孟令軍，王月華，趙文輔，高宇航，張寶坤

中國第一汽車集團有限公司，吉林長春 130011

0 引言

隨著國六標(biāo)準(zhǔn)[1]的逐步實施，對排氣污染物的要求更加嚴(yán)格，柴油機排氣污染物主要是氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulate matter, PM)，國六標(biāo)準(zhǔn)大幅加嚴(yán)了NOx和PM排放的限值。為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，進一步降低排放，柴油機普遍采用了選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)等排氣后處理系統(tǒng)。后處理系統(tǒng)對柴油機排氣溫度和排放物濃度非常敏感，排氣溫度直接影響SCR系統(tǒng)的效率。中、輕型柴油機排量小，排氣溫度較低，城市工況下SCR系統(tǒng)效率普遍較低，甚至可能失效。

柴油機采用排氣熱管理技術(shù)提升排氣溫度有利于提高SCR的效率和DPF的再生，但會增加燃油消耗和排放物中碳煙的含量，必須對發(fā)動機電控進行標(biāo)定，優(yōu)化和合理使用排氣熱管理技術(shù)。本文中主要研究進氣節(jié)流、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)和燃油后噴3種發(fā)動機排氣熱管理技術(shù)，通過發(fā)動機臺架試驗，研究和分析柴油機低速、低負(fù)荷、低排溫工況下3種技術(shù)最優(yōu)的控制方式，在兼顧油耗和動力性的同時，有效提升排氣溫度。

1 試驗設(shè)備及研究方案

1.1 樣機和測試設(shè)備

試驗樣機為某國產(chǎn)4缸柴油機，在柴油機進氣管路前端安裝進氣空調(diào)和空氣濾清器，保證進氣質(zhì)量，控制進氣溫度、濕度恒定；柴油機進氣管路外接中冷器，控制增壓后的進氣溫度不超過50 ℃；在進氣管安裝節(jié)流閥和EGR系統(tǒng)；柴油機增壓器出口連接后處理器總成，連接的排氣管路按照整車應(yīng)用的尺寸和形式安裝。柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

進行發(fā)動機臺架試驗，試驗方法及測試設(shè)備嚴(yán)格按照國六標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗室環(huán)境采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：室溫為25 ℃，進氣相對濕度為50%，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。發(fā)動機試驗采用全套AVL控制臺架和操作系統(tǒng)，測試設(shè)備符合國六標(biāo)準(zhǔn)要求，排放物測試設(shè)備采用AVL全流稀釋采樣系統(tǒng)，試驗測試的邊界條件參照文獻[2]。試驗主要測試設(shè)備型號如表2所示。

表2 試驗主要測試設(shè)備型號

1.2 試驗研究方案

排氣熱管理技術(shù)主要針對發(fā)動機低負(fù)荷工況，發(fā)動機低負(fù)荷工況下排氣溫度相對較低，造成后處理系統(tǒng)載體溫度下降，當(dāng)SCR載體溫度過低時，SCR效率明顯下降，導(dǎo)致排氣污染物中的NOx濃度增大[3]。本文中選取發(fā)動機低負(fù)荷區(qū)的特征工況點進行試驗研究，通過提高排氣溫度，提高SCR載體溫度和SCR效率。

分別進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)工況試驗，穩(wěn)態(tài)試驗選取穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(world harmonized steady-state cycle, WHSC)中的25%最大轉(zhuǎn)矩工況點，瞬態(tài)試驗主要考察瞬態(tài)測試循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)中的低負(fù)荷區(qū)域[4]。在發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的前提下，通過調(diào)整進氣節(jié)流閥、EGR閥和燃油后噴油量，實現(xiàn)對排氣溫度的控制。進氣節(jié)流閥不工作時開度為0，進氣管路完全封閉時進氣節(jié)流閥開度為100%；EGR管路不工作時EGR閥開度為0，EGR管路完全打開時EGR閥開度為100%。排氣溫度升高也會影響發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性和原機排放(發(fā)動機排出的未經(jīng)后處理器處理的氣體)水平，因此需要通過WHTC、WHSC和車載排放測試系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)循環(huán)驗證，對發(fā)動機油耗、動力性、排氣煙度和NOx濃度等進行綜合評價和對比分析，使柴油機采用排氣熱管理技術(shù)后，排放水平既符合國六標(biāo)準(zhǔn)要求，也盡可能地貼近和符合整車實際應(yīng)用要求[5]。

