Из прошлого раздела было выяснено что среди направлений решения проблемы нейтрализации отработавших газов автомобиля наибольшее распространение получили методы и средства каталитической нейтрализации, исследования показали, что, подогрев катализатора для решения задач нейтрализации оказывается необходим. Однако, системы управления температурой катализатора по критерию минимизации вредных отработавших газов в известных работах не рассматривались.
В качестве способа управления предлагается использовать электрический нагрев катализатора до его рабочих температур.
Электрический нагрев катализатора дает возможность обойтись без энергии, затрачиваемой двигателем на нагрев катализатора горячими газами.
Время включения работы катализатора должно быть как можно короче для того чтобы как можно быстрее нейтрализовать загрязняющие выбросы автомобиля. Кроме того, время включения в работу трехкомпонентного катализатора как правило выше, чем у катализатора на основе дизельного окисления. Это означает что в течение ограниченного периода времени, на трехкомпонентный катализатор должен быть подан высокий уровень энергии чтобы достичь температуры оптимальной для процесса нейтрализации. Как правило никаких других мер нагрева не требуется, как только катализатор активирован. Рис. Показывает достижение необходимой температуры в катализаторе с подогревом и без подогрева. Стратегия работы катализатора на основе подогрева двигателя осуществляется путем искусственного ухудшения процесса горения, например, в бензиновом двигателе используется поздняя температура воспламенения, или в дизельном двигателе поздний впрыск. Так в результате сгорание не эффективно, когда температура выхлопных газов выше. Дальнейшая стратегия состоит в том, чтобы оставить несгоревший углеводород в выхлопных газах, и таким образом, преобразуют энергию топлива в тепло в катализаторе с помощью процесса окисления. Тем не менее эта стратегия может увеличить выбросы вредных веществ в зависимости от точки нагрузки, следовательно, ее можно использовать только в ограниченной степени. Для того чтобы повысить количество энергии, подаваемой на катализатор, скорость вращения двигателя также увеличивается с последующим увеличением массы потока через двигатель и через катализатор. Это дает значительное ускорение в системе нагрева, ценой дальнейшего увеличения расхода топлива. Так как более плотные массы потока при более высокой температуре, передаются в катализатор, часть выхлопных газов поглощает другая часть выхлопной системы. Часть энергии, поглощаемое пассивными компонентами (т.е. не принимающие активное участие в каталитической конверсии) представляет собой потерю энергии. С другой стороны, если катализатор электрически нагрет тогда, необходимое количество энергии может быть введено непосредственно в катализатор, таким образом можно избежать потерь для пассивных компонентов. Кроме того, увеличение массы потока выхлопных газов не потребуется так как необходимое количество энергии значительно снижается. На рис. Показаны основные потоки энергии используя метод нагрева двигателем и методом электрического нагрева.
|
|
Рис. 
На рис показано количество сжигаемого топлива при нагреве и без нагрева катализатора (правая часть оси Y) и теоретически полученная энергия (левая часть оси Y) из топлива с КПД преобразования 100%. Эффективность стратегии нагрева катализатора с другой стороны определяется отношением энергии, которая поступает на конвектор и теоретического количества энергии, доступной от более высокого расхода топлива.
|
|
Для того чтобы вычислить эту эффективность, разность энергии выхлопных газов при различных положениях в системе выпуска отработавших газов определяется, основываясь на соответствующих температурах выхлопных газов с применением и без применения электрического нагрева катализатора. Наблюдалось количество энергии в течении 100 сек после запуска двигателя. Эффекты нагревания горячих масс в двигателе и системе выпуска также отражены в результате как энергетические потери.
Рис. 5 показывает, что количество энергии, введенной в выхлопные газы, используя нагрев двигателем, рассчитывается с использованием перепада температур выхлопного газа по потоку турбонагревателя. Сравнение количества энергий (теоретической энергии от топлива и энергии, используемой для нагрева катализатора) показывает, что только 40% сжигаемого топлива в двигателе преобразуется в разнице температур.
