車用發(fā)動機(jī)快速提溫措施

任憲豐 王震華 楊帆 李云霞

摘要： 對比了不同型式的發(fā)動機(jī)快速暖機(jī)、提排溫從而讓催化器快速起燃的方法的優(yōu)劣勢。通過傳統(tǒng)廢氣控制閥式增壓控制方式和穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥增壓控制方式控制原理、以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，得出使用穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥增壓控制方式在發(fā)動機(jī)小負(fù)荷時(shí)有助于發(fā)動機(jī)快速提排溫以及提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

Abstract： The advantages and disadvantages of different types of engine fast warm up and the methods of raising exhaust temperature to make the catalyst light-off quickly are analyzed. Through the comparative analysis of the control principle and experimental data of the traditional wastegate control valve pressurization control mode and the stabilized pressure gas source wastegate control valve pressurization control mode， it is concluded that the use of the stabilized pressure gas source wastegate control valve pressurization control mode is helpful for the rapid increase of exhaust temperature and the improvement of engine economy at low engine load.

關(guān)鍵詞： 提排溫;催化器;起燃;穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥

Key words： raising exhaust temperature;catalyst;light-off;stable pressure gas source wastegatecontrol valve

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0219-02

0? 引言

環(huán)境污染的加劇，推動更嚴(yán)格的排放法規(guī)的實(shí)施。為滿足排放法規(guī)需求，發(fā)動機(jī)除了進(jìn)行機(jī)內(nèi)凈化，降低發(fā)動機(jī)原排，也需要使用后處理對尾氣進(jìn)行機(jī)外凈化。典型的滿足國六階段排放的柴油后處理系統(tǒng)為EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，而到國七階段，預(yù)測需要使用SCR雙噴策略。此外，隨著汽車保有量的增加，對石油的需求也不斷增加，而地球上石油資源日趨緊張。人們一直在尋求更廉價(jià)更環(huán)保的代用燃料。天然氣資源儲量大、安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行、污染較少、易存儲運(yùn)輸、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，和柴油機(jī)相比，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)使用理論空燃比+EGR+TWC，可滿足國六法規(guī)，天然氣成為目前流行的車用代用燃料。不論是柴油機(jī)還是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，后處理都需要達(dá)到一定的溫度才能起燃工作。在冷態(tài)WHTC循環(huán)中，催化器起燃之前的排放污染物有些能達(dá)到60%左右，對排氣系統(tǒng)的保溫，尤其是冷啟動階段的快速提溫，讓后處理快速起燃工作成為行業(yè)內(nèi)需要關(guān)注的問題。

1? 提溫保溫措施

目前常用的提溫保溫措施，一般可分為如下幾種：

①通過改變?nèi)紵齾?shù)提溫：對于柴油機(jī)，一般采用調(diào)軌壓，調(diào)整噴油提前角，使用后噴等策略，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)采用調(diào)整點(diǎn)火提前角，調(diào)整λ等;②增加加熱裝置，如在催化器之前加裝電加熱的加熱格柵;③增加硬件或利用現(xiàn)有硬件，開發(fā)提溫策略：如柴油機(jī)增加進(jìn)氣節(jié)流閥，在需要提溫保溫時(shí)，適當(dāng)減小進(jìn)氣節(jié)流閥開度，減少進(jìn)氣量，或者適當(dāng)減小排氣節(jié)流閥開度，增大背壓，促進(jìn)快速暖機(jī);④采用兩級催化器，其中一個(gè)是緊耦合催化器，使催化器盡量靠近發(fā)動機(jī)，減少熱損失;⑤增加保溫材料，如包裹隔熱棉、隔熱護(hù)套等。

這些方案各有利弊，在實(shí)際中均有應(yīng)用。如調(diào)整軌壓、噴油提前角等不需要增加成本，但會導(dǎo)致燃燒惡化，經(jīng)濟(jì)性變差;增加電加熱格柵，大部分是在冷啟動時(shí)使用，而冷啟動時(shí)，電池放電能力變差，如格柵加熱時(shí)間過長可能影響發(fā)動機(jī)啟動性能;采用進(jìn)氣節(jié)流閥，調(diào)整發(fā)動機(jī)進(jìn)氣，除了可快速提溫外，在DPF再生時(shí)，可通過減小進(jìn)氣量提升排溫;采用廢氣節(jié)流閥，需要將原來開關(guān)型驅(qū)動方式的排氣蝶閥更改為PWM型驅(qū)動方式，以控制廢氣蝶閥開度。

綜上可見，除了電加熱方式是使用電池能量對加熱格柵加熱以促進(jìn)催化器快速起燃之外，其他均是依靠發(fā)動機(jī)廢氣對催化器加熱。廢氣能量是提高催化器溫度最直接的來源，充分利用廢氣能量是提升催化器快速起燃的關(guān)鍵。

2? 廢氣控制閥

2.1 傳統(tǒng)PWM廢氣控制閥

對于增壓發(fā)動機(jī)，廢氣經(jīng)增壓器后再流過催化器。廢氣經(jīng)過增壓器后溫度下降，所含能量降低。發(fā)動機(jī)剛啟動時(shí)，所需的負(fù)荷較小，不需要較大的增壓壓力，對于傳統(tǒng)的廢氣控制閥式增壓器，如圖1所示，廢氣控制閥連接增壓后壓力、廢氣控制膜盒、大氣。當(dāng)廢氣控制閥占空比為0%時(shí)，增壓壓力和膜盒上端連通，廢氣控制閥控制壓力和排氣背壓大于彈簧預(yù)緊力，推動閥桿，將廢氣旁通閥打開，一部分廢氣通過廢氣旁通閥而不經(jīng)過渦輪直接排到渦后;當(dāng)廢氣控制閥占空比為100%時(shí)，增壓壓力和大氣相通，彈簧預(yù)緊力大于排氣背壓，將閥桿上拉，關(guān)閉廢氣旁通閥，使所有廢氣經(jīng)過渦輪做功，增壓壓力達(dá)到最大。當(dāng)需要控制增壓壓力時(shí)，通過控制廢氣控制閥占空比，將部分增壓壓力放到大氣中，調(diào)整推動膜盒的壓力來間接調(diào)整經(jīng)過廢氣旁通閥的廢氣流量，從而達(dá)到控制增壓壓力的目的。

