3L柴油機(jī)冷起動(dòng)技術(shù)評(píng)價(jià)

【美】 J.Miwa D.Mehta C.Koci

3L柴油機(jī)冷起動(dòng)技術(shù)評(píng)價(jià)

【美】 J.Miwa D.Mehta C.Koci

日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求現(xiàn)代柴油機(jī)后處理系統(tǒng)在起動(dòng)后不久就必須變熱并開(kāi)始控制排放。介紹了幾種新的專注于降低后處理激活溫度的技術(shù)，但柴油機(jī)系統(tǒng)仍然需要向排氣提供熱能以便進(jìn)行冷起動(dòng)。研究評(píng)價(jià)了幾種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，注重改善發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)向后處理系統(tǒng)提供熱能，同時(shí)盡可能減小對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放產(chǎn)生影響。研究在1臺(tái)配有定制雙回路廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的現(xiàn)代共軌3L柴油機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)速度/負(fù)荷工況采用各種燃燒策略對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)低氮氧化物排放進(jìn)行了標(biāo)定。在本評(píng)價(jià)過(guò)程中，顯示出具有強(qiáng)大潛力的技術(shù)包括渦輪旁通系統(tǒng)、排氣門(mén)提前開(kāi)啟、停缸技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)延遲起動(dòng)技術(shù)。這些技術(shù)的性能通過(guò)1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試單元進(jìn)行了比較，該測(cè)試單元通過(guò)編程模擬了FTP-75試驗(yàn)循環(huán)的第一部分。

柴油機(jī) 冷起動(dòng)技術(shù) 后處理

0 前言

近期的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)推動(dòng)提高燃油效率并降低尾氣排放。最新修訂的CAFE標(biāo)準(zhǔn)(公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn))要求，CO2平均排放為163g/mile①為符合原著本意，本文仍沿用原文中的非法定單位——編注。。柴油車(chē)可以有效滿足車(chē)隊(duì)平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，特別是大型運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)(SUV)車(chē)型。然而，柴油車(chē)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是滿足日益嚴(yán)格的氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。Tier 3車(chē)隊(duì)平均排放法規(guī)要求的氣體排放顯著下降，到2025車(chē)型年，氮氧化物(NOx)+非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)的排放量在FTP-75試驗(yàn)循環(huán)下為30mg/mile。這一排放水平相當(dāng)于比Tier 2 Bin 5降低了80%。圖1顯示了Tier 3標(biāo)準(zhǔn)的分階段計(jì)劃。

為滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)冷起動(dòng)性能，因?yàn)榇蟛糠治矚馀欧攀窃诶淦饎?dòng)過(guò)程中排出的。例如，圖2顯示了1輛Tier 2 Bin 5汽車(chē)在FTP-75試驗(yàn)循環(huán)的前兩個(gè)階段的NOx和HC累積排放量。從圖中可以看出，大部分排放物是在FTP-75試驗(yàn)循環(huán)的第一個(gè)250s排出的，而且該車(chē)在約175s后超出Tier 3最終限值。

以前的研究[1-3]表明，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定可以改善冷起動(dòng)性能，包括采用多次后噴、高溫電熱塞、進(jìn)氣節(jié)流和獨(dú)特的催化劑配置。到目前為止的結(jié)果表明，可在冷起動(dòng)過(guò)程中限制廢氣排放，然而，還需要進(jìn)一步的工作以增加技術(shù)余量并評(píng)價(jià)各種策略對(duì)燃油效率的影響。

圖1 Tier 3車(chē)隊(duì)平均氣體排放標(biāo)準(zhǔn)的分階段計(jì)劃表明，NOx+NMOG的排放總量在2025年全面過(guò)渡到0.03g/mile

