汽车与新动力期刊

选择性催化还原(SCR)催化剂与柴油颗粒过滤器(SDPF)的集成可能是满足即将出台的严格排放法规的最可行方法之一。菱沸石结构催化剂SSZ-13使得尿素SCR技术可广泛应用于汽车领域，与热稳定性较低的ZSM-5技术相比，其具有高达750 ℃的强大热稳定性。然而，随着850 ℃老化时间增加，热稳定性较好的Cu-SSZ-13催化剂开始失去其初始活性，SDPF上的SCR 催化剂可能在下降到怠速(DTI)条件下，当过滤器再生时暴露出来。因此，在汽车制造中强烈需要在更高温度下可存活、更耐用的SCR催化剂。最近研究发现，铜置换高二氧化硅(LTA)显示出优异的水热稳定性，有望成为能在下一代SDPF上应用的高品质候选材料，从而满足更严格的实际驾驶排放要求。900 ℃下水热老化12 h后，在整个反应温度下，Cu/LTA催化剂上的氮氧化物(NOx)还原优于目前最高水平的Cu/SSZ-13商业催化剂。此外，由于NH3向NO的低氧化过程，Cu/LTA催化剂在620 ℃下贫/富循环老化后仍可以保持显著的高温NOx转化率。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA在水热老化后具有更稳定的NH3存储能力，将为集成在车载尿素喷射控制以获得最大系统性能提供额外的益处。介绍了模拟动态全球统一轻型车辆测试循环模式下Cu/LTA 催化剂的性能，这些增强功能将有助于在实际驾驶条件下改进未来的稀薄NOx后处理系统。

0 前言

对于广泛用于移动设备的高效能柴油发动机，在富氧环境下的氮氧化物(NOx)减排一直是其面临的巨大的挑战之一，特别是为了满足日益严格的排放标准。NH3通过Cu/沸石催化剂选择性催化还原(SCR)已被广泛认为是自2009年以来最适合满足尾气NOx排放要求的技术之一。柴油后处理系统面临的最大挑战之一是如何使用冷起动柴油机废气将催化剂快速加热到工作温度(约250 ℃)。氧化催化器(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)和SCR 等后处理组件的热集成对于整体排放控制性能至关重要，并且已经在将2种功能组合到一个设备上，例如颗粒过滤器上的SCR(SDPF)。这种多功能设备不仅能提供快速预热时间，而且还减小了体积，对小型车辆极具吸引力。

与已知催化剂相比，具有CHA 型拓扑结构的Cu/SSZ-13由于具有更好的热耐久性，自2009年以来，一直作为标准的SCR催化剂使用。然而，这种催化剂也可能会因为Cu含量和Si/Al摩尔比的不同而在800 ℃以上发生热失活，这是由于沸石骨架被破坏，同时生成氧化铜(CuOx)所造成的。根据NGK 隔热概念，当碳烟累计量高于5 g/L时，涂覆在DPF上的SCR催化剂能在怠速(DTI)条件下达到800 ℃以上的温度。因此，目前的SDPF系统设计限制碳烟累积，以保持SCR温度低于800 ℃，从而保护Cu/SSZ-13。当碳烟累计达10 g/L导致DTI温度升高到1 100 ℃，对于DPF载体本身是可接受的。如果允许的碳烟累计增加，则可以延长过滤器再生过程的间隔，从而明显提高燃料经济性，这是开发热稳定性更高的SCR 催化剂的强烈动机。

另一方面，与先前的新欧洲驾驶循环(NEDC)相比，引入全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)和实际驾驶排放(RDE)等新测试模式导致操作温度窗口扩大。由于SCR 可能不会单独覆盖扩大温度范围的NOx减排过程，因此非常需要结合使用稀燃NOx捕集器(LNT)-SDPF系统等NOx还原技术来满足即将出台的排放法规。当LNT 系统放置在SDPF系统前面时，需要定期进行富油发动机操作，以在高温(650 ℃以上)环境下除去LNT 催化剂上的硫。在脱硫过程中，饱和反应可以加速SCR 催化剂在紧靠LNT 催化剂的位置上形成CuOx团簇，从而导致高温SCR 性能显著降低，该原因在于NH3被氧化成了NOx。实际上，在高于600 ℃的高温下保持NOx还原能力对于现实驾驶条件是至关重要的，如在SDPF再生时，与正常操作条件相比，NOx排放倾向于突然升高。因此，在高温富油条件下高度要求维持SDPF系统的活性。

近期，用苄基咪唑阳离子作为有机结构导向剂(OSDA)成功合成了高二氧化硅(LTA)沸石。粉末形式的铜交换LTA 即使在900 ℃水热老化12 h后也可显示出显著的NOx活性去除效果，当Cu/SSZ-13的Cu含量与Si/Al摩尔比相近时，虽然其他催化性能似乎发生了变化，如NH3发生氧化，但其只有在较短的老化时间(3 h以内)内才会有效。考虑到改善Cu/LTA 的高热稳定性，其在SDPF系统中的应用顺理成章。在目前的工作中，针对SDPF系统的工业应用，已经探索了使用Cu/LTA 超过当前商用Cu/SSZ-13的可行性和优势。制备由Cu/LTA 涂覆的核心尺寸的整料，然后将其催化性能和特性与模型Cu/SSZ-13催化剂及现有技术的商业SCR 催化剂进行系统比较，包括在稀/富氧循环操作的各种模拟实际驾驶条件下评估了Cu/LTA 的热耐久性。此外，还研究了Cu/LTA在NO2存在下的可控硅性能，NO2可由DOC或LNT产生。建议采用由Cu/LTA 和Cu/SSZ-13组成的双砖催化配置，以进一步改善低温SCR 性能。最后，在模拟动态WLTC瞬态模式测试下验证了Cu/LTA 的性能。

