HC吸附技术在整车排放中的应用

尹伊郡 刘金玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

HC吸附技术在整车排放中的应用

尹伊郡 刘金玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

将HC吸附装置集成在整车后处理系统中，就HC吸附技术对整车排放性能的影响展开了研究。研究发现，该装置在整车起动阶段存在最优的吸附时间，所使用的HC吸附装置最优吸附时间为45 s。试验结果表明，HC吸附技术可降低常温及低温整车NEDC循环THC排放量30%以上，并可降低前三效催化转换器的贵金属涂覆量，降低后处理成本，但后三效催化转换器的处理能力需要加强。

主题词:HC吸附 排放 汽油机 冷起动

1 前言

随着轻型汽车污染物排放限值要求的日益严格，大排量汽油机的HC排放问题越来越突出。HC吸附技术利用特殊吸附材料，在整车冷起动期间对HC进行吸附，待三效催化转换器（以下简称催化器）启燃后再将其释放并处理，从而达到降低HC排放的目的[1]。这项技术最早被丰田公司应用在普锐斯车型上以满足美国FTP循环测试[2]。日产公司以沸石作为吸附材料，在一辆搭载2.4 L直列四缸汽油发动机的整车上进行测试，结果显示，HC吸附系统使整车FTP循环冷起动阶段的HC排放量降低60%[3]。本田公司和NGK公司共同开发了一种HC吸附系统，使整车FTP循环冷起动阶段HC排放量降低了70%，NMHC排放量降低了60%[4]。丰田公司为雷克萨斯车型开发的一款HC吸附系统使HC排放量降低了50%[5]。国内对于HC吸附技术的研究大多处于实验室阶段，并没有量产车型使用该技术。

本文在HC吸附技术对排放的影响、吸附及脱附时间的控制策略对HC排放的影响等方面展开研究，并探索应用HC吸附装置后改善催化器配方、降低后处理成本的可能性。

2 HC吸附装置及测点布置

试验车辆使用两级催化器后处理系统，HC吸附装置与后级催化器紧耦合，吸附剂以稀土为主要成分，HC吸附系统及后级催化器的结构如图1所示。通过阀门的开闭控制尾气流经路径，即阀门关闭时尾气先通过HC吸附剂再通过后级催化器，阀门开启时尾气直接通过后级催化器。

在整车转鼓环境仓中进行常温25℃和低温-7℃的整车NEDC循环排放测试。对4处排放气体进行直采，并采集5处温度数据，各测点的位置见图2。

图1 HC吸附系统及后级催化器结构示意

图2 排放及温度测点布置

3 HC吸附排放试验

3.1 HC吸附装置阀门控制策略优化试验

使用原车催化器（前催化器贵金属涂覆12.4 g，后催化器贵金属涂覆1.2 g），未加装HC吸附装置条件下各排放测点的THC浓度与时间的关系曲线如图3所示。由图3可知，后级催化器后THC排放峰值出现在35 s前，因此，HC吸附最短时间应为35 s。THC排放量主要集中在测试循环的前60 s内，之后由于催化器温度逐渐升高，尾气中的THC大部分被反应消除，因此，HC吸附最长时间不应超过60 s。

图3 未加装HC吸附装置条件下各测点THC浓度

在原车催化器基础上耦合HC吸附装置，以整车转鼓试验开始为时间起点，控制HC吸附装置阀门的关闭时间，HC吸附装置的阀门为人工手动控制，控制时间存在一定误差，各方案时间间隔设定为10 s，废气通过HC吸附剂的时间（吸附时间）分别为35 s、45 s、55 s。不同吸附时间的排放结果如图4所示，吸附时间为45 s和55 s时的THC和NMHC排放较低，与不使用HC吸附装置相比，THC排放改善约34%，NMHC排放改善约39%。

不同吸附时间条件下各排放测点的THC浓度曲线如图5所示。HC吸附剂前、后的THC排放曲线在第40 s附近存在交汇点，此后吸附剂后THC浓度高于吸附剂前THC浓度，说明当废气通过吸附剂40 s时，吸附剂吸附的THC量接近饱和，继续延长吸附时间会导致气流携带被吸附的THC至后催化器，而此时催化器转化效率较低，导致排放恶化。吸附时间为45 s、55 s条件下NEDC循环THC排放结果基本一致，但THC排放的时间特性并不相同。吸附时间45 s与55 s相比，前100 s的后级催化器后THC浓度较低，而100～1 200 s的浓度较高（见图6），说明吸附时间45 s条件下吸附剂吸附的THC较多，并且被气流携带至催化剂的量较少，使得前100 s的后级催化器后THC浓度较低。在NEDC循环后期，由于气流的加热作用，被吸附的HC逐渐脱附流向后催化器，而无法被高效转化，导致100～1 200 s的后级催化器后THC浓度提高。

