高原場(chǎng)景皮卡用輕型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

朱萬冬，李明星，周益善，劉林，陳土潤

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005)

0 前言

輕型車國六b排放法規(guī)限值與國五排放法規(guī)限值相比，其氮氧化物(NOx)排放量限值降低約90%。為了應(yīng)對(duì)NOx排放量限值的大幅度下降，后處理方案需要進(jìn)行更大的升級(jí)，包括增加被動(dòng)NOx吸附(PNA)系統(tǒng)、稀燃NOx捕集(LNT)系統(tǒng)、選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)或選擇性催化還原柴油機(jī)顆粒捕集器(SDPF)等；排放及車載診斷(OBD)系統(tǒng)的環(huán)境溫度控制邊界從常溫平原工況擴(kuò)展至-7～35 ℃，海拔控制邊界擴(kuò)展至0～2 400 m。國六b全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)(WLTC)工況與國五新歐洲測(cè)試循環(huán)(NEDC)工況的NOx排放量限值(考慮了劣化系數(shù)，基準(zhǔn)質(zhì)量>1 760 kg)差異見表1。

表1 國六b WLTC工況與國五NEDC工況的NOx排放量限值差異

輕型車國六b排放法規(guī)增加了實(shí)際道路排放(RDE)工況，對(duì)駕駛行為提出了明確的要求，通過增加相對(duì)正向加速度(RPA)限定駕駛狀態(tài)過于平緩，同時(shí)通過車速與加速度的乘積限定駕駛狀態(tài)過于激烈。通過CO2排放窗口合理性評(píng)估中的CO2特性曲線，建立了WLTC工況與RDE工況的相關(guān)性。該特性曲線來源于RDE工況Ⅰ型試驗(yàn)低速段、高速段和超高速段的平均車速及CO2排放因子[1-2]。

針對(duì)不同的駕駛行為，RDE工況試驗(yàn)中實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)域會(huì)存在較大差異。排放控制策略需要滿足不同駕駛行為要求；需要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)平原/高原的運(yùn)行特性進(jìn)行優(yōu)化，以滿足平原/高原的整車排放控制要求。RDE工況不同駕駛行為下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況如圖1所示。由圖1可知，正常駕駛時(shí)車輛加速較為平緩，在正常升檔情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域主要集中于中低速區(qū)域，中低轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷區(qū)域占比較大；激烈駕駛時(shí)車輛加速較為急促，檔位偏低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更高、負(fù)荷區(qū)域更寬，中高轉(zhuǎn)速和中小負(fù)荷占比較大。RDE工況中不同駕駛行為對(duì)排氣溫度的影響如圖2所示。由圖2可知，在RDE工況的測(cè)試過程中，受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域的影響，激烈駕駛的排氣溫度高于正常駕駛，市郊和高速路段尤為明顯。因此，輕型車國六b排放法規(guī)對(duì)排放量限值、駕駛環(huán)境、駕駛行為、駕駛工況等要求都更加嚴(yán)格，輕型皮卡要達(dá)到國六b的高原排放要求是重大挑戰(zhàn)[3]。

圖1 RDE工況不同駕駛行為下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況

圖2 RDE工況中不同駕駛行為對(duì)排氣溫度的影響

1 高原場(chǎng)景輕型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)開發(fā)

本文介紹了一款滿足輕型車國六b排放法規(guī)要求的高原場(chǎng)景皮卡用輕型柴油機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)本體采用先進(jìn)空氣管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可變截面增壓器(VGT)全工況控制、EGR和節(jié)氣門智能控制，通過對(duì)燃燒室、噴油器、氣缸蓋等部件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合軌壓、正時(shí)、預(yù)噴射等參數(shù)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低排放量、低燃油耗的開發(fā)目標(biāo)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的控制架構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)的控制架構(gòu)

圖4 燃燒系統(tǒng)的控制架構(gòu)

1.2 后處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在冷機(jī)、低溫等惡劣

圖5 后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工況下，后處理系統(tǒng)通過智能熱管理和SCR前置系統(tǒng)，可快速升溫并保持溫度，保證整個(gè)系統(tǒng)始終處于高效區(qū)，良好地控制整車排放。通過第1級(jí)DOC實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣排放中碳?xì)?HC)、CO的氧化處理和SCR系統(tǒng)前排氣的溫度提升。與傳統(tǒng)方案相比，通過SCR前置系統(tǒng)，可以快速提升SCR系統(tǒng)前排氣溫度，提高SCR轉(zhuǎn)化效率；通過噴射HC和第2級(jí)DOC的氧化溫升，可提升DPF前排氣溫度，達(dá)到DPF再生條件。DPF再生期間，SCR系統(tǒng)入口最高溫度低于500 ℃，不會(huì)對(duì)SCR系統(tǒng)造成明顯的劣化影響。DPF再生過程中的溫度曲線如圖6所示。由圖6可知，DPF再生過程中SCR系統(tǒng)入口溫度均在500 ℃以下，DPF入口溫度穩(wěn)定在550～620 ℃，保證了DPF再生所需的溫度。

