基于廢氣電加熱方案的試驗研究

【德】 F.FRICKE T.STEINHUBER E.GRU?MANN U.RUSCHE

關鍵詞：廢氣后處理;電加熱;混合動力汽車

0 前言

為了進行方案比較，Benteler公司的研究人員選擇了1款搭載了2.0L增壓汽油機的插電式混合動力汽車（PHEV），并對其降低排放的潛力進行了模擬，SilverAtena公司的研究人員則負責調控加熱盤的效率。該2家公司合作的目標是開發出1種能實現最優調節的高品質解決方案，并投入批量生產。在進行方案開發時，研究人員根據當前市場要求，制訂了1項全面的規范目錄[1]。除了能滿足技術要求（表1）外，研究人員重點對成本進行了評估，并對生產情況進行了專門預測。根據技術標準，研究人員選用了1種自行支承式的結構，并將其靈活地與陶瓷或金屬催化轉化器相組合。加熱元件可采用催化涂層，且易于集成到現有結構空間之中，使研究人員在一定程度上能靈活地為電觸點選擇位置。為了使這種加熱裝置能投入高效的工業化生產，研究人員需要重點關注薄鋼板的制造工藝和裝配過程，并重點研究能用于開發載熱體和廢氣部件的常規方法。

1 基于電加熱盤的設計與研究

從功能上進行考慮，研究人員將電加熱盤和毗鄰的催化轉化器組成了同1個單元，并且使催化轉化器在幾秒鐘內就能達到足夠高的工作溫度，產生的熱量也處于均勻分布狀態。將該款產品分別用于汽油機與柴油機時，主要區別如下：當其用于汽油機時，須使三元催化轉化器盡可能快速起燃;而當其用于柴油機時，重點則在于降低氮氧化物（NOx）排放。對于汽油機而言，加熱盤必須采用催化涂層，從而有效減少傳熱時間。在該情況下，采用加熱盤有助于提高催化轉化器的整體溫度。對于配備有選擇性催化還原（SCR）系統的柴油機而言，則必須由還原劑分解出氨。為了能有效地降低NOx 排放，加熱盤必須持久地耐受超過200℃的極限溫度[2]。

研究人員針對這2種用途設計了不同的解決方案，并制造出了樣機。圖1示出了其主要的設計特點。對于具備快速加熱功能的設計方案而言，發熱體的質量及熱容量有著較高的重要性，發熱體的電阻必須符合實際用途，并能滿足規定的可用功率要求。48V 汽車電路的電阻數值通常為350～600mΩ，而當其投入批量生產時，僅允許產生較小的電阻誤差。較大的表面積有利于改善熱效率，并可提升催化涂層的應用效果。研究人員依據對比評價表（表2），對上述幾種方案進行了相互比較。該比較過程主要基于功能樣機的結構、試驗室中的流動測量，以及工藝專家的經驗而開展。

方案1、方案2、方案3以發熱體金屬薄片為基礎，其形狀由陶瓷電絕緣子決定。這些金屬薄片借助于快速滾筒，并經兩級工藝過程壓制而成，是1種能實現大批量生產的工藝過程。同時，由陶瓷絕緣子決定的形狀，以及與發熱體連接而成的整體結構是實現自行支承功能與較高可靠性及耐久性的基礎。通過數次焊接工藝，研究人員選擇了具有較小壁厚的金屬薄片，以此能獲得預先要求的電阻數值，同時也會提升系統的單位面積熱功率和催化涂層的應用效果。

研究人員采用了方案5，以重疊金屬絲編織網覆蓋整個橫截面，從而使系統呈現出均勻的溫度分布。這種金屬絲編織網有效減少了催化涂層的表面積，同時由于其加熱質量較小，因此能快速地實現加熱過程（圖2）。方案4通過采用薄膜金屬片，即可達到相似的溫度梯度。方案5中的金屬絲編織網與能使發熱元件實現縱向排列的方案3一樣，適用于橫截面形狀不同的催化轉化器，當其布置于發動機和汽車地板下方的空間時，具有更高的靈活性。

研究人員通過工藝鏈和預期的性能誤差來評價方案的可制造性。方案5并未采用焊接工藝，這對成本評估起到了重要作用?？傮w而言，研究人員可以確認方案5具有顯著的優勢，后續進行的試驗將重點關注其與催化轉化器共同運作時的效果。在此之后，研究人員將主要針對上述方案的系統集成開展研究。

2 實現最低排放的模擬過程

為了評估廢氣電加熱系統采用電加熱盤時所能實現的最低排放，研究人員利用預驗證的動力總成系統與配備有相關子系統的模型來描述三元催化轉化器。其中，加熱盤被布置在靠近發動機的區域，并與三元催化轉化器進行組合。在上文所提到的方案中，研究人員還將該加熱盤作為金屬核心部件，并對加熱盤方案1的部件尺寸進行了標定。在模擬過程中，研究人員對加熱盤不采用涂層的前提條件進行了設定。