本文的研究重點(diǎn)是對(duì)改善1輛Tier 2 Bin 5標(biāo)定的3L柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的幾種技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些技術(shù)的主要焦點(diǎn)是提高冷起動(dòng)過(guò)程中廢氣的溫度以改善催化劑的起燃特性。評(píng)價(jià)的技術(shù)包括具有不同配置的渦輪旁通技術(shù)、停缸技術(shù)、模擬起停技術(shù)的無(wú)怠速運(yùn)行，以及排氣門(mén)提前開(kāi)啟(EEVO)技術(shù)。研究結(jié)果表明，大幅提高冷起動(dòng)過(guò)程中的廢氣溫度有助于降低尾氣氣體排放量。

圖2 1輛Tier 2 Bin 5汽車(chē)?yán)塾?jì)NOx+NMOG排放量測(cè)量值[1]，其排放顯著低于Tier 2限值，但在160s后超出Tier 3限值

1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理概述

本研究試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為MWM公司的NGD 3.0L 發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)原技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了修改和配置，其技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。設(shè)想這一排量的發(fā)動(dòng)機(jī)可以用于SUV或小型卡車(chē)。催化器技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2。發(fā)動(dòng)機(jī)硬件修改包括壓縮比的范圍，以及增加雙回路廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，如圖4、圖5所示。

圖3 MWM公司NGD 3.0L發(fā)動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目參數(shù)排量/L3行程/mm102.5缸徑/mm96連桿長(zhǎng)度/mm255評(píng)估的壓縮比14∶1、15∶1、16∶1和17∶1燃油系統(tǒng)160MPa共軌燃油噴射EGR系統(tǒng)雙回路增壓器單可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)燃燒室縮口型

圖4 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)配置圖，顯示雙回路EGR

圖5 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上的照片(主要零部件帶標(biāo)記)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定

該3L發(fā)動(dòng)機(jī)之前已標(biāo)定為不采用NOx后處理就能滿足Tier 2 Bin 5標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)定依靠低溫燃燒(LTC)[4]進(jìn)行，低溫燃燒通過(guò)獲得避免NO和碳煙形成區(qū)域的局部溫度和當(dāng)量比來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。降低NOx排放的機(jī)理是眾所周知的捷爾杜維奇(Zeldovich)機(jī)理，NOx的形成規(guī)模與溫度成指數(shù)關(guān)系。限制碳粒形成反應(yīng)的機(jī)理如圖7左側(cè)所示。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，多環(huán)芳烴(PAH)在高當(dāng)量比區(qū)域產(chǎn)生。然后，大部分多環(huán)芳烴被轉(zhuǎn)化成干碳粒。然而，在低的局部溫度條件下，從多環(huán)芳烴到干碳粒的反應(yīng)不會(huì)發(fā)生。這一現(xiàn)象可在圖7右側(cè)所示的柴油機(jī)燃燒曲線圖觀察到。如圖所示，當(dāng)達(dá)到足夠的EGR量(低空燃比)時(shí)，煙度會(huì)突然下降。

圖6 低溫燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)低NOx和碳煙顆粒排放的機(jī)理

圖7 說(shuō)明如何用低溫燃燒避免碳粒和NO形成的φ -T圖

需要滿足Tire 3排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放水平取決于預(yù)期的后處理轉(zhuǎn)化效率。實(shí)際上，NOx的轉(zhuǎn)化效率基于多種因素，如排氣溫度、標(biāo)準(zhǔn)空間速度、催化器中存儲(chǔ)的氨量、進(jìn)入催化器的尿素均勻度指數(shù)以及NO/NO2比例。本研究中，NOx轉(zhuǎn)化效率在典型的穩(wěn)態(tài)模態(tài)點(diǎn)測(cè)量，在FTP 75循環(huán)下的復(fù)合NOx轉(zhuǎn)化效率為82%。基于預(yù)期的NOx轉(zhuǎn)化效率和0.02g/mile的目標(biāo)尾氣NOx排放水平，生成了發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放圖譜。圖8為T(mén)ier 3標(biāo)定下的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放水平與Tier 2 Bin 5標(biāo)定的對(duì)比。與Tier 2標(biāo)定相比，從怠速至0.8MPa的BMEP，需要減少發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放。由于所需的EGR率較高，導(dǎo)致燃油耗增加3%。US60區(qū)域的標(biāo)定基本未變，因?yàn)轭A(yù)期的SCR轉(zhuǎn)化效率很高(US06循環(huán)開(kāi)始于熱態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理)。

