整機(jī)控制邊界對排放一致性的影響

褚國良 王建東

摘要：以典型國六EGR+VNT路線為研究對象，針對整車配套過程中的幾大關(guān)鍵控制邊界，從臺架模擬進(jìn)行相關(guān)的試驗研究，從研究機(jī)理入手，識別影響影響權(quán)重及規(guī)律，探索關(guān)鍵輸出參數(shù)對控制邊界的敏感區(qū)域，對后續(xù)的臺架邊界控制及整車配套控制提供標(biāo)準(zhǔn)。

Abstract： CN6 engine with EGR+VNT route as the research object， aimed at several key to control its borders during the process of the vehicle using， from the bench simulation test of related research， from the mechanism of effect influence weight and recognition， to explore the key output parameters sensitive to control the border area， to the subsequent boundary control and vehicle matching control standard.

關(guān)鍵詞：排放;經(jīng)濟(jì)性;一致性

Key words： emission;economy;consistency

中圖分類號：TK411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0016-05

0? 引言

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級，國六階段對性能排放的變差控制范圍也越來越嚴(yán)格，這對設(shè)計開發(fā)及整車配套的魯棒性提出更高的要求。其中如何提高整車排放的適應(yīng)性，同時做到經(jīng)濟(jì)性、動力性以及排放的一致性控制，同時實現(xiàn)較好的折衷。需要在開發(fā)階段考慮整機(jī)關(guān)鍵控制邊界對性能排放的敏感性影響規(guī)律，結(jié)合當(dāng)前的排放控制路線影響規(guī)律指導(dǎo)后續(xù)整車配套及相關(guān)策略的優(yōu)化，實現(xiàn)整車在推薦的控制邊界條件下實現(xiàn)性能排放最佳。

1? 國六排放控制路線介紹

當(dāng)前國六排放控制主流路線分為兩類：SCR-Only（無EGR）路線和EGR路線[1]。兩種路線的主要差別：空氣系統(tǒng)的差異，其主要特點對比如表1所示。

經(jīng)上分析，由于EGR的引入，所帶來的復(fù)雜的空氣系統(tǒng)閉環(huán)策略，對其邊界提出較高的要求。因此識別整機(jī)配套邊界及環(huán)境因素對發(fā)動機(jī)排放的影響，同時在臺架上做適應(yīng)性的放行驗證，對后續(xù)的產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)的一致性控制及市場反饋都打下良好的基礎(chǔ)。

本文主要針對EGR（復(fù)雜空氣系統(tǒng)控制）路線，結(jié)合關(guān)鍵因素的影響機(jī)理及試驗研究分析，同時對影響大的提出改進(jìn)措施，使其滿足排放一致性的控制要求，同時滿足整車排放的控制要求。

重點控制參數(shù)NOX排放、油耗偏差盡量控制在一定的范圍內(nèi)，保證整車性能排放的一致性。同時碳煙對后處理DPF再生頻率密切相關(guān)，盡量將碳煙的對關(guān)鍵邊界的變化控制在合理的范圍之內(nèi)。

1? 影響原理分析

1.1 關(guān)鍵影響因素-整機(jī)控制邊界

關(guān)鍵的影響因素：見圖1，主要有進(jìn)氣端：進(jìn)氣阻力，中冷壓降，中冷進(jìn)氣溫度;排氣端：排氣背壓;環(huán)境因素：進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度。

試驗臺架開發(fā)以上關(guān)鍵因素均可控因素：進(jìn)氣負(fù)壓、中冷壓降、排氣背壓、中冷后溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度;（后續(xù)統(tǒng)一以關(guān)鍵因素1，2，3…，代替），如圖2所示。

整車配套由于不同車型的布置不同，以上均存在較大的不可控現(xiàn)象，尤其是環(huán)境因素進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣濕度。

1.2 影響路徑及原理

所有的關(guān)鍵因素的波動偏差都會影響到整機(jī)的性能排放，結(jié)合控制策略的影響，闡述關(guān)鍵因素的影響路徑及影響機(jī)理。

對于EGR路線，為了能夠保證EGR率，目前都是流量和壓力的雙閉環(huán)策略。關(guān)鍵因素的變化容易導(dǎo)致總的進(jìn)氣量變化，進(jìn)而導(dǎo)致EGR率和泵氣功的變化。任何引起EGR率變化的因素都會導(dǎo)致排放的變化，尤其是NOX和煙度?？偟倪M(jìn)氣量下降和泵氣損失的變化導(dǎo)致燃油消耗的發(fā)生較大變化。

