【德】 M.ELICKER W.CHRISTGEN J.KIYANNI M.BRAUER

關(guān)鍵詞：排放標(biāo)準(zhǔn);柴油機(jī);可變氣門;傳動方案

0 前言

到2030年底，與2020年全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)（WLTC）所設(shè)定的基準(zhǔn)排放值相比，由汽車所產(chǎn)生的CO2 排放必須減少37.5%。因此，柴油車廢氣后處理系統(tǒng)將面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。在所有邊界條件和行駛狀況下，特別是在低環(huán)境溫度和低負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)能迅速預(yù)熱并維持較高溫度，這是當(dāng)前柴油機(jī)開發(fā)的重點(diǎn)。發(fā)動機(jī)必須實現(xiàn)高效運(yùn)行，并相應(yīng)降低熱量的損失，同時應(yīng)適用于較長的行駛里程。這與燃油耗有著密切聯(lián)系。

先前的試驗表明，研究人員借助于可變氣門機(jī)構(gòu)，通過二次排氣門升程（SEVL）、內(nèi)部廢氣再循環(huán)（iEGR），與進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）等方案[1-3]相結(jié)合，對廢氣溫度實現(xiàn)了有效管理。目前，為對之前的整車試驗進(jìn)行補(bǔ)充，研究人員針對行駛循環(huán)開展了一系列后續(xù)試驗。研究人員在捷豹路虎公司量產(chǎn)的AJ200D系列發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，選取了1款排量為2.0L的4缸柴油機(jī)作為試驗車輛。其特性數(shù)據(jù)如表1所示。

在發(fā)動機(jī)試驗臺上，研究人員針對配備有柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和柴油機(jī)顆粒過濾器（DPF）的廢氣后處理系統(tǒng)開展了相關(guān)試驗。為了進(jìn)一步標(biāo)定配備有2 種先進(jìn)廢氣后處理設(shè)備的選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，研究人員運(yùn)用Exothermia/AxiSuite廢氣后處理模擬軟件進(jìn)行了試驗。試驗中所應(yīng)用的AxiSuite廢氣后處理模型在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行了標(biāo)定，并說明了雙SCR系統(tǒng)的功能。布設(shè)于地板下方的SCR 系統(tǒng)配備有尿素計量裝置，因此可以將汽車最終尾管氮氧化物（NOx）排放量作為目標(biāo)值，并整合到到標(biāo)定過程中。

在IAV 公司的發(fā)動機(jī)試驗臺上，試驗車輛與“北極熊”空調(diào)裝置相結(jié)合，可同時調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)環(huán)境、進(jìn)氣空氣、冷卻水和發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度，并可將其最高溫度調(diào)節(jié)至-7℃（圖1）。

1 可變氣門機(jī)構(gòu)

研究人員將試驗發(fā)動機(jī)的量產(chǎn)氣門機(jī)構(gòu)（雙頂置凸輪軸-搖臂傳動機(jī)構(gòu)）更換為配備有新凸輪軸的eRocker系統(tǒng)（圖2），且進(jìn)排氣門升程都可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。eRocker系統(tǒng)是1款能使電動機(jī)實現(xiàn)不連續(xù)轉(zhuǎn)換的搖臂系統(tǒng)，它由執(zhí)行器、執(zhí)行器壓板和轉(zhuǎn)換搖臂3個核心部件組成。當(dāng)執(zhí)行器通電時，執(zhí)行器銷壓在相應(yīng)的執(zhí)行器壓板上并進(jìn)行移動，從而使執(zhí)行器壓板的鋼板彈簧與轉(zhuǎn)換搖臂的聯(lián)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)共同作用，激活排氣門的雙升程功能。詳細(xì)的系統(tǒng)描述可查閱參考文獻(xiàn)[1-5]。

在排氣門側(cè)，研究人員通過排氣門升程組Ⅰ和排氣門升程組Ⅱ的選擇控制來實現(xiàn)多級iEGR控制。此外，研究人員還使用了1個雙銷執(zhí)行器和1個由2部分組成的執(zhí)行器壓板，該壓板可以實現(xiàn)單獨(dú)移動，也可以將2部分壓板一起移動。試驗發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門側(cè)同樣也采用了由進(jìn)氣門升程組Ⅰ和進(jìn)氣門升程組Ⅱ選擇控制的方案，但在本文介紹的試驗中沒有使用，因為它始終只在基本升程與EIVC之間轉(zhuǎn)換。試驗發(fā)動機(jī)的eRocker機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖解，以及氣門升程曲線和聯(lián)動機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2 氣門升程曲線

