滿足未來廢氣排放標準的柴油車可變氣門傳動方案

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

關鍵詞：排放標準;柴油機;可變氣門;傳動方案

0 前言

到2030年底，與2020年全球統一的輕型車試驗循環（WLTC）所設定的基準排放值相比，由汽車所產生的CO2 排放必須減少37.5%。因此，柴油車廢氣后處理系統將面臨一系列技術挑戰。在所有邊界條件和行駛狀況下，特別是在低環境溫度和低負荷工況下，發動機能迅速預熱并維持較高溫度，這是當前柴油機開發的重點。發動機必須實現高效運行，并相應降低熱量的損失，同時應適用于較長的行駛里程。這與燃油耗有著密切聯系。

先前的試驗表明，研究人員借助于可變氣門機構，通過二次排氣門升程（SEVL）、內部廢氣再循環（iEGR），與進氣門早關（EIVC）等方案[1-3]相結合，對廢氣溫度實現了有效管理。目前，為對之前的整車試驗進行補充，研究人員針對行駛循環開展了一系列后續試驗。研究人員在捷豹路虎公司量產的AJ200D系列發動機基礎上，選取了1款排量為2.0L的4缸柴油機作為試驗車輛。其特性數據如表1所示。

在發動機試驗臺上，研究人員針對配備有柴油機氧化催化轉化器（DOC）和柴油機顆粒過濾器（DPF）的廢氣后處理系統開展了相關試驗。為了進一步標定配備有2 種先進廢氣后處理設備的選擇性催化還原（SCR）系統，研究人員運用Exothermia/AxiSuite廢氣后處理模擬軟件進行了試驗。試驗中所應用的AxiSuite廢氣后處理模型在現有系統上進行了標定，并說明了雙SCR系統的功能。布設于地板下方的SCR 系統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）排放量作為目標值，并整合到到標定過程中。

在IAV 公司的發動機試驗臺上，試驗車輛與“北極熊”空調裝置相結合，可同時調節發動機環境、進氣空氣、冷卻水和發動機機油溫度，并可將其最高溫度調節至-7℃（圖1）。

1 可變氣門機構

研究人員將試驗發動機的量產氣門機構（雙頂置凸輪軸-搖臂傳動機構）更換為配備有新凸輪軸的eRocker系統（圖2），且進排氣門升程都可實現轉換。eRocker系統是1款能使電動機實現不連續轉換的搖臂系統，它由執行器、執行器壓板和轉換搖臂3個核心部件組成。當執行器通電時，執行器銷壓在相應的執行器壓板上并進行移動，從而使執行器壓板的鋼板彈簧與轉換搖臂的聯動機構實現共同作用，激活排氣門的雙升程功能。詳細的系統描述可查閱參考文獻[1-5]。

在排氣門側，研究人員通過排氣門升程組Ⅰ和排氣門升程組Ⅱ的選擇控制來實現多級iEGR控制。此外，研究人員還使用了1個雙銷執行器和1個由2部分組成的執行器壓板，該壓板可以實現單獨移動，也可以將2部分壓板一起移動。試驗發動機的進氣門側同樣也采用了由進氣門升程組Ⅰ和進氣門升程組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之間轉換。試驗發動機的eRocker機構結構圖解，以及氣門升程曲線和聯動機構如圖3所示。

2 氣門升程曲線

試驗發動機的進排氣門升程曲線設計是借助于GT-Suite軟件中的一維（1D）模擬進行的[3]。氣門升程設計的基礎是標定的試驗發動機GT-Suite模型，eRocker系統通過2 個有選擇性打開的排氣門上的SEVL實現了iEGR 的4級調節過程（無、低、中、高），同時進氣門升程可從量產的基本升程轉換到EIVC。實現進氣可變性的目的是減少部分負荷范圍內的充氣量和減少節流損失，有利于廢氣后處理裝置的有效加熱。

就試驗發動機而言，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，只能通過增加進氣節氣門（IAT）才能達到必要的iEGR率，這與使用進氣節氣門的傳統加熱方式相比，在燃油耗方面幾乎沒有優勢。研究人員采用升程高度為2.0mm 的SEVL時，將會使4缸發動機的進氣管產生不必要的廢氣回流，并且由于iEGR率較高，限制了其運行范圍。升程高度為0.9mm 和1.5 mm 的SEVL組合是用于試驗發動機的最佳方案，該方案可實現預期范圍內的iEGR率，且無須附加進氣空氣節流。因此，研究人員可以將iEGR 用于負荷區域，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，則可達到的最大SEVL升程高度為2.0mm。

對于進氣側，EIVC升程的目標調節寬度為90°CA。一方面發動機充分減少了燃油耗;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，使發動機在以熱機狀態運行時有足夠寬廣的運行范圍和穩定的點火條件。圖4示出了氣門升程曲線。

3 穩態運行工況點試驗結果

整機穩態運行試驗是在3種不同的溫度邊界條件和3個具有代表性運行工況點進行的（表2、表3）。怠速運行工況點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。中等運行工況點代表了在低負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。極限運行工況點代表了使用主動加熱措施的負荷上限，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加熱過程，以及發動機在以熱機狀態運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”空調裝置。

在發動機試驗臺的運行過程中，研究人員定義了中止運行的標準，包括了不完全燃燒有害物的排放限值，以及因燃燒的不穩定性而得到的平均指示壓力偏差值。相關限值和標準如下：CO限值為3000×10-6，碳氫（HC）限值為1000×10-6，炭煙煙度（FSN）為3.5，平均指示壓力的標準偏差（σpmi/σmi）為3%。圖5示出了穩態運行條件下的測量結果，即在各種不同試驗運行工況點和不同渦輪后廢氣溫度（T4）下的有效比油耗（BSFC）。所有的可變氣門機構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行比較。

