动机布置的催化转化器与涡轮增压器-催化转化器组件的转化率比较过程。
图5 在转速4 000 r/min和平均有效压力1.6 MPa运行工况点，并且气缸1和气缸2燃油质量系统相同的情况下，燃油质量变化为-1%时，HC、CO和NOx转化率的比较
与基准催化转化器相比，在环形催化转化器的设计过程中，各个气缸废气的良好均匀混合有效提高了所有排放物的转化率，以此证实了在发动机使用寿命期内λ变化的情况下，涡轮增压器-环形催化转化器是更为可靠的解决方案。
对尚处于研究过程中的欧七排放法规和中国排放法规而言，更高的冷起动效率是必不可少的。因为实际行驶排放(RDE)法规的行驶路程可能会缩短200%，就其原理而言，会使汽车尾管排放也提高相同的比例。出现该现象的原因是在汽油机冷起动期间，其排放为总排放的80%~90%。图6示出了全球统一的轻型车试验循环(WLTC)工况前600 s的排放试验结果。
图6 涡轮增压器-环形催化转化器WLTC工况试验前600 s的排放试验结果与近发动机基准催化转化器的比较
5 结语
本文所介绍的试验结果证实了涡轮增压器-环形催化转化器的技术潜力。对于主动温度管理，以及未来RDE排放要求和混合动力应用场合而言，其还能集成电加热功能，从而使其能进一步满足未来清洁、高效的排放要求。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第3期
作者：[德]R.BRÜCK等
整理：范明强
编辑：伍赛特 
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