2 穩(wěn)態(tài)試驗分析

2.1 EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴對柴油機性能的影響

EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)的本質(zhì)都是降低空燃比，EGR和進氣節(jié)流是通過調(diào)整EGR閥和進氣節(jié)流閥開度，控制和減少進入發(fā)動機氣缸的新鮮空氣量，燃油后噴的目的是增加參與燃燒的燃油量[6]。單獨使用EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)進行WHSC試驗，測試3種技術(shù)單獨作用時對SCR入口溫度(即排氣溫度)、比油耗和排放煙度的影響。

2.1.1 EGR

WHSC穩(wěn)態(tài)工況試驗選擇25%最大轉(zhuǎn)矩工況點，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1463 r/min，SCR入口溫度、比油耗和煙度隨EGR閥開度變化曲線如圖1所示。

由圖1可知：EGR閥開度從0增大到50%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度都隨之平穩(wěn)增大，其中EGR閥開度為15%～30%時，SCR入口溫度增長速度最快，基本呈線性增長，比油耗也明顯上升；EGR閥開度大于50%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度不再有明顯變化，這是由于EGR閥開度大于50%后，EGR管路基本為全開狀態(tài)，EGR進氣量不再有明顯變化，排氣溫度及性能也趨于穩(wěn)定；EGR閥開度為50%時，SCR入口溫度、比油耗和煙度達(dá)到最高，與EGR閥開度為0時相比，SCR入口溫度提升18 ℃，比油耗相對增加了7.1 g/(kW·h)，排氣煙度FSN達(dá)到最高，為0.62。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖1 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨EGR閥開度的變化曲線

2.1.2 進氣節(jié)流

SCR入口溫度、比油耗和煙度隨節(jié)流閥開度的變化曲線如圖2所示(實際應(yīng)用中發(fā)動機進氣節(jié)流閥最大開度為95%，進氣節(jié)流閥開度大于95%時，由于空燃比過低發(fā)動機不能穩(wěn)定工作)。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖2 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨節(jié)流閥開度的變化曲線

由圖2可知：進氣節(jié)流閥開度從0增大到95%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度都隨之增大；進氣節(jié)流閥開度為0～70%，溫度、比油耗和排氣煙度變化均不明顯，這是由于低負(fù)荷工況的進氣量較小，節(jié)流閥開度小幅度變化不會影響發(fā)動機進氣氣流；節(jié)流閥開度達(dá)到70%時，比油耗、排氣煙度、排氣溫度開始明顯增加；節(jié)流閥開度為70%～95%是發(fā)動機低負(fù)荷工況進氣節(jié)流閥有效工作區(qū)域，隨著節(jié)流閥開度變大，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度均顯著提高；相對于初始狀態(tài)(節(jié)流閥開度為0)，節(jié)流閥開度為90%時SCR入口溫度提升了40 ℃，比油耗增大了8 g/(kW·h)，排氣煙度FSN約增大1；節(jié)流閥開度為95%時，SCR入口溫度進一步提高，但此時的排氣煙度FSN過高，超過1.25，已不適合實際應(yīng)用。

2.1.3 燃內(nèi)后噴

固定后噴的噴油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點后15°，控制每循環(huán)后噴油量從0增大至30 mg，SCR入口溫度、比油耗和煙度隨每循環(huán)后噴油量的變化曲線如圖3所示。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖3 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨每循環(huán)后噴油量的變化曲線

由圖3可知：隨著后噴油量的增加，比油耗和排氣煙度基本呈線性增大，SCR入口溫度也平穩(wěn)上升；每循環(huán)后噴油量為15 mg時，相對于初始狀態(tài)(后噴油量為0)，SCR入口溫度提升了21 ℃，比油耗增大了5 g/(kW·h)，排氣煙度FSN增大0.5；當(dāng)每循環(huán)后噴油量大于15 mg后，SCR入口溫度不再明顯上升，但煙度和油耗繼續(xù)增加，這是主噴燃燒消耗了大部分新鮮空氣，后噴燃燒可用的空氣有限，每循環(huán)后噴油量為15 mg時就已處于低空燃比狀態(tài)。