1 试验

 催化剂制备

通过在室温下使用乙酸铜溶液进行连续的湿离子交换来制备铜交换的LTA(Cu/Al=，Si/Al=16)。然后将Cu/LTA 过滤、洗涤，在90 ℃下干燥过夜，然后在空气中于550 ℃的温度下煅烧8 h。为了将Cu/LTA 粉末沉积在堇青石整料(宽 cm，长 cm)上，采用了常规的浸涂方法。将整体式催化剂在110 ℃下干燥过夜，并在550 ℃下煅烧5 h。作为比较，还通过浸渍法制备Cu/SSZ-13涂覆的整料试样，其中Cu/Al和Si/Al比率与Cu/LTA 对应物相似。此外，主要含有Cu/SSZ-13的现有技术商用SCR催化剂由催化剂制造商提供，在本研究中表示为“COM”。值得注意的是，所有整体式催化剂的孔单元密度一致(400 cpsi)，涂层数量类似。

为了检验水热稳定性，在含有10%水分的湿空气流动条件下，核心尺寸的整料试样分别在680 ℃下老化25 h，在750 ℃下老化25 h和在900 ℃下老化12 h。为模拟LNT-SDPF系统的脱硫过程，将每个在800 ℃水热老化16 h的整体试样暴露于620 ℃的模拟贫氧(λ为，20 s)-富氧(λ 为，12 s)循环条件下持续4 h。需要注意的是，应在没有LNT 催化剂的情况下进行贫富氧处理，以直接评估SCR 催化剂对富油条件的耐受性。

 催化剂表征

为了研究每种催化剂上的Cu状态，通过化学吸附分析仪(BELCATII，BEL-JapanInc.)进行H2-TPR分析。将 g催化剂试样装入石英管中，在500 ℃下用10%O2/Ar流预处理 1 h，并冷却至室温。然后，在相同温度下将进料气体转换为10%H2/Ar。在热导检测器(TCD)信号稳定后，将试样在10%H2/Ar流中以10 ℃/min加热至900 ℃，同时记录H2的消耗。

 反应堆系统

在台式反应堆系统中测量整料试样上的NOx还原活性。将核心尺寸的整体试样(宽 cm，长 cm)在500 ℃下预处理30 min，背景气体由、5%H2O和N2组成，并冷却至100 ℃。然后以50 000 h-1的气体空速提供由500 mg/L NO(或250 mg/L NO和250 mg/L NO2)，500 mg/L NH3、、5%?H2O，5%CO2和N2平衡组成的模拟柴油进料气流。在催化剂试样完全暴露于进料气流后，将其以10?℃/min加热至600 ℃以进行瞬态测试。对于经贫富氧处理过的试样，在稳态条件下在600 ℃和640 ℃下特别检查SCR 活性。在稳态试验期间注入300 mg/L 的NO和300~1 200 mg/L的NH3，同时使其他气体的浓度保持与瞬态试验相同。在稳态条件下，通过从SCR进料气流中除去NO进行NH3氧化试验。

采用4步测试方案测量其他催化性能，如NH3储存容量及NH3覆盖率依赖的NOx转化。在试验过程中，核心尺寸的整体试样总是暴露在含有、5%CO2、5%H2O 和N2平衡的背景气体中，同时按以下方式打开和关闭500 mg/L 的NO 和500 mg/L 的NH3。步骤如下:(1)500 mg/L NO+背景气体;(2)500 mg/L NO+500 mg/L，NH3+背景气体;(3)500?mg/L NH3+背景气体;(4)500 mg/L NO+背景气体。

为模拟WLTC 模式测试，采用现代汽车集团(HMG)开发的实验室规模反应堆系统(图1)。通过底盘测功机WLTC测试过程，直接从车辆测量中获得原始排放和催化剂温度等数据，用于模拟WLTC 程序。然后由实验室规模的反应堆再现精确的发动机输出曲线，包括温度和排放，重复测试具有极佳的重现性(±1%)，如图1所示。部分质量流量控制器被用于在测试循环期间以2 s为单位模拟动态变化的气体成分和流速，而依赖于车辆速度的催化剂温度则通过快速响应加热器进行模拟。在模拟WLTC测试之前，将一定量的NH3预吸附在250 ℃的1号核心尺寸的整料试样上，以模拟载体试样。然后将试样冷却至室温，开始测试循环。模拟的WLTC 测试程序包括低速(t <780 s)、中速(780 s1 170 s)3阶段。考虑到LNT-SDPF系统，测试循环的原料气流是基于LNT输出排放而制定的。所有气体组分如NO、NO2、NH3的入口和出口浓度通过在本研究中配备有气体单元的在线FT-IR光谱仪(MKS仪器，2000系列MultiGas分析仪)测定。