圖6 DPF再生過程中的溫度曲線

通過發(fā)動(dòng)機(jī)本體、后處理系統(tǒng)的硬件優(yōu)化和標(biāo)定優(yōu)化，整車WLTC工況下NOx排放量為22.96 mg/km，100 km顆粒數(shù)(PN)為1.7×109，NEDC工況下100 km燃油耗為7.5 L，其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國六b排放法規(guī)要求，見表3。

表3 WLTC工況下的污染物排放結(jié)果

1.3 高原場(chǎng)景RDE工況的匹配設(shè)計(jì)開發(fā)

在高原場(chǎng)景的標(biāo)定過程中，RDE工況最關(guān)注的是整車排放情況，除了需要開展常規(guī)標(biāo)定如增壓器保護(hù)、DPF再生、DPF累炭、動(dòng)力性能標(biāo)定外，應(yīng)特別關(guān)注高原場(chǎng)景下的排放控制。RDE工況中CO2窗口合理性評(píng)估的CO2特性曲線來源于Ⅰ型試驗(yàn)WLTC低速段、高速段和超高速段的平均車速及CO2排放因子，同時(shí)RDE工況和WLTC工況有部分交叉與重疊，DPF累炭、燃油耗等都需要兼顧，因此高原RDE工況的排放標(biāo)定需要開展WLTC排放聯(lián)調(diào)和DPF累炭工況的驗(yàn)證。高原場(chǎng)景RDE工況標(biāo)定開發(fā)流程如圖7所示。

圖7 高原場(chǎng)景RDE工況標(biāo)定開發(fā)流程

2 應(yīng)對(duì)高原場(chǎng)景的優(yōu)化應(yīng)用

2.1 增壓器的適應(yīng)性優(yōu)化

2.1.1 增壓器超溫超速優(yōu)化控制

在高原場(chǎng)景下，因?yàn)榭諝庀”?、大氣壓較低，為保證動(dòng)力性要求，必須增加壓氣機(jī)壓比。然而，增加壓氣機(jī)壓比會(huì)導(dǎo)致增壓器在高轉(zhuǎn)速區(qū)存在超溫和超速的風(fēng)險(xiǎn)。為保證增壓器的正常運(yùn)行，除了減油和限扭措施外，可以通過修正共軌軌壓、調(diào)整氣門正時(shí)、重新標(biāo)定EGR率等方法，控制增壓器溫度和轉(zhuǎn)速在限值范圍內(nèi)?；诜€(wěn)態(tài)工況的全油門固定檔位動(dòng)力性指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果見表4。在3檔全油門加速過程中，轉(zhuǎn)速2 700 r/min時(shí)出現(xiàn)了增壓器超速和渦輪前排氣溫度超標(biāo)的情況，打開EGR閥并將閥開度調(diào)整到13%，增壓器轉(zhuǎn)速下降了28 000 r/min，轉(zhuǎn)速控制在0～235 000 r/min的限值范圍內(nèi)。結(jié)合EGR閥開度的調(diào)整和主噴射正時(shí)從曲軸轉(zhuǎn)角8.0°調(diào)整到9.5°，渦輪前排氣溫度從750 ℃下降到725 ℃，保證了渦輪前排氣溫度的控制裕度。

表4 基于穩(wěn)態(tài)工況的全油門固定檔位動(dòng)力性指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

