降低混合动力乘用车冷起动排放的策略探讨

刘义强 陆经文 戴正兴 潘凌腾 王文礼 钟祥麟

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

近十几年来，随着我国汽车工业的迅猛发展，乘用车在市场上的占有量大幅提高，车用汽油发动机排放及污染对环境的影响变得日趋严重。为了加强对环境的保护，我国政府不断颁布越来越严格的汽车排放标准，从2017 年开始实施接近当时欧盟水平的国五排放标准到2020 年迅速实施比欧Ⅵd 更严的国六b 排放标准，只有短短4 年。为了满足日益严格的排放标准，作为未来几年乘用车主要发展模式的混合动力汽车，该采取什么样的措施和技术来进一步降低排放？

相对于传统汽油车，混合动力汽车的发动机运行工况比较复杂。借助于电机辅助驱动，混合动力汽车运行期间，发动机容许频繁起停，由此会造成瞬态污染物包括气态和固态污染物排放急剧增加。在冷起动阶段，排气后处理系统的催化剂温度还很低，对气态污染物的转化效率低于50%，若排气流量较大，大量废气污染物不经转化便被排入空气中。据统计，乘用车70%的HC 尾气排放来源于汽车冷起动阶段，而混合动力汽车因频繁起停，冷起动阶段排放问题更为严重。在进行国六排放标准I 型WLTC 测试时，不少车辆在发动机冷起动后不超过100 s 的时间内，气态污染物的累积排放量（尾气排放）已经超过整个1 800 s 试验行程的排放限值。因此，控制冷起动排放不仅是传统汽油车，更是混合动力汽车排放控制的关键。

本文从混合动力汽车冷起动的排放特性出发，通过对比分析混合动力汽车与传统汽油车在冷起动排放控制上的特点，探讨降低混合动力汽车冷起动排放的策略和方法，包括原始排放和尾气排放控制以及整车标定匹配等，结合市场上发动机和整车排放后处理开发实例解析，提出降低混合动力汽车冷起动排放的有效策略和技术路线。

1 冷起动排放特性

1.1 冷起动排气污染物的生成

汽油发动机在燃烧过程中产生的主要污染物是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）以及颗粒物质量PM 和数量PN。

1.1.1 一氧化碳（CO）

CO 是一种不完全燃烧的产物，其生成主要与混合气浓度有关，当混合气偏浓时，燃料中的碳因缺氧无法被氧化成CO2而变成了CO。

1.1.2 碳氢化合物（HC）

发动机排放中的HC 含有芳香烃、烯烃、烷烃等100 多种成分，主要来源于发动机缸内残余的燃油和润滑油。冷起动阶段，尽管发动机流量较低，但相对于单位排气流量而言，HC 原始排放并不低，甚至更高。主要是由于以下因素的影响：

1）发动机不完全燃烧。冷起动时，发动机冷却水温度低，缸内燃烧温度低，燃烧不稳定，点火时往往需要偏浓混合气，导致燃烧不完全，HC 排放升高。

2）气缸璧面淬熄效应。发动机冷起动和怠速时，燃烧室壁面温度较低，容易在表面形成0.1～0.2 mm的火焰淬熄层，产生大量的未燃HC。

3）燃烧室缝隙效应。发动机在压缩行程中，未燃燃油容易沉积在火焰无法传播到的缸内缝隙中，增加了HC 排放。

1.1.3 氮氧化物（NOx）

NOx由NO 和NO2组成，通常汽油机NO 的排放在NOx中的占比达90%～99%。NO 主要在1 600 ℃高温下生成，其影响因素主要是温度、氧浓度和反应时间。即在足够氧浓度下（空燃比＞14.7），温度越高，反应时间越长，NO 排放量越多。

1.1.4 颗粒物排放（颗粒物质量PM 和数量PN）

颗粒物由数百种有机和无机成分组成，其中主要部分为元素碳、可溶有机成分（Soluble Organic Fraction，SOF）和灰分。发动机排放中，颗粒物的生成主要源于发动机的不完全燃烧及其烃类燃料在高温缺氧条件下的裂解。当燃油喷射到高温空气时，轻质烃会被蒸发气化，经过聚合结块或脱氢等复杂过程，生成粒度较小的气相析出型碳颗粒；而重质烃会以液态的形式在高温缺氧条件下直接脱氢碳化，生成粒度较大的液相析出型碳颗粒。