图4 阀门控制策略对排放的影响

根据上述分析，吸附时间45 s为最优控制策略，可大幅降低催化器起燃前的THC排放，但会导致循环后期THC排放浓度增大，为解决这个问题，应提高后级催化器能力。

图5 不同吸附时间条件下各测点THC浓度

图6 后级催化器后THC浓度

3.2 HC吸附装置与催化器匹配优化试验

催化器方案如表1所示，共包括3个方案。方案1前级催化器的贵金属涂覆量最大，后级催化器贵金属涂覆量最小；方案2减少了前级催化器的贵金属涂覆量，增大了后级催化器贵金属涂覆量，后处理成本降低；方案3进一步减少前级催化器的贵金属涂覆量，后级催化器贵金属涂覆量与方案2相同，后处理成本最低。各方案HC吸附装置阀门关闭时间设定为45 s。

各方案的整车NEDC循环排放结果如图7所示。方案1由于贵金属涂覆量最大，催化器处理尾气能力强，排放结果最优。方案2由于减少了贵金属涂覆量，与方案1相比THC排放增加，但与无HC吸附方案相比，THC排放仍降低29%，NMHC排放降低32%。方案3与方案2相比，THC排放降低4%，NMHC排放降低5%。

表1 催化器方案 g

图7 后处理方案对排放的影响

吸附剂前、后的THC浓度差如图8所示。NEDC循环前50 s方案3吸附剂前、后浓度差高于方案2，即方案3被吸附的THC量大于方案2。前级催化器后、吸附剂前的温度如图9所示。由图9可知，NEDC循环前50 s方案3吸附剂前的温度低于方案2。由于方案3前级催化器贵金属涂覆量小于方案2，前级催化器内尾气的化学反应程度较低，放热量较小，导致方案3吸附剂前的温度较低。而HC吸附剂的物理特性为低温条件下吸附、高温脱附。因此，方案3吸附剂吸附的THC量大于方案2，方案3整车NEDC循环THC和NMHC排放较优。

图8 吸附剂前、后THC浓度差

综合考虑排放结果和后处理成本，方案3为最优方案。该方案常温THC排放降低31.4%，NMHC排放降低35.4%。

图9 前催化器后、吸附剂前温度

3.3 HC吸附技术对低温排放的影响

各方案低温整车NEDC循环排放结果如图10所示。方案2的前级催化器转化能力在各方案中最强，并且由于环境温度较低，前级催化器中催化还原反应释放的热量对废气的加热程度有限，HC吸附剂在低温条件下吸附能力较强，因此方案2低温排放结果最好。但由于方案2后处理贵金属涂覆量较大，综合考虑排放性能和后处理成本，方案3为最优方案，低温THC排放与不使用HC吸附技术相比降低了30.5%。

图10 低温THC排放（国Ⅴ排放限值1.8 g/km）

4 结论

HC吸附技术可以降低常温及低温整车NEDC循环THC排放30%以上，改善整车排放性能。使用HC吸附技术需要对整车起动阶段HC吸附剂的吸附时间进行优化。由于HC吸附剂具有低温吸附、高温脱附的特性，需要将其布置在前、后催化器之间。HC吸附技术可以减少前催化器贵金属涂覆量，但后催化器能力需要加强。参考文献

1 李维，苏岭，周龙保，等.点燃式发动机排气后处理技术新发展.汽车技术，2003（1）：18～22.

2 Inoue T,Kusada M,Kanai H,et al.Improvement of Highly Efficient Hybrid Vehicle and Integrating Super Low Emission.SAE Paper No.2000-01-2930.

3 Yamamoto S,Matsushita K,Etoh S,et al.In-line Hydrocarbon Adsorber System for Reducing Cold-Star Emissions.SAE Paper 2000-01-0892.

4 Yamazaki H,Endo T,Ueno M,et al.Research on HC Adsorption Emission System.SAE Paper No.2004-01-1273.

5 Sano K,Kawai T,Yoshizaki S,et al.HC Adsorber System for SULEVs of Large Volume Displacement.SAE Paper No.2007-01-0929.

（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2016年4月11日。

Application of HC Adsorption Technology in Vehicle Emissions

Yin Yijun,Liu Jinyu
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

The effect of HC adsorption technology on emissions performance of a vehicle with aftertreatment system was studied in this paper.The research showed that there was an optimal adsorption time in the vehicle start-up stage.The optimal adsorption time of HC adsorption device used in this paper is 45 s.The vehicle test results showed that THC emissions could be reduced more than 30%in NEDC cycle both under normal temperature and low temperature environment by using HC adsorption technology.This technology could also reduce the cost of aftertreatment with lower coated weight of noble metal of three-way catalyst,while chassis catalyst ability needs to be strengthened.

HC adsorption,Emissions,Gasoline engine,Cold start

464.134+.4

A

1000-3703（2016）11-0044-03