用于降低商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物和CO2排放的技術(shù)方案

奧地利K.HADL B.RASER T.SACHER G.GRAF

摘要

在美國(guó)，日益嚴(yán)苛的氮氧化物（NOx）排放法規(guī)要求汽車(chē)制造商顯著降低其車(chē)型產(chǎn)品的有害物排放，為此必須使車(chē)輛在所有運(yùn)行條件下都具有最高的NOx轉(zhuǎn)化率。AVL公司已開(kāi)發(fā)了1種可用于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理的技術(shù)方案，能在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上充分滿足“超低NOx排放”及降低燃油耗的要求。

關(guān)鍵詞

商用車(chē);發(fā)動(dòng)機(jī);排放

①為了符合本行業(yè)習(xí)慣，本文仍沿用部分非法定計(jì)量單位——編注。

0 前言

根據(jù)美國(guó)加州空氣資源局（CARB）制定的超低氮氧化物（NOx）排放法規(guī)，要求北美地區(qū)顯著降低有害物排放。其中提到：至2027年，應(yīng)使商用車(chē)NOx排放限值比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)降低90%，并具有更好的耐久性和更長(zhǎng)的保修期，這些都是以提高NOx轉(zhuǎn)化率為前提條件的。同時(shí)，基于第2階段的溫室氣體排放法規(guī)，CO2、N2O與CH4等氣體的排放也應(yīng)降至最低[1]。

1 邊界條件和方案選擇

為了在美國(guó)重型柴油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)（US HDDTC）中，使NOx排放降至20 mg/（hp·h）①，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后，廢氣后處理系統(tǒng)應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化率。只要在催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生的還原過(guò)程并非選擇性催化還原（SCR），研究人員必須將NOx原始排放降至最低。例如，在NOx原始排放為3.50 g/（hp·h）的情況下，廢氣后處理系統(tǒng)在50 s后的理論NOx轉(zhuǎn)化率必須達(dá)到100%，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)在冷/熱組合循環(huán)中實(shí)現(xiàn)NOx排放為20 mg/（hp·h）的目標(biāo)（圖1）。

上述試驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明了未來(lái)廢氣排放法規(guī)所面臨的艱巨挑戰(zhàn)，而且考慮到零部件自身存在的誤差，研究人員還需要對(duì)廢氣溫度管理過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

因此，高效的廢氣后處理系統(tǒng)與相應(yīng)的軟件和調(diào)節(jié)策略，以及SCR系統(tǒng)的快速起燃過(guò)程都是必不可少的[2]。本研究項(xiàng)目中所采用的廢氣后處理系統(tǒng)由如下部件組成：1個(gè)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置且不采用涂層的電加熱催化轉(zhuǎn)化器（EHC），1款柴油機(jī)尿素溶液（DEF）系統(tǒng)和第1級(jí)釩-銅組合型SCR（ccSCR）系統(tǒng)。系統(tǒng)中還配備了可滿足2021年車(chē)型（MY21）要求，并且由柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）和氨逃逸催化轉(zhuǎn)化器（ASC）組成的標(biāo)準(zhǔn)配置，其中使用了最新的催化轉(zhuǎn)化器涂層。第2款布置于底板下方的SCR（ufSCR）系統(tǒng)采用了銅涂層。

試驗(yàn)在1臺(tái)排量為2.0 L的柴油機(jī)上進(jìn)行。該柴油機(jī)的噴油壓力為250 MPa，同時(shí)采用了配備有電動(dòng)廢氣放氣閥的單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，以及高壓廢氣再循環(huán)（HP-EGR）系統(tǒng)。在采用上述基本配置的情況下，該款柴油機(jī)已滿足美國(guó)政府對(duì)2027年車(chē)型（MY27）8級(jí)專業(yè)車(chē)型提出的CO2排放要求。

2 加熱策略和溫度管理

研究人員選用了配有冷卻系統(tǒng)的HP-EGR系統(tǒng)，并采用了節(jié)氣門(mén)輔助，因此在系統(tǒng)冷起動(dòng)后就直接能使NOx原始排放降至最低。同時(shí)，研究人員提高了進(jìn)氣管中的溫度，使廢氣流量相應(yīng)降至最低，最終使經(jīng)過(guò)EHC的氣體溫度得以有效提升。在廢氣流量較小的情況下，功率為7 kW的加熱系統(tǒng)具有較好的加熱效果，而在廢氣流量較大的情況下，其效果并不顯著（圖2）。

研究人員通過(guò)采用未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)，同時(shí)降低廢氣流量，并與EHC相組合，可在冷態(tài)US HDDTC的前600 s內(nèi)使NOx原始排放降至約1.50 g/（hp·h）。正如圖2所示，在冷態(tài)US HDDTC中的首次加速階段，系統(tǒng)對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效果已較為顯著，而在第2次加速階段以后，NOx的轉(zhuǎn)換效率就已超過(guò)了99%。研究人員通過(guò)選用未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)，不僅改善了發(fā)動(dòng)機(jī)在加熱期間較低的燃油耗，而且還改善了DPF的再生效果。