1.2 冷起动各污染物原始排放

冷起动阶段，各污染物原始排放分别如图1、图2、图3 所示。

图1 某PHEV 车型WLTC 循环CO 原始排放

图2 某PHEV 车型WLTC 循环THC 原始排放

图3 某PHEV 车型WLTC 循环NOx 原始排放

冷起动阶段，通常因发动机燃烧温度较低，混合气偏浓以及缸内残余碳氢的影响，造成HC 排放较高。因为不完全燃烧，CO 排放也比较高。但由于冷起动阶段的排气流量比较低，相对于WLTC 整个过程或其他工况，冷起动阶段HC 和CO 的原始排放并不高。而NOx的原始排放往往在高速段较高，在冷起动阶段并不显著。

由于冷起动阶段后处理系统的催化剂工作温度比较低，导致催化剂对气态污染物的转化效率偏低，从而造成尾气排放较高。尤其是混合动力汽车，在WLTC 循环，通常因为发动机起动较晚，影响催化剂温度的提高，导致冷起动阶段尾气排放升高。

1.3 WLTC 循环混合动力汽车发动机运行工况

国六排放标准采用WLTC 整车测试循环，包括低速（包含冷起动）、中速、高速、超高速4 个阶段，全程23.26 km，见图4。虽然混合动力汽车和传统汽车都按照相同的工况进行测试，但车用发动机的运行工况却全然不同，混合动力汽车发动机的运行工况见图5，传统汽车发动机的运行工况见图6。借助于电机的辅助起动，混合动力汽车运行时，发动机可以频繁地起停或延迟起动，从而给混合动力汽车的排放控制带来了许多复杂的因素。

图4 WLTC 循环整车试验工况

图5 某1.5TD PHEV 车型WLTC 循环发动机运行工况

图6 某1.5L 传统PFI 汽车WLTC 循环发动机运行工况

从图5 和图6 可知，按照WLTC 循环的发动机实际运行时间（转速大于0 的时间）计算，混合动力汽车发动机的运行时间显著缩短，尤其在冷起动和低速阶段，整车更多地依靠电机起动和运行。虽然能减少发动机的原始排放，但会降低发动机的排气温度和后处理催化剂的工作温度，进而降低催化器对废气的转化效率。

图7 为WLTC 循环混合动力汽车与传统汽车发动机冷却水温度对比。

图7 WLTC 循环混合动力汽车与传统汽车的发动机冷却水温度对比

从图7 可以发现，在WLTC 循环，混合动力汽车由于发动机冷起动相对于传统汽车延后以及发动机频繁停机，造成低速阶段冷却水温度偏低，不利于发动机原始排放的降低。

混合动力汽车的这一特点，反过来极大地丰富了排放控制的策略和手段。结合WLTC 循环，通过对混合动力汽车发动机起停时机的设计和转矩及能量的分配，实现排放控制优化是完全可能的。

1.4 冷起动后处理催化剂转化效率

后处理催化剂对HC、CO 和NOx各气态污染物的转化效率主要与进气温度、空燃比、催化剂（包括贵金属材料、催化剂工作表面积和反应时间）有关。其中，进气温度对催化剂转化效率的影响非常大。

图8 展示了某PHEV 车型在WLTC 循环冷起动阶段后处理催化剂对THC 的转化效率与催化剂温度的关系。催化器采用等效20 万km 耐久的发动机台架老化件。

图8 某混合动力汽车WLTC 循环THC 的转化效率与催化剂催中温度的关系

从图8 可以发现，当催化剂催中温度低于200 ℃时，THC 的转化效率不高于10%；当催化剂催中温度达到350 ℃时，THC 的转化效率接近50%，即T50；而当催化剂催中温度达到560 ℃时，THC 的转化效率达到80%。一般老化催化剂的T50 均在300～350℃，新鲜催化剂的T50 则在250～300 ℃。所以，提高混合动力汽车冷起动催化剂的温度，是提高催化剂转化效率的关键。

2 控制冷起动排放的策略和技术

2.1 原始排放控制技术

发动机原始排放控制，即机内净化，是以改善发动机燃烧过程为核心，也包含发动机整车排放匹配，是排放控制的根本。随着汽车工业的发展，发动机机内净化水平在不断提高，各种相关技术层出不穷，有的已经在量产车上得到广泛运用。这些技术主要有：

