奧地利K.HADL B.RASER T.SACHER G.GRAF

摘要

在美國，日益嚴苛的氮氧化物（NOx）排放法規(guī)要求汽車制造商顯著降低其車型產(chǎn)品的有害物排放，為此必須使車輛在所有運行條件下都具有最高的NOx轉(zhuǎn)化率。AVL公司已開發(fā)了1種可用于發(fā)動機廢氣后處理的技術(shù)方案，能在發(fā)動機試驗臺上充分滿足“超低NOx排放”及降低燃油耗的要求。

關(guān)鍵詞

商用車;發(fā)動機;排放

①為了符合本行業(yè)習慣，本文仍沿用部分非法定計量單位——編注。

0 前言

根據(jù)美國加州空氣資源局（CARB）制定的超低氮氧化物（NOx）排放法規(guī)，要求北美地區(qū)顯著降低有害物排放。其中提到：至2027年，應(yīng)使商用車NOx排放限值比現(xiàn)有標準降低90%，并具有更好的耐久性和更長的保修期，這些都是以提高NOx轉(zhuǎn)化率為前提條件的。同時，基于第2階段的溫室氣體排放法規(guī)，CO2、N2O與CH4等氣體的排放也應(yīng)降至最低[1]。

1 邊界條件和方案選擇

為了在美國重型柴油機瞬態(tài)循環(huán)（US HDDTC）中，使NOx排放降至20 mg/（hp·h）①，在發(fā)動機冷起動后，廢氣后處理系統(tǒng)應(yīng)在最短時間內(nèi)達到最高的轉(zhuǎn)化率。只要在催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生的還原過程并非選擇性催化還原（SCR），研究人員必須將NOx原始排放降至最低。例如，在NOx原始排放為3.50 g/（hp·h）的情況下，廢氣后處理系統(tǒng)在50 s后的理論NOx轉(zhuǎn)化率必須達到100%，以便使發(fā)動機在冷/熱組合循環(huán)中實現(xiàn)NOx排放為20 mg/（hp·h）的目標（圖1）。

上述試驗過程說明了未來廢氣排放法規(guī)所面臨的艱巨挑戰(zhàn)，而且考慮到零部件自身存在的誤差，研究人員還需要對廢氣溫度管理過程進行優(yōu)化。

因此，高效的廢氣后處理系統(tǒng)與相應(yīng)的軟件和調(diào)節(jié)策略，以及SCR系統(tǒng)的快速起燃過程都是必不可少的[2]。本研究項目中所采用的廢氣后處理系統(tǒng)由如下部件組成：1個靠近發(fā)動機布置且不采用涂層的電加熱催化轉(zhuǎn)化器（EHC），1款柴油機尿素溶液（DEF）系統(tǒng)和第1級釩-銅組合型SCR（ccSCR）系統(tǒng)。系統(tǒng)中還配備了可滿足2021年車型（MY21）要求，并且由柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、柴油機顆粒捕集器（DPF）和氨逃逸催化轉(zhuǎn)化器（ASC）組成的標準配置，其中使用了最新的催化轉(zhuǎn)化器涂層。第2款布置于底板下方的SCR（ufSCR）系統(tǒng)采用了銅涂層。

試驗在1臺排量為2.0 L的柴油機上進行。該柴油機的噴油壓力為250 MPa，同時采用了配備有電動廢氣放氣閥的單級渦輪增壓系統(tǒng)，以及高壓廢氣再循環(huán)（HP-EGR）系統(tǒng)。在采用上述基本配置的情況下，該款柴油機已滿足美國政府對2027年車型（MY27）8級專業(yè)車型提出的CO2排放要求。

2 加熱策略和溫度管理

研究人員選用了配有冷卻系統(tǒng)的HP-EGR系統(tǒng)，并采用了節(jié)氣門輔助，因此在系統(tǒng)冷起動后就直接能使NOx原始排放降至最低。同時，研究人員提高了進氣管中的溫度，使廢氣流量相應(yīng)降至最低，最終使經(jīng)過EHC的氣體溫度得以有效提升。在廢氣流量較小的情況下，功率為7 kW的加熱系統(tǒng)具有較好的加熱效果，而在廢氣流量較大的情況下，其效果并不顯著（圖2）。

研究人員通過采用未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)，同時降低廢氣流量，并與EHC相組合，可在冷態(tài)US HDDTC的前600 s內(nèi)使NOx原始排放降至約1.50 g/（hp·h）。正如圖2所示，在冷態(tài)US HDDTC中的首次加速階段，系統(tǒng)對NOx的轉(zhuǎn)化效果已較為顯著，而在第2次加速階段以后，NOx的轉(zhuǎn)換效率就已超過了99%。研究人員通過選用未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)，不僅改善了發(fā)動機在加熱期間較低的燃油耗，而且還改善了DPF的再生效果。

