高濤 杜闖 汪曉偉 高寅祥 霍永占

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 前言

重型車的污染物排放已經(jīng)成為大氣污染的重要來源，其中柴油車NOx排放量占汽車排放總量的80%以上，顆粒物排放量占汽車排放總量的90%以上[1]。為了進(jìn)一步降低柴油車的污染物排放量，特別是NOx的排放量，美國加州空氣資源委員會（California Air Resources Board，CARB）等機(jī)構(gòu)將出臺更加嚴(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）測試工況加入重型車的發(fā)動機(jī)臺架測試中，對低負(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，在開展LLC工況下的標(biāo)定開發(fā)時，需重點關(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，通過在進(jìn)氣管安裝節(jié)流閥可以明顯提高發(fā)動機(jī)排氣溫度[4]，本文通過3種進(jìn)氣節(jié)流狀態(tài)下LLC 工況測試的對比，進(jìn)一步深入研究柴油機(jī)進(jìn)氣節(jié)流對發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況下排放性能的影響。

2 試驗方案

本文選取某滿足國家第六階段污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動機(jī)，在發(fā)動機(jī)控制器（Engine Control Unit，ECU）國六原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對低負(fù)荷工況區(qū)域提出2 種不同程度的節(jié)氣門節(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)動機(jī)排氣溫度，提高后處理轉(zhuǎn)化效率。同時用臺架氣態(tài)污染物分析儀和油耗儀采集試驗數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同一種ECU 狀態(tài)下開展3 次LLC 測試，試驗結(jié)果取3次試驗數(shù)據(jù)的平均值。

2.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

發(fā)動機(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)動機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

2.2 測試設(shè)備

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

表2 主要試驗設(shè)備

2.3 測試工況

LLC 工況開發(fā)過程中采集了751 輛汽車的原始數(shù)據(jù)，并通過低負(fù)荷窗口定義、聚類分析等得到了代表性的工況片段，再通過拼接、試驗驗證等方式獲得了整車的低負(fù)荷循環(huán)[5]，美國西南研究院采用美國環(huán)保署的溫室氣體排放模型（Global Energy Model，GEM）將整車工況轉(zhuǎn)換為發(fā)動機(jī)工況，從而得到了發(fā)動機(jī)的LLC工況，如圖1所示。

3 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.1 發(fā)動機(jī)LLC工況點分布

在原始ECU 狀態(tài)下開展發(fā)動機(jī)LLC 工況測試，由圖2 可知，LLC 工況散點分布轉(zhuǎn)速相對集中在650～1 600 r/min區(qū)間，負(fù)荷點主要分布在-50～300 N·m區(qū)間。以工況點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，對低于該限值的工況點開展節(jié)氣門節(jié)流標(biāo)定優(yōu)化。

圖2 發(fā)動機(jī)LLC工況點

對原始ECU 狀態(tài)工況點分布情況展開統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。怠速區(qū)域（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為640～660 r/min、發(fā)動機(jī)扭矩小于50 N·m）工況點占比為41.51%，發(fā)動機(jī)扭矩小于300 N·m 的工況點占比為83.47%，可見LLC工況主要分布在低負(fù)荷區(qū)間。

表3 LLC工況點分布（工況點數(shù)量占比）%

3.2 NOx排放質(zhì)量分布

利用LLC 測試工況中實時測得的NOx濃度計算得到NOx瞬時排放質(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，對于柴油發(fā)動機(jī)，Ugas=0.001 587；Cgas為排氣組分中NOx瞬時濃度；med為排氣質(zhì)量流量；kh,d為NOx濕度修正系數(shù)[6]。

對計算得到的m(NOx)根據(jù)工況點統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行累計分析得到該發(fā)動機(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NOx排放質(zhì)量占LLC 工況發(fā)動機(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 工況測試結(jié)果，通過累計的NOx排放量對比發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門進(jìn)氣節(jié)流對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）沒有明顯增加的情況下，在整個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、16.93百分點，轉(zhuǎn)換效率使用SCR 系統(tǒng)上、下游NOx傳感器數(shù)據(jù)計算得到，排除達(dá)到“露點”溫度前的無效數(shù)據(jù)，NOx的尾氣排放量分別減少41.23%、62.46%。

表5 LLC工況測試結(jié)果

3.4 CO2比排放

CO2排放與車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LLC 工況循環(huán)功得到CO2比排放，如圖3所示，隨著節(jié)氣門開度的減小，雖然NOx排放數(shù)據(jù)優(yōu)化，但導(dǎo)致燃燒惡化，從而帶來燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化，方案1和方案2測試的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 工況測試過程的車載診斷系統(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 短時間怠速分析

在經(jīng)過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，可以滿足發(fā)動機(jī)原始排放NOx轉(zhuǎn)化的要求，因此，對于短時間怠速，SCR系統(tǒng)上游排氣溫度降幅較小，經(jīng)過后處理的NOx尾氣排放基本無變化，但會因為進(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 短時間怠速分析數(shù)據(jù)

3.5.2 長時間怠速分析

對于長時間怠速，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)時間的延長均呈現(xiàn)下降趨勢，長時間怠速起、止時刻數(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 長時間怠速分析數(shù)據(jù)

3.5.3 怠速穩(wěn)態(tài)點分析

對自然怠速穩(wěn)態(tài)工況點開展測試，取每種穩(wěn)定狀態(tài)下30 s 平均值進(jìn)行計算，結(jié)果表明，進(jìn)氣節(jié)流對怠速排氣溫度提升作用非常明顯，如表8 所示，隨著節(jié)氣門開度降低，怠速工況排氣溫度最大可提升約50 ℃。

表8 怠速工況點對比

4 結(jié)束語

本文以LLC 為試驗工況，使用3 種不同程度的節(jié)氣門節(jié)流方案，驗證了進(jìn)氣節(jié)流優(yōu)化對柴油機(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)流策略對排氣溫度的提升較大，還會降低低負(fù)荷工況NOx排放量，同時顆粒物數(shù)量沒有明顯提高；

b.怠速狀態(tài)下，節(jié)流帶來的影響導(dǎo)致油耗量增加，短時間怠速（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)動機(jī)怠速持續(xù)時間的延長均呈現(xiàn)下降趨勢，長時間怠速后溫度將低于后處理轉(zhuǎn)換的工作溫度。針對此低負(fù)荷問題，可在經(jīng)過短時間怠速階段后，采用進(jìn)氣節(jié)流的方式提升發(fā)動機(jī)排氣溫度，減少NOx的產(chǎn)生。