試驗發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣門升程曲線設(shè)計是借助于GT-Suite軟件中的一維（1D）模擬進(jìn)行的[3]。氣門升程設(shè)計的基礎(chǔ)是標(biāo)定的試驗發(fā)動機(jī)GT-Suite模型，eRocker系統(tǒng)通過2 個有選擇性打開的排氣門上的SEVL實現(xiàn)了iEGR 的4級調(diào)節(jié)過程（無、低、中、高），同時進(jìn)氣門升程可從量產(chǎn)的基本升程轉(zhuǎn)換到EIVC。實現(xiàn)進(jìn)氣可變性的目的是減少部分負(fù)荷范圍內(nèi)的充氣量和減少節(jié)流損失，有利于廢氣后處理裝置的有效加熱。

就試驗發(fā)動機(jī)而言，其有效升程范圍為0.9～2.0mm。研究人員采用升程高度為0.9mm 的SEVL時，只能通過增加進(jìn)氣節(jié)氣門（IAT）才能達(dá)到必要的iEGR率，這與使用進(jìn)氣節(jié)氣門的傳統(tǒng)加熱方式相比，在燃油耗方面幾乎沒有優(yōu)勢。研究人員采用升程高度為2.0mm 的SEVL時，將會使4缸發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管產(chǎn)生不必要的廢氣回流，并且由于iEGR率較高，限制了其運(yùn)行范圍。升程高度為0.9mm 和1.5 mm 的SEVL組合是用于試驗發(fā)動機(jī)的最佳方案，該方案可實現(xiàn)預(yù)期范圍內(nèi)的iEGR率，且無須附加進(jìn)氣空氣節(jié)流。因此，研究人員可以將iEGR 用于負(fù)荷區(qū)域，使平均有效壓力pme為0.40 MPa。研究人員同時使用2種SEVL曲線，則可達(dá)到的最大SEVL升程高度為2.0mm。

對于進(jìn)氣側(cè)，EIVC升程的目標(biāo)調(diào)節(jié)寬度為90°CA。一方面發(fā)動機(jī)充分減少了燃油耗;另一方面由于減小了有效壓縮比，壓縮溫度和壓縮壓力不會下降過多，使發(fā)動機(jī)在以熱機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時有足夠?qū)拸V的運(yùn)行范圍和穩(wěn)定的點(diǎn)火條件。圖4示出了氣門升程曲線。

3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)試驗結(jié)果

整機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗是在3種不同的溫度邊界條件和3個具有代表性運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行的（表2、表3）。怠速運(yùn)行工況點(diǎn)代表了在使用配備有液力變扭器的變速箱時的汽車停車狀態(tài)。中等運(yùn)行工況點(diǎn)代表了在低負(fù)荷下汽車的行駛狀況，該工況在城市駕駛模式中的時間占比較高。極限運(yùn)行工況點(diǎn)代表了使用主動加熱措施的負(fù)荷上限，該工況在典型的城市行駛工況中也較為常見。試驗所選擇的溫度邊界場景包括了夏季和冬季條件下冷起動后的廢氣后處理系統(tǒng)加熱過程，以及發(fā)動機(jī)在以熱機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時須維持一定的溫度。在溫度低于0℃時，試驗車輛在試驗時需要配裝“北極熊”空調(diào)裝置。

在發(fā)動機(jī)試驗臺的運(yùn)行過程中，研究人員定義了中止運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，包括了不完全燃燒有害物的排放限值，以及因燃燒的不穩(wěn)定性而得到的平均指示壓力偏差值。相關(guān)限值和標(biāo)準(zhǔn)如下：CO限值為3000×10-6，碳?xì)洌℉C）限值為1000×10-6，炭煙煙度（FSN）為3.5，平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差（σpmi/σmi）為3%。圖5示出了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的測量結(jié)果，即在各種不同試驗運(yùn)行工況點(diǎn)和不同渦輪后廢氣溫度（T4）下的有效比油耗（BSFC）。所有的可變氣門機(jī)構(gòu)的廢氣溫度管理策略始終與IAT溫度變化和后噴射（PoI）溫度組成的參考加熱措施進(jìn)行比較。

在冬季加熱條件下，發(fā)動機(jī)不能采用EIVC運(yùn)行，而應(yīng)采用iEGR 和PoI的組合方式來降低CO 和HC的排放。該方案與采用IAT和PoI的傳統(tǒng)加熱策略相比，可使BSFC減少9%。