在試驗研究中，研究人員對1款搭載了2.0L汽油機，總質量為2100kg的E級汽車進行了模擬。在未采用加熱盤時，該款車型就能充分滿足歐六d廢氣排放法規要求。為了評估該方案是否存在繼續降低排放的潛力，研究人員在外部溫度為-7 ℃的情況下進行了全球統一的輕型車試驗循環（WLTC）試驗。除了循環和溫度變化曲線外，圖3還示出了車輛行駛5km后的循環累積排放情況，并與未采用加熱盤時的系統相比較。圖3示出了基本方案1，以及發熱體加熱質量分別減少20%和50%時的附加變化方案。這些變化方案相當于通過方案2、方案3（減少20%）及方案4（減少50%）來減少加熱質量。在出現了上述變化的情況下，1種方案是在循環開始和發動機起動之前，使加熱盤預熱40s，并通過二次空氣泵進行輔助。通過預熱，該方案能明顯過度補償由附加設備所增加的加熱盤質量。變化最大的是方案4，該方案需要在循環開始和發動機起動之前為其預熱60s。隨著循環開始，所有的變化都采用了能持續12s的機內加熱策略。其中，電加熱功率恒定為4kW，當溫度一旦達到400℃時，系統就會停止加熱。

與基本方案相比，通過循環最初5km 中的加熱催化轉化器方案1，NOx 排放降低了9%，并使碳氫（HC）排放降低15%。就降低排放的潛力而言，與歐六dTemp用途相比，方案2、方案3和方案4的效果更為顯著。通過上述幾類方案，可使CO 排放降低43%，使HC排放降低62%，并使NOx 排放降低42%

研究人員認為，延長預熱時間可進一步降低排放。通過對方案4的加熱盤進行技術調整，使其可在發動機起動前預熱60s。試驗結果顯示，CO 排放能降低65%，HC排放能降低94%，NOx 排放能降低75%。

正如表2中所示，加熱盤的催化涂層是1種附加的改善方案。對于WLTC工況而言，意味著加熱盤涂層必須通過機內加熱和電加熱2種方式，從而在前12s內將催化轉化器提高到起燃溫度，并且需要使起動時的最大功率達到7kW。研究人員計劃將在后續開發過程中對這種選擇進行評估。通過采用加熱措施，系統有著進一步降低起動排放的可能性，但是在具有較高扭矩需求的情況下，系統面臨著出現排放突增的風險。根據研究人員的評估，認為該情況為臨界狀態，而且還必須考慮到涂層老化帶來的附加效應。

根據試驗結果，研究人員通過使用電預熱方案，使排放能明顯低于歐七法規排放限值，同時也期望車輛在真實行駛排放（RDE）循環中能具有同樣的減排效果。對于所研究的汽油機而言，研究人員也需要對其進行預熱。為將蓄電池應用于混合動力汽車，并且不對其行駛過程進行限制，研究人員需要將電加熱過程作為前提條件進行考慮。

3 焊接工藝的開發

在方案1～4中，為提升系統的可制造性和使用壽命，焊接工藝具有重要意義。由于溫度在不斷變化，使物體氧化的大氣環境也將長期存在，加熱元件對材料技術提出了較高的要求。在廢氣裝置中，如鐵氧體合金鋼1.4509等典型材料就無法進行正常工作，形成的氧化層將處于不穩定狀態，而且會因循環負荷和內應力而產生脫落現象。脫落的顆粒一方面會引起短路現象，另一方面會減小承載負荷的橫截面積，并且會形成絕熱層，加速材料的氧化過程。因此，研究人員建議使用溫度較為穩定的FeCrAl合金。在真空條件下，研究人員通過高溫焊接工藝來制造加熱盤。通過該工藝，研究人員可為FeCrAl合金有序地添加Al2O3 涂層和Cr2O3 涂層。焊接持續時間、溫度、真空品質、熱處理，以及焊縫的結構設計都能有針對性地提供必要的參數，從而能使加熱盤具有較高的熱機械性能和高強度的連接效果。圖4示出了焊接加熱盤的焊縫連接，其中工藝技術參數保持相同，而焊縫則處于持續變化過程中。結果表明，不同的焊縫尺寸產生了不同的焊縫金相組織。當焊縫較寬時，可明顯觀察到硅的析出過程，并且在連接處具有脆性較高的問題。研究人員借助于顯微硬度測量過程（圖4），可知連接內部的硬度差別因數為3.7，而在焊縫較小的情況下該因數僅為2.2。這種差異較大的硬度會影響此處臨界的熱機械強度。在硬度較高的情況下，該方案無法起到增塑作用，應力會通過裂縫進行釋放。因此，研究人員需要優化設計，使構件配備有性能更優越的氧化層。如果采取必要的結構設計措施，那么研究人員就能對焊縫進行精確設計，使焊縫尺寸低于硅析出的臨界值，該數值通常為80μm。