Следующая стадия работы состояла в анализе энергетического профиля потока вдоль системы выхлопа. Рис 6 показывает количество энергии в предварительном состоянии катализатора. Можно наблюдать, что после 100 сек только около 300 кДж достигли катализатора, а это означает что только около четверти энергии, первоначально введенной эффективно используется для нагрева катализатора. Кроме того, есть факт, что значительная часть этой энергии была использована для нагрева дополнительного расхода потоков масс, при нагреве катализатора двигателем. Рис 7 показывает теоретическое количество доступной энергии (топлива), а энергия которая достигает коллектора и катализатора следовательно введенной пропорции химической энергии, это фактически прибывает в катализатор в форме высокой температуры.
|
|
РИС 
РИС
Для того чтобы гарантировать реальную основу для сравнения необходимых энергий нагревом электрически нагреваемым катализатором (ЭНК) с мощностью 1800 Вт был активирован до тех пор пока эмиссия выхлопной трубы того же уровня как и в том случае нагрева катализатора двигателем. В этом случае время включения в работу ЭНК было 80 сек. Соответствующие выбросы приведены на рис.8
РИС 
Чтобы провести анализ необходимого количества энергии, для подогрева катализатора, используя EHC, необходимы достаточно глубокие знания эффективности различных компонентов, участвующих в энергетическом преобразовании. Это, с одной стороны, эффективность двигателя внутреннего сгорания т.е. доли химической энергии, которая преобразуется в механическую работу, и, с другой стороны, эффективность электрического генератора при преобразовании механической энергии в электрическую. Обе степени эффективности существенно зависят от точки нагрузки рассматриваемой и, следовательно, должны быть сделаны в виде карты, прежде чем делать точные заявления. Кроме того, любые механические потери должны быть приняты во внимание. Для этого исследования была использована модель, имитирующая всю структуру транспортного средства, включая все эффективности и потери, которые должны быть приняты во внимание. Моделирование типичных случаев с подогревом катализатора двигателем и без него, показывает превосходную корреляцию, что означает, что результаты, определенные с электрическим подогревом представляют хорошую оценку.
Рис 9 показывает температуру в катализаторе с использованием различных процессов нагревания. Можно заметить, что подобный уровень температуры может быть достигнута с помощью электрического нагрева катализатора или нагрева катализатора двигателем, даже если энергия ЭНК намного ниже. Преимущественно это эффект от более низкой скорости массового потока в ЭНК, чем нагрев двигателем.
РИС 10
Это означает, что в катализаторе нагреваемым двигателем энергия состоит из 2х компонентов: первый – энергия необходимая для нагрева потока массы до температуры, достигаемой в процессе нормальной работы. Во-вторых, энергия необходимая для нагрева дополнительного массового расхода до желаемой температуры. Вторым этапом необходимо нагреть катализатор как можно быстрее. Поэтому для того чтобы достичь определенной температуры катализатора необходим уровень энергии почти в три раза превышающий уровень энергии, используемый для нагрева катализатора электрическим нагревателем.
Естественно, есть вопрос стоимости. Сложное проектирование и изготовление ЭНК вызывает более высокие затраты по сравнению со стандартным катализатором. Кроме того, дополнительный расход будет необходим для интеграции ЭНК в электрической архитектуре транспортного средства. В результате ясного увеличения эффективности, однако, потенциал для компенсации может быть найден в другом месте, например, относительно объема катализатора или загрузки драгоценного металла. Наконец, даже затраты, чтобы сократить выбросы CO2 должны быть приняты во внимание. Рис. 11 показывает сравнение системных затрат, при применении катализатора дизельных двигателей легкового автомобиля в качестве примера. Основание для вычисления - объем катализатора дизельного двигателя 1.5 L с загрузкой 3,93701 г/см3. Для ЭНК объем 1.2 л был применен, а также уменьшенная загрузка 2,62467 г/см³. Очевидно, что в дополнение к прибыли с точки зрения эффективности система также предлагает потенциал в отношении стоимости, особенно, когда эффект сбережений в выбросах CO2, а также их эффекте на любой налог штрафа, который может быть применен, принят во внимание.
РИС 
В дизельных двигателях температурный уровень в катализаторе был существенно снижен из-за полноты сгорания за счет оптимизации предназначенной для более низкого расхода топлива. Кроме того, из-за NOx был внесен процесс рециркуляции выхлопных газов с высоким увеличением выбросов HC и CO. Это означает, что становится все более трудно выполнить высокие требования к выбросам автомобиля, так как сокращение HC и CO затронуто, специально для холодного запуска. С одной стороны, требуется много времени для включения в работу катализатора – для достижения температуры окисления ВВГА; с другой стороны, в динамической эксплуатации температура превышает необходимую. Перепад температур для значительного улучшения эффективности находится в области 20 – 50K. Учитывая массовый поток в NEDC, энергия которая должна быть предоставлена в течение относительно длительного периода времени может быть получена, как это показано на рис. 12.
РИС 
Можно заметить, что очень большое количество энергии требуется, чтобы увеличивать температуру выхлопных газов. Как только второй пик достигнут, энергетическое требование намного ниже, чтобы получить желаемый эффект. Дальнейшее применение тепла будет необходимо, чтобы сохранить температуру на желаемом уровне, особенно в неработающей фазе. Из-за этого аспекта, современная архитектура транспортного средства, показывающая интегрированные стартстопные функции, а также энергетическое выздоровление тормоза в фазах замедления, предлагает огромный потенциал оптимизации относительно генерации необходимой энергии.