1）发动机高压喷油。采用35 MPa 或更高的喷油压力，增强燃油雾化，降低颗粒物排放；

2）发动机进气道和缸内混合喷射。降低气态污染物HC、CO 排放和颗粒物排放，降低油耗；

3）多孔喷油器。加强燃油雾化，降低颗粒物排放，减少湿壁；

4）EGR。降低缸内燃烧温度，降低NOx排放，降低油耗；

5）均质压缩燃烧（HCCI）。采用稀薄混合气，降低NOx排放；

6）超稀薄燃烧。降低HC、CO 以及NOx排放，同时降低油耗；

7）可变气门定时；

8）高能点火。能帮助实现混合气较稀状态下的点火；

9）多次喷油。包括喷油相位、喷油脉宽、喷油次数和喷油提前角优化，减少湿壁，控制燃油分布，降低排放；

10）空燃比=14.7，精确控制。降低HC、CO、NOx和颗粒物综合排放；

11）无露点氧传感器。实现快速闭环，减少冷起动混合气偏浓，降低HC 排放。

2.2 后处理和尾气排放控制技术

近十年来，随着国五/国六排放标准的先后颁布和排放要求的不断提高，发动机及整车尾气排放控制技术有了迅猛的发展。这些控制技术主要包括：

1）高目数超簿载体。目前，国内外市场上广泛应用750/2 和900/2 高目数超簿载体。其中900/2 主要在北美地区应用。高目数超簿载体用于三元催化转化器（TWC），能够显著增加催化剂比表面积，降低热质量，有利于冷起动快速起燃，提高后处理催化能力[1]。另外，康宁孔隙率为50%的超低热质量高目数超簿载体已问世，给冷起动排放控制带来了福音。

2）催化剂分区涂覆技术。发动机冷起动时，流量较低，在不增加贵金属总量的条件下，可以通过分区涂覆显著增加前区贵金属浓度，从而加强前区催化剂活性和转化效率，降低尾气排放[2]。随着近几年来贵金属价格的迅猛增长，分区涂覆技术在国内量产车上的运用愈加普遍，以便满足既降低排放又控制成本的要求。

3）电加热金属载体技术（EHC）。金属载体的结构特性有利于与电加热盘紧密结合，借助于12～48 V电池，在冷起动时或冷起动前对催化剂进行加热或预热，缩短催化剂起燃时间，降低HC 和CO 甚至颗粒物PN 的尾气排放。

图9 为国内某电加热金属载体。

图9 电加热金属载体

电加热金属载体可布置在后处理催化转化器的前端，在发动机起动时，电加热开启，对金属载体进行加热，快速提高催化剂温度至300～400 ℃，提高催化剂转化效率，降低冷起动排放。由于12 V 电压条件下的电加热盘额定功率只有2 kW，会影响电加热盘的加热速率，增加加热时间，不利于冷起动排放控制。因此，最好采用发动机起动前的预先电加热（提前加热）。这样做需要提供额外的气源，控制有难度。Laurell M.等[3]把带电加热盘的金属载体布置在前级TWC 后面，进行试验，对比不加热、正常加热和预加热条件下的冷起动催化剂温度，结果见图10。

图10 不同加热条件下Volvo 电加热金属载体催化剂温度

由于混合动力汽车在冷起动排放控制策略上比传统汽车有着更多的选择和空间，预先电加热的冷起动排放控制策略更易于实现。

4）碳氢捕集器（HC Trap）。碳氢捕集器尚在研发中，原理是采用分子筛材料捕集和吸附低温下碳氢。当温度高于150 ℃时，所吸附的碳氢会开始自动释放，而此时后置催化器转化效率较低，给尾气排放控制带来困难[4-5]。

5）排气道二次空气喷射。冷起动时的排气道二次空气喷射系统由空气泵、分流阀、连接管道、空气喷射歧管等组成。根据混合气偏浓时的燃烧和排放状况，进行排气道二次空气喷射，在排气道和前级催化剂中发生再氧化和催化氧化[6]，从而提高催化剂温度，降低HC 排放。该技术早在十多年前已经在国外个别量产车型上得到应用。