圖8 Tier 2和Tier 3標(biāo)定下發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放水平對(duì)比

一旦可行性研究證實(shí)了滿足Tier 3排放的可能性，下一步就要調(diào)查冷起動(dòng)排放。由于正式測(cè)試程序包括在開(kāi)始FTP75循環(huán)之前要在室溫下加熱汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理的冷起動(dòng)策略最終確定車(chē)輛是否能符合排放法規(guī)要求。因此，這個(gè)項(xiàng)目的工作將從穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)冷起動(dòng)調(diào)查。

初步調(diào)查表明，HC排放比NOx更加難以控制。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后，NOx排放可通過(guò)EGR快速控制，但在DOC起燃之前相對(duì)較高的HC排放水平將超出Tier 3限值。因此，Tier 3冷起動(dòng)調(diào)查的重點(diǎn)是減少發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放和/或減少DOC起燃時(shí)間。

通過(guò)進(jìn)行冷起動(dòng)排放標(biāo)定以減少NOx排放量，同時(shí)保持燃燒穩(wěn)定性。由此產(chǎn)生的壓縮比為17∶1時(shí)的穩(wěn)態(tài)NOx和HC排放圖譜，如圖9所示。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度維持在25℃以模擬冷起動(dòng)條件。同時(shí)研究了壓縮比為14∶1時(shí)的冷起動(dòng)排放量，但后來(lái)放棄了，因?yàn)檫@時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放比壓縮比為17∶1時(shí)高4～8倍，不可能滿足Tier 3排放限值。先進(jìn)的電熱塞技術(shù)可以改變壓縮比對(duì)HC的敏感性，但超出了目前的工作范圍。

圖9 用于冷起動(dòng)研究的壓縮比為17∶1、冷卻液溫度為25℃時(shí)的HC和NOx排放圖譜

3 冷起動(dòng)評(píng)價(jià)

對(duì)于本評(píng)價(jià)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和測(cè)功機(jī)配置為模擬FTP-75驅(qū)動(dòng)循環(huán)的第一個(gè)75s，如圖10所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力使用前面提到的慣性車(chē)重為1958kg的SUV車(chē)輛模擬確定。發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)在室溫下存放一晚以保證所有硬件在試驗(yàn)前均為25℃。使用這種方法研究了廣泛的減少HC排放的策略，這些策略包括： (1) 渦輪旁通系統(tǒng)；(2) 停缸技術(shù)；(3) 排氣門(mén)提前開(kāi)啟；(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲；同時(shí)也對(duì)這些策略進(jìn)行了組合研究。

圖10 用于在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上模擬FTP-75循環(huán)第1個(gè)75s進(jìn)行冷起動(dòng)研究的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷曲線

3.1 渦輪旁通系統(tǒng)

第1個(gè)策略為渦輪旁通系統(tǒng)，廢氣繞過(guò)渦輪增壓器以減少對(duì)渦輪增壓器殼體的熱量損失。旁通系統(tǒng)示意圖如圖11所示。其外部管路是用于建立1個(gè)從排氣歧管直接到主DOC的通道。在旁路通路中放置1個(gè)小的DOC(0.2L，170g/ft3Pt)用于所選擇的試驗(yàn)項(xiàng)目。為將氣流導(dǎo)入旁路通路，在渦輪前面設(shè)置1個(gè)節(jié)流板。根據(jù)節(jié)流板的面積，可以將廢氣流的部分或全部導(dǎo)入旁路通路。這樣會(huì)使得增壓器的功能有所喪失，但在該試驗(yàn)的第一個(gè)75s(在該試驗(yàn)循環(huán)的本部分，最大負(fù)荷為0.8MPa BMEP)，對(duì)冷起動(dòng)標(biāo)定來(lái)說(shuō)根本不需要增壓器。標(biāo)定沒(méi)有因缺少增壓而受到影響的補(bǔ)充證據(jù)是，在第一個(gè)75s，空燃比從來(lái)沒(méi)有低于17∶1，基準(zhǔn)累積尾氣CO排放不超過(guò)Tier 3 Bin 30(1.0g/mile)限值的30%。

