超低氮氧化物排放的乘用車柴油機(jī)

J.DEMUYNCK C.FAVRE D.BOSTEELS F.BUNAR

為解決實(shí)驗(yàn)室測試與實(shí)際使用柴油車排放之間的差距問題，汽車行業(yè)引入實(shí)際行駛排放（RDE）要求。現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)證明，可以在寬泛行駛工況下實(shí)現(xiàn)車輛在道路上的低排放。研究進(jìn)一步表明，通過綜合采用一體化的排放控制技術(shù)，可以在超過歐六d RDE要求的寬泛行駛工況下實(shí)現(xiàn)持續(xù)的低氮氧化物（NOx）排放和低顆粒數(shù)量（PN）排放。采用稀薄氮氧化物捕集技術(shù)（LNT）與雙劑量尿素噴射選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)相結(jié)合，通過綜合采用LNT和SCR催化劑涂覆柴油機(jī)顆粒物捕集器（SDPF）上的緊密耦合SCR系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷NOx控制。另一方面，通過裝有AdBlueGA16A噴射器的下置SCR系統(tǒng)涵蓋了高負(fù)荷工況的NOx控制。采用P0 48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)也可以輔助NOx控制，以確保良好的駕駛性能和燃油效率。采用先進(jìn)的控制策略，確保在所有排放控制功能之間實(shí)現(xiàn)最佳交互。該系統(tǒng)在1輛C級試驗(yàn)樣車上進(jìn)行驗(yàn)證。在道路上和實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一系列綜合測試，以涵蓋寬泛的行駛工況。特別關(guān)注了市區(qū)和高速公路行駛工況下排放性能的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，在所有行駛工況下，每種后處理組件都有助于實(shí)現(xiàn)持續(xù)的低NOx排放。研究表明， SDPF可有效控制顆粒排放。實(shí)際道路行駛工況;氮氧化物控制;顆粒物排放

0 前言

歐盟關(guān)于輕型車輛的排放法規(guī)在過去幾年中發(fā)生了重大變化。歐盟制定并實(shí)施了全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程（WLTP），從而更能代表車輛正常使用時(shí)的燃料消耗和CO2排放。同時(shí)，1部四合一的實(shí)際行駛排放（RDE）法規(guī)也已經(jīng)生效。該法規(guī)規(guī)定了乘用車和輕型商用車道路工況下的氮氧化物（NOx）和顆粒數(shù)量（PN）排放。現(xiàn)在，整車制造商必須保證，車輛在任何行駛工況下，排放都應(yīng)低于RDE邊界條件規(guī)定的最大值[1]。RDE排放考慮到了路線特性、行駛動(dòng)力學(xué)和環(huán)境條件這些影響因素。這些要求不僅適用于包括市區(qū)、農(nóng)村和高速公路在內(nèi)的整個(gè)行程，也可單獨(dú)適用于市區(qū)。

實(shí)驗(yàn)室測試與實(shí)際使用柴油車排放之間的差距問題得到了解決?，F(xiàn)代柴油技術(shù)證明，在寬泛行駛工況下，車輛可以在道路上實(shí)現(xiàn)低排放[2-6]。更為重要的是，歐盟市場上已有700多款滿足RDE法規(guī)要求的柴油車（自2017年9月起已通過型式認(rèn)證，排放達(dá)到歐六d-TEMP標(biāo)準(zhǔn)的車型[7]）。圖1表示車輛在符合RDE工況要求的路線上的NOx排放，包括市區(qū)、鄉(xiāng)村和高速公路行駛工況[8]。與之前柴油車相比，符合RDE法規(guī)要求的柴油車的NOx排放大幅下降，這些數(shù)據(jù)在型式認(rèn)證RDE測試中通過車載排放測試系統(tǒng)可獲取[9-10]?？梢钥闯?，在整個(gè)測試范圍及僅在市區(qū)部分，NOx排放均有所改善。

圖2所示為NOx尾管排放隨著車輛平均速度和負(fù)荷的變化情況。RDE法規(guī)生效之前的車輛，型式認(rèn)證限制于新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（NEDC）。這是1種實(shí)驗(yàn)室測試，以單個(gè)平均速度/負(fù)荷值為特征，圖2給出了NOx排放值。在公共道路行駛中，試驗(yàn)條件更寬廣，包括行駛路線、道路坡度、車輛負(fù)載、行駛方式和環(huán)境條件，RDE之前車輛的NOx排放通常會有所增加。近年來，為了滿足RDE法規(guī)的要求，通過對動(dòng)力裝置和排放控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，顯著改善了更寬廣行駛工況下尾管NOx排放控制的穩(wěn)定性。