6）发动机点火推迟（点火提前角减小）。推迟发动机点火时间，可降低污染物排放。一方面是因为排气温度提高，增强了对HC 和CO 的氧化，提高了后处理催化剂的转化效率；另一方面是降低了缸内最高燃烧温度，从而降低了NOx和颗粒物排放。早在20 年前，国外就有人在这方面进行了深入研究。福特汽车公司Stephen Russ 等[7]的研究成果显示，推迟点火，可以有效改善催化剂的起燃特性。Ueno 等[8]的试验表明，发动机转速和推迟点火对排气温度的影响非常显著。他们采用大幅度推迟点火的方法使催化剂快速起燃，使FTP 循环HC 排放降低50%。大幅推迟点火对燃油经济性和发动机工作平顺性影响有限，因为大幅推迟点火通常发生在暖机时刻，一般持续时间为60 s 或更短；而保持燃烧的一致性，可有效改善发动机工作的平顺性。

2.3 冷起动排放控制技术和控制策略

根据混合动力汽车排放特性，综合分析上述技术以及效果与成本VE，进行优化组合，从而形成一套有效的混合动力汽车冷起动排放控制技术和控制策略。

2.3.1 发动机开发

注重对喷油系统和燃烧系统的设计优化，采用35 MPa 或更高喷油压力的喷油装置。

2.3.2 后处理系统开发

因为电加热金属载体和进气道二次空气喷射技术成本比较昂贵，在其他较低成本技术能满足国六排放标准的条件下，电加热金属载体和进气道二次空气喷射技术可用于满足未来国七、欧Ⅶ排放标准以及ZEV（零排放车辆）要求。满足国六排放标准的发动机可采用750/2 高目数超簿陶瓷载体和紧耦式全隔热封装布置。TWC 前氧传感器采用无露点线氧，缩短空燃比闭环时间。

2.3.3 混合动力汽车总体控制策略

结合降低排放和油耗共同要求，混合动力汽车总体控制策略有：

1）整车起步时由电机驱动；

2）匀速行驶时由发动机驱动；

3）加速高载荷行驶时由发动机和电机联合驱动；

4）停车或滑行时发动机拖动发电机向电池充电；

5）制动和减速时通过能量回收系统向电池充电。

2.3.4 WLTC 循环冷起动阶段整车匹配策略

WLTC 循环冷起动阶段整车匹配策略有：

1）直喷发动机采用多次喷油；

2）冷起动和低速阶段点火推迟；

3）冷起动宜早不宜晚，以便在整车运行之初动力性要求较低时发动机冷起动能单纯用于催化器加热，降低发动机转矩和原始排放；

4）提高怠速至1 000～1 500 r/min；

5）WLTC 循环，将发动机首次起动以及低速阶段前几次起动时间与转速、转矩分配、催化剂温度、电池SOC 实现优化匹配，控制发动机原始排放和尾气排放；

6）控制空燃比，减少混合气偏浓，适当采用稀混合气，增加空燃比变化频率，提高催化剂低温活性，尽早进入闭环。

3 冷起动排放控制策略在市场上某车型运用实例解析

3.1 汽车主要技术参数

汽车的主要技术参数见表1。

表1 汽车主要技术参数

该车型为一款油电混合动力紧凑型SUV，搭载2.5 L 直列4 缸自然吸气汽油发动机，采用混合喷油模式和低压EGR。混合喷射，即进气道喷射和缸内直喷，在冷起动或低速行驶时，以进气道喷射为主；在中高速运行阶段，以缸内直喷为主，以便燃油和空气更好地混合，实现充分燃烧，从而降低HC、CO 和颗粒物PN 排放。

3.2 后处理系统设计

该车型的后处理系统采用排气歧管集成式催化器和底盘催化器，结构分别如图11 和图12 所示。

图11 排气歧管集成式催化器

图12 底盘催化器

排气歧管集成式催化器作为紧耦式催化器中的一种类型，紧靠发动机出口，有利于冷起动催化剂温度的迅速提高和快速起燃。该催化器采用一个容积为0.7～0.8 L 的600/3 六边形孔载体，热质量低，起燃快。

