通過動態(tài)停缸以減少柴油機(jī)排放和燃油耗

S.K.CHEN H.J.SCHIFFGENS R.WANG M.SCASSA

減少燃油耗和廢氣排放一直是柴油機(jī)開發(fā)的重點(diǎn)?；凇皠討B(tài)停缸（DSF）”系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)這2個目標(biāo)。為了證明該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，Tula公司和FEV公司針對不同發(fā)動機(jī)類型和試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了大量仿真研究，并基于完整的動力總成平臺開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模型。

柴油機(jī);停缸;燃油耗;排放;仿真

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

0 前言

全球范圍內(nèi)的柴油機(jī)排放法規(guī)將會越來越嚴(yán)格。以美國為例，所有中型和重型柴油機(jī)必須符合0.2 g/（hp·h）①的NOx排放限值。同時還必須進(jìn)一步降低燃油耗。此外，美國加利福尼亞州空氣資源委員會（CARB）針對現(xiàn)有認(rèn)證循環(huán)（例如聯(lián)邦試驗(yàn)程序（FTP）和斜坡模型循環(huán)-補(bǔ)充排放試驗(yàn)（RMC-SET）），提出了更嚴(yán)格的氮氧化物（NOx）排放標(biāo)準(zhǔn)和低負(fù)荷循環(huán)（LLC）工況。為了滿足相關(guān)要求，降低廢氣排放和燃油耗一直是柴油機(jī)的開發(fā)重點(diǎn)。

1 動態(tài)停缸技術(shù)

近年來，許多文獻(xiàn)[1-4]已提出，停缸技術(shù)是減少燃油耗和提高排氣溫度的關(guān)鍵技術(shù)。較高的排氣溫度可以提高排氣后處理系統(tǒng)中的NOx轉(zhuǎn)換效率。此外，由于加熱催化器所需的后噴量較少，還可以進(jìn)一步降低燃油耗，并最大程度地緩解機(jī)油稀釋現(xiàn)象。這些優(yōu)勢有利于降低排氣后處理系統(tǒng)的成本。

動態(tài)停缸（DSF）是1項(xiàng)先進(jìn)的停缸技術(shù)。該技術(shù)可以選擇性地停用氣缸，使投入運(yùn)作的氣缸數(shù)量與達(dá)到預(yù)設(shè)要求所需的實(shí)際氣缸數(shù)量保持一致。

停缸時要考慮到最佳燃油耗和可接受的噪聲-振動-平順性（NVH）要求。通過量產(chǎn)汽油機(jī)已證明，DSF技術(shù)可顯著改善燃油耗[5-6]。

圖1比較了傳統(tǒng)停缸技術(shù)和DSF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。就柴油機(jī)而言，針對停缸過程會采用與汽油機(jī)不同的 配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)（圖2）。

2 仿真模型

Tula公司與FEV公司開展合作，使用由FEV開發(fā)的動力總成仿真平臺進(jìn)行仿真。該方法可以對熱能和流體的瞬態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)仿真，從而實(shí)現(xiàn)模型精度與計(jì)算速度之間的良好折中。建模過程從發(fā)動機(jī)模型仿真開始，研究人員須對其進(jìn)行一維穩(wěn)態(tài)計(jì)算。為了全面了解發(fā)動機(jī)的運(yùn)行特性，研究人員需要確定各種穩(wěn)態(tài)特性圖，包括過量空氣系數(shù)、發(fā)動機(jī)出口處的排放溫度、摩擦、換氣損失，以及指示熱效率等參數(shù)。然后，研究人員可將發(fā)動機(jī)特性圖集成到試驗(yàn)循環(huán)模型中，該模型包括基于特性圖的傳動系統(tǒng)模型和排氣后處理模型。

研究人員通過FEV數(shù)據(jù)庫對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然沒有傳統(tǒng)停缸技術(shù)的測量數(shù)據(jù)，但研究人員通過在GT-Suite平臺上建立的快速運(yùn)行模型（FRM）可得出不同點(diǎn)火情況下的發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性。在確定DSF工作范圍時，研究人員需要考慮到NVH和發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性的限制，例如最小過量空氣系數(shù)、渦輪增壓器喘振極限，以及可實(shí)現(xiàn)的廢氣再循環(huán)（EGR）率等。NVH限值由特性圖確定，該特性圖在主觀額定值和客觀測量值的基礎(chǔ)上，示出了不同點(diǎn)火密度和轉(zhuǎn)速下的最大扭矩。在DSF應(yīng)用中，確定的扭矩限值高于基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性而設(shè)定的限值。

3 輕型柴油機(jī)應(yīng)用結(jié)果

研究人員開發(fā)了1款仿真模型，以研究輕型車用柴油機(jī)DSF技術(shù)應(yīng)用（dDSF）的優(yōu)勢。研究過程涵蓋了2個典型的車輛平臺，即中型運(yùn)動型多功能汽車（SUV）和C級緊湊型汽車，并在全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）和實(shí)際駕駛循環(huán)排放（RDE）標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)下進(jìn)行試驗(yàn)。仿真所研究的這2款車型均配裝了2.0 L 4缸直列柴油機(jī)，柴油機(jī)采用高壓和低壓EGR及可變幾何參數(shù)渦輪增壓器（VGT）。排氣后處理系統(tǒng)由近發(fā)動機(jī)布置的氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原（SCR）涂層式顆粒捕集器（SDPF），以及被動式底部SCR催化轉(zhuǎn)化器所組成。