增壓器超溫、超速的標(biāo)定和驗(yàn)證可分為穩(wěn)態(tài)控制和瞬態(tài)控制：① 穩(wěn)態(tài)控制通過選擇合適的檔位全油門駕駛，讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到外特性區(qū)域來標(biāo)定和驗(yàn)證；② 瞬態(tài)控制通過不同檔位的車輛急加速與急減速來標(biāo)定和驗(yàn)證。穩(wěn)態(tài)控制是基礎(chǔ)的保護(hù)性標(biāo)定，必須保證增壓器轉(zhuǎn)速和排氣溫度控制在限值范圍內(nèi)；瞬態(tài)控制和駕駛習(xí)慣、換檔轉(zhuǎn)速等相關(guān)。在低檔位急加速工況下，增壓器易超速，為了控制其不超速，需要增加EGR閥開度或者限制噴油量，但對(duì)車輛動(dòng)力性、駕駛平順性影響較大。在非常用的極端加減速工況中，為保證車輛動(dòng)力性，可適當(dāng)調(diào)整超速閾值和超速時(shí)間來達(dá)到保護(hù)硬件的目的，超速閾值可控制在2 000 r/min以內(nèi)，超速時(shí)間限制在2 s以內(nèi)。

2.1.2 增壓器防喘振優(yōu)化控制

在車輛加速過程中，如遇到低速大負(fù)荷工況時(shí)，進(jìn)氣能力會(huì)不足，易發(fā)生增壓器喘振[4]。在車輛減速過程中，減速初期節(jié)氣門的突然關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量瞬時(shí)突降；減速后期因熱管理需求的進(jìn)氣量小于增壓器實(shí)際需求的進(jìn)氣量，導(dǎo)致進(jìn)氣量發(fā)生波動(dòng)，也容易發(fā)生增壓器喘振。 車輛減速過程中的喘振識(shí)別，主要通過進(jìn)氣量變化率、負(fù)荷率、檔位、壓比、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，準(zhǔn)確區(qū)分喘振發(fā)生的差異點(diǎn)，防止增壓器發(fā)生喘振。

喘振控制的目標(biāo)是通過調(diào)整EGR閥開度、節(jié)氣門開度、VGT流道截面積等空氣管理系統(tǒng)參數(shù)來優(yōu)化氣流的流動(dòng)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。通過空氣管理系統(tǒng)的優(yōu)化控制，在車輛頻繁加減速的過程中，進(jìn)氣質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過渡，不再出現(xiàn)進(jìn)氣質(zhì)量流量突變的情況，進(jìn)氣質(zhì)量流量的波動(dòng)率小于5%，車輛的駕駛平順性良好。車輛加減速過程中的進(jìn)氣質(zhì)量流量突變情況如圖8所示。在增壓器防喘振優(yōu)化控制前，在急加速后松油門的瞬間，進(jìn)氣質(zhì)量流量突降至0，然后再上升，出現(xiàn)增壓器喘振現(xiàn)象。

圖8 車輛加減速過程中的進(jìn)氣質(zhì)量流量突變情況

研究進(jìn)氣質(zhì)量流量變化率、負(fù)荷率、檔位、壓比、進(jìn)氣時(shí)間等參數(shù)，針對(duì)增壓器喘振現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化控制。采用防喘振標(biāo)定后車輛加減速過程中的進(jìn)氣質(zhì)量流量變化如圖9所示。由圖9可知，在車輛加減速過程中進(jìn)氣質(zhì)量流量不再有突降為0的情況，解決了車輛加減速過程中的增壓器喘振問題。

圖9 采用防喘振標(biāo)定后車輛加減速過程中的進(jìn)氣質(zhì)量流量變化

2.2 高原場(chǎng)景RDE工況的優(yōu)化控制

2.2.1 高原場(chǎng)景RDE工況特征

在高原地區(qū)，道路的海拔高度會(huì)不斷發(fā)生變化，車輛會(huì)有劇烈的加減速過程，SCR系統(tǒng)的熱管理控制和儲(chǔ)氨控制均存在較大挑戰(zhàn)。RDE工況試驗(yàn)隨著海拔的變化情況如圖10所示。觀察整個(gè)RDE工況的試驗(yàn)過程，最高海拔高度為2 420 m，最低海拔高度為2 220 m，在工況后半程還存在波峰與波谷的交替。

圖10 高原場(chǎng)景RDE工況海拔高度變化情況

2.2.2 高原場(chǎng)景RDE工況的標(biāo)定

針對(duì)高原場(chǎng)景下的氣溫突變，可基于傳感器自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境，采用智能熱管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的自適應(yīng)調(diào)整。在冷機(jī)、高原、低溫等惡劣運(yùn)行情況下，智能熱管理系統(tǒng)應(yīng)確保SCR系統(tǒng)的工作溫度趨向于高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的快速溫升，并保持溫度的穩(wěn)定。