作為“后歐六”研究的一部分，歐盟委員會正在考慮是否進(jìn)一步修正和拓展法規(guī)框架內(nèi)的元素。RDE試驗(yàn)所覆蓋的行駛工況是當(dāng)前考慮的“后歐六”元素的一部分。

進(jìn)一步目標(biāo)顯示，在包括接近圖2邊緣挑戰(zhàn)性條件在內(nèi)的寬泛運(yùn)行工況下，具有低的NOx排放和低顆粒數(shù)量排放水平，同時(shí)保持CO2的排放水平。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，將柴油機(jī)顆粒物捕集器（DPF）與NOx排放控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于1輛輕度混合動(dòng)力柴油轎車上。軟件中各項(xiàng)技術(shù)的功能控制集成是關(guān)鍵，更為明確的目標(biāo)定位是代表市區(qū)行駛的平均低速和代表高速公路行駛的平均高速。

1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

1.1 車輛和動(dòng)力裝置

試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)車是1輛裝有柴油機(jī)的C級轎車，其最初通過了歐六b型式認(rèn)證。車輛裝有6速手動(dòng)變速箱，前輪驅(qū)動(dòng)。車輛測試質(zhì)量為1 700 kg，包括司機(jī)和車載尾管排放測試系統(tǒng)（PEMS）在內(nèi)。

車輛使用4缸、2氣門的小型化柴油機(jī)，排量為15 L，壓縮比為15.5，額定功率為54 kW/L（4 000 r/min），扭矩為173 N·m（1 700 r/min）。發(fā)動(dòng)機(jī)裝有160 MPa高壓共軌噴油系統(tǒng)（電磁噴油器）。單級可變截面渦輪增壓器裝有電動(dòng)執(zhí)行器和空-空中冷器。通過綜合采用非冷卻高壓和冷卻低壓廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)來降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放，該系統(tǒng)通過低壓EGR系統(tǒng)下游的廢氣壓力閥支撐。

1.2 排氣后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制

在拆除了原來的排氣后處理系統(tǒng)后，取而代之的是稀燃NOx捕集器（LNT）+雙選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，如圖3所示。1.4 L LNT主要在低速市區(qū)行駛工況下自動(dòng)處理NOx排放。LNT緊密耦合低熱質(zhì)SCR，以優(yōu)化冷起動(dòng)后SCR的起燃特性，并用來支撐LNT。緊密耦合SCR由1.6 L SCR片和涂覆在DPF之上的2.4 L SCR催化器（SDPF）組成。這能夠使車輛在市區(qū)行駛排氣溫度低的工況下，在LNT和SCR清除NOx的性能之間達(dá)到最佳協(xié)同，如圖4所示。

針對高速和高負(fù)荷行駛工況，在底盤下面安裝了第2個(gè)SCR催化器和氨逃逸催化器（ASC）。相比緊密耦合SCR系統(tǒng)，這些下游催化器承受的溫度較低，從而使其在較高車輛速度/負(fù)荷下更加有效。與第2個(gè)AdBlueGA16A定量供給單元相結(jié)合，改善了高速道路行駛條件下（高速、高負(fù)荷和渦輪后溫度）的NOx凈化性能，如圖4所示?？傊刂艢夤苈凡贾貌煌M件的組合，改善了系統(tǒng)在寬泛行駛工況下的NOx清除性能。該研究的目標(biāo)并不是評估所有可能的替代系統(tǒng)，其他方法也可以實(shí)現(xiàn)低排放。

為了實(shí)現(xiàn)較高的NOx轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)防止NH3逃逸，需要根據(jù)排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)NOx瞬態(tài)排放水平，自動(dòng)精確調(diào)整各個(gè)SCR組件內(nèi)NH3的存儲量。為了單獨(dú)控制雙SCR系統(tǒng)的不同組件，并且與AdBlueGA16A噴射器進(jìn)行協(xié)作，引入了基于模型的閉環(huán)定量噴射控制軟件，在SCR組件上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、低維模型化。基于每個(gè)組件入口的信息，計(jì)算所謂的相關(guān)狀態(tài)，如NH3的存儲量、各催化器中NOx和NH3的濃度，或者是在車上無法測量的任何其他參數(shù)。為了使各SCR組件達(dá)到最佳性能，通過交互式存儲量控制器控制各SCR內(nèi)NH3的存儲估算量?？紤]到系統(tǒng)偏差，以及傳感器和執(zhí)行器的漂移，根據(jù)下游NOx傳感器測量的信息，通過1種擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）不斷檢測SCR模型，使各SCR組件保持高效的NOx清除性能。這種對2個(gè)SCR系統(tǒng)中NH3存儲量進(jìn)行的閉環(huán)控制，使尿素噴射系統(tǒng)硬件中出現(xiàn)的任何誤差都具有高度的穩(wěn)定性。預(yù)計(jì)閉環(huán)運(yùn)行會成為1個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)功能，可以更好地處理傳感器/執(zhí)行器的偏差。這種穩(wěn)定的控制功能與耐久性良好的硬件組件相結(jié)合，極大地穩(wěn)定了在整個(gè)生命周期內(nèi)NOx的清除性能。