2 结果与讨论

 Cu/LTA 涂层整体试样的水热稳定性

图2中显示了在Cu/LTA 涂覆的整料试样和基于Cu/SSZ-13的COM 上的NOx转化率在900 ℃下水热老化12 h的比较。Cu/LTA 在整个反应温度下显示出对现有技术的SCR催化剂的优异催化活性，表现出特别高的水热稳定性。例如，在250 ℃下，Cu/LTA 的NOx转化率达到80%，而商业Cu/SSZ-13催化剂为30%。该结果与先前使用粉末催化剂的结果一致。在2种具有少量N2O的催化剂的活性测试期间，总是保持N2选择性高于95%。如前所述，目前含有Cu/SSZ-13的SDPF 系统上的碳烟累积受到限制(约5 g/L)，以使SCR催化剂温度保持在800 ℃以下。考虑到Cu/LTA 能将其SCR性能保持在900 ℃的状态，基于Cu/LTA 的SDPF系统可以允许增加的目标碳烟负载高达8 g/L。在这种情况下，过滤器再生间隔可以从250 mile延伸到400 mile，绝对可以提高燃油经济性。

在实际驾驶条件下，应始终将一定量的NH3储存在SCR催化剂中，以立即对柴油发动机排气中不断变化的NOx排放作出反应。因此，NH3储存容量被认为是SCR 催化剂的重要特征之一。图3 描绘了Cu/LTA和模型Cu/SSZ-13催化剂的动态NH3存储容量作为水热老化温度的函数。在680 ℃温度老化后，Cu/LTA 的NH3储存容量在所覆盖的温度范围内与Cu/SSZ-13相当。然而，当老化温度升高到750 ℃和900?℃时，Cu/LTA 显示出比Cu/SSZ-13更高的值，表明其NH3储存容量对水热老化并不敏感。考虑到SCR 催化剂上的NH3加载目标取决于NH3存储容量，这对于车载控制的尿素喷射策略是非常有益的。事实上，已知SCR催化剂的NH3存储容量与其酸性特性密切相关。低温NH3储存可能源自在沸石上交换的Cu2+离子，而由[CuOH]+物质或沸石本身产生的布朗斯台德酸性位点可能是高温对应物的原因。据报道，Cu/SSZ-13的晶体结构在850 ℃下随着Cu离子向CuOx团簇的转变而坍塌，导致酸性位点的恶化。相比之下，即使在900 ℃下严重水热处理12 h后，Cu/LTA 的沸石骨架也显示了其稳定性，这可能是水热老化后NH3储存能力降低的主要原因之一。

 对高温贫富氧条件的容忍度

如上所述，在LNT-SDPF 系统的硫酸化过程中，涂覆在颗粒过滤器上的SCR 催化剂也可以在高温下暴露于贫富氧条件。为了研究贫富氧处理对高温NOx去除活性的影响，将在800 ℃下水热老化16 h的每个核心尺寸整料试样，在620 ℃下暴露于贫富氧循环条件下4 h。然后，在600 ℃和640 ℃下进行稳态SCR活性测试，其中SDPF温度在正常条件下于过滤器再生期间可达到。如图4(a)所示，在贫富氧条件下处理的Cu/LTA 总是对模型Cu/SSZ-13催化剂具有更高的NOx去除活性。在600 ℃ 时，NH3/NOx排放比为4时，Cu/SSZ-13(31%)上的NOx转化率甚至低于NH3/NOx进料比为1时Cu/LTA(53%)上的NOx转化率。这表明在过滤器再生期间，所需的尿素喷射量可以比基于Cu/LTA 的SDPF系统低，这对于减少尿素分解产生的温室气体CO2排放是非常理想的。试验还检查了贫富氧老化试样上的NH3氧化活性，如图4(b)所示。事实上，NH3氧化是副反应无用的反应物，导致高温NOx去除活性降低。在620 ℃下贫富氧时效后，Cu/LTA 上的NH3氧化活性远低于模型Cu/SSZ-13催化剂。尤其在640 ℃下，在Cu/LTA 上观察到73%的NH3转化率，而Cu/SSZ-13在600 ℃的较低温度下已经实现100%的NH3转化率。与Cu/SSZ-13相比，这表明更多的NH3可用于Cu/LTA 上的NH3/SCR反应，从而使其发挥优异的高温SCR性能。

与Cu/LTA 相比，Cu/SSZ-13在NH3氧化过程中产生大量的NO，如图4(c)所示。这种非选择性NH3氧化成NO，导致Cu/SSZ-13在640 ℃下具有不寻常的SCR性能。当反应温度升至640 ℃时，Cu/LTA NOx转化率仍然高于70%，表明其对贫富氧条件的稳健耐久性，如图4(a)所示。对于模型Cu/SSZ-13催化剂，观察到NOx转化率为负，表明NOx的出口浓度高于入口浓度，可能是由NH3氧化形成的NO引起。实际上，已知在Cu/沸石上的NH3氧化反应中的NO选择性与催化剂表面上的CuOx含量有关。因此，需要理解在贫富氧处理时2种催化剂CuOx的形成，以便科学解释不同的NH3氧化行为。