3 基于US HDDTC的試驗(yàn)結(jié)果

為了在DEF消耗量較低的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的NOx排放，研究人員需要采用以下幾方面的策略：（1）對(duì)催化轉(zhuǎn)化器部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化;（2）應(yīng)用新型涂層技術(shù);（3）為兩級(jí)SCR系統(tǒng)選用先進(jìn)的軟件和調(diào)節(jié)策略;（4）實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化器的DEF計(jì)量過(guò)程;（5）對(duì)NH3加注量進(jìn)行高精度建模;（6）開(kāi)展相應(yīng)的標(biāo)定試驗(yàn)。

由AVL公司開(kāi)發(fā)的軟件和調(diào)節(jié)策略不僅能在NH3逸出量較少且N2O排放量較低的同時(shí)進(jìn)一步提升NOx的轉(zhuǎn)化率，而且還能通過(guò)基于模型的虛擬傳感器對(duì)整個(gè)廢氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行物理建模，以降低系統(tǒng)成本[3-4]。除此之外，研究人員通過(guò)已開(kāi)發(fā)的算法，并根據(jù)當(dāng)前或未來(lái)廢氣后處理系統(tǒng)的狀況，將轉(zhuǎn)化NOx的任務(wù)分配到兩級(jí)SCR系統(tǒng)上。只要滿足相應(yīng)的認(rèn)可條件（溫度、炭煙量、N2O等），第1級(jí)SCR系統(tǒng)便可從基于NH3加注狀況而設(shè)定的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到基于效率而設(shè)定的運(yùn)行模式上，從而有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)了較高的NOx轉(zhuǎn)化率，以支持DPF系統(tǒng)的被動(dòng)再生過(guò)程，同時(shí)延長(zhǎng)DPF再生間隔（圖3）。在低負(fù)荷循環(huán)中，前1級(jí)的SCR系統(tǒng)主要基于NH3的加注狀況而運(yùn)行。

使用EHC能確保第1級(jí)SCR系統(tǒng)被迅速加熱，從而有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)的排放。即使在熱態(tài)US HDDTC中，系統(tǒng)也會(huì)在短期內(nèi)使用EHC，以便確保系統(tǒng)在短期內(nèi)達(dá)到最高的NOx轉(zhuǎn)化率。

在試驗(yàn)室條件下，研究人員通過(guò)采用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣后處理方案就能滿足降低NOx排放的要求，而在冷/熱態(tài)組合US HDDTC中的排放能降至18 mg/（hp·h），同時(shí)研究人員通過(guò)選擇調(diào)節(jié)策略也能使N2O排放保持在較低的水平。在該方面，后者還可將其他催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)或鐵/銅SCR組合用于第2級(jí)SCR系統(tǒng)，并進(jìn)一步優(yōu)化。

研究人員通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能使其以低燃油耗的模式運(yùn)行。與MY21基礎(chǔ)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在US HDDTC中的燃油耗多出了1%（圖3）。事實(shí)上，通過(guò)將內(nèi)燃機(jī)輸出的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為電能，即可滿足系統(tǒng)需求，在US HDDTC中也能滿足美國(guó)政府對(duì)MY27 8級(jí)專業(yè)車(chē)型提出的CO2排放要求。特別是在倒拖行駛階段中，研究人員通過(guò)采用相應(yīng)的智能充電策略，充分利用車(chē)輛動(dòng)能，顯著降低了整車(chē)燃油耗。研究人員通過(guò)優(yōu)化部件的配置，就能明顯加快催化轉(zhuǎn)化器的起燃速度，從而進(jìn)一步降低排放。

4 不同廢氣后處理系統(tǒng)的技術(shù)潛力

為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件的成本，研究人員選用尚未配備EHC的兩級(jí)SCR系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。雖然在該情況下也能達(dá)到最高的NOx轉(zhuǎn)化率，但是現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣后處理系統(tǒng)如果并未配備EHC，就不可能滿足20 mg/（hp·h）的超低NOx排放限值要求（圖4）。尚未配備EHC的兩級(jí)SCR系統(tǒng)的緩慢加熱特性主要會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)的排放造成影響，而在熱態(tài)US HDDTC中所檢測(cè)到的排放增加情況則并不明顯。由于NOx轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)被分配到2個(gè)不同的SCR級(jí)上，因此剩余的N2O排放也將維持在較低水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)在采用單級(jí)SCR系統(tǒng)的情況下，同樣也能有效降低排放。研究人員通過(guò)將未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)和最新的涂層技術(shù)相組合，使試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在US HDDTC中的NOx排放降至35 mg/（hp·h）。與原機(jī)型相比，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的這一數(shù)據(jù)得以明顯降低，其中也體現(xiàn)出HP-EGR系統(tǒng)在采用了冷卻設(shè)備后的優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的NOx原始排放較低，并可用于為系統(tǒng)保溫。單級(jí)SCR系統(tǒng)在加熱模式下得以長(zhǎng)期運(yùn)行，可有效降低NOx原始排放。與兩級(jí)SCR系統(tǒng)相比，NOx原始排放也會(huì)相對(duì)較低，相比較高的NH3加注量，會(huì)導(dǎo)致較高的N2O排放，但是后者通過(guò)采用其他的催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)或組合應(yīng)用鐵/銅SCR系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，滿足法規(guī)限值要求。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷循環(huán)中的性能表現(xiàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷循環(huán)中的性能表明，采用單級(jí)SCR系統(tǒng)或兩級(jí)SCR系統(tǒng)都能達(dá)到最低的排放（圖5）。使用EHC能使SCR催化轉(zhuǎn)化器的溫度保持在200 ℃以上，因此其排放也更接近指示限值。由于單級(jí)SCR系統(tǒng)被加熱的總質(zhì)量較小，因此其呈現(xiàn)出了較高的溫度梯度，同時(shí)也顯示出較快的加熱特性和冷卻特性，以及較高的N2O排放。對(duì)于所有參與試驗(yàn)的廢氣后處理系統(tǒng)而言，其能充分滿足2024年車(chē)型（MY24）生效的低負(fù)荷循環(huán)要求。