圖11 減少冷起動(dòng)HC排放的渦輪旁通系統(tǒng)

圖12為起動(dòng)后廢氣進(jìn)、出主DOC的溫度變化過(guò)程。圖中也顯示了不帶渦輪旁通系統(tǒng)的基準(zhǔn)配置作為參考。圖中還顯示了采用旁通系統(tǒng)的另外的兩種外形，1種為在旁通部分包括1個(gè)DOC(稱為旁通DOC)的情形，另一種為不包括的情形。在兩種旁通配置中，流經(jīng)旁通系統(tǒng)的廢氣預(yù)計(jì)為總廢氣流量的65%。對(duì)于沒(méi)有旁通DOC的旁通配置，在初始提速后，主DOC端面的溫度比基準(zhǔn)值大約高20℃，這是由于熱損失較低。當(dāng)安裝有旁通DOC時(shí)，主DOC端面溫度急劇升高。在這種情況下，由于催化劑質(zhì)量和相關(guān)的安裝硬件，在首個(gè)20s怠速期的熱量損失增加了，但是初始提速后，由于旁通DOC中的催化劑反應(yīng)，主DOC端面溫度顯著升高。

圖12 當(dāng)65%的廢氣流經(jīng)旁通部分時(shí)，冷起動(dòng)后渦輪旁通系統(tǒng)提升了DOC進(jìn)口溫度

另外，還研究了廢氣100%通過(guò)旁通系統(tǒng)的情況。該配置中，主DOC端面溫度在整個(gè)試驗(yàn)期間都顯著升高，即使在沒(méi)有旁通DOC的情況下也是這樣。增加旁通DOC是有益的，如從30～70s的較高的排氣溫度所示。旁通DOC的體積增加1倍后沒(méi)有進(jìn)一步升高溫度，實(shí)際上觀察到了關(guān)于單旁通DOC在25～45s范圍的熱沉效應(yīng)。

圖13 當(dāng)100%的廢氣流經(jīng)旁通部分時(shí)，冷起動(dòng)后渦輪旁通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最高的DOC進(jìn)口溫度

對(duì)于基本配置和渦輪旁通配置，實(shí)時(shí)測(cè)量了HC排放。這些結(jié)果將與其他冷起動(dòng)策略一起在下文給出。

3.2 停缸技術(shù)

作為減少發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放的策略之一，也對(duì)停缸技術(shù)進(jìn)行了研究。該研究中，關(guān)閉了2個(gè)氣缸的燃料供應(yīng)，而其他2個(gè)氣缸的供油量增加以保持目標(biāo)BMEP。在這種方法中，點(diǎn)火氣缸的凈指示平均有效壓力(IMEP)顯著增加，如圖14所示。本研究中，進(jìn)排氣門(mén)沒(méi)有停止動(dòng)作，因此，排氣流量和熱焓與基準(zhǔn)值相比沒(méi)有明顯差別。在75s冷起動(dòng)評(píng)估的最后對(duì)正常運(yùn)行和停缸運(yùn)行時(shí)的DPF進(jìn)口溫度進(jìn)行了比較，其溫度差在10℃范圍內(nèi)。由于下游后處理溫度相似，不期望催化劑起燃時(shí)間有任何改善。而期望的是發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放有所減少，因?yàn)楦變?nèi)溫度和比負(fù)荷都比較高。實(shí)時(shí)HC排放結(jié)果將與其他冷起動(dòng)策略一起在下文給出。