3 基于US HDDTC的試驗結(jié)果

為了在DEF消耗量較低的同時實現(xiàn)較低的NOx排放，研究人員需要采用以下幾方面的策略：（1）對催化轉(zhuǎn)化器部件進行設(shè)計與優(yōu)化;（2）應(yīng)用新型涂層技術(shù);（3）為兩級SCR系統(tǒng)選用先進的軟件和調(diào)節(jié)策略;（4）實現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化器的DEF計量過程;（5）對NH3加注量進行高精度建模;（6）開展相應(yīng)的標定試驗。

由AVL公司開發(fā)的軟件和調(diào)節(jié)策略不僅能在NH3逸出量較少且N2O排放量較低的同時進一步提升NOx的轉(zhuǎn)化率，而且還能通過基于模型的虛擬傳感器對整個廢氣后處理系統(tǒng)進行物理建模，以降低系統(tǒng)成本[3-4]。除此之外，研究人員通過已開發(fā)的算法，并根據(jù)當前或未來廢氣后處理系統(tǒng)的狀況，將轉(zhuǎn)化NOx的任務(wù)分配到兩級SCR系統(tǒng)上。只要滿足相應(yīng)的認可條件（溫度、炭煙量、N2O等），第1級SCR系統(tǒng)便可從基于NH3加注狀況而設(shè)定的運行模式轉(zhuǎn)換到基于效率而設(shè)定的運行模式上，從而有針對性地實現(xiàn)了較高的NOx轉(zhuǎn)化率，以支持DPF系統(tǒng)的被動再生過程，同時延長DPF再生間隔（圖3）。在低負荷循環(huán)中，前1級的SCR系統(tǒng)主要基于NH3的加注狀況而運行。

使用EHC能確保第1級SCR系統(tǒng)被迅速加熱，從而有效地降低發(fā)動機在冷態(tài)運行時的排放。即使在熱態(tài)US HDDTC中，系統(tǒng)也會在短期內(nèi)使用EHC，以便確保系統(tǒng)在短期內(nèi)達到最高的NOx轉(zhuǎn)化率。

在試驗室條件下，研究人員通過采用現(xiàn)有的發(fā)動機和廢氣后處理方案就能滿足降低NOx排放的要求，而在冷/熱態(tài)組合US HDDTC中的排放能降至18 mg/（hp·h），同時研究人員通過選擇調(diào)節(jié)策略也能使N2O排放保持在較低的水平。在該方面，后者還可將其他催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)或鐵/銅SCR組合用于第2級SCR系統(tǒng)，并進一步優(yōu)化。

研究人員通過對發(fā)動機進行調(diào)節(jié)，就能使其以低燃油耗的模式運行。與MY21基礎(chǔ)相比，發(fā)動機在US HDDTC中的燃油耗多出了1%（圖3）。事實上，通過將內(nèi)燃機輸出的機械功轉(zhuǎn)換為電能，即可滿足系統(tǒng)需求，在US HDDTC中也能滿足美國政府對MY27 8級專業(yè)車型提出的CO2排放要求。特別是在倒拖行駛階段中，研究人員通過采用相應(yīng)的智能充電策略，充分利用車輛動能，顯著降低了整車燃油耗。研究人員通過優(yōu)化部件的配置，就能明顯加快催化轉(zhuǎn)化器的起燃速度，從而進一步降低排放。

4 不同廢氣后處理系統(tǒng)的技術(shù)潛力

為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件的成本，研究人員選用尚未配備EHC的兩級SCR系統(tǒng)進行了試驗。雖然在該情況下也能達到最高的NOx轉(zhuǎn)化率，但是現(xiàn)有的發(fā)動機和廢氣后處理系統(tǒng)如果并未配備EHC，就不可能滿足20 mg/（hp·h）的超低NOx排放限值要求（圖4）。尚未配備EHC的兩級SCR系統(tǒng)的緩慢加熱特性主要會對發(fā)動機在冷態(tài)運行時的排放造成影響，而在熱態(tài)US HDDTC中所檢測到的排放增加情況則并不明顯。由于NOx轉(zhuǎn)化過程會被分配到2個不同的SCR級上，因此剩余的N2O排放也將維持在較低水平。

發(fā)動機在采用單級SCR系統(tǒng)的情況下，同樣也能有效降低排放。研究人員通過將未配有冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)和最新的涂層技術(shù)相組合，使試驗發(fā)動機在US HDDTC中的NOx排放降至35 mg/（hp·h）。與原機型相比，試驗發(fā)動機的這一數(shù)據(jù)得以明顯降低，其中也體現(xiàn)出HP-EGR系統(tǒng)在采用了冷卻設(shè)備后的優(yōu)勢。發(fā)動機在冷態(tài)運行狀態(tài)時產(chǎn)生的NOx原始排放較低，并可用于為系統(tǒng)保溫。單級SCR系統(tǒng)在加熱模式下得以長期運行，可有效降低NOx原始排放。與兩級SCR系統(tǒng)相比，NOx原始排放也會相對較低，相比較高的NH3加注量，會導(dǎo)致較高的N2O排放，但是后者通過采用其他的催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)或組合應(yīng)用鐵/銅SCR系統(tǒng)，可實現(xiàn)進一步優(yōu)化，滿足法規(guī)限值要求。

