進(jìn)氣節(jié)流優(yōu)化對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷循環(huán)工況下NOx排放的影響研究

高濤 杜闖 汪曉偉 高寅祥 霍永占

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 前言

重型車(chē)的污染物排放已經(jīng)成為大氣污染的重要來(lái)源，其中柴油車(chē)NOx排放量占汽車(chē)排放總量的80%以上，顆粒物排放量占汽車(chē)排放總量的90%以上[1]。為了進(jìn)一步降低柴油車(chē)的污染物排放量，特別是NOx的排放量，美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（California Air Resources Board，CARB）等機(jī)構(gòu)將出臺(tái)更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。自2024 年起，CARB 的NOx排放限值將降至0.067 g/(kW·h)，到2027 年，將繼續(xù)降低至0.027 g/(kW·h)，并將低負(fù)荷循環(huán)（Low Load Cycle，LLC）測(cè)試工況加入重型車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試中，對(duì)低負(fù)荷排放考核進(jìn)一步加嚴(yán)[2]。

LLC 工況下NOx排放量高的主要原因是排氣溫度較低，后處理系統(tǒng)性能較差[3]。因此，在開(kāi)展LLC工況下的標(biāo)定開(kāi)發(fā)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注后處理系統(tǒng)的熱管理以及選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統(tǒng)的低溫轉(zhuǎn)化性能。研究表明，通過(guò)在進(jìn)氣管安裝節(jié)流閥可以明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度[4]，本文通過(guò)3種進(jìn)氣節(jié)流狀態(tài)下LLC 工況測(cè)試的對(duì)比，進(jìn)一步深入研究柴油機(jī)進(jìn)氣節(jié)流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況下排放性能的影響。

2 試驗(yàn)方案

本文選取某滿(mǎn)足國(guó)家第六階段污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（Engine Control Unit，ECU）國(guó)六原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)低負(fù)荷工況區(qū)域提出2 種不同程度的節(jié)氣門(mén)節(jié)流標(biāo)定方案，方案2 在方案1 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)低負(fù)荷區(qū)域的節(jié)流作用，在低負(fù)荷區(qū)域提升發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，提高后處理轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)用臺(tái)架氣態(tài)污染物分析儀和油耗儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同一種ECU 狀態(tài)下開(kāi)展3 次LLC 測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)包括柴油氧化催化器（Diesel Oxidation Catalysts，DOC）、SCR 系統(tǒng)、氨催化器（Ammonia Slip Catalyst，ASC）及顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2 測(cè)試設(shè)備

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)中，根據(jù)LLC 工況下發(fā)動(dòng)機(jī)歸一化轉(zhuǎn)速和扭矩系數(shù)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)工況，然后由PUMA 系統(tǒng)控制測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備如表2所示。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

2.3 測(cè)試工況

LLC 工況開(kāi)發(fā)過(guò)程中采集了751 輛汽車(chē)的原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)低負(fù)荷窗口定義、聚類(lèi)分析等得到了代表性的工況片段，再通過(guò)拼接、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式獲得了整車(chē)的低負(fù)荷循環(huán)[5]，美國(guó)西南研究院采用美國(guó)環(huán)保署的溫室氣體排放模型（Global Energy Model，GEM）將整車(chē)工況轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)工況，從而得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的LLC工況，如圖1所示。

3 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)LLC工況點(diǎn)分布

在原始ECU 狀態(tài)下開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)LLC 工況測(cè)試，由圖2 可知，LLC 工況散點(diǎn)分布轉(zhuǎn)速相對(duì)集中在650～1 600 r/min區(qū)間，負(fù)荷點(diǎn)主要分布在-50～300 N·m區(qū)間。以工況點(diǎn)分布和噴油量為依據(jù)，選定每沖程噴油量18 mg 為優(yōu)化邊界限值，對(duì)低于該限值的工況點(diǎn)開(kāi)展節(jié)氣門(mén)節(jié)流標(biāo)定優(yōu)化。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)LLC工況點(diǎn)

對(duì)原始ECU 狀態(tài)工況點(diǎn)分布情況展開(kāi)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。怠速區(qū)域（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為640～660 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩小于50 N·m）工況點(diǎn)占比為41.51%，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩小于300 N·m 的工況點(diǎn)占比為83.47%，可見(jiàn)LLC工況主要分布在低負(fù)荷區(qū)間。

表3 LLC工況點(diǎn)分布（工況點(diǎn)數(shù)量占比）%

3.2 NOx排放質(zhì)量分布

利用LLC 測(cè)試工況中實(shí)時(shí)測(cè)得的NOx濃度計(jì)算得到NOx瞬時(shí)排放質(zhì)量m(NOx)：

式中，Ugas為稀釋排氣組分密度與稀釋排氣密度之比，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，Ugas=0.001 587；Cgas為排氣組分中NOx瞬時(shí)濃度；med為排氣質(zhì)量流量；kh,d為NOx濕度修正系數(shù)[6]。

對(duì)計(jì)算得到的m(NOx)根據(jù)工況點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行累計(jì)分析得到該發(fā)動(dòng)機(jī)LLC 工況下NOx質(zhì)量的分布情況，如表4 所示，怠速區(qū)域NOx排放質(zhì)量占比約為15.52%，低于300 N·m 的工況點(diǎn)NOx排放質(zhì)量占LLC 工況發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)NOx排放總質(zhì)量的43.64%，低負(fù)荷區(qū)域排放占比較高。