圖14 用停缸技術(shù)增加點(diǎn)火氣缸的IMEP同時(shí)保持目標(biāo)BMEP

3.3 排氣門(mén)提前開(kāi)啟

研究了排氣門(mén)提前開(kāi)啟(EEVO)對(duì)減少主DOC起燃時(shí)間的影響。排氣門(mén)提前開(kāi)啟通過(guò)專門(mén)為這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)使用而設(shè)計(jì)的Jacobs車(chē)輛系統(tǒng)公司(JVS)的空轉(zhuǎn)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)(VVA)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。排氣門(mén)提前開(kāi)啟凸輪型線的類型，如圖15所示。這樣，在1個(gè)標(biāo)定內(nèi)可允許有不同的排氣門(mén)提前開(kāi)啟水平，從而避開(kāi)Ratzberger等人在固定凸輪排氣門(mén)提前開(kāi)啟研究中觀察到的試驗(yàn)的局限性[5]。

圖15 用JVS公司的空轉(zhuǎn)VVA系統(tǒng)進(jìn)行排氣門(mén)提前開(kāi)啟的凸輪型線

穩(wěn)態(tài)測(cè)量結(jié)果表明，排氣門(mén)提前開(kāi)啟時(shí)，廢氣熱焓和主DOC進(jìn)氣溫度都有所增加，如圖16所示。排氣門(mén)提前開(kāi)啟設(shè)置不帶渦輪旁通系統(tǒng)，而是利用正常的增壓功能。在怠速條件下，主DOC進(jìn)氣溫度升高125℃。冷起動(dòng)過(guò)程中研究的其他的輕載工況表明，溫度升高的范圍在75～100℃之間。廢氣熱焓是催化劑加熱的1個(gè)更合適的指標(biāo)，觀察到的增加量在25%～40%之間。

圖16 顯示采用排氣門(mén)提前開(kāi)啟時(shí)廢氣熱焓流量和DOC進(jìn)口溫度增加的穩(wěn)態(tài)排氣門(mén)開(kāi)啟掃氣

基于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際冷起動(dòng)試驗(yàn)中選擇了2種排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些策略分為具有挑戰(zhàn)性的和輕度的排氣門(mén)提前開(kāi)啟，前者表示排氣門(mén)提前開(kāi)啟的最大能力，同時(shí)觀察系統(tǒng)的制約因素，后者為較為保守的標(biāo)定，以平衡溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放。2種策略的曲軸轉(zhuǎn)角正時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化如圖17所示。

圖17 2種策略(挑戰(zhàn)性的和輕度的排氣門(mén)提前開(kāi)啟)的EEVO正時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化

當(dāng)需要增加排氣溫度和熱焓時(shí)，必須注意確保發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放不能顯著增加。因此，在冷卻液溫度為25℃時(shí)測(cè)量了2種排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略的HC流量和主DOC進(jìn)氣溫度。2種策略的對(duì)比表明，有挑戰(zhàn)性的排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略的排氣溫度更高，而發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放只有小幅增加，如圖18所示。2種策略產(chǎn)生的HC流量都比基準(zhǔn)值低。這是由于需要克服與排氣門(mén)提前開(kāi)啟相關(guān)的效率損失而使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷顯著增加(即額外加油)。正如在停缸技術(shù)策略中所討論的，在低冷卻液溫度下采用EGR時(shí)，增加負(fù)荷可有效減少HC。

圖18 在冷卻液溫度為25℃時(shí)2種排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略的HC流量和DOC進(jìn)氣溫度測(cè)量值

用2種策略在模擬FTP-75循環(huán)下進(jìn)行了冷起動(dòng)測(cè)量，并比較了75 s后的溫度。初始提速后，2種策略都產(chǎn)生了較高的主DOC進(jìn)氣溫度，如圖19所示。輕度和挑戰(zhàn)性排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略分別使DOC進(jìn)氣溫度升高20℃和50℃。與穩(wěn)態(tài)條件相比，結(jié)果不太明顯，其原因是實(shí)際冷起動(dòng)條件過(guò)程中的排氣系統(tǒng)的熱量損失。雖然排氣門(mén)提前開(kāi)啟有效提高了排氣溫度，但還不如渦輪旁通策略有效。排氣門(mén)提前開(kāi)啟試驗(yàn)的實(shí)時(shí)HC排放結(jié)果將與其他冷起動(dòng)策略一起在下文中介紹。