图5描绘了Cu/LTA 和Cu/SSZ-13上的H2-TPR曲线，以计算出其Cu状态。研究人员普遍认为，低于400 ℃的峰值条件下Cu2+还原为Cu+，而高温峰值条件下则是Cu+还原为Cu金属。Cu/SSZ-13显示了在220 ℃附近的还原峰值，与Cu2+或[CuOH]+有关，与八元环(8MR)相邻，峰值肩峰在300 ℃左右，由双六元环(D6R)上的Cu2+引起。对于Cu/LTA，在低于400?℃的低温区域中，在270 ℃左右仅观察到1个对称峰值，表明在LTA 沸石骨架中可能仅存在1种类型的Cu2+。这与Ryu 等研究的XRD/里特维德(Rietveld)细化结果一致，即所有Cu2+离子似乎与单个六元环平面外的3个氧原子配位。在600 ℃附近观察到Cu/SSZ-13上的Cu+还原峰值，非常接近进行贫富氧处理的温度。相反，Cu/LTA 上Cu+离子向Cu金属的还原过程在该温度区域没有完全活化。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA 的这种延迟还原可以通过沸石的不同电负性来解释，这取决于框架类型，影响阳离子的还原性。当Cu离子在富油条件下还原成Cu金属时，Cu和沸石之间没有静电相互作用，这可能导致贫态条件下铜的团聚转变为CuOx团簇。因此，LTA 沸石骨架中Cu离子的还原性较低，可以减少贫富氧时效过程中CuOx(非选择性NH3氧化源)的形成，这可能是Cu/LTA 在高温条件下具有较强耐久性的主要原因。

 克服Cu/LTA 低温活性的策略

如上所述，一定水平的NH3首先储存在SCR 催化剂中，然后在实际行车条件下与柴油发动机排出的NOx反应，NOx转化取决于SCR 催化剂上的NH3覆盖率。图6比较了Cu/LTA 和Cu/SSZ-13的NOx转化率，它是250 ℃下NH3覆盖率的函数，通过4个步骤获得。这是评估SCR 催化剂在工业应用方面的重要标准之一。在900 ℃的水热老化中，Cu/LTA 的NOx还原效率通常远高于Cu/SSZ-13型催化剂，再次表明Cu/LTA 具有非凡的热稳定性，如图6(a)所示。当2种试样在680 ℃条件下得以温和老化时，Cu/LTA 在初始NH3覆盖水平下显示出与Cu/SSZ-13 相当的NOx转化效率，如图6(b)所示。然而，随着NH3覆盖率进一步增加，Cu/LTA 不能达到与Cu/SSZ-13相同的NOx转化水平，这表明需要改善Cu/LTA 的低温活性。Cu/沸石的低温SCR性能可能与Cu的局部环境有关，影响到Cu/沸石氧化还原性能、NO 氧化能力和反应物吸附。对Cu/LTA 的低温SCR 性能和改善其固有反应性的进一步研究正在进行中。

在柴油后处理系统中，DOC 或LNT 等氧化催化剂总是放在SCR前面，这意味着在DOC/LNT上通过NO氧化可以在SDPF系统的上游获得NO2。在这种情况下，SCR催化剂会发生“快速SCR”反应，增加其低温活性。如图7所示，在NO2/NOx比为的情况下，将Cu/LTA 涂覆的整料试样的SCR性能与基于Cu/SSZ-13的COM 进行了比较，并保证“快速SCR”反应有效地进行。由于NH4NO3在沸石孔结构中的积累，催化剂温度从NOx转化率降低之前的175 ℃开始而不断上升。在680 ℃的温和水热老化后，Cu/LTA的低温活性与COM相当，而Cu/LTA 显示出比500?℃以上的COM更高的SCR性能，如图7(a)所示。在900 ℃下严重老化时，Cu/LTA 在整个反应温度范围内显示出对COM的优异SCR活性，如图7(b)所示。这些结果表明，在涉及“快速SCR”反应的操作条件下，Cu/LTA 的低温活性不是主要问题。

然而，取决于车辆行驶条件和后处理系统的布局，在SDPF系统的上游NO2不可能总是绰绰有余，因此需要另一种克服Cu/LTA 的低温NOx去除活性的策略，该策略在低NO2条件下起作用。为了解决对低温活性的担忧，已经制备了由Cu/LTA 和体积比为1∶1的由COM组成的双砖整料试样，同时保持与单砖试样相同的总体积。如图8(a)所示，在不存在NO2进料的情况下，在680 ℃下老化的双砖试样的NOx转化率与单砖COM相当。比较构型顺序的双砖单块，在高温(400 ℃以上)下观察到Cu/LTA 在前，商业催化剂在后的NOx转化率比相反顺序的结构更高，而两个试样都显示出类似的低温SCR 活性。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA 的NH3氧化能力较低，可能导致高温SCR活性的差异。在900 ℃水热老化后，双砖试样显示出比商用催化剂更优越的SCR性能，如图8(b)所示，这表明Cu/LTA 的强水热稳定性已在双砖整体样品中得到充分体现。结果表明，该双砖体系具有Cu/LTA(热稳定性)和Cu/SSZ-13(低温活性)两方面的优势。

 含双砖系统的Cu/LTA 的瞬态性能

通过使用核心尺寸整体试样的实验室规模反应器系统模拟WLTC模式测试，进一步验证了双砖配置的优势。实际上，这种核心尺寸测试比底盘测功机上的全尺寸测试花费的时间和精力明显更低，同时始终保持极佳的重现性(±1%)。图9(a)示出了在没有NO2时模拟WLTC模式测试期间，累积的NOx排放及车速随时间变化的曲线。值得注意的是，考虑到LNTSDPF系统，动态变化的原料气流是基于LNT 排出的。空白测试结果显示，在780 s、1 170 s、1 540 s左右，由于发动机富油运行以减少储存在LNT催化剂上的NOx，使NOx排放量突然增加。在低速驱动条件下(600 s以下)，所有催化剂的SCR 性能可忽略不计，因为它们几乎不会升温(200 ℃以下)。一旦反应堆系统达到中速条件(780 s以上)，所有催化剂开始被激活，并且它们的NOx还原活性在高速条件下(1 170 s以上)进一步增加。

