更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)動(dòng)力總成系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)之一。目前的研究重點(diǎn)是在降低CO2排放的同時(shí)，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)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(jī)和催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)是實(shí)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

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目前，汽車行業(yè)的研究重點(diǎn)之一是降低CO2排放。本文主要研究針對(duì)車輛運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)行駛狀況下動(dòng)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(dòng)機(jī)在具有較高效率的負(fù)荷工況點(diǎn)運(yùn)行，也可在某些行駛狀況下使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，而僅用電動(dòng)力總成系統(tǒng)行駛。

根據(jù)上述運(yùn)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(zhǎng)途行駛工況下的燃油耗改善了12%。對(duì)于不同的電氣化動(dòng)力總成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)效率均具有較高重要性。

除了內(nèi)燃機(jī)本身之外，渦輪增壓器等輔助設(shè)備也需要進(jìn)行進(jìn)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(gè)組件，以此可有效節(jié)省安裝空間，并為未來(lái)動(dòng)力總成系統(tǒng)提供了巨大的優(yōu)化潛力。

在內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行期間，廢氣裝置會(huì)逐步冷卻，因此在采用電氣化驅(qū)動(dòng)的情況下，針對(duì)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(hù)措施并在高負(fù)荷工況點(diǎn)運(yùn)行的方案同樣也有著較高重要性，因?yàn)橄到y(tǒng)只有在過量空氣系數(shù)λ=1的情況下運(yùn)行，才能確保三元催化轉(zhuǎn)化器具有最佳性能。

1 對(duì)未來(lái)催化轉(zhuǎn)化器的要求

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未來(lái)動(dòng)力總成系統(tǒng)的架構(gòu)目前無(wú)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(shí)能使其理想地投入模塊化制造，并且能直接固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。業(yè)界對(duì)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(dòng)運(yùn)行方案的影響，從而會(huì)影響催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)在整個(gè)特性曲線場(chǎng)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(yùn)作，并且在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)或市內(nèi)行駛時(shí)不會(huì)停止運(yùn)行，在高負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)無(wú)須加濃燃料，同時(shí)在整個(gè)運(yùn)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(jì)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(jìn)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(jìn)一步完善。研究人員將催化轉(zhuǎn)化器作為1個(gè)完整單元，使其與渦輪增壓器相連，同時(shí)將上述設(shè)備集成到同1個(gè)結(jié)構(gòu)空間中。

該項(xiàng)全新方案的主要目的是通過優(yōu)化出口流動(dòng)以減少損失，并改善流動(dòng)分布，從而使氣流均勻地進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器，以此使渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)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(dòng)分布往往并不理想，在不同負(fù)荷下的工況點(diǎn)也會(huì)有所不同，特別是排氣門的開啟角度對(duì)流動(dòng)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(dòng)機(jī)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(fù)荷工況點(diǎn)（扭矩120 N·m和轉(zhuǎn)速4 000 r/min）時(shí)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(shí)現(xiàn)混合。該設(shè)計(jì)理念推動(dòng)了后續(xù)的開發(fā)進(jìn)程。

圖1 靠近發(fā)動(dòng)機(jī)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

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將渦輪增壓器與催化轉(zhuǎn)化器合并成同1個(gè)組件的創(chuàng)新方案具有諸多優(yōu)勢(shì)。在常規(guī)的渦輪增壓器中，從渦輪流出的氣流橫截面會(huì)突然擴(kuò)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(diǎn)位置的分布。除此之外，來(lái)自廢氣放氣閥的氣流會(huì)被對(duì)稱地導(dǎo)入，同時(shí)經(jīng)過渦輪出口圓周上的1個(gè)環(huán)形通道，能使其以旋流的狀態(tài)進(jìn)行分布。

上述對(duì)策能降低混合損失，并能實(shí)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(lái)自廢氣放氣閥的廢氣流，改善了整個(gè)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(jìn)行預(yù)熱。上述情況有利于冷起動(dòng)，以此改善了催化轉(zhuǎn)化器的起燃效果。