2.2 熱管理技術(shù)提升排溫效果

國六柴油發(fā)動機后處理系統(tǒng)普遍采用DPF和SCR的組合方式，既提高排氣溫度，同時控制排氣煙度。排氣煙度過大會造成DPF負(fù)荷過重，再生周期短。穩(wěn)態(tài)工況不同排氣煙度時EGR、進氣節(jié)流、燃油后噴3種技術(shù)對提高排溫效果如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)工況不同煙度時3種技術(shù)提高排溫效果

由表3可知：同等排氣煙度下，進氣節(jié)流提升排氣溫度效果最好，能夠達(dá)到的溫度最高，為225 ℃；EGR提升溫度效果有限，最大為203 ℃；燃油后噴的提升溫度效果介于兩者之間，為209 ℃。穩(wěn)態(tài)工況發(fā)動機試驗表明，3種熱管理技術(shù)提升排氣溫度的高效區(qū)域分別是：EGR閥開度為20%～30%；節(jié)流閥開度為70%～90%，每循環(huán)燃油后噴油量為5～15 mg。

3 瞬態(tài)試驗分析

3.1 EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴對排溫和排放的影響

單獨使用EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴進行WHTC試驗，測試使用3種排氣熱管理技術(shù)對SCR入口溫度、發(fā)動機NOx和PM排放的影響[7]。EGR、節(jié)流閥、燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)的WHTC試驗冷熱態(tài)加權(quán)測試結(jié)果如表4所示。

表4 3種熱管理技術(shù)的排溫排放物WHTC測試結(jié)果

由表4可知：單獨使用進氣節(jié)流閥時發(fā)動機SCR入口溫度最高，為243 ℃，排放物的控制效果較差(NOx和PM比排放最大)；單獨使用EGR時NOx和PM比排放最小，但SCR入口溫度提升效果一般，SCR入口溫度比進氣節(jié)流閥低21 ℃，差距明顯；燃油后噴的發(fā)動機平均SCR入口溫度提升效果一般，與EGR相比，燃油后噴SCR入口溫度基本相同，但NOx和PM比排放大幅增加。

3.2 怠速和倒拖工況

瞬態(tài)工況發(fā)動機怠速和倒拖工況較多，與其它工況不同，此時噴油量很小，進入氣缸的新鮮空氣多，空燃比大，導(dǎo)致排氣溫度較低[8]，因此怠速和倒拖工況的熱管理策略以保溫為主。怠速和倒拖工況下，由于發(fā)動機噴油量少，燃燒能量和排氣溫度較低，后處理器載體溫度和后處理效率降低[9]。當(dāng)發(fā)動機從怠速(或倒拖)工況快速提升至中、負(fù)荷時，排氣污染物快速增加，但后處理載體的升溫過程相對較慢，SCR效率相對較低，NOx排放容易出現(xiàn)瞬態(tài)峰值，增加尿素結(jié)晶的風(fēng)險[10]。對于瞬態(tài)試驗中排氣溫度較低的怠速和倒拖工況，應(yīng)盡量減少排氣流量，減緩后處理器載體的溫度下降[11]。

圖4 怠速和倒拖工況WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗對比

EGR和進氣節(jié)流都可以有效減少排氣流量：EGR通過使部分排氣回到進氣管路，降低最終的排氣流量；進氣節(jié)流可直接減少進入發(fā)動機氣缸的新鮮空氣量，從而減少了排氣流量[12]。怠速和倒拖工況WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗對比如圖4所示(圖中紅色圓圈位置為怠速和倒拖工況影響區(qū)域)，其中第一次試驗不使用EGR和進氣節(jié)流，第二次試驗綜合使用了EGR和進氣節(jié)流。

由圖4可知，怠速和倒拖工況2組試驗的SCR入口溫度有明顯區(qū)別。使用EGR和進氣節(jié)流可有效減少進氣量和排氣量，SCR入口溫度下降緩慢，保溫效果明顯。