底盘催化器距离发动机较远，包含一个1.3 L 左右的TWC 载体，主要针对热机载体下的废气排放。

整个排气后处理系统没有配置通常的汽油机颗粒捕集器（GPF），主要是由于混合喷油模式导致发动机颗粒物原始排放降低，实现了去除GPF 的可行性。

3.3 排放控制匹配策略

3.3.1 常温下发动机运行工况

基于常温下的标准WLTC 循环所设计的发动机工况，包含31 次发动机起停，起停非常频繁，不利于原始排放和尾气排放。常温下发动机运行工况见图13。

图13 常温下WLTC 循环发动机和整车工况

WLTC 循环，电池SOC 变化如图14 所示。可知，电池充放电控制在SOC 为60%～40%～60%的较佳范围内。

图14 WLTC 循环电池SOC 变化

为了降低发动机冷起动原始排放，需要减小发动机冷起动转矩。

图15 为WLTC 循环发动机转矩变化。

图15 WLTC 循环发动机转矩变化

从图15 可以看出，WLTC 循环，发动机起动转矩仅为最大转矩的1/4 左右。

3.3.2 冷起动发动机工况

WLTC 循环前200 s 车速与发动机转速如图16所示。

图16 WLTC 循环前200 s 车速与发动机转速

在SOC 为57%状态下汽车起动，电机首先拖动汽车。8 s 后发动机起动，以1 300 r/min 的较高怠速转速运行56 s，为催化器加热。发动机转矩较低且缓慢增加，控制冷起动原始排放。

3.3.3 冷起动点火推迟

冷起动点火推迟与催化剂温升关系如图17 所示。

图17 冷起动点火推迟与催化剂温升（前150 s）

从图17 可以看出，发动机起动后，在60 s 内先后2 次逐步推迟点火（点火提前角减小），点火提前角第1 次从5°CA 减小到-2.5°CA，第2 次从-2.5°CA 减小到-7.5°CA。在这期间，前级催化剂温度从常温迅速提高到500 ℃以上。

3.3.4 催化剂温度及起燃时间

前级催化剂温度和发动机转速如图18 所示。

图18 前级催化剂温度和发动机转速

由于发动机频繁起停，前级催化剂在WLTC 循环的总体温度并不高，但借助于紧靠发动机出口的排气歧管集成式催化器以及点火推迟等催化剂加热手段，极大地提高了冷起动催化剂工作温度。如图19所示，发动机在第22 s 起动，再经过26 s，前级催化剂温度达到350 ℃，此温度为老化催化剂通常的起燃温度。

图19 WLTC 循环冷起动前级催化剂温度（前200 s）

3.4 WLTC 循环排放测试结果

WLTC 循环整车排放测试结果如图20 所示。图中，纵坐标为排放降低程度，其计算公式为：

图20 WLTC 循环整车排放测试结果

从图20 可以看出，经过对发动机、后处理和匹配标定的综合技术优化，显著改善了该车型冷起动排放性能，降低了各项污染物的尾气排放，使之能满足国六b 排放标准I 型试验排放限值。

4 结论

降低混合动力汽车冷起动排放的策略包括发动机机内净化、后处理催化器快速起燃、整车匹配和排放控制，在汽车行业内得到愈来愈多的关注。

冷起动阶段尽管时间短，但由于该阶段催化器对各气态污染物的转化效率低，发动机原始排放的高低往往直接影响尾气排放。混合动力汽车的行驶和排放特性虽然不利于提高后处理催化剂工作温度和转化效率，但通过发动机和电池能量的分配优化，可以降低冷起动阶段或低速阶段的发动机转矩，从而显著降低该阶段污染物的原始排放。在降低冷起动原始排放的同时，提高了催化剂对污染物的转化效率。

发动机机内排放控制技术主要有35 MPa 高压喷油、进气道和缸内混合喷射、EGR、均质压燃（HCCI）、超稀薄燃烧、高能点火、可变气门定时、缸盖集成式排气歧管等；后处理技术主要有高目数超簿载体、电加热金属载体、高捕集率GPF、排气道二次空气喷射、碳氢捕集器等；与整车标定匹配的排放控制技术有点火推迟（点火提前角减小）、多次喷油、空燃比控制、混合动力汽车发动机和电池能量分配等。其中，高压喷油、混合喷射、高目数超簿载体、电加热金属载体、碳氢捕集器、点火推迟、多次喷油、发动机和电池能量分配等技术对于混合动力汽车冷起动排放控制有显著作用。

通过对市场上某款混合动力汽车排放控制策略的解析可知，混合动力汽车冷起动排放控制的关键在于降低冷起动阶段发动机的原始排放和提高催化剂冷起动转化效率。混合动力汽车的工作特性给冷起动排放控制带来了丰富的标定和匹配手段，在现有的发动机技术上，结合后处理技术和标定匹配策略，综合考虑排放、油耗和成本等要求，可以实现排放显著降低的目标。