在夏季加熱條件下，SEVL 與EIVC 相組合的運(yùn)行模式所起到的效果較為有限。在邊界條件下，高溫iEGR無法再補(bǔ)償EIVC 引起的點(diǎn)火條件惡化現(xiàn)象。如果采用SEVL與EIVC的組合，發(fā)動機(jī)將表現(xiàn)出燃燒不穩(wěn)定、燃油轉(zhuǎn)化率低、CO 和HC排放高、無BSFC優(yōu)勢等現(xiàn)象。另一方面，在CO 和HC排放不變、相同的NOx 排放和較低的炭煙排放情況下，發(fā)動機(jī)采用SEVL與PoI的組合方式，與傳統(tǒng)的加熱策略相比，可使BSFC減少11%。

在保持一定溫度的條件下，根據(jù)不同的運(yùn)行工況點(diǎn)，發(fā)動機(jī)通過EIVC、SEVL與PoI的組合，渦輪后廢氣溫度T4 可在不顯著增加燃油耗的情況下提升82K。在平均有效壓力pme為0.20MPa的負(fù)荷條件下，發(fā)動機(jī)通過EIVC減少充液量是可行的。在相同的T4 條件下，該方案與傳統(tǒng)的加熱策略相比，可使BSFC減少8%。根據(jù)所選擇的廢氣溫度水平的不同，BSFC也顯著低于不采用加熱措施的基準(zhǔn)點(diǎn)。以可比較的BSFC和相同的NOx 排放水平為基準(zhǔn)，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的炭煙、CO和HC排放并沒有增加或僅出現(xiàn)極小的增加現(xiàn)象[3]，這取決于不同的運(yùn)行工況點(diǎn)。

4 行駛循環(huán)

研究人員將特定的低負(fù)荷試驗循環(huán)U1作為行駛情況對照，它具有典型的城市行駛特性。表4示出了U1試驗循環(huán)與WLTC行駛工況的比較。研究人員選擇了1款空載質(zhì)量約為1800kg的D級汽車作為試驗的基礎(chǔ)車型。WLTC行駛工況的第1階段至第2階段前580s的行駛過程代表了典型的城市行駛工況，其平均速度為19km/h的車速略高于目前真實行駛排放（RDE）法規(guī)中城市行駛所要求的最低車速（15km/h），試驗車輛的加速度也處于目前RDE 法規(guī)的有效范圍內(nèi)。為了滿足RDE法規(guī)所規(guī)定的16.0km 的行駛里程，試驗車輛在WLTC行駛工況的第1階段必須連續(xù)行駛5次，此時U1試驗循環(huán)下的平均速度為17km/h，呈現(xiàn)出略高的動態(tài)性能。盡管有較小的差異，但U1試驗循環(huán)與WLTC行駛工況的第1階段還是具有可比性，代表了城市行駛的低負(fù)荷場景。因此，基于U1試驗循環(huán)的試驗結(jié)果也可與文獻(xiàn)[1]的試驗結(jié)果進(jìn)行比較。在該文獻(xiàn)所描述的試驗中，研究人員借助了WLTC行駛工況第1階段的1D 模擬來研究可變氣門機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新加熱策略的潛力。圖6示出了U1試驗循環(huán)的速度譜線。研究人員將U1試驗循環(huán)分為2個階段進(jìn)行試驗。在前半個循環(huán)長度為8km 的行駛里程中，研究人員對廢氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了主動加熱，加熱時間至第2個1730s為止。后半個循環(huán)代表了試驗車輛持久的低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，研究人員從第2個1730s起保持廢氣后處理的系統(tǒng)溫度。

5 行駛循環(huán)試驗結(jié)果

在行駛試驗循環(huán)的測量框架內(nèi)，研究人員需要考察以下4種運(yùn)行策略：（1）無附加加熱措施的基本型（不加熱的基本型）;（2）IAT和PoI組合的傳統(tǒng)加熱方案;（3）iEGR（SEVL）與IAT 和PoI（SEVL）的組合方案;（4）SEVL、EIVC、IAT 和PoI（SEVL+EIVC）的組合方案。

穩(wěn)態(tài)試驗的結(jié)果為發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)運(yùn)行中應(yīng)用各種運(yùn)行策略奠定了基礎(chǔ)，并確定了SEVL 和SEVL+EIVC運(yùn)行策略在發(fā)動機(jī)特性曲線場中的應(yīng)用范圍。為了能公平比較所有運(yùn)行策略，試驗必須滿足以下標(biāo)定條件：（1）所有4種運(yùn)行策略具有相同的NOx 原始排放水平;（2）所有加熱策略（傳統(tǒng)加熱、SEVL 和SEVL+EIVC）具有可相比較的T4 水平。