圖19 冷起動(dòng)后，排氣門(mén)提前開(kāi)啟能有效提高主DOC進(jìn)氣溫度，但不如渦輪旁通策略有效

為確定運(yùn)行排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略時(shí)考慮的其他因素，在圖20和圖21中給出了空燃比和CO排放圖。從圖中看出，排氣門(mén)提前開(kāi)啟標(biāo)定在FTP循環(huán)的首個(gè)75s范圍內(nèi)具有特別低的空燃比值，且具有相同的最小值，約為17∶1。該標(biāo)定要求較高的供油量以保持負(fù)荷，考慮到空燃比和煙度因素，隨后的EGR和進(jìn)氣歧管壓力水平也能夠調(diào)整。在排氣門(mén)提前開(kāi)啟設(shè)置中充分運(yùn)行渦輪增壓，以有助于在標(biāo)定中遵守空燃比限值。另外，其他所有的冷起動(dòng)策略也都遵循圖20中的基準(zhǔn)空燃比軌跡，且不低于 17∶1。

盡管在所有冷起動(dòng)試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量瞬態(tài)碳煙/顆粒物排放，圖21所示的排氣門(mén)提前開(kāi)啟情況的較低的CO排放表明，從避免過(guò)多積炭的角度來(lái)看，較低的空燃比標(biāo)定不會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生負(fù)面影響?？梢源_定的觀點(diǎn)是，由于CO測(cè)量是在排氣尾管進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際產(chǎn)生的CO排放被后處理掩蓋了。但是，從圖19可以看出，輕度和基準(zhǔn)的排氣門(mén)提前開(kāi)啟2種情況的DOC溫度變化過(guò)程非常相似，可以預(yù)計(jì)2種情況下的CO的氧化也類似?；陬愃频目杖急茸兓^(guò)程/最低限值和從基準(zhǔn)值到排氣門(mén)提前開(kāi)啟策略的累積CO排放沒(méi)有明顯的正斜率變化，作者認(rèn)為，這些策略的碳煙/顆粒物排放沒(méi)有太大的差異。這也可以擴(kuò)展到其他冷起動(dòng)策略，因?yàn)樗鼈兊腃O排放物比基準(zhǔn)值都低(<30%)，而排氣門(mén)提前開(kāi)啟是有關(guān)空燃比限值的最極端情況。

圖20 排氣門(mén)提前開(kāi)啟要求更高的供油量以維持相同的負(fù)荷，導(dǎo)致空燃比標(biāo)定較低，但保持了17∶1的最低限值。另外，其他所有的冷起動(dòng)策略也都遵循基準(zhǔn)空燃比軌跡，且不低于17∶1

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲

研究了將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲至FTP-75循環(huán)的第一次加速的策略。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)起動(dòng)，并在第一次加速前怠速運(yùn)行20s。在20s的怠速運(yùn)行期間，上述策略都不能明顯提升DOC進(jìn)氣溫度，而在這段時(shí)間內(nèi)基本上沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)DOC的起燃。因此，最好的策略是在這段時(shí)間內(nèi)消除HC排放，而唯一能實(shí)現(xiàn)的就是發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。20s后，發(fā)動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)并為第一次加速提供動(dòng)力。該策略由其自身并結(jié)合帶旁通DOC的渦輪旁通系統(tǒng)評(píng)估。

4 所有冷起動(dòng)策略的結(jié)果

所有冷起動(dòng)策略的尾氣HC排放結(jié)果如圖22所示?；仡櫾囼?yàn)程序，包括在室溫下停放12h，以使發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的溫度為25℃，而圖10中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷分布曲線用于表示FTP-75循環(huán)的首個(gè)75s。