在模拟WLTC测试期间，含有Cu/LTA 的双砖试样在680 ℃下老化，显示出与单砖COM相似的累积NOx排放水平。在900 ℃的水热老化之后，2种催化剂的NOx排放增加，但是双砖试样仍然保持比单砖对应物更低的NOx水平。实际上，即使在中速驱动条件下(1 170 s以下)，在900 ℃下老化的单砖COM也显示出极小的NOx还原效率，如图9(a)所示。此外，在模式试验期间，在900 ℃下老化的双砖试样显示出比单砖COM更低的NH3逃逸现象，尽管2 种试样在680 ℃温和老化后表现出类似的行为，如图9(b)所示。

在900 ℃下老化的2种试样之间NH3逃逸的差异可能源于耐水热老化的Cu/LTA 的NH3储存容量(图3)。因此，即使在经历了900 ℃的严重老化过程之后，Cu/LTA 与最先进的COM相结合也被认为在尾管NOx浓度方面满足工程目标，这表明有可能增加SDPF当前的碳烟负载目标，改善燃油经济性。

3 结论

Cu/LTA涂覆的整料试样的催化性能和耐久性已经在各种条件下得以系统地评估，以用于SDPF系统中的工业应用。在900 ℃ 水热老化后，Cu/LTA 的SCR性能高于基于Cu/SSZ-13的商业催化剂，表明其对SDPF系统有利的稳健热稳定性。在620 ℃下进行贫/富循环老化以模拟LNT-SDPF 系统的脱硫过程后，即使在640 ℃时，Cu/LTA仍在高温下保持其NOx还原活性，而基于Cu/SSZ-13的商业催化剂将NH3氧化成NOx显示出反向NOx转化。H2-TPR结果表明，LTA 骨架中的Cu离子比CHA 中的Cu离子还原性差，可能在高温富集条件下减轻CuOx的形成，CuOx并非首选的NH3氧化来源。虽然Cu/LTA的低温SCR活性在680 ℃温和老化后不如COM，但在NO2存在下可以克服，NO2主要见于DOC 或LNT 的下游。由Cu/LTA 和COM 组成的双砖试样在680 ℃老化后在没有NO2的情况下表现出与单砖COM 相当的低温NOx转化率，而Cu/LTA 的热稳定性良好保持高达900 ℃。模拟的WLTC测试结果表明，Cu/LTA 可能成为下一代SCR技术的良好候选者，特别是对于需要高耐热性的应用。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期

作者：[韩]?等

整理：闫红梅

编辑：虞展

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

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被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。

0 前言

近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。

FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。

1 丰田公司燃料电池系统

丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。

燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。

2 燃料电池堆

燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。

丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度( kW/L 与 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。

 高电流密度化

电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。

 降低浓度超电压

在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。

 降低电阻超电压

为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。

燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。

另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。

3 燃料电池堆的水管理控制

为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。

 基于交流阻抗法的含水量计测

图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。

燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。

 燃料电池堆的自加湿控制

TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。

 燃料电池高温运转时的水管理控制

以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。

由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。

 0 ℃下起动时的水管理控制

燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。

图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。

 降低含水量控制

通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。

 快速暖机控制

在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。

燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。

图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。

4 结语

本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期

作者：[日]?今西啓之等

整理：彭惠民

编辑：伍赛特

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

目前，内燃机对于实现低碳排放目标仍起着重要作用。混合动力汽车及电动汽车已取得了一定技术进步，而内燃机热效率的持续提升又有利于电驱装置充分发挥技术功效。采用大流量废气再循环(EGR)，提高压缩比并实现稀薄燃烧是内燃机用于提高效率的核心技术。针对燃烧过程的优化及新型燃烧技术的开发对车用发动机的技术发展起着重要作用。概述目前车用发动机的技术发展趋势，描述基于汽车电驱动化进程而开发的发动机技术，着重论述了影响未来发动机燃烧技术的关键问题，同时介绍了发动机的全新燃烧理念与燃烧方式等研究成果及发展前景。

0 前言

为解决汽车工业快速发展过程中的各类问题，研究人员通过采用先进技术有效改善了内燃机排气净化及运作过程。最近，随着日本国内政策的不断引导与支持，日本政府在逐步推广纯电动汽车(EV)，并将其投入实际应用。同时，为满足日本国内的低碳需求，研究人员仍须进一步提高发动机热效率。

本文首先阐述了日本社会与经济的发展趋势及汽车普及情况，概述了车用发动机技术的进展，随后对可用于汽车电驱动系统的发动机进行了展望，并对影响未来发动机燃烧过程的关键技术进行了研究。

1 社会需求与发动机技术的新进展

如图1所示，随着二战后社会经济的逐步复苏，日本国内的汽车产业得以飞速发展，由此引发了多种社会问题，特别是由于汽车排放而导致的环境气候的恶化现象，以及对人体健康带来的危害。研究人员通过在日本各地对汽车废气排放进行调查研究，对排放标准提出了进一步要求。为满足社会需求，日本政府制定了全新的排放法规，并逐步收紧排放法规限值。近年来，为抑制地球温室效应，研究人员须进一步降低汽车CO2排放，同时实现发动机的高效率化，并进一步改善汽车燃油经济性。