5 發(fā)動機在低負荷循環(huán)中的性能表現(xiàn)

發(fā)動機在低負荷循環(huán)中的性能表明，采用單級SCR系統(tǒng)或兩級SCR系統(tǒng)都能達到最低的排放（圖5）。使用EHC能使SCR催化轉(zhuǎn)化器的溫度保持在200 ℃以上，因此其排放也更接近指示限值。由于單級SCR系統(tǒng)被加熱的總質(zhì)量較小，因此其呈現(xiàn)出了較高的溫度梯度，同時也顯示出較快的加熱特性和冷卻特性，以及較高的N2O排放。對于所有參與試驗的廢氣后處理系統(tǒng)而言，其能充分滿足2024年車型（MY24）生效的低負荷循環(huán)要求。

6 針對廢氣后處理系統(tǒng)的認證過程

由試驗發(fā)動機產(chǎn)生的排放有望進一步降低，但同時也面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，其要求車輛在整個使用壽命期內(nèi)都要滿足超低的NOx排放要求。為了對較高的開發(fā)費用和認證費用進行優(yōu)化，AVL公司開發(fā)并設(shè)立了可用于廢氣后處理系統(tǒng)的6步認證程序（圖6）。在方案設(shè)計階段，研究人員借助于AVL公司的軟件平臺巡航系統(tǒng)模型開展了試驗，同時確定了車載診斷（OBD）系統(tǒng)方案，并研究了不同參數(shù)對系統(tǒng)可靠性所產(chǎn)生的影響。

即使在軟件開發(fā)過程和后續(xù)的系統(tǒng)標定過程期間，研究人員也應(yīng)持續(xù)使用模型來開展研究。同時，模型的完善程度也在持續(xù)優(yōu)化中，特別是在評估軟件功能和標定工作期間，研究人員須使模型在成本、時間計劃和效率等方面具有顯著的優(yōu)勢。

此外，在發(fā)動機試驗臺上進行的試驗認證可用于模型預(yù)測，并可作為在使用壽命期間緩解老化效應(yīng)及提升排放穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。認證期間獲得的結(jié)果可用于為學習功能提供數(shù)據(jù)，從而補償產(chǎn)品偏差與老化效應(yīng)產(chǎn)生的影響。研究人員在試驗過程中采用了模型，從而顯著優(yōu)化了試驗程序，并減少了試驗數(shù)量。除此之外，模型還能持續(xù)用于整車標定及系統(tǒng)對車輛的監(jiān)測。

考慮到未來法規(guī)的影響，以模型為基礎(chǔ)的6步認證程序能為提升產(chǎn)品的可靠性及耐久性作出重要貢獻。

7 結(jié)論和展望

試驗研究表明，研究人員將不采用冷卻設(shè)備的HP-EGR系統(tǒng)與兩級SCR系統(tǒng)和電加熱催化轉(zhuǎn)化器相組合，可在試驗室條件下使排放降至最低。在試驗發(fā)動機上，US HDDTC條件下的NOx排放會降至18 mg/（hp·h），而低負荷循環(huán)的排放則接近指示限值，此外兩級SCR系統(tǒng)可在滿足MY27 8級專業(yè)車型的CO2排放目標限值的同時，呈現(xiàn)出較低的N2O排放。由AVL公司開發(fā)的軟件和調(diào)節(jié)策略能在確保NH3逸出量較低的同時達到較高的NOx轉(zhuǎn)化率，并可將NOx轉(zhuǎn)化過程分配到兩級SCR系統(tǒng)中，以此支持DPF系統(tǒng)實現(xiàn)被動再生，從而可獲得更高的診斷自由度。此外，基于模型的方法還能有效地為學習功能提供數(shù)據(jù)。作為用于替代EHC的其他方法，研究人員還可采用停缸法，或者采用能使排氣門實現(xiàn)早開的可變氣門機構(gòu)。

在試驗發(fā)動機上使用單級SCR系統(tǒng)或兩級SCR（無EHC）系統(tǒng)有著較好的應(yīng)用前景，并可用作于使NOx排放限值降至50 mg/（hp·h）的折中方案。

試驗研究表明，降低車輛在整個使用壽命周期內(nèi)的NOx排放是1項艱巨的挑戰(zhàn)。在該方面，由AVL公司開發(fā)的廢氣后處理系統(tǒng)認證程序，為提升產(chǎn)品的可靠性及耐久性提供了重要的技術(shù)支持。

參考文獻

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范明強 譯自 MTZ，2021，82（3）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-03-19）