如圖3的熱力學(xué)損失分布所示，在停缸期間降低的燃油耗是多種因素的結(jié)果，這些因素包括減少的熱損失和換氣損失、提高的燃燒效率及DCCO系統(tǒng)等。DCCO系統(tǒng)有效優(yōu)化了通過排氣裝置后的冷空氣流量，從而防止排氣溫度下降。由此可見，與其他技術(shù)相比，停缸技術(shù)是1項(xiàng)更有效的措施，可以提高排氣溫度并減少燃油耗。

圖4總結(jié)了dDSF技術(shù)應(yīng)用在不同行駛循環(huán)和車輛平臺上的燃油耗和NOx排放優(yōu)勢。由圖可知，在發(fā)動機(jī)相同的情況下，采用dDSF技術(shù)的乘用車的NOx排放量明顯低于采用dDSF技術(shù)的SUV。這是因?yàn)镾UV的質(zhì)量要多出480 kg且空氣阻力更大，從而大幅縮小了dDSF的應(yīng)用范圍。RDE循環(huán)中的燃油經(jīng)濟(jì)性略好于WLTC。更重要的是，RDE循環(huán)中的NOx排放改善情況明顯優(yōu)于WLTC工況（乘用車分別為14.0%和8.9%，SUV分別為5.2%和0%）。這是因?yàn)镽DE工況中的平均負(fù)荷低于WLTC工況中的平均負(fù)荷，從而擴(kuò)大了dDSF的工作范圍。較高的排氣溫度可以提高排氣后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，這是dDSF技術(shù)可以減少NOx排放的主要原因。

在瞬態(tài)循環(huán)中，變速器換檔策略對dDSF技術(shù)的燃油耗和NOx減排潛力也會產(chǎn)生重大影響。在合適的變速器換檔策略中，升檔點(diǎn)被延后至更高的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)。發(fā)動機(jī)平均轉(zhuǎn)速從1 250 r/min提高到1 550 r/min，平均扭矩需求從0.45 MPa降至0.36 MPa，從而使dDSF技術(shù)的應(yīng)用范圍更廣，由此減少了燃油耗并提高了排氣溫度。dDSF技術(shù)能有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并可充分改善在更高轉(zhuǎn)速工況下的燃油耗增加現(xiàn)象?？傮w而言，SUV的燃油耗降低了4.8%，乘用車的燃油耗降低了5.7%。

4 中型柴油機(jī)應(yīng)用結(jié)果

研究人員在配備直列6缸發(fā)動機(jī)（具有帶放氣閥的單級渦輪增壓器和高壓EGR）及相應(yīng)排氣后處理系統(tǒng)（含DOC、顆粒捕集器（DPF）、SCR和氨氧化催化器（ASC））的車輛上針對中型發(fā)動機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用仿真。針對未來排放法規(guī)，研究人員采用了以下試驗(yàn)循環(huán)：由美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）制定的重型聯(lián)邦試驗(yàn)程序（HD FTP）、全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）和LLC工況。CARB已對各種LLC工況進(jìn)行了評估，指定第7號（LLC7）循環(huán)為附加認(rèn)證。研究人員在HD FTP循環(huán)之后開展了該項(xiàng)試驗(yàn)，并將發(fā)動機(jī)預(yù)熱20 min。LLC7是美國西南研究院針對重型道路發(fā)動機(jī)的低NOx排放限值而開發(fā)的，其體現(xiàn)了貨車在市區(qū)高峰時段的真實(shí)行駛狀態(tài)，并具有負(fù)荷較低的特點(diǎn)。研究人員選擇了較長的周期以開展該項(xiàng)試驗(yàn)，從而確保發(fā)動機(jī)及其排氣后處理系統(tǒng)的持續(xù)主動熱管理能滿足限值要求。LLC工況與HD FTP試驗(yàn)的參數(shù)對比如下：平均速度分別為16.5 km/h和30.0 km/h;運(yùn)行里程分別為25.0 km和10.3 km;平均負(fù)荷分別為5%～10%和20%～25%。

圖5示出在LLC7循環(huán)中，dDSF技術(shù)在SCR催化轉(zhuǎn)化器入口的溫度、NOx轉(zhuǎn)化效率，以及NOx排放等方面的優(yōu)勢。結(jié)果表明，SCR入口溫度得以顯著提高，并且在循環(huán)的大部分工況范圍內(nèi)均超過200 °C。由于排氣溫度較高，且催化轉(zhuǎn)化器中的空間速度較低，因而NOx排放量可減少77%。如果通過后噴策略提高排氣溫度，則會使CO2排放提高5%～7%。

圖6總結(jié)了dDSF技術(shù)在不同行駛循環(huán)中以降低NOx和CO2排放的優(yōu)勢。由圖可知，采用dDSF技術(shù)可以同時降低排放和燃油耗。在FTP循環(huán)中，dDSF技術(shù)使NOx排放量降低了50%，同時使燃油耗降低了3.5%。同樣地，在LLC7循環(huán)中，dDSF技術(shù)使NOx排放量降低了77%，使燃油耗降低了8.9%。

5 結(jié)論

DSF是1項(xiàng)先進(jìn)的停缸技術(shù)，目前已應(yīng)用于量產(chǎn)汽油機(jī)。應(yīng)用于柴油機(jī)的dDSF技術(shù)是DSF技術(shù)的擴(kuò)展，其具有同時減少廢氣排放和燃油耗的潛力。減少的傳熱和換氣損失、提高的燃燒效率及DCCO系統(tǒng)的應(yīng)用是DSF技術(shù)可以改善整機(jī)燃油耗的主要原因。NOx排放的降低則主要?dú)w因于更高的排氣溫度及由此產(chǎn)生的更高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

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