如图2所示，研究人员通过测量由汽车所排放的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及排放颗粒物(PM)，计算出了上述排放物总量的变化过程及各车型产生排放物所占的比例。在由柴油车产生的排放物中，NOx及PM 约占85%。在由汽油车产生的排放物中，HC约占60%。随着法规的逐步强化，源于汽车的污染物排放量开始逐步降低。就目前而言，除了光化学氧化剂及之外，其他排放物基本已可满足相应的环保标准要求。

为满足上述排放法规要求，研究人员开始以提高发动机性能并改善燃油经济性为目标而进一步开展研发过程。包括发动机零部件技术在内的许多重大突破主要得益于先进的数值计算方法与分析技术。

研究人员在汽油机的如下技术领域中均取得了一系列进展：(1)针对燃油供给系统中的精确空燃比控制、减速时的停缸技术；(2)针对火花塞的技术改良及高能点火技术；(3)针对气门驱动系统中凸轮驱动方式的改良及基于相位与可变升程的控制技术；(4)针对爆燃过程进行优化并降低泵气损失；(5)采用包括废气再循环(EGR)、增压系统在内的进、排气系统改良技术；(6)为降低机械损失而采用了润滑、冷却等技术。

此外，在柴油机技术领域，4气门系统、缸内直接喷射技术、EGR装置、中间冷却系统、可变截面涡轮增压系统及共轨式喷油系统等领域均取得了一系列进展。研究人员通过采用氧化催化剂及柴油机排气颗粒过滤器(DPF)，并降低NOx催化剂的排气后处理系统，逐步实现了降低排放与提高整机热效率的技术目标。

2 汽车电驱动化时代的发动机技术

从2017年起，汽车电驱动系统得以飞速发展，其发展过程主要与以下因素存在密切联系：(1)主要国家地区(如西欧、中国、美国加利福尼亚州等地)的政府及相关部门出台支持政策，并提供经济补助；(2)各大汽车生产商(OEM)的经营方针。

在欧洲，以大众柴油机排放门为契机，研究人员重新制定了针对传统内燃机汽车的排放法规，并提出了应对环境问题的解决措施，同时将逐步引进EV与插电式混合动力汽车(PHEV)。在中国地区，政府部门除了采用相关环保政策之外，同时也在大力推进新能源汽车(EV、燃料电池汽车(FCV)、PHEV)的制造与销售进程。如图3所示，在最近十几年中，中国的乘用车保有量得以飞速增长，OEM 也在通过各种方式对中国汽车市场的发展趋势进行深入了解，并探索相应的战略方针。

与上述发展趋势相呼应，,汽车工业的产业结构也发生了一系列变化，不同行业的从业人员也逐步加入到汽车领域中来。随着世界范围内新能源汽车的逐渐普及，各大车企有针对性地扩大经营规模，以实现标准化发展。同时，各大车企也加强了与电气设备OEM的合作，并确保电池供应体系的构建与完善，从而逐步搭建起基于该领域的技术平台。

为了适应当前汽车电驱动时代的需求，发动机技术也逐渐呈现出多样化趋势，各种混合动力系统也得到了充分发展。混合动力汽车(HEV)仍需要随车携带传统化石燃料，因此不断提高发动机燃油经济性依然是重中之重。随着对阿特金森循环等技术的有效应用，HEV预计可将整车燃油耗降低约20%~50%。

目前，研究人员已将燃烧控制技术、降低冷却损失及抑制爆燃的相关技术列为亟待解决的重要课题。就PHEV而言，其技术优势与HEV相似。

PHEV 可有效延伸整车续航里程，并充分降低了燃油耗。但在电池容量增大的同时，由于整车质量增加，会相应引发燃油经济性恶化及成本上升等问题。对此，研究人员建议可将纯电驱动作为基本行驶模式，而用最大功率约为20 kW 的小型发动机作为增程器。同时，研究人员也在力求改善发动机摩擦现象，同时使动力装置实现轻量化，并视情况采用阿特金森循环。

3 发动机燃烧技术的发展

 新型燃烧方式

为实现车用发动机的高效率化，研究人员须利用先进的零部件技术。在充分考虑了冷却损失的前提下，研究人员对热释放系数进行了研究。在燃烧持续期内，由于在热释放开始阶段下指示热效率逐渐提高，因此研究人员有必要对燃烧持续期进行着火定时控制。如果最高压力被限制在较低的水平，在燃烧持续期较短的情况下，研究人员须相应推迟热释放开始时刻。在燃用稀薄混合气的条件下，为缩短发动机燃烧持续期，部分研究人员提出了有效利用预混合燃烧的方案。

目前，研究人员对均质充量压缩着火(HCCI)技术的关注度与日俱增。HCCI技术在汽油机低负荷工况下可充分发挥作用，但在变工况条件下，适当地控制混合气的自着火过程有着较高难度。而通过火花点火方式能可靠地使部分混合气进行燃烧。目前使稀薄混合气实现压缩着火并对快速燃烧进行控制的方法已进行了实用化。除了利用可变气门驱动系统以实现压缩比的可变过程，并利用机械增压以实现进气量控制之外，研究人员还通过采用高压汽油的直接喷射方式形成合适的混合气，同时利用大流量EGR降低燃烧温度，由此减少NOx排放量。与此同时，研究人员利用各气缸中设置的燃烧压力传感器，并根据采集的负荷、转速、机外温度、气压等参数，可实现对燃烧过程的精确控制。