在小負(fù)荷時(shí)，排氣壓力較低，增壓壓力也較低，即使廢氣控制閥占空比為0%，排氣背壓和廢氣控制閥控制壓力，即增壓壓力二者也克服不了彈簧預(yù)緊力，不能推動閥桿將廢氣旁通閥打開，所有廢氣仍將經(jīng)過增壓器渦輪才能進(jìn)入催化器。廢氣能量在經(jīng)過增壓器時(shí)被白白浪費(fèi)。

為利用在小負(fù)荷時(shí)的排氣能量，需要將廢氣旁通，使廢氣不經(jīng)過渦輪，而從廢氣旁通閥通過排出增壓器。這就需要在小負(fù)荷時(shí)將廢氣旁通閥打開。這就需要引入足夠的壓力，并且壓力可控。車輛上有壓縮空氣，合理利用壓縮空氣成為將廢氣旁通閥打開的關(guān)鍵。

2.2 穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥

通過使用穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥，見圖2。廢氣控制閥入口連接穩(wěn)定的壓縮空氣，出口連接增壓器膜盒，排氣口通大氣。當(dāng)占空比為0%時(shí)，進(jìn)氣口關(guān)閉，出口和排氣口連通，膜盒僅受到彈簧預(yù)緊力和排氣背壓，在彈簧預(yù)緊力作用下，廢氣旁通閥關(guān)閉，所有廢氣需經(jīng)過渦輪排出增壓器，當(dāng)占空比為100%時(shí)，進(jìn)氣口完全打開，進(jìn)氣口壓力和出氣口壓力相同，同時(shí)壓縮空氣從排氣口排出，在壓縮空氣、排氣背壓聯(lián)合作用下，克服彈簧預(yù)緊力，推動閥桿下移，打開廢氣旁通閥，使部分廢氣通過廢氣旁通閥，降低增壓壓力。當(dāng)需要控制增壓壓力時(shí)，通過控制廢氣控制閥占空比，將部分壓縮壓力放到大氣中，調(diào)整推動膜盒的壓力來間接調(diào)整經(jīng)過廢氣旁通閥的廢氣流量，從而達(dá)到控制增壓壓力的目的。

對比傳統(tǒng)PWM廢氣控制閥和穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥可知，傳統(tǒng)廢氣控制閥，占空比越大，增壓能力越強(qiáng)，而穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥，占空比越大，增壓能力越弱。

2.3 穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥試驗(yàn)

在一臺滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動機(jī)上對穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥進(jìn)行了轉(zhuǎn)速為1000rpm、1300rpm，負(fù)荷為300Nm、500Nm的試驗(yàn)，驗(yàn)證其對排氣溫度的影響。試驗(yàn)設(shè)備表1所示。

試驗(yàn)過程中保持中冷后溫度、點(diǎn)火角不變，調(diào)整不同的增壓器占空比，通過調(diào)整節(jié)氣門開度，使發(fā)動機(jī)輸出相同的扭矩，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

因在中小負(fù)荷區(qū)域試驗(yàn)，使用傳統(tǒng)廢氣控制閥時(shí)，當(dāng)廢氣控制閥占空比為0%時(shí)，增壓壓力較小，推不動閥桿，廢氣旁通閥不能打開。發(fā)動機(jī)性能表現(xiàn)和使用穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥在占空比為0%時(shí)相同。

由試驗(yàn)可知，在1000rpm，300Nm時(shí)渦后溫度提升12℃，氣耗率降低5g/kWh，500Nm時(shí)渦后溫度提升26℃，氣耗率降低4g/kWh;1300rpm，300Nm時(shí)渦后溫度提升8℃，氣耗率降低5g/kWh，500Nm時(shí)渦后溫度提升38℃，氣耗率降低6g/kWh。

隨著占空比增大，廢氣旁通閥被推開，部分廢氣不經(jīng)過渦輪而直接排出增壓器，減少了廢氣的熱損失，渦后排溫得以提升。因部分廢氣不經(jīng)過渦輪，增壓能力降低，為保持相同的扭矩輸出，需要增大節(jié)氣門開度以保證相同的進(jìn)氣量，節(jié)氣門開度增大，減小了泵氣損失，使氣耗率得以優(yōu)化。增壓壓力降低之后，在瞬態(tài)加速時(shí)，需要建立壓力之后才能輸出更大的扭矩，對加速性的影響未進(jìn)行瞬態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化。

3? 小結(jié)

①對比分析了不同的暖機(jī)、快速起燃催化器的方法，指出發(fā)動機(jī)提升排氣溫度仍是讓催化器快速起燃的主要途徑;②提出了使用穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥提升排溫的思路，并通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，在1000rpm、1300rpm中小負(fù)荷時(shí)提升渦后溫度8-38攝氏度不等，同時(shí)氣耗率降低約

5g/kWh;③使用穩(wěn)壓氣源式廢氣控制閥僅進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，因小負(fù)荷時(shí)增壓壓力降低，對瞬態(tài)加速的影響需要進(jìn)一步評估和優(yōu)化。

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