滿足2025年CAFE標(biāo)準(zhǔn)的輕型卡車用節(jié)能柴油機解決方案(下)

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1 發(fā)動機管理和診斷系統(tǒng)的功能

為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要安裝關(guān)鍵部件和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)所有子系統(tǒng)的最大潛能。為達(dá)到此目的，在優(yōu)化硬件的同時必須升級發(fā)動機管理系統(tǒng)。由于需求面極大，使用的軟件功能必須全面完善且完全集成，以覆蓋瞬態(tài)運行工況及環(huán)境條件等外部影響。

為了嚴(yán)格遵守超低排放車輛(SULEV)30在超長里程范圍內(nèi)的排放法規(guī)，各個排放控制系統(tǒng)必須自發(fā)地精確彌補其退化趨勢，同時避免大幅度地違反其他發(fā)動機和車輛的性能規(guī)格。

在此方面，創(chuàng)建的全球排放管理系統(tǒng)全面控制廢氣排放性能，主要是氮氧化物(NOx)控制，還有其他所有的污染物排放。由于脫硝(DeNOx)系統(tǒng)狀態(tài)的直接作用，全球排放管理系統(tǒng)控制所有運行工況下的發(fā)動機排放性能、稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器(LNT)清洗和選擇性催化還原(SCR)計量策略。圖1給出了控制器設(shè)置的一般流程。

圖2 先進的級聯(lián)“直接NOx”空氣路徑控制模塊的示意圖

排氣后處理系統(tǒng)(EATS)狀態(tài)為原排NOx排放性能的關(guān)鍵設(shè)置定義了主要輸入?yún)?shù)，需要快速調(diào)整燃燒行為和特性。根據(jù)物理原理，缸內(nèi)氧氣濃度不是燃燒階段NOx生成的主要因素。因此，基于相應(yīng)的電控單元(ECU)模塊中的反轉(zhuǎn)NOx模型，如圖2所示的“直接NOx控制”算法控制主要影響參數(shù)如廢氣再循環(huán)(EGR)率、增壓壓力和進氣溫度使之自發(fā)地達(dá)到最佳設(shè)置。對于長期漂移補償，利用NOx傳感器信號來調(diào)整核心NOx模型。根據(jù)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的標(biāo)定設(shè)置和動態(tài)修正功能，采用“直接NOx控制”算法啟動EGR閥、節(jié)氣門和EGR冷卻器旁通閥，從而能夠非?？焖俚貫樗锌捎肊GR回路的EGR率、來源和占比識別出最佳設(shè)置。

然而，廢氣凈化與總體效率之間的相互作用相對復(fù)雜，因此還必須考慮二次效應(yīng)。作為直接解決方案，必須使用先進和全面的模型來確定最優(yōu)整體方案。圖3提供了上層的基礎(chǔ)算法，計算和評估了排氣后處理元件的缸內(nèi)NOx抑制和NOx凈化之間的相互關(guān)聯(lián)影響。

圖3 關(guān)于最佳燃油效率下優(yōu)化排放性能的規(guī)則導(dǎo)向、基于模型的控制算法的簡化示意圖

由密耦LNT和底置式SCR催化器組成的組合DeNOx裝置的運用提供了附加的潛能，以便對發(fā)動機的運行工況進行最佳后處理調(diào)節(jié)。密耦LNT能夠在低溫和輕負(fù)荷運行下減少NOx，同時還可以通過組合措施(如可變氣門正時(VVT)起動和相應(yīng)缸內(nèi)后噴射)來減少先進加熱方式中的碳?xì)浠衔?HC)排放。

如上所述，實施必要的加熱策略是滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的關(guān)鍵因素。公司平均燃油經(jīng)濟性(CAFE)法規(guī)導(dǎo)致燃油效率及加熱策略都必須要得到優(yōu)化。諸如VVT和絕緣排氣歧管等部件，以及對所有加熱和排氣溫度控制策略實現(xiàn)最佳標(biāo)定都是現(xiàn)實生活行駛工況中省油的主要方法。