對于無EGR路線，無EGR率的影響，同時不涉及氣量和壓力閉環(huán)，空氣系統(tǒng)較為簡單，對NOX的主要影響還是缸內(nèi)進(jìn)氣溫度和絕對濕度的影響。碳煙和油耗取決于總的進(jìn)氣量及進(jìn)排氣阻力引起的泵氣損失的變化量。

以中冷溫度為例（見圖3）簡要描述下影響路徑：中冷溫度升高后，導(dǎo)致缸內(nèi)進(jìn)氣溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致充氣效率的變化，對于新鮮進(jìn)氣量閉環(huán)策略的路線來說，導(dǎo)致總的進(jìn)氣量下降，進(jìn)而EGR流量下降，EGR率降低。最終的表現(xiàn)就是NOX升高，油耗升高等，對于排放控制極為不利。

本文主要針對以下兩種關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行分析：

①NOX：EGR率，缸內(nèi)進(jìn)氣溫度，絕對濕度。

②燃油消耗率：有效功，總功，泵氣損失功等。

后續(xù)通過試驗，識別關(guān)鍵過程參數(shù)的變化對關(guān)鍵輸出參數(shù)的影響權(quán)重。

2? 試驗研究

2.1 研究裝置

在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行試驗，在一款已經(jīng)完成國六開發(fā)的柴油機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的邊界試驗研究。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.2 研究方法

整個試驗方案從單因素影響然后根據(jù)實際的整車運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行不同因素的交互影響研究，流程見圖4。

工況覆蓋所有的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷區(qū)域，選取典型的工況點（見圖5）代表整車的運(yùn)行工況區(qū)域。

2.3 影響規(guī)律分析

識別影響規(guī)律及影響權(quán)重，為后續(xù)的策略優(yōu)化及運(yùn)行波動范圍提出運(yùn)行偏差范圍[2]。

重點關(guān)注的對NOX排放、油耗偏差盡量控制在一定的范圍內(nèi)，保證整車性能排放的一致性。同時碳煙對后處理DPF再生頻率密切相關(guān)，盡量將碳煙的對關(guān)鍵邊界的變化控制在合理的范圍之內(nèi)。

2.3.1 對EGR率和NOX的影響規(guī)律

在雙閉環(huán)策略及無相關(guān)修正的情況下，可以看出，不同因素對EGR率的影響及EGR率和NOX的關(guān)系。EGR率的變化與NOX的變化近似純線性關(guān)系，排放一致性如何更好的控制變化范圍，關(guān)鍵在于對EGR率的控制偏差的控制。

不同因素對EGR率的影響規(guī)律，如圖6所示，近似線性關(guān)系，隨著因素的增加，EGR率變大或者變小，其中因素1影響最大，其次是因素2和因素3，影響最小的是因素4。當(dāng)前的控制策略對因素1的影響太敏感，邊界適應(yīng)性較差。對于當(dāng)前的控制策略存在一定的不足，后續(xù)應(yīng)該降低對邊界的敏感性，提高邊界的適應(yīng)性，見圖6。

2.3.2 對熱效率和燃油消耗率的影響規(guī)律

試驗研究過程中，采集了燃燒分析數(shù)據(jù)。通過燃燒分析，更好的指導(dǎo)我們對燃燒過程關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢及定量分析，見圖7，通過數(shù)據(jù)可以清晰的看出，各關(guān)鍵因素的變化對泵氣損失都有影響，其中影響最大是關(guān)鍵因素1。

如圖8所示，通過對比可以清晰的看到，對經(jīng)濟(jì)性影響趨勢同樣非常明顯，并且關(guān)鍵因素取決于對泵氣損失的影響，這主要是由當(dāng)前的閉環(huán)策略導(dǎo)致，當(dāng)關(guān)鍵因素發(fā)生變化后，導(dǎo)致總的進(jìn)氣量發(fā)生變化，而此時閉環(huán)策略則導(dǎo)致VNT增壓器渦輪發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個工況循環(huán)泵氣損失的變化，整體趨勢都是隨著歸一化步長的增加，泵氣損失增加，熱效率下降，油耗惡化。