4 解決方案

研究人員開發了1種最大功率為7kW 且電壓為400V 的最佳系統方案（圖5），并可用于高電壓插電式混合動力汽車，以此為加熱盤供電。在試驗運行過程中，接口和功能可進行相互調整。電控單元（ECU）能以1個直流（DC）變流器為基礎，該變流器能根據多種加熱元件的不同要求，分別對其進行優化。技術上的挑戰主要在于加熱元件需要具備較高的功率密度，同時研究人員需要對其整個功率范圍內的效率進行優化。

就電加熱催化轉化器加熱元件的損壞情況而言，目前研究人員尚無法準確排查出相關原因，因此加熱盤的輸入電壓被限制在低于60V 的界限內。在此前提下，如果出現濺水的情況，就不會因電加熱盤加熱元件的損壞，而對乘客造成危害。

對于ECU 而言，研究人員考慮使用配備有串聯電流放大器的DC/DC換流器。同時，正如檢驗標準LV123中的規定，研究人員可根據拓撲學原理，通過變壓器轉換過程將高電壓換流器與低電壓換流器隔離開來。

目前，移相全橋控制（PSFB）拓撲學已得到了大規模推廣。以該原理為基礎，研究人員通過H 型電橋在變壓器轉換的原邊產生交流電壓，并采用集成的控制器將轉換損失降至最低程度，以此提高了系統效率。同時，研究人員在變壓器次邊實現了主動整流，從而進一步提高了系統效率。

諧振電路（LLC）轉換器是1類正處于發展過程中的技術設備。如果研究人員對LLC實現了最優控制，在主動構件數量較少的情況下，會使系統具有更高的效率。在輸入電壓和輸出電壓較低的情況下，LLC 就會喪失其效率優勢。目前，PSFB 拓撲學已被用于ECU中（表3）。

將用于加熱催化轉化器的ECU 集成到汽車上是1項具有較高技術挑戰性的工作。除了要尋找到合適的布置空間之外，研究人員還應考慮是否采用高壓引線，必要時還要為部件選用冷卻循環回路。加熱盤和ECU的制造商與系統集成者在項目早期即已進行了合作，從而便于針對該方面開展后續優化工作。

在開發ECU 時，研究人員關注的重點是需要采用1種適于實現批量生產，并且使產品具有較高功率密度和較高集成度的方案。該方案的主要目標是逐步減小ECU 的外形尺寸，從而能將其集成到車內結構空間中。

這種轉換器包括1種最優的調節策略，這樣使用者就能通過功率調節，預先為特定運行工況點提供所需要的功率。在電子系統中，用于控制電加熱催化轉化器的加熱盤與最佳的電流-電壓系統相匹配。其中，研究人員要考慮到系統所能承受的電壓極限，這樣就能始終為系統提供合適的功率，而此項決策與加熱程度和損耗無關。研究人員通過對加熱催化轉化器系統進行智能調節，在監控加熱元件時，就能省去附加的溫度傳感器，從而降低部件成本。

就ECU 而言，研究人員可選擇具有靈活數據傳輸率的控制器局域網絡（CAN）總線或局域互聯網絡（LIN）及汽車通訊等方式。由于傳輸過程通常采用雙向進行的方式，從而會有多種診斷數據可供用戶使用。同時，該系統還能提供多種參數，例如運行模式、預設的額定值和最大值，以及起動狀況。

用于轉換器的微控制器平臺允許汽車具有開放的架構集成方案，此外還單獨實現了誤操作保護和監控等所有必備的功能，滿足了對廢氣管路部件的認證要求。

在這些研究工作的基礎上，研究人員將開發出1款能在汽車上實現快速評估的平臺，并進行大規模推廣，以供用戶選用。

5 總結

在對部件進行精確設計和反復試驗的基礎上，研究人員對自行支承式加熱盤的設計方案進行了詳細評估。

對汽油機的評估結果表明，提升加熱梯度能有效降低廢氣排放，但其他的加熱盤方案在降低復雜性和成本方面也具有其自身優勢。最終會應用哪1種設計方案，主要取決于計劃用途、安裝位置、所選擇的廢氣后處理策略，以及特定的廢氣排放標定過程。

為滿足即將實施的廢氣排放法規，選用自行支承式電加熱盤是1項較為理想的方案，以此可有效減少排放。該設備適用于汽油機和柴油機，特別是當2類機型被用于混合動力汽車的動力來源時。研究人員通過開發合適的電子控制系統，在項目早期階段就能為用戶提供1種具有較高價值的產品，從而能縮短該款加熱盤的開發時間。