表4 NOx排放質(zhì)量分布（排放質(zhì)量占比）%

3.3 SCR系統(tǒng)上游溫度

表5 所示為3 種ECU 狀態(tài)下LLC 工況測(cè)試結(jié)果，通過(guò)累計(jì)的NOx排放量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門(mén)進(jìn)氣節(jié)流對(duì)LLC 工況NOx排放控制效果顯著。相較于原始ECU 狀態(tài)，在顆粒物數(shù)量（Particle Number，PN）沒(méi)有明顯增加的情況下，在整個(gè)LLC 工況下，方案1 SCR 系統(tǒng)上游溫度平均提升了14.03 ℃，方案2 SCR 系統(tǒng)上游溫度平均提升了37.59 ℃，2 種方案均可在LLC 工況下提升SCR 系統(tǒng)上游溫度，氮氧化物轉(zhuǎn)換效率分別提高了7.23 百分點(diǎn)、16.93百分點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率使用SCR 系統(tǒng)上、下游NOx傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到，排除達(dá)到“露點(diǎn)”溫度前的無(wú)效數(shù)據(jù)，NOx的尾氣排放量分別減少41.23%、62.46%。

表5 LLC工況測(cè)試結(jié)果

3.4 CO2比排放

CO2排放與車(chē)輛燃料消耗量直接相關(guān)[7]，將LLC工況產(chǎn)生的CO2排放量除以L(fǎng)LC 工況循環(huán)功得到CO2比排放，如圖3所示，隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的減小，雖然NOx排放數(shù)據(jù)優(yōu)化，但導(dǎo)致燃燒惡化，從而帶來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化，方案1和方案2測(cè)試的CO2比排放較原始狀態(tài)分別增加了0.96%和7.48%。

圖3 LLC工況CO2比排放

3.5 怠速分析

圖4所示為3 種ECU 狀態(tài)下LLC 工況測(cè)試過(guò)程的車(chē)載診斷系統(tǒng)（On-Board Diagnostics, OBD）瞬態(tài)數(shù)據(jù)，摘取其中60 s怠速和600 s怠速片段分別進(jìn)行分析，參數(shù)指標(biāo)選擇上游NOx傳感器示數(shù)、下游NOx傳感器示數(shù)、SCR系統(tǒng)上游溫度傳感器示數(shù)、進(jìn)氣流量和油耗量。

圖4 怠速片段

3.5.1 短時(shí)間怠速分析

在經(jīng)過(guò)60 s 怠速后，3 種ECU 數(shù)據(jù)狀態(tài)SCR 上游溫度降幅均低于3 ℃，下游NOx傳感器讀數(shù)均為0，可以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放NOx轉(zhuǎn)化的要求，因此，對(duì)于短時(shí)間怠速，SCR系統(tǒng)上游排氣溫度降幅較小，經(jīng)過(guò)后處理的NOx尾氣排放基本無(wú)變化，但會(huì)因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流的效果導(dǎo)致NOx原始排放和油耗量增加，結(jié)果如表6 所示。綜上，短時(shí)間怠速不需要采用進(jìn)氣節(jié)流的方式提升排氣溫度。

表6 短時(shí)間怠速分析數(shù)據(jù)

3.5.2 長(zhǎng)時(shí)間怠速分析

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間怠速，3 種ECU 數(shù)據(jù)狀態(tài)下SCR 系統(tǒng)上游溫度隨怠速持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間怠速起、止時(shí)刻數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示。在原始狀態(tài)下，SCR 系統(tǒng)上游溫度經(jīng)過(guò)600 s怠速后可降至100 ℃，遠(yuǎn)低于后處理轉(zhuǎn)換的工作溫度，經(jīng)過(guò)600 s 怠速后，原始狀態(tài)下游NOx傳感器與上游NOx傳感器數(shù)據(jù)基本接近，此時(shí)SCR 系統(tǒng)失去催化轉(zhuǎn)換效果。而方案1和方案2可以明顯改善怠速600 s造成的排氣溫度下降和原始排放濃度升高后污染物排放量的增加，方案2 在怠速600 s 后，SCR 系統(tǒng)仍保持轉(zhuǎn)化作用，尾氣NOx排放量接近0。

表7 長(zhǎng)時(shí)間怠速分析數(shù)據(jù)

3.5.3 怠速穩(wěn)態(tài)點(diǎn)分析

對(duì)自然怠速穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)開(kāi)展測(cè)試，取每種穩(wěn)定狀態(tài)下30 s 平均值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)怠速排氣溫度提升作用非常明顯，如表8 所示，隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度降低，怠速工況排氣溫度最大可提升約50 ℃。

表8 怠速工況點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以L(fǎng)LC 為試驗(yàn)工況，使用3 種不同程度的節(jié)氣門(mén)節(jié)流方案，驗(yàn)證了進(jìn)氣節(jié)流優(yōu)化對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷循環(huán)工況下NOx排放的影響。研究結(jié)果顯示：

a. 進(jìn)氣節(jié)流會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，從而使NOx原始排放量和油耗量增加，但進(jìn)氣節(jié)流策略對(duì)排氣溫度的提升較大，還會(huì)降低低負(fù)荷工況NOx排放量，同時(shí)顆粒物數(shù)量沒(méi)有明顯提高；

b.怠速狀態(tài)下，節(jié)流帶來(lái)的影響導(dǎo)致油耗量增加，短時(shí)間怠速（60 s）排氣溫度降低較少，權(quán)衡油耗和原始排放情況，不需要采用進(jìn)氣節(jié)流的方式提升排氣溫度；

c.SCR系統(tǒng)上游溫度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)怠速持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間怠速后溫度將低于后處理轉(zhuǎn)換的工作溫度。針對(duì)此低負(fù)荷問(wèn)題，可在經(jīng)過(guò)短時(shí)間怠速階段后，采用進(jìn)氣節(jié)流的方式提升發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，減少NOx的產(chǎn)生。