圖22 所有冷起動(dòng)策略的冷起動(dòng)尾氣HC排放結(jié)果，HC排放最多減少90%

單獨(dú)使用時(shí)，20s的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲只能使尾氣HC排放有輕微的減少。同樣看到，使用沒(méi)有旁通催化器的渦輪旁通系統(tǒng)時(shí)，HC排放減少也很輕微。但是，當(dāng)有旁通DOC時(shí)，HC排放顯著減少，而且隨著通過(guò)旁通系統(tǒng)的流量的增加，HC減少量達(dá)到最大化。正如溫度測(cè)量中所看到的，當(dāng)旁通催化器體積翻倍時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何改善。排氣門(mén)提前開(kāi)啟對(duì)減少HC排放非常有效，而且輕度提前開(kāi)啟比富有挑戰(zhàn)性的提前開(kāi)啟策略更有效，這是因?yàn)榍懊嬗懻摰脑谂艢鉁囟群虷C質(zhì)量流量之間的更有利的折中。當(dāng)對(duì)策略進(jìn)行組合時(shí)，停缸技術(shù)+全流旁通系統(tǒng)+旁通DOC可使HC排放減少90%。當(dāng)采用全流旁通系統(tǒng)+旁通DOC+20s發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲策略組合時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)同樣的排放減少水平。

瞬態(tài)HC測(cè)量值也被用來(lái)對(duì)燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行定性評(píng)估。氣缸失火或緩慢燃燒預(yù)計(jì)會(huì)使HC排放因不完全燃燒而急劇增加。由于HC曲線沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，對(duì)研究的所有冷起動(dòng)策略而言，燃燒穩(wěn)定性主觀上認(rèn)為都是可以接受的。

所有冷起動(dòng)策略的尾氣NOx排放結(jié)果如圖23所示。結(jié)果表明，各種策略在FTP-75循環(huán)的第一個(gè)75s都會(huì)影響NOx排放。這一信息在考慮控制NOx+NMOG的Tier 3標(biāo)準(zhǔn)時(shí)是非常重要的。但應(yīng)注意的是，這些結(jié)果對(duì)于冷起動(dòng)策略和正常標(biāo)定之間的切換來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何邏輯關(guān)系。

每種不同策略還對(duì)燃油耗有著影響。基于ECU供油量和循環(huán)工作數(shù)據(jù)的燃油耗評(píng)估如圖24所示。從圖中看出，排氣門(mén)提前開(kāi)啟比其他策略對(duì)燃油耗的影響都大。

圖23 所有冷起動(dòng)策略的冷起動(dòng)尾氣NOx排放結(jié)果

圖24 不同冷起動(dòng)策略對(duì)燃油耗的影響

為了將結(jié)果與車(chē)輛相聯(lián)系，采用穩(wěn)態(tài)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和100%渦輪旁通+催化器+停缸技術(shù)的瞬態(tài)冷起動(dòng)結(jié)果對(duì)FTP-75的排放進(jìn)行了評(píng)估。汽車(chē)評(píng)估時(shí)假定催化器溫度足夠，標(biāo)定從快速加熱標(biāo)定變?yōu)榈蚇Ox標(biāo)定，如圖25所示。這種轉(zhuǎn)變可以代表deNOx系統(tǒng)被充分激活，或DOC被激活從而允許高EGR低NOx燃燒。NOx和HC排放的評(píng)估結(jié)果如圖26所示，結(jié)果表明冷起動(dòng)策略具有幫助滿足Tier 3排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力。

圖25 從快速加熱轉(zhuǎn)換到低NOx標(biāo)定的示意圖

圖26 FTP-75排放汽車(chē)評(píng)估表明具有滿足Tier 3排放標(biāo)準(zhǔn)潛力

5 總結(jié)

研究了評(píng)估冷起動(dòng)性能的幾種技術(shù)，包括渦輪旁通、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)延遲、停缸、排氣門(mén)提前開(kāi)啟，以及幾種技術(shù)的組合。