增加第2個(gè)定量噴射系統(tǒng)的好處是減少低壓EGR管道內(nèi)NH3的形成（第2個(gè)定量噴射單元位于廢氣汲取點(diǎn)的下游），并減少高溫下NH3的氧化。在對單個(gè)定量噴射器AdblueGA16A噴射量需求大時(shí)，緊密耦合SCR系統(tǒng)上游會導(dǎo)致上述不利情況。

這項(xiàng)工作中使用的所有催化劑組件都是按照能夠代表車輛壽命的水熱爐老化程序進(jìn)行測試的。此外，在最終排放測試之前，項(xiàng)目期間累計(jì)約15 000 km。

1.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)布局和控制

48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)（EM）通過皮帶驅(qū)動(dòng)，靠近位于P0位置的4缸柴油機(jī)。集成電動(dòng)機(jī)可以輔助內(nèi)燃機(jī)，電功率高達(dá)10 kW。在加速期間，電動(dòng)機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低燃油消耗和CO2排放。在車輛靜止時(shí)，可通過起停功能進(jìn)一步降低CO2排放。在減速和制動(dòng)期間，電動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)以回收動(dòng)能，并向電池充電。車輛在起動(dòng)或加速期間，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將進(jìn)一步提供驅(qū)動(dòng)扭矩，提高車輛反應(yīng)性的同時(shí)避免變速機(jī)構(gòu)調(diào)低速檔。

本項(xiàng)目還為48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)額外增加了以下排放控制功能：（1）后處理系統(tǒng)的主動(dòng)熱管理，使排氣溫度達(dá)到或高于催化劑起燃溫度。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，給內(nèi)燃機(jī)了增加額外的負(fù)載。（2）在低負(fù)荷工況下，輔助LNT再生。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，吸收駕駛員需求扭矩產(chǎn)生的波動(dòng)，否則可能會中斷LNT再生過程。（3）在瞬態(tài)行駛工況下，扭矩變化梯度大，會顯著增加NOx排放。在這些瞬態(tài)階段，電動(dòng)機(jī)可輔助發(fā)動(dòng)機(jī)降低排放峰值。

功能1和功能2可確保車輛在市區(qū)行駛工況冷起動(dòng)后的早期進(jìn)行NOx清除。圖5所示為第2個(gè)功能。圖5（a）為發(fā)動(dòng)機(jī)車輛和燃燒模式（NRM=正常、NPU=NOx清除），圖5（b）為動(dòng)力裝置系統(tǒng)的不同扭矩。該功能可以對低負(fù)荷行駛工況下的恒定扭矩進(jìn)行補(bǔ)償，也可以作為變扭矩來穩(wěn)定駕駛員需求扭矩產(chǎn)生的波動(dòng)。借助48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩保持在1個(gè)使LNT可穩(wěn)定再生的區(qū)域。在這些條件下，如果沒有48 V輕混系統(tǒng)的支持，LNT不可能再生。這為LNT再生創(chuàng)造了額外的機(jī)會，從而改善了NOx排放控制，尤其是在市區(qū)行駛工況下。

1.4 排放試驗(yàn)

本項(xiàng)目的目標(biāo)是驗(yàn)證寬泛行駛工況下的低排放性能。除了法規(guī)性排放試驗(yàn)外（包括全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）和RDE工況），還進(jìn)行了不同的道路和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，試驗(yàn)條件包括市區(qū)（柏林及倫敦交通局“低峰時(shí)段”循環(huán)）、上坡（德國的哈爾茨山，高達(dá)700 m）和柏林附近的高速公路（車速達(dá)160 km/h）。