通過熱管理標(biāo)定優(yōu)化，將SCR系統(tǒng)入口溫度從200～250 ℃往250～350 ℃轉(zhuǎn)移，保證SCR系統(tǒng)的高效運(yùn)行，如圖11所示。高原場(chǎng)景RDE工況標(biāo)定后的SCR系統(tǒng)溫度情況如圖12所示，優(yōu)化后SCR系統(tǒng)溫度大部分時(shí)間都維持在250～350 ℃，確保了SCR系統(tǒng)對(duì)NOx排放的轉(zhuǎn)化效率。

圖11 高原場(chǎng)景RDE工況標(biāo)定前后溫度占比

圖12 高原場(chǎng)景RDE工況標(biāo)定后的SCR系統(tǒng)溫度變化情況

車輛正常駕駛過程中的RDE工況試驗(yàn)排氣溫度和NOx排放情況如圖13所示。由圖13可知，排放峰值主要產(chǎn)生在瞬態(tài)加速過程中，通過排放控制和智能熱管理控制，在市區(qū)和市郊的高速工況下，整個(gè)駕駛過程中的排氣溫度變化比較平穩(wěn)，排氣溫度處于220～350 ℃，確保了SCR系統(tǒng)對(duì)NOx排放的高效轉(zhuǎn)化。

圖13 車輛正常駕駛過程中的高原場(chǎng)景RDE工況NOx排放及排氣溫度

在車輛正常駕駛時(shí)的RDE工況中，除了市區(qū)初始工況外，NOx排放量(尾排)基本控制在50 mg/km以內(nèi)，整個(gè)駕駛過程中的NOx排放控制良好。

在車輛激烈駕駛過程中的RDE工況試驗(yàn)排氣溫度和NOx排放情況如圖14所示。由圖14可知，瞬態(tài)NOx排放有所增加，排氣溫度也有提升，整體排氣溫度控制在250～400 ℃內(nèi)，SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率提升明顯。

圖14 車輛激烈駕駛過程中的高原場(chǎng)景RDE工況NOx排放量及排氣溫度

高原場(chǎng)景RDE工況市區(qū)NOx排放和RDE工況NOx總排放情況如圖15和圖16所示。通過對(duì)排放進(jìn)行控制和優(yōu)化，在不同駕駛行為下的工況試驗(yàn)均能達(dá)到排放目標(biāo)，不同的車型匹配對(duì)排放的影響存在一定的差異，但整體RDE工況的NOx排放量在法規(guī)要求的限值以內(nèi)。

圖15 高原場(chǎng)景RDE工況市區(qū)NOx排放情況

圖16 高原場(chǎng)景RDE工況NOx總排放情況

3 結(jié)語

通過對(duì)高原場(chǎng)景皮卡用輕型柴油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，識(shí)別了車輛的運(yùn)行特點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性，采取了有效應(yīng)對(duì)高原排放要求的技術(shù)手段。研究表明， 增壓器超溫、超速保護(hù)除了減油、降扭措施外，可以通過調(diào)整共軌軌壓、氣門正時(shí)、EGR閥開度等參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常動(dòng)力輸出；為保證高原場(chǎng)景車輛的動(dòng)力性，在瞬態(tài)標(biāo)定的過程中，針對(duì)極端非常用加減速換檔工況，可以適當(dāng)放開增壓器轉(zhuǎn)速保護(hù)限制，延長超速時(shí)間。

通過優(yōu)化EGR閥開度、節(jié)氣門開度、VGT流道截面積等空氣管理系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行增壓器防喘振標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性。防喘振控制的目標(biāo)是通過空氣管理標(biāo)定的優(yōu)化控制，在車輛頻繁加減速的過程中，使進(jìn)氣質(zhì)量流量平穩(wěn)過渡，避免在加減速過程中發(fā)生進(jìn)氣質(zhì)量流量的突變。

自適應(yīng)熱管理控制及SCR系統(tǒng)閉環(huán)控制技術(shù)能有效解決高原場(chǎng)景中的NOx排放問題。自適應(yīng)性熱管理系統(tǒng)將排氣溫度控制在SCR系統(tǒng)的高效工作區(qū)，可實(shí)現(xiàn)NOx的高效轉(zhuǎn)化。

高原場(chǎng)景皮卡用輕型柴油機(jī)的排放優(yōu)化結(jié)果在不同車型和駕駛行為的情況下存在一定的差異，在激烈駕駛情況下的瞬態(tài)排放量較高，應(yīng)結(jié)合具體車型與用途進(jìn)行差異化的適應(yīng)性設(shè)計(jì)與優(yōu)化。