研究人员对预混合压缩着火(PCCI)技术也开展过许多研究。在该燃烧方式中，虽力求同时降低NOx与炭烟排放，但如果增加喷射量，会使混合气浓度提高，并使燃烧过程过于粗暴，所以该燃烧技术通常仅在部分负荷工况下得以应用。目前也有相关研究表明，除了采用大流量EGR之外，可通过米勒循环降低有效压缩比，即使在高负荷工况下也能实现平稳的燃烧过程，并大幅降低NOx与PM。同时，研究人员通过调节膨胀比，能使热效率保持不变。未来，研究人员可通过对喷射、燃烧控制等相关技术的有效应用，扩大发动机高效运转区域。

近年来，研究人员对反应可控压缩着火(RCCI)技术进行了研究。在该燃烧过程中，以预混合气的快速燃烧作为增加等容度的主要方式，并能实现较高的指示热效率。在多种负荷条件下进行的稳定着火控制，抑制剧烈的热释放过程并确保燃烧效率是目前亟待解决的重要课题。为了进一步提高热效率，研究人员认为上文所述的PCCI燃烧技术有着较好的应用前景，同时为扩大发动机的高效运转区，须相应采用进排气控制、燃料喷射控制等先进技术。

 燃料-空气混合与燃烧

燃料-空气混合气的形成对发动机燃烧过程有着重要影响。图4表示采用计算流体动力学(CFD)得出的多种燃烧方式条件下的热释放率与50%燃烧过程中当量比φ-温度T的分布示意图。燃烧反应过程主要受以下因素影响，主要包括燃料供给方式、定时的燃料-空气混合气的形成过程及燃烧气体的φ-T 分布。

在普通的柴油燃烧过程中，即便在混合气着火后，缸内仍在继续进行燃油喷射。在经分层后的混合气稀薄化处理过程中，喷雾及燃烧过程还在继续进行。虽然着火及燃烧过程的可操纵性较好，但同时降低NOx与炭烟仍是亟待解决的课题。就PCCI燃烧方式而言，通常在压缩行程中会采用多种喷射策略，使混合气实现分层，并且NOx的排放量较高，而炭烟排放量则相对较低。在该工况条件下，研究人员通过延迟喷射即可延长燃烧持续期，进而降低压力升高率。在HCCI燃烧过程中，通常会在进气行程中供应燃油，使稀薄混合气实现压缩点火。虽然NOx与炭烟的排放较少，但受化学反应速度的影响，对着火及燃烧过程进行控制有着较高难度。在压力上升率较高与负荷较低的条件下，燃烧效率会相应降低。在RCCI燃烧过程中，由于研究人员对2种燃料比及燃料喷射定时进行了调节，因此可有效抑制NOx与炭烟排放，并可实现稳定的着火及燃烧控制过程。目前，在低负荷工况下改善燃烧效率并在高负荷工况下降低燃烧噪声等课题仍亟待解决。

随着近年来计算机科学的快速发展，针对发动机燃烧过程的CFD技术得到了长足发展，预测精度也大幅提高，并成为了当前研究开发过程中不可缺少的工具。目前，研究人员仍需要进一步提高预测精度，并对燃料-空气的微观混合形态进行观测。

如图5所示，在由研究人员所提出的随机过程理论模型中，最初分离着的燃料(燃料质量百分数Y=1)与空气(Y=0)实现湍流混合，并按照随机过程理论而逐步形成均匀混合过程。该混合过程应用了相关研究人员所提出的二体碰撞及再分散模型，该模型利用由湍流特性所决定的频度ω，在1个较大流体块经历了碰撞及融合过程后，将其分解为2个相等的较小流体块。

研究人员通过对ω的时间积分定义无量纲时刻η(该数值与1个流体块的平均碰撞次数一致)，并可用于表示混合度。换言之，到η=2时，是按分散浓度进行分布的状态，但在逐渐达到η=6的状态后，浓度会接近于正态分布。η=12时，浓度会更接近于平均浓度Yo，表明了其可形成均匀的混合气。在图5中，不同颜色图案表示燃料在空间均匀破碎时的浓度分布状况。因此，作为湍流混合过程的评价指标起着重要作用。此外，ω 与湍流强度u'与积分比例L 存在数值关系，可通过ω='/L 的公式来进行计算。

研究人员利用该模型对柴油无因次燃烧过程进行了预测研究。计算中，得出了随时间变化的热释放量及压力过程。研究人员可相应计算出燃油喷射量、喷油定时、涡流比、EGR条件下的缸内压力及热释放率，从而合理地预测NO生成量的变化。

通过该模型，研究人员可得出燃料-空气的不均匀度与浓度、燃烧后的温度与NO生成速度的概率分布。研究人员通过应用基于随机分析系统(RANS)的CFD仿真，能有效记录各个计算单元内的微观混合情况。研究人员通过引入反应动力学计算方法，也能将其应用于柴油机的PCCI燃烧过程中。此外，除了能通过无因次计算以预测喷雾着火过程之外，研究人员可根据实测的压力、放热率而得出基于混合时间的变化函数，由此可对多次喷射时的排气进行预测。通常，研究人员认为在强湍流场中对于点火不确定性与循环变动的预测结果，以及对由壁面碰撞而产生的流动过程的观测过程也起着重要作用。

 燃烧室壁面附近现象的说明

通过采用最新的燃烧系统设计方案，研究人员能对各种各样的发动机技术规格及运转条件实施最佳的燃烧控制，但如要进一步改善燃烧过程并提高热效率，仍有许多后续工作需要开展。