Принимая во внимание исследования дизельного катализатора был сравнен набор различных обогревающих стратегий относительно получающегося дополнительного потребления, а также влияние на эмиссию. Одновременно и стартовая точка для электрического нагревания и его продолжительность варьировались. Кроме того, тепло было применено на локализованной основе в фазах замедления, чтобы предотвратить любое охлаждение подложки.
РИС 
РИС
РИС
При сохранении оригинальной калибровки двигателя OEM‟s и использовании первоначальной стратегии нагревания от нуля до 200 Сº, выбросы CO могут быть сокращены приблизительно на 60%; однако, это также приводит к дополнительному расходу топлива приблизительно на 3%. Так тест показывает время нагревания от 0 до 60, в этот период практически, никакое улучшение эмиссии не достигается потому что, нет возможности достигнуть включения в работу катализатора из-за температуры для которой на значительно ранней стадии требуется использование высокого уровня энергии. Если мы используем тот же обогревающую стратегию, но запускаемся в 60 сек, может быть достигнут значительно расширенный эффект, плюс есть возможность дальнейшего совершенствования последующей обработкой и анализом, нагревающейся во время фаз замедления. Все это может быть достигнуто без любого дополнительного расхода топлива с помощью рекуперированной энергии. Результат этой первой оптимизации показывает, что есть возможность сократить выбросы CO на 43% со дополнительным расходом топлива 1%. Типичная ситуация, в которой низкая температура создает проблему, является низкой эксплуатацией загрузки, например городской цикл. Рис. 15 показывает температуры транспортного средства малой грузоподъемности с системой SCR в (городском) Цикле, где электрически подогреваемый катализатор расположен в восходящем направлении катализатора SCR. Одновременно, нагревающаяся стратегия была отобрана, чтобы гарантировать, что дополнительное тепло только добавлено к температуре выхлопных газов 180°C, таким образом гарантировав, что температура в катализаторе SCR может быть сохранена на постоянном уровне. Поэтому даже при этих условиях, было достигнуто очень хорошее окисление NOx.
РИС 
Известно, что, даже при температурах ниже 180°C, SCR катализатор достигает конверсионной эффективности NOx, где достаточное количество аммиака сохранено в покрытии. Поставка аммиака или инжекция AdBlue, является возможным запуском с минимальной температурой (между 160 и 180°C), чтобы гарантировать соответствующее испарение, подготовку и гидролиз. Чтобы иметь минимальную эффективность даже в низких фазах загрузки во время условий движения, подобных первым 300 сек цикла без высокого уровня энергии, чтобы подогреть всю выхлопную систему, возможно ввести AdBlue во время работающих вхолостую фаз с альтернативной стратегией. Поток малой массы во время неработающего ведет, с той же мощностью от катализатора с подогревом, к более высоким температурам выхлопных газов и самого ЭНК. Это гарантирует, что введенный AdBlue может также быть выпарен и подготовлен, даже при низкой температуре на входе выхлопного газа. Рис. 16 показывает сравнение между газом и нагретой температурой элемента в диапазоне для различных точек нагрузки. Можно заметить, что, даже с относительно низкой мощностью 1 кВт, температура в диапазоне 200°C может быть достигнута в элементе с подогревом и выхлопных газах, тогда как во время нормального функционирования только очень небольшие различия в температуре могут быть сгенерированы.
Несмотря на его возраст, электрически катализатор с подогревом, оказывается, полностью современен, потому что он представляет идеальное дополнение к текущим требованиям к выхлопам транспортного средства, показывающим энергетическое восстановление. Оптимальной координацией различных функциональностей и операционных параметров также возможно, с электрически катализатором с подогревом, достигнуть эффективного теплового управления даже с точки зрения эффективности использования энергии. По сравнению с обычным катализатором нагревающимся с помощью двигателя, EHC, показывает много преимуществ, такие как локальная энергетическая доставка, короткое время отклика и хорошее управление с независимостью от точки нагрузки двигателя. Как следствие могут быть приняты новые обогревающие стратегии, в частности даже для Систем SCR.
[Статья работах Manuel Presti, Lorenzo Pace. An Alternative Way to Reduce Fuel Consumption During Cold Start: the Electrically Heated Catalyst и Martin Weiss, et al. Analyzing on-Road Emissions of Light-Duty Vehicles with Portable Emission Measurement Systems (PEMS) перевод + перевод рисунков]
Таким образом, можно сделать вывод о необходимости использования каталитического нагревателя в системе выхлопа и использования системы контроля над ее исправностью.