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(yàn)，研究人員采用了配備有電動(dòng)廢氣放氣閥的RAAX渦輪增壓器。在以轎車為試驗(yàn)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(huì)出現(xiàn)橫截面突然擴(kuò)大的現(xiàn)象，并會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱流動(dòng)，特別是在廢氣質(zhì)量流量較大的情況下會(huì)導(dǎo)致較大的損失，動(dòng)能無(wú)法充分轉(zhuǎn)換成靜態(tài)壓力。

在以轎車為試驗(yàn)車型時(shí)，圓錐形擴(kuò)壓器至今尚未充分利用其在熱力學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檩S向布置所需要的附加結(jié)構(gòu)空間往往會(huì)受到限制，而且在渦輪葉輪下游還必須導(dǎo)入來(lái)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(wú)法被業(yè)界所接受。

在進(jìn)行數(shù)字化研究的過程中，研究人員對(duì)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(jìn)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(jìn)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(shuō)明了研究中所考察的廢氣流導(dǎo)入方案的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過廢氣放氣閥的不對(duì)稱流動(dòng)導(dǎo)致了強(qiáng)烈的流動(dòng)損失，并且流場(chǎng)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(duì)渦輪效率的影響。研究人員通過對(duì)環(huán)形縫隙進(jìn)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(duì)圓錐形擴(kuò)壓器進(jìn)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(shì)。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(wú)須對(duì)附加的結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行優(yōu)化，可顯示出這2種方案的優(yōu)勢(shì)。

3 環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器

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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(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）的功能。1個(gè)單孔尿素噴嘴沿著廢氣流動(dòng)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(shì)，因?yàn)榇呋D(zhuǎn)化器容積實(shí)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(bǔ)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(dòng)方向正好與貨車環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器中的流動(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)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

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該方案的第1步是將靠近發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行比較。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(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者在廢氣放氣閥打開時(shí)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(shí)，即使是厚壁樣品，催化轉(zhuǎn)化器前的溫度與靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的催化轉(zhuǎn)化器廢氣放氣閥打開時(shí)相同，因此渦輪增壓器在怠速時(shí)會(huì)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

該方案的第2步是測(cè)量廢氣放氣閥在打開35%時(shí)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(fù)荷工況點(diǎn)上，環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的峰值溫度能降低27 ℃，這就證實(shí)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(shuō)明在廢氣放氣閥打開時(shí)的混合效果，研究人員調(diào)整了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的λ值，并對(duì)氣缸1和氣缸2的λ值進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)降低其余氣缸的混合氣濃度，直至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的λ值達(dá)到1。因?yàn)榇呋D(zhuǎn)化器對(duì)λ值的變化較為敏感，HC、CO和氮氧化物（NOx）轉(zhuǎn)化率的評(píng)價(jià)在恒定負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行。圖5示出了靠近發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行工況點(diǎn)，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(shí)，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(jì)過程中，各個(gè)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(shí)了在發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)尚處于研究過程中的歐七排放法規(guī)和中國(guó)排放法規(guī)而言，更高的冷起動(dòng)效率是必不可少的。因?yàn)閷?shí)際行駛排放（RDE）法規(guī)的行駛路程可能會(huì)縮短200%，就其原理而言，會(huì)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(jī)冷起動(dòng)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(yàn)循環(huán)（WLTC）工況前600 s的排放試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器WLTC工況試驗(yàn)前600 s的排放試驗(yàn)結(jié)果與近發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器的比較

5 結(jié)語(yǔ)

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本文所介紹的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了渦輪增壓器-環(huán)形催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)潛力。對(duì)于主動(dòng)溫度管理，以及未來(lái)RDE排放要求和混合動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)合而言，其還能集成電加熱功能，從而使其能進(jìn)一步滿足未來(lái)清潔、高效的排放要求。

編輯：jq