研究人员就燃烧室壁面非稳定热传导问题，运用了如图6所示的等容燃烧装置及高响应性热流束传感器(Vatell，HFM-7)，通过气体射流火焰及均匀混合气的传播火焰对壁面热流束变化进行了计测。图7是在采用预燃方式的条件下(温度为950 K，压力为2 MPa，氧气浓度为21%)，从喷孔直径为 mm 的喷嘴中以喷射压力为8 MPa，喷射持续期为9 ms的参数喷射了氢燃料并使其自行着火燃烧后的结果。图7示出了缸内燃烧压力p，放热率dq/dt，平均温度Tave及在燃烧室壁面的2点P1、P2处测算出的热流束qhf的时间与喷射后的时刻t 的关系。图7(a)中的号码对应于图7(b)中逆光摄影图像的时刻，喷雾在与容器壁面相碰撞后(图像①)，在喷射后的 ms内在P2附近着火，dq/dt数值随之急剧增大(图像③)。火焰在到达P2(图像②)，并进行快速传播(图像④)，随即进行扩散燃烧，在图像⑤时到达P1工况点。在喷射过程结束后(图像⑦)，dq/dt数值随之减小，同时火焰亮度有所降低(图像⑧、图像⑨)。qhf对应于以上燃烧区域的变化过程，P2在图像④，P1在图像⑥的时刻急剧增加。P2在扩散燃烧持续期(图像④~图像⑦)，持续保持相对恒定的值，随着火焰亮度的降低(图像⑧、图像⑨)，qhf也得以缓慢减小。P1在图像⑦出现极大值之后，qhf数值同样有所减少。此外，P2相比于P1之所以qhf数值较高，是由于在P2附近，着火燃烧的气体由于存在绝热压缩现象而具有较高的温度。根据上述情况进行分析，对燃烧室壁面附近的着火过程得出了2项结论：(1)在该燃烧过程中存在较大的热损失；(2)在可燃混合气自行着火燃烧的过程中，使qhf的数值相对较高。

而且，为了对燃烧过程中热传导的状况进行直接观测，研究人员采用了具有5根微细热电偶的传感器，并测算了壁面附近的温度分布。该5根微细热电偶分别为A、B、C、D、E，其中A、B、C线材直径为25 μm，D、E线材直径为75 μm，伸长距离为δ。图8(a)表示了从点火后到燃烧结束时的燃烧室内压力p，放热率dq/dt，各热电偶的温度T，局部热流束qhf的持续时间与点火后的时刻t 的关系。图8(b)除了表示qhf与T的关系之外，根据由压力变化而计算出的未燃气体温度Tu及在温度传感器附近进行放大拍摄的逆光摄影图像(图8(c))截取2个时刻的图像作为实例(分别为 ms与 ms)，并在火焰锋面接近壁面约5 mm并持续14 ms后，示出了火焰锋面与壁面的距离x。图8中相应示出了各热电偶的δ 值，在缸内温度急剧升高的时期，同时在相同的线材直径条件及δ 值较大的情况下，温度增长速度较快。在δ 相同的条件下，线材直径越细小，时间常数会相应提前。T及qhf会随着未燃气体的压缩加热而缓慢地增加，由于火焰锋面的接近，dq/dt 数值得以明显增大。相比于qhf在火焰锋面到达壁面后成为极大值，T 极大值的出现存在滞后现象。尽管研究人员充分考虑到了热电偶信号的时间常数，并对此进行补偿，T的极大值也比火焰温度更低。由于T 的极大值会随着δ 的减少而降低，研究人员认为T的数值大小能在某种程度上影响到边界层内的温度分布。根据在各种条件下进行同样测算的结果，可得出如下趋势。在燃烧温度较高的条件下，由于压缩加热导致温度与热流束的形成速度快速增加，同时由于温度梯度较大，qhf也会相应变大。

近年来，研究人员正在开展针对壁面附近现象的测算研究与模型试验。以发动机燃烧室壁面的热流束为例，研究人员历来通过热电偶对其进行测试，并按照非稳定传热分析而进行计算。在柴油机领域，由于燃烧室壁面碰撞而使热流束增加的现象会限制热效率的提高，因此研究人员目前正运用多个传感器以对热流束进行测算并对燃烧现象进行研究。同时，研究人员利用激光电子式传感器(LES)进行燃烧室壁面碰撞喷雾动态与局部热流束分布的数值分析，并研究了火焰接近壁面附近时的放大摄影图像，根据对温度边界层厚度的推定结果，从而对传热系数与热流束进行验算。

近年来，利用壁温回转式隔热膜以改善热效率的效果引起了研究人员的关注。研究人员采用基于激光诱导荧光法(LIF)的壁面温度测算方法，并充分利用粒子图像测速法(μPIV)，对壁面附近的气体进行流动测算。相关燃烧机理说明上述方法正有效地应用于发动机的燃烧室设计过程中。此外，基于薄膜测温电阻器式的微电子机械(MEM)技术的相邻多点热流束测试传感器已得以成功开发，可期待其将在今后的发动机测试领域中得以应用。

4 结论

上文概述了可有效满足社会需求的车用发动机技术的进展，并对汽车电驱动时代的相关发展条件进行了展望。

随着环境及物质需求的变化，社会各界对汽车性能的要求也在逐步提升。目前，按照节能降耗的技术观念，研究人员仍须持续提高发动机热效率。燃料-空气混合气的形成过程、燃烧室壁面附近燃烧现象及其控制技术将是未来数年间的重点研究领域。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期

作者：[日]塩路昌宏

整理：彭惠民

编辑：伍赛特

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。