上述的標(biāo)定條件都可用于比較廢氣后處理系統(tǒng)的脫硝效率，并使得汽車尾管的NOx 排放水平也具有可對比性。發(fā)動機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)經(jīng)加熱、維持溫度及整個行駛循環(huán)范圍的汽車尾管NOx 的排放目標(biāo)值，是根據(jù)現(xiàn)行NOx 限值為80mg/km 的廢氣排放法規(guī)來制定的。為此，研究人員必須降低發(fā)動機(jī)的NOx 原始排放并提高廢氣溫度。對于所有循環(huán)試驗，發(fā)動機(jī)都在溫度為20℃的條件下進(jìn)行冷起動（圖7）。

試驗結(jié)果表明，廢氣溫度管理有利于降低NOx 排放。在所有溫度邊界條件下，與未采用加熱措施的基本型相比，加熱措施提高了廢氣后處理系統(tǒng)的脫硝效率。因此，汽車尾管的NOx 排放在加熱階段降低了18.3%，在保持溫度階段降低了41.5%。在整個行駛循環(huán)中，研究人員無須調(diào)整廢氣后處理系統(tǒng)就能使NOx 排放降低26.7%，而通過所有加熱措施達(dá)到的汽車尾管NOx 排放會略高于設(shè)定的NOx 排放目標(biāo)值（80mg/km），在加熱階段其目標(biāo)值可能會明顯降低。

這主要是因為加熱階段達(dá)到的最高廢氣溫度使廢氣后處理的脫硝效率有所降低。發(fā)動機(jī)經(jīng)加熱后，其特性曲線場范圍內(nèi)的NOx 原始排放無法進(jìn)一步降低，因為此時的NOx 排放已經(jīng)處于較低水平。

至于燃油耗，研究人員在所有溫度邊界條件下所采用的可變氣門機(jī)構(gòu)加熱措施相比于傳統(tǒng)加熱的基準(zhǔn)加熱策略具有明顯優(yōu)勢。在保持溫度階段，發(fā)動機(jī)采用SEVL+EIVC策略的燃油耗甚至比發(fā)動機(jī)采用未加熱基本型策略的燃油耗更低，其節(jié)油效率比傳統(tǒng)加熱的運(yùn)行策略節(jié)油效率高4.4%。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因有：（1）較低的后噴射需求縮短了燃燒時間;（2）較低的進(jìn)氣節(jié)流減少了換氣損失;（3）通過降低有效壓縮比，減少了壁面熱損失。同樣，在降低燃油耗方面，SEVL運(yùn)行策略比于傳統(tǒng)加熱的運(yùn)行策略效果更佳，改善效果達(dá)2.4%。在加熱階段，發(fā)動機(jī)采用SEVL和采用SEVL+EIVC的運(yùn)行策略差別不大，因為EIVC僅會在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度為70 ℃時被激活，在此之前這2種策略達(dá)到的效果是相同的。

此外，高溫iEGR 在發(fā)動機(jī)起動后，SEVL 和SEVL+EIVC加熱方式的應(yīng)用可使HC和CO 原始排放具有顯著優(yōu)勢。因此，加熱階段與傳統(tǒng)加熱相比，發(fā)動機(jī)的DOC效率更高。通過適當(dāng)?shù)臉?biāo)定，發(fā)動機(jī)可以將顆粒排放保持在與傳統(tǒng)加熱方式相當(dāng)?shù)乃健?/p>

6 結(jié)論和展望

本文介紹的試驗結(jié)果證實了可氣門機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)iEGR和EIVC有效的主動廢氣溫度管理。在所研究的城市行駛循環(huán)試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，采取了主動廢氣溫度管理措施的發(fā)動機(jī)比未采用加熱措施的基本型發(fā)動機(jī)，其NOx 排放值可降低41.5%，其中采用可變氣門機(jī)構(gòu)加熱措施的SEVL和SEVL+EIVC與IAT和PoI相組合的加熱方式，相較于采用IAT 和PoI的傳統(tǒng)加熱方式，其節(jié)油效率進(jìn)一步提高了4.4%。這表明為了滿足未來法規(guī)排放限值要求，特別是在保持溫度運(yùn)行時，SEVL與EIVC相組合是1種有效的措施。

試驗結(jié)果表明，廢氣后處理方案需要1套組合系統(tǒng)來確保系統(tǒng)可在所有行駛狀況下滿足未來法規(guī)排放限值要求，這個方案包括降低NOx 原始排放的發(fā)動機(jī)措施、主動廢氣溫度管理和高效的廢氣后處理系統(tǒng)。其中，可變氣門機(jī)構(gòu)的加熱策略將在發(fā)動機(jī)節(jié)油方面作出重要的貢獻(xiàn)。