詳細(xì)的試驗研究表明，當(dāng)理想燃燒相位唯一形成放熱率的情況下，可以在給定扭矩需求下的最佳熱效率和對排氣系統(tǒng)達(dá)到精確的熱量需求之間實現(xiàn)最佳組合。隨著運行工況的變化，必須調(diào)整設(shè)置以獲取最佳的整體性能。圖4(a)給出了平均有效指示壓力(IMEP)為1.2 MPa的示例。在初始設(shè)置中，要求提供每行程0.6 kJ熱量以滿足排氣管中的目標(biāo)溫度值。為滿足這種情況，放熱中心時刻應(yīng)設(shè)置在44°CA ATDC，在短時間的熱量增加之后，需求的熱量降低到每行程0.4 kJ。為了在這些邊界條件下保持相同的指示扭矩，在放熱中心約為29°CA ATDC時，最好使用改進的噴射夾角提前燃燒相位。

這一原則與發(fā)動機管理概念的先進“全球排放管理”體系的實施效率模塊中的運行模式相連(圖4(b))。顯然，燃燒相位和成形的調(diào)整中自由度受到上游渦輪機溫度(T3)、每分鐘的相對空燃比(A/F)和碳煙排放要求的限制。

圖4 最佳燃油效率下滿足初級燃燒模式目標(biāo)的最佳燃燒相位和曲線的鑒定及特征

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

關(guān)于發(fā)動機燃油消耗和尾氣排放的控制和最佳平衡管理的第二個方面，是要求對各種操作模式的燃燒性能有最佳標(biāo)定。除了正常的推進模式，還需要在明確的排放限制下根據(jù)產(chǎn)生的最有效的扭矩定義最高優(yōu)先級，其主要參數(shù)隨著不同的加熱、再生和清洗模式發(fā)生改變。在此情況下，必須優(yōu)化最有利的燃燒相位，以達(dá)到最佳熱力學(xué)效率下的最佳控制參數(shù)，如T3溫度、空燃比、燃燒穩(wěn)定性等(圖28)。

最新研究表明，為確保最佳的熱量傳遞到排氣系統(tǒng)，需要在燃燒中心確定最佳前導(dǎo)參數(shù)，同時將給定工況下的燃燒效率保持在最高水平。在考慮燃燒穩(wěn)定性和可控性的同時，這種先進的燃燒控制算法確保了安裝在6缸發(fā)動機排列中的最冷缸的其中一個電熱塞傳感器的應(yīng)用。同樣，結(jié)合新穎的模型功能，理想的多點噴射模型可相應(yīng)地分解單個噴射量。

除了引入嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油動力的車載診斷系統(tǒng)(OBD)的法律規(guī)范也更為嚴(yán)格。圖5顯示了排放標(biāo)準(zhǔn)與OBD排放限制之間的差距大大降低。因此，可靠性故障檢測變得越來越有挑戰(zhàn)性，在更敏感的柴油動力系統(tǒng)中，較小的故障也可引起OBD閾值偏離。另外，新動力系統(tǒng)增加了以前從未使用的附加監(jiān)控要求。在這些條件下，目前的監(jiān)控策略無法保證對故障組件進行全面可靠的檢測。除排放和駕駛性能標(biāo)準(zhǔn)外，除非根據(jù)OBD的要求定制動力系統(tǒng)，否則還不能實現(xiàn)新型的和改進的監(jiān)測策略所要求的靈敏度。這表明在早期概念階段對OBD戰(zhàn)略的評估和OBD需求的考量是非常重要的。功能改進必須通過增加現(xiàn)有策略的智能組合、新監(jiān)控方式的開發(fā)和監(jiān)控與控制策略之間的互動來實現(xiàn)。

圖5 具有嚴(yán)格排放閾值和新增挑戰(zhàn)的即將到來的OBD法規(guī)

圖6說明了綜合性的OBD功能開發(fā)過程的方法，包括對法規(guī)的詳細(xì)評估、軟件和硬件要求的定義及早期概念驗證，依靠仿真工具和快速控制原型為即將到來的挑戰(zhàn)開發(fā)出診斷方案。然而，不僅需要開發(fā)新的診斷軟件，還需要模型改進和新的傳感器，以提高未來復(fù)雜柴油機的OBD功能。

最終，當(dāng)OBD認(rèn)證的力度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時，就不會在已完成的動力系統(tǒng)中添加符合的OBD策略。因此，要強制設(shè)計排放控制系統(tǒng)從而可以進行符合規(guī)定的監(jiān)控。

圖6 適用于監(jiān)控和診斷功能的全鏈OBD功能開發(fā)