6 針對(duì)廢氣后處理系統(tǒng)的認(rèn)證過(guò)程

由試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排放有望進(jìn)一步降低，但同時(shí)也面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，其要求車(chē)輛在整個(gè)使用壽命期內(nèi)都要滿足超低的NOx排放要求。為了對(duì)較高的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和認(rèn)證費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化，AVL公司開(kāi)發(fā)并設(shè)立了可用于廢氣后處理系統(tǒng)的6步認(rèn)證程序（圖6）。在方案設(shè)計(jì)階段，研究人員借助于AVL公司的軟件平臺(tái)巡航系統(tǒng)模型開(kāi)展了試驗(yàn)，同時(shí)確定了車(chē)載診斷（OBD）系統(tǒng)方案，并研究了不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)可靠性所產(chǎn)生的影響。

即使在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程和后續(xù)的系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程期間，研究人員也應(yīng)持續(xù)使用模型來(lái)開(kāi)展研究。同時(shí)，模型的完善程度也在持續(xù)優(yōu)化中，特別是在評(píng)估軟件功能和標(biāo)定工作期間，研究人員須使模型在成本、時(shí)間計(jì)劃和效率等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的試驗(yàn)認(rèn)證可用于模型預(yù)測(cè)，并可作為在使用壽命期間緩解老化效應(yīng)及提升排放穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。認(rèn)證期間獲得的結(jié)果可用于為學(xué)習(xí)功能提供數(shù)據(jù)，從而補(bǔ)償產(chǎn)品偏差與老化效應(yīng)產(chǎn)生的影響。研究人員在試驗(yàn)過(guò)程中采用了模型，從而顯著優(yōu)化了試驗(yàn)程序，并減少了試驗(yàn)數(shù)量。除此之外，模型還能持續(xù)用于整車(chē)標(biāo)定及系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的監(jiān)測(cè)。

考慮到未來(lái)法規(guī)的影響，以模型為基礎(chǔ)的6步認(rèn)證程序能為提升產(chǎn)品的可靠性及耐久性作出重要貢獻(xiàn)。

7 結(jié)論和展望

試驗(yàn)研究表明，研究人員將不采用冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)與兩級(jí)SCR系統(tǒng)和電加熱催化轉(zhuǎn)化器相組合，可在試驗(yàn)室條件下使排放降至最低。在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，US HDDTC條件下的NOx排放會(huì)降至18 mg/（hp·h），而低負(fù)荷循環(huán)的排放則接近指示限值，此外兩級(jí)SCR系統(tǒng)可在滿足MY27 8級(jí)專業(yè)車(chē)型的CO2排放目標(biāo)限值的同時(shí)，呈現(xiàn)出較低的N2O排放。由AVL公司開(kāi)發(fā)的軟件和調(diào)節(jié)策略能在確保NH3逸出量較低的同時(shí)達(dá)到較高的NOx轉(zhuǎn)化率，并可將NOx轉(zhuǎn)化過(guò)程分配到兩級(jí)SCR系統(tǒng)中，以此支持DPF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)再生，從而可獲得更高的診斷自由度。此外，基于模型的方法還能有效地為學(xué)習(xí)功能提供數(shù)據(jù)。作為用于替代EHC的其他方法，研究人員還可采用停缸法，或者采用能使排氣門(mén)實(shí)現(xiàn)早開(kāi)的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)。

在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用單級(jí)SCR系統(tǒng)或兩級(jí)SCR（無(wú)EHC）系統(tǒng)有著較好的應(yīng)用前景，并可用作于使NOx排放限值降至50 mg/（hp·h）的折中方案。

試驗(yàn)研究表明，降低車(chē)輛在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)的NOx排放是1項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。在該方面，由AVL公司開(kāi)發(fā)的廢氣后處理系統(tǒng)認(rèn)證程序，為提升產(chǎn)品的可靠性及耐久性提供了重要的技術(shù)支持。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2021，82（3）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2021-03-19）