2.3.3 絕對濕度和中冷進(jìn)氣溫度的交互影響規(guī)律

整車運(yùn)行環(huán)境，絕對濕度和中冷溫度變化范圍較大，并且同時出現(xiàn)較大變動的概率非常高，針對這兩個因素，在臺架進(jìn)行相關(guān)交互影響試驗研究。

兩個因素?zé)o交互影響（見圖11），圖9～圖10展示了兩個因素的影響規(guī)律。

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，兩個因素?zé)o交互作用，NOX隨中冷溫度的增加而升高，中冷溫度每5℃，NOX變化20～40ppm，NOX隨絕對濕度的增加而降低，絕對濕度每增加1g/kg，NOX降低約10～20ppm。

2.4 小結(jié)

綜上所述，各因素的變化都會在實際的運(yùn)行環(huán)境中出現(xiàn)，我們的開發(fā)必須能夠探測到可能的極限邊界，同時開發(fā)余量，數(shù)據(jù)標(biāo)定的魯棒性都要考慮，尤其是作為后處理的輸入原機(jī)排放，對后處理SCR的設(shè)計余量及整機(jī)排放的開發(fā)余量提供評價基礎(chǔ)。

上述關(guān)鍵因素除絕對濕度外，其他的因素都可以在配套過程中進(jìn)行控制，控制運(yùn)行的偏差需要進(jìn)行相關(guān)的驗證，結(jié)合運(yùn)行的關(guān)鍵輸出波動偏差來推薦合適的控制范圍，同時對于影響較大的因素，應(yīng)該通過策略模型等方法進(jìn)行識別，并進(jìn)行修正，實現(xiàn)較高的整車適應(yīng)性，確保排放、經(jīng)濟(jì)的一致性，滿足客戶和法規(guī)的要求。

3? 關(guān)于過程參數(shù)（EGR率和過量空氣系數(shù)λ）對關(guān)鍵輸出的影響探討

通過對不同工況下（本文選取4個典型工況）的過程參數(shù)建模分析，識別影響主權(quán)重，便于后續(xù)的重點控制。以碳煙和NOx的生成為例，碳煙的生成機(jī)理非常復(fù)雜，影響碳煙生成的主要因素是缸內(nèi)的當(dāng)量比分布和缸內(nèi)燃燒溫度。即缸內(nèi)氧濃度和缸內(nèi)的燃燒溫度，本次研究的對象，新鮮進(jìn)氣量閉環(huán)控制，實際的λ需要考慮EGR流量所含的氧濃度。

以過量空氣系數(shù)（混合氣比例）的變化量和EGR率（影響到缸內(nèi)燃燒溫度，同時反映的是對混合均勻度的影響程度，氣量閉環(huán)，新鮮氣量一定）的變化量與碳煙變化量的關(guān)系。通過不同工況展示影響規(guī)律。

由圖12～圖13可以清晰的看出：對煙度的權(quán)重：EGR率>λ的影響權(quán)重，原因，在氣量變化不大的情況下，EGR率的多少影響到了混合氣的均勻程度，同時EGR率影響到了缸內(nèi)燃燒溫度，而缸內(nèi)燃燒溫度對煙度的氧化也起到的關(guān)鍵作用，故本次研究中，EGR率的減少，雖然λ降低，但是提高混合氣的混合均勻度，同時缸內(nèi)燃燒溫度也上升，均有利于煙度的降低。對NOX的影響權(quán)重主要是EGR率。

經(jīng)上分析可知：如何能保證整機(jī)良好的排放一致性和適應(yīng)性，基于雙閉環(huán)的策略的關(guān)鍵：EGR率的波動偏差必須控制在某一范圍內(nèi)。在國六階段，整機(jī)邊界的設(shè)定及后續(xù)配套要求，要密切結(jié)合邏輯策略及標(biāo)定的魯棒性來保證后續(xù)市場推廣的一致性及適應(yīng)性。

4? 結(jié)束語

本文通過影響整機(jī)性能關(guān)鍵因素的影響機(jī)理入手，闡述了對整車性能排放的影響[3]，通過臺架模擬整車邊界，識別出關(guān)鍵的影響因素，對后續(xù)的整車性能排放預(yù)測控制，指導(dǎo)整車配套推廣提供理論依據(jù)，為后續(xù)的整車性能排放的一致性控制夯實基礎(chǔ)研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2]帥石金，唐韜，趙彥光，等.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2012（03）：200-217.

[3]王望予.汽車設(shè)計（第四版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，8.