3.3 中、低負(fù)荷工況

熱管理提升排氣溫度的主要區(qū)域為發(fā)動機中、低負(fù)荷工況(低于50%標(biāo)定負(fù)荷)，綜合使用3種排氣熱管理技術(shù)可有效提升排氣溫度。倒拖工況使用大EGR閥開度(40%)和大節(jié)流閥開度(90%)，可有效減少新鮮空氣進入氣缸，起到保溫效果；中、低負(fù)荷區(qū)域，應(yīng)使用較小EGR閥開度(<15%)，為節(jié)流閥的使用留出空燃比和煙度的裕度。節(jié)流閥是提升排氣溫度的主要方式，但受整車瞬態(tài)加速性限制，節(jié)流閥開度不能太大，隨著負(fù)荷的提高，節(jié)流閥開度從90%逐漸減少至75%。對因瞬態(tài)加速限制節(jié)流閥開度的工況，應(yīng)使用燃油后噴補償提升溫度，循環(huán)后噴油量應(yīng)控制為15 mg，后噴油量過大將導(dǎo)致排氣煙度明顯增大。

WHSC、WHTC、發(fā)動機臺架非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(world not to exceed, WNTE)和PEMS為國六標(biāo)準(zhǔn)要求排放達(dá)標(biāo)的4個試驗項目，對未采用任何排氣熱管理技術(shù)的原機和綜合采用EGR、節(jié)流閥、燃油后噴3種熱管理技術(shù)后的柴油機進行WHSC、WHTC、WNTE、PEMS試驗，柴油機NOx、PM排放測試結(jié)果和排放限值如表5所示。

表5 柴油機NOx和PM排放限值及試驗結(jié)果

由表5可知，采用熱管理技術(shù)后的柴油機NOx和PM比排放均不同程度降低，其中NOx的降低幅度最大，原機的NOx排放無法達(dá)到國六標(biāo)準(zhǔn)，綜合采用EGR、節(jié)流閥和燃油后噴3種方排氣熱管理技術(shù)后，由于SCR入口溫度和效率提高，NOx比排放顯著降低，柴油機排放滿足國六標(biāo)準(zhǔn)要求，整車可順利通過環(huán)境溫度為-7 ℃的PEMS試驗。

4 結(jié)論

在4缸柴油機上采用EGR、進氣節(jié)流和燃油后噴等排氣熱管理技術(shù)，分別對穩(wěn)態(tài)小負(fù)荷工況、瞬態(tài)工況和怠速工況進行試驗，對比分析熱管理技術(shù)對SCR入口溫度、油耗、煙度、NOx及PM排放的影響，通過綜合運用熱管理技術(shù)，提升發(fā)動機排氣溫度，使NOx排放達(dá)到國六標(biāo)準(zhǔn)要求。

1)穩(wěn)態(tài)工況下，采用EGR、進氣節(jié)流閥和燃油后噴都可提升排氣溫度，但比油耗和排氣煙度升高；EGR的合理使用范圍是20%～30%，進氣節(jié)流閥的合理使用范圍是70%～90%，燃油后噴的合理使用范圍是5～15 mg；同等排氣煙度時，進氣節(jié)流閥提升排氣溫度效果最好，EGR提升排氣溫度效果最差。

2)瞬態(tài)工況下，采用進氣節(jié)流的升溫效果最好，但NOx比排放最高；采用EGR的發(fā)動機NOx和PM排放最低，但升溫效果最差；燃油后噴的升溫效果與EGR接近，NOx和PM比排放略高于EGR，適用于瞬態(tài)加速節(jié)流閥使用受限的工況。

3)怠速和倒拖工況下，采用節(jié)流閥和EGR技術(shù)可減少排氣流量，保溫效果明顯。

應(yīng)根據(jù)發(fā)動機工況綜合使用排氣熱管理技術(shù)，使柴油機瞬態(tài)工況的平均排溫高于SCR系統(tǒng)最低使用溫度，控制NOx及PM比排放達(dá)到國六排放的要求。