部分試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)、車輛速度蹤跡和排氣溫度直方圖如圖6和圖7所示。從倫敦交通局“低峰時(shí)段”循環(huán)（TfL）到WLTC工況，再到RDE和高速公路工況，發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖覆蓋面積依次增大。由于C級車1.5 L小型化柴油機(jī)獨(dú)有的特性，WLTC工況、RDE工況和高速公路工況包含了全負(fù)荷運(yùn)行。渦輪下游溫度至少達(dá)到200 ℃所需的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷條件在發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖中也有所顯示。TfL工況試驗(yàn)主要包括低負(fù)荷運(yùn)行，通常低于200 ℃的水平線。距離短（9 km）、車輛平均速度低（13.9 km/h，包括怠速），使冷起動(dòng)試驗(yàn)非常具有挑戰(zhàn)性。在進(jìn)行WLTC工況、RDE工況和高速公路工況試驗(yàn)時(shí)，排氣溫度直方圖移向較高溫度。

圖8示出不同排放試驗(yàn)的環(huán)境條件范圍，涉及2種不同的海拔高度。RDE路線1和實(shí)驗(yàn)室測試在海拔高度低于100 m的位置上進(jìn)行，RDE路線2靠近700 m的海拔高度，該試驗(yàn)也包括更為動(dòng)態(tài)的行駛，達(dá)到了RDE的邊界條件（1 200 m/100 km）。

2 結(jié)果與討論

2.1 NOx排放

本文介紹寬泛行駛工況下所測量的NOx排放。首先討論平均行駛條件下的排放結(jié)果，然后分別對市區(qū)和高速行駛工況下的排放進(jìn)行更為詳細(xì)地分析。

圖9示出RDE工況和WLTC工況下測量的NOx排放。根據(jù)平均環(huán)境溫度，從左到右對結(jié)果進(jìn)行分類。包括道路和實(shí)驗(yàn)室RDE試驗(yàn)結(jié)果。NOx排放范圍為8～16 mg/km。在試驗(yàn)期間，環(huán)境溫度對NOx的排放范圍沒有影響。

圖10為市區(qū)行駛期間所測量的NOx排放。圖中所示為RDE試驗(yàn)（道路和實(shí)驗(yàn)室）和2種專用的市區(qū)排放試驗(yàn)（柏林道路行駛和實(shí)驗(yàn)室倫敦交通局循環(huán)）數(shù)據(jù)。研究人員根據(jù)環(huán)境溫度再一次對結(jié)果進(jìn)行分類。在這些工況下，NOx排放持續(xù)保持在低水平，排放范圍為24～47 mg/km，沒有觀察到環(huán)境溫度對試驗(yàn)的影響。

圖11示出在RDE工況試驗(yàn)的市區(qū)部分，不同后處理組件對降低NOx排放所做的貢獻(xiàn)。該試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放為373 mg/km，LNT和緊密耦合SCR+SDPF的貢獻(xiàn)幾乎相同，該試驗(yàn)中NOx的清除效率達(dá)到92%，尾管NOx排放為31 mg/km。

如上所述，系統(tǒng)控制措施的實(shí)施，使冷起動(dòng)后市區(qū)工況下NOx在早期進(jìn)行轉(zhuǎn)化。貢獻(xiàn)主要源自LNT再生的穩(wěn)定性和主動(dòng)熱管理。圖12示出這些措施的改進(jìn)，以及倫敦交通局循環(huán)下累積的NOx排放。在不采用額外的系統(tǒng)控制功能時(shí)，尾管NOx排放測量值為216 mg/km。激活LNT再生穩(wěn)定和主動(dòng)熱管理后，NOx排放改善80%，為47 mg/km。

在專用的高速公路試驗(yàn)期間，對高速道路排放進(jìn)行了研究，包括最高時(shí)速160 km/h下的排放。分別對不同試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行研究，以檢測車輛平均速度對NOx的影響。依據(jù)所選區(qū)段得到平均速度，速度范圍為75～140 km/h。圖13詳細(xì)分析了不同試驗(yàn)區(qū)段NOx排放的減少。具有挑戰(zhàn)性的行駛條件增加了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放從124 mg/km增加到1 465 mg/km。LNT覆蓋最大部分的NOx控制，直到車速達(dá)到80 km/h。當(dāng)車速更高時(shí)，緊密耦合SCR+SDPF覆蓋了最大部分的NOx控制。在所有高速工況下，都需要下置的SCR確保持續(xù)低的NOx排放。下置的SCR能使緊密耦合的SCR+SDPF在NH3供給較高的情況下運(yùn)行，尾管沒有NH3泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，輔助SCR+SDPF更大程度地降低NOx排放。尾管NOx排放不等，在2～49 mg/km之間。NOx清除效率不等，在96%～99%之間。