5.1 渦輪旁通

對(duì)FTP-75冷起動(dòng)部分過(guò)程中的渦輪旁通進(jìn)行了評(píng)估，該技術(shù)被認(rèn)為是合理的技術(shù)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力相對(duì)較低(<0.8MPa)，發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比不低于17∶1，CO排放不超出Tier 3 Bin 50限值(1.0g/mile)的30%。試驗(yàn)證明，渦輪旁通導(dǎo)致DOC溫度稍有上升，從而使得歸一化累積非甲烷碳?xì)浠衔锷晕p少。與“無(wú)DOC+65%旁通”相比，“無(wú)DOC+100%旁通”燃油耗增加約9%。盡管該結(jié)果很有前景，但仍需更多的努力來(lái)滿足冷起動(dòng)性能目標(biāo)。

5.2 渦輪旁通+DOC

對(duì)在旁通通道中安裝有小型催化器的渦輪旁通進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)價(jià)了2個(gè)催化器，第一個(gè)為小型催化器(DOC)，第二個(gè)催化器的體積2倍于第一個(gè)旁通催化器。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加旁通催化器可通過(guò)進(jìn)一步減少歸一化累積非甲烷碳?xì)浠衔锒沟美淦饎?dòng)性能得到更加改善?！?個(gè)DOC+100%旁通”的試驗(yàn)結(jié)果表明，與基準(zhǔn)值相比，歸一化累積非甲烷碳?xì)浠衔餃p少近60%，而燃油耗增加15%。

5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)延遲起動(dòng)

延遲發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的概念也作為冷起動(dòng)研究的一部分進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在這項(xiàng)研究進(jìn)行時(shí)，幾個(gè)制造商已將發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)引入生產(chǎn)中，因此這種方法被認(rèn)為對(duì)冷起動(dòng)是合理的。延遲發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的結(jié)果是有前景的，因?yàn)闅w一化累積非甲烷碳?xì)浠衔镉行》陆刀鴽](méi)有大的燃油經(jīng)濟(jì)性損失。對(duì)于“無(wú)怠速，無(wú)旁通”情況，與基準(zhǔn)值相比，歸一化累積非甲烷碳?xì)浠衔锛s減少15%，燃油耗增加約5%。

5.4 排氣門(mén)提前開(kāi)啟(EEVO)

在實(shí)際冷起動(dòng)試驗(yàn)中選取了2種EEVO策略進(jìn)行評(píng)估。這些策略是挑戰(zhàn)性的EEVO和輕度EEVO。前者表示EEVO的最大能力，同時(shí)觀察系統(tǒng)的制約因素；后者為較保守的標(biāo)定以平衡溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放。試驗(yàn)結(jié)果表明，與基準(zhǔn)值相比，歸一化累積非甲烷碳?xì)浠衔餃p少40%～50%，但燃油耗增加30%～35%。

表3為每種技術(shù)的減排潛力及相關(guān)的油耗損失的相對(duì)評(píng)估結(jié)果。選擇的技術(shù)也可以進(jìn)行組合以進(jìn)一步減少排放。最好的組合是延遲發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)+帶DOC的渦輪旁通。該組合在怠速過(guò)程中消除了HC排放，同時(shí)減少了DOC的起燃時(shí)間。停缸技術(shù)+帶DOC的渦輪旁通相組合也能獲得類似的排放結(jié)果。

結(jié)果表明，能保證滿足未來(lái)Tier 3排放標(biāo)準(zhǔn)，但可能需要與其他技術(shù)(冷起動(dòng)催化器或捕集器上的SCR)相結(jié)合。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)減排策略評(píng)估及排序

[1] Neely G, Mehta D, Sarlashkar J. Diesel cold-start emission control research for 2015—2025 LEV III emissions-part 2[C]. SAE Paper 2014-01-1552.

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程玉發(fā) 陳曉峰 譯自 SAE Paper 2016-01-0823

張然治 校

虞 展 編輯

2016-08-25)