在冬季加熱條件下，發動機不能采用EIVC運行，而應采用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無法再補償EIVC 引起的點火條件惡化現象。如果采用SEVL與EIVC的組合，發動機將表現出燃燒不穩定、燃油轉化率低、CO 和HC排放高、無BSFC優勢等現象。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，發動機采用SEVL與PoI的組合方式，與傳統的加熱策略相比，可使BSFC減少11%。

在保持一定溫度的條件下，根據不同的運行工況點，發動機通過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的負荷條件下，發動機通過EIVC減少充液量是可行的。在相同的T4 條件下，該方案與傳統的加熱策略相比，可使BSFC減少8%。根據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點。以可比較的BSFC和相同的NOx 排放水平為基準，研究人員發現發動機所產生的炭煙、CO和HC排放并沒有增加或僅出現極小的增加現象[3]，這取決于不同的運行工況點。

4 行駛循環

研究人員將特定的低負荷試驗循環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試驗循環與WLTC行駛工況的比較。研究人員選擇了1款空載質量約為1800kg的D級汽車作為試驗的基礎車型。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 法規的有效范圍內。為了滿足RDE法規所規定的16.0km 的行駛里程，試驗車輛在WLTC行駛工況的第1階段必須連續行駛5次，此時U1試驗循環下的平均速度為17km/h，呈現出略高的動態性能。盡管有較小的差異，但U1試驗循環與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荷場景。因此，基于U1試驗循環的試驗結果也可與文獻[1]的試驗結果進行比較。在該文獻所描述的試驗中，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構的創新加熱策略的潛力。圖6示出了U1試驗循環的速度譜線。研究人員將U1試驗循環分為2個階段進行試驗。在前半個循環長度為8km 的行駛里程中，研究人員對廢氣后處理系統進行了主動加熱，加熱時間至第2個1730s為止。后半個循環代表了試驗車輛持久的低負荷運行狀態，研究人員從第2個1730s起保持廢氣后處理的系統溫度。

5 行駛循環試驗結果

在行駛試驗循環的測量框架內，研究人員需要考察以下4種運行策略：（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。

穩態試驗的結果為發動機在瞬態運行中應用各種運行策略奠定了基礎，并確定了SEVL 和SEVL+EIVC運行策略在發動機特性曲線場中的應用范圍。為了能公平比較所有運行策略，試驗必須滿足以下標定條件：（1）所有4種運行策略具有相同的NOx 原始排放水平;（2）所有加熱策略（傳統加熱、SEVL 和SEVL+EIVC）具有可相比較的T4 水平。

上述的標定條件都可用于比較廢氣后處理系統的脫硝效率，并使得汽車尾管的NOx 排放水平也具有可對比性。發動機廢氣后處理系統經加熱、維持溫度及整個行駛循環范圍的汽車尾管NOx 的排放目標值，是根據現行NOx 限值為80mg/km 的廢氣排放法規來制定的。為此，研究人員必須降低發動機的NOx 原始排放并提高廢氣溫度。對于所有循環試驗，發動機都在溫度為20℃的條件下進行冷起動（圖7）。

試驗結果表明，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%。在整個行駛循環中，研究人員無須調整廢氣后處理系統就能使NOx 排放降低26.7%，而通過所有加熱措施達到的汽車尾管NOx 排放會略高于設定的NOx 排放目標值（80mg/km），在加熱階段其目標值可能會明顯降低。

這主要是因為加熱階段達到的最高廢氣溫度使廢氣后處理的脫硝效率有所降低。發動機經加熱后，其特性曲線場范圍內的NOx 原始排放無法進一步降低，因為此時的NOx 排放已經處于較低水平。

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構加熱措施相比于傳統加熱的基準加熱策略具有明顯優勢。在保持溫度階段，發動機采用SEVL+EIVC策略的燃油耗甚至比發動機采用未加熱基本型策略的燃油耗更低，其節油效率比傳統加熱的運行策略節油效率高4.4%。導致上述現象的主要原因有：（1）較低的后噴射需求縮短了燃燒時間;（2）較低的進氣節流減少了換氣損失;（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運行策略比于傳統加熱的運行策略效果更佳，改善效果達2.4%。在加熱階段，發動機采用SEVL和采用SEVL+EIVC的運行策略差別不大，因為EIVC僅會在發動機冷卻液溫度為70 ℃時被激活，在此之前這2種策略達到的效果是相同的。

此外，高溫iEGR 在發動機起動后，SEVL 和SEVL+EIVC加熱方式的應用可使HC和CO 原始排放具有顯著優勢。因此，加熱階段與傳統加熱相比，發動機的DOC效率更高。通過適當的標定，發動機可以將顆粒排放保持在與傳統加熱方式相當的水平。

6 結論和展望

本文介紹的試驗結果證實了可氣門機構可實現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試驗中，研究人員發現，采取了主動廢氣溫度管理措施的發動機比未采用加熱措施的基本型發動機，其NOx 排放值可降低41.5%，其中采用可變氣門機構加熱措施的SEVL和SEVL+EIVC與IAT和PoI相組合的加熱方式，相較于采用IAT 和PoI的傳統加熱方式，其節油效率進一步提高了4.4%。這表明為了滿足未來法規排放限值要求，特別是在保持溫度運行時，SEVL與EIVC相組合是1種有效的措施。

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