通過利用基于模型的控制功能，包括動力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的組合算法，SCR系統(tǒng)可以得到進一步改進(圖7)。這種方法可以幫助獲取幾乎所有工況下的最大轉(zhuǎn)換率，而不違反NH3滑移的限制。為控制NH3排放，在高劑量條件下作為最終裝置的典型清理催化器可以減少容積，有利于低背壓設(shè)計和降低零部件成本。

圖7 改進SCR監(jiān)測和診斷的基于模型的新方法

基于動力學(xué)控制概念的動機源于多個方面：

(1)在NH3滑移條件下對SCR/組合式SCR-DPF催化器(SDPF)系統(tǒng)的監(jiān)控越來越重要；

(2)密耦位置導(dǎo)致更高的溫度梯度和嚴(yán)格的空間限制，導(dǎo)致NH3的計量不太均勻，并導(dǎo)致SCR / SDPF中NH3更頻繁的解吸；

(3)由于NOx傳感器的交叉敏感性，基于測量性能與SCR模型的對比，目前的現(xiàn)場SCR監(jiān)測概念在NH3滑移條件下表現(xiàn)不佳。

目前NH3滑移檢測方法并不穩(wěn)定(因此防止對這類事件的監(jiān)測)，因為目前NH3滑移模型缺乏對滑移發(fā)生一致性預(yù)測所需的準(zhǔn)確度，存在關(guān)于滑移準(zhǔn)確量化的特征缺點。

給出的NH3滑移測量方法(利用NOx傳感器對NH3的交叉敏感性)的幾個難點有：(1)只有在其變大之后才能檢測到滑移(到時部分診斷或全部完成)；(2)消耗較長時間可靠地檢測滑移(到時部分診斷或全部完成)；(3)無法區(qū)分NH3的滑移和降低的NOx轉(zhuǎn)換效率。

面對這些挑戰(zhàn)，必須要利用新型的算法以優(yōu)化所有排放相關(guān)子系統(tǒng)的操作流程和性能表現(xiàn)。動力學(xué)模型在這方面的明顯優(yōu)勢是：(1)動力學(xué)模型全球范圍內(nèi)通用(獨立于車輛)，并且相比經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍芴峁└玫臏?zhǔn)確性和更有效的操作范圍；(2)更好地預(yù)測滑移的發(fā)生，在此階段啟用監(jiān)測的復(fù)位/關(guān)閉/暫停；(3)更精確地確定滑移量，即使在目前不可能進行的NH3滑移階段也能進行監(jiān)測。

來自動力學(xué)模型的預(yù)測測量出的NH3滑移可以用作其他控制電路的價值輸入，以過濾NOx傳感器與NH3的交叉敏感性，從而導(dǎo)出使用NOx傳感器的SCR的實際NOx轉(zhuǎn)化估值。

這種動力學(xué)模型使得SCR/SDPF監(jiān)控運行更強大(更低的OEM保修成本)和更頻繁(使用中的性能比高于立法要求)。

日漸復(fù)雜的OBD要求需要在車輛同步過程中產(chǎn)生復(fù)雜的故障模式，以證實所有診斷功能正常工作。為了實現(xiàn)這些，可以利用傳感器和執(zhí)行器信號來模擬某些故障，這種電子操縱技術(shù)具備潛力和高成本效率。

德國FEV集團的匯編語言源程度(ASM)系統(tǒng)是針對這個目的專門設(shè)計的。憑借其擴展的I/O集合和可自由編程的RCP環(huán)境，為模擬大量故障模式提供了充分的機動性。其操縱噴射和點火系統(tǒng)的能力使之能判斷復(fù)雜的噴射系統(tǒng)錯誤。

2 總結(jié)

通過現(xiàn)代化的專用柴油機配置，針對當(dāng)前流行的輕型貨車(LDT)應(yīng)用，可以有效地滿足即將到來的嚴(yán)格美國排放標(biāo)準(zhǔn)。

直列式與V型配置的發(fā)動機設(shè)計的直接對比顯示了兩者排列型式都能夠滿足未來的法規(guī)。直列式配置呈現(xiàn)了有關(guān)熱力學(xué)功能(效率為3.5%，排放性能提高10%)的優(yōu)勢(圖8)。

圖8 在優(yōu)化的EATS布局的全尺寸皮卡車中，兩類3.3 L排量發(fā)動機設(shè)計的最終燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)和尾排結(jié)果