圖14示出了尾管NOx排放隨著車輛速度的變化。在所涵蓋的行駛條件下，NOx排放測量值持續(xù)低，不僅反映了車輛速度的影響，也反映了試驗(yàn)初始冷起動(dòng)的影響。圖15示出了整個(gè)系統(tǒng)NOx清除效率的變化。

在WLTC工況和RDE工況試驗(yàn)中，主動(dòng)熱管理的使用導(dǎo)致CO2排放升高，但是升高值低于3%。在這些試驗(yàn)中，尿素消耗每1 000 km低于1.5 L。NH3泄漏保持低于10 mg/L（峰值）和1 mg/km（總測試結(jié)果）的狀態(tài)。

2.2 顆粒物排放

圖16和圖17分別示出了測得的顆粒物數(shù)量（PN）和顆粒物質(zhì)量（PM）排放。PM排放僅在WLTC工況、RDE滾筒試驗(yàn)臺（RTB）和倫敦交通局循環(huán)下的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中測得。道路RDE試驗(yàn)中也測得了PN排放。PN排放在8×109/km和7×1010/km之間。在實(shí)驗(yàn)室中還通過WLTC工況和RDE滾筒試驗(yàn)臺測量了小于23 nm的顆粒數(shù)量，但是未觀察到有顯著的貢獻(xiàn)。PM排放小于0.5 mg/km。這些結(jié)果說明，在所有行駛工況下，柴油機(jī)顆粒物捕集器可有效控制顆粒物排放。

2.3 其他排放

CO排放情況如圖18所示。在WLTC工況和RDE工況試驗(yàn)中，CO排放低于0.5 mg/km。觀察到倫敦運(yùn)輸循環(huán)中CO有所增加，原因是主動(dòng)熱管理中受到了后噴的影響。THC排放也有類似的結(jié)果（圖19）。

進(jìn)一步優(yōu)化TfL工況上的CO和THC排放是可能的。這需要根據(jù)LNT溫度對后噴燃油量進(jìn)行微調(diào)，但是這超出了項(xiàng)目范圍。

為了防止尾管NH3泄漏，研究內(nèi)置了不同的機(jī)制。通過基于模型的SCR控制，實(shí)現(xiàn)最佳的NH3負(fù)載，而且無泄漏。雙尿素噴射的雙SCR的優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)o耦合的SCR+SDPF和下置的SCR分別進(jìn)行控制。此外，下置SCR能夠使SCR+SDPF的NH3負(fù)載指標(biāo)更高。最后，通過增加氨泄漏催化劑來轉(zhuǎn)化剩余的NH3。

圖20示出在RDE道路試驗(yàn)期間，緊密耦合SCR+SDPF和下置SCR的NH3負(fù)載和泄漏。在RDE工況試驗(yàn)中，尾管NH3泄漏被控制在10 mg/L以下。

3 結(jié)論

研究表明，將可用的催化劑技術(shù)和改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理控制功能相結(jié)合，在寬泛行駛工況下，柴油NOx排放始終可以保持在非常低的水平。

研究人員將LNT+雙SCR后處理系統(tǒng)、48 V輕混和高低壓EGR柴油機(jī)優(yōu)化集成于1輛C級試驗(yàn)車。除了扭矩輔助和制動(dòng)能量回收外，各種混合輔助功能還用于NOx排放控制（LNT再生的穩(wěn)定、對主動(dòng)熱管理的貢獻(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx控制的支持）?；谀Ｐ偷腟CR控制，實(shí)現(xiàn)高效的NOx清除，無氨泄漏。

為了檢驗(yàn)在寬泛行駛條件下NOx控制的穩(wěn)定性，研究人員進(jìn)行了大量的排放試驗(yàn)。試驗(yàn)主要關(guān)注市區(qū)和高速行駛工況。在WLTC和RDE試驗(yàn)下，NOx排放水平超低。通過對各排放控制組件貢獻(xiàn)的綜合優(yōu)化，系統(tǒng)在專用的市區(qū)和高速行駛工況下，保持高效的NOx清除效率，轉(zhuǎn)化效率高于84%。各個(gè)后處理部件（LNT、緊耦合SCR/SDPF和下置SCR）都有助于NOx排放持續(xù)保持在較低的水平。

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