用于降低商用车发动机氮氧化物和CO2排放的技术方案

奥地利K.HADL B.RASER T.SACHER G.GRAF

摘要

在美国，日益严苛的氮氧化物（NOx）排放法规要求汽车制造商显著降低其车型产品的有害物排放，为此必须使车辆在所有运行条件下都具有最高的NOx转化率。AVL公司已开发了1种可用于发动机废气后处理的技术方案，能在发动机试验台上充分满足“超低NOx排放”及降低燃油耗的要求。

关键词

商用车;发动机;排放

①为了符合本行业习惯，本文仍沿用部分非法定计量单位——编注。

0 前言

根据美国加州空气资源局（CARB）制定的超低氮氧化物（NOx）排放法规，要求北美地区显著降低有害物排放。其中提到：至2027年，应使商用车NOx排放限值比现有标准降低90%，并具有更好的耐久性和更长的保修期，这些都是以提高NOx转化率为前提条件的。同时，基于第2阶段的温室气体排放法规，CO2、N2O与CH4等气体的排放也应降至最低[1]。

1 边界条件和方案选择

为了在美国重型柴油机瞬态循环（US HDDTC）中，使NOx排放降至20 mg/（hp·h）①，在发动机冷起动后，废气后处理系统应在最短时间内达到最高的转化率。只要在催化转化器中发生的还原过程并非选择性催化还原（SCR），研究人员必须将NOx原始排放降至最低。例如，在NOx原始排放为3.50 g/（hp·h）的情况下，废气后处理系统在50 s后的理论NOx转化率必须达到100%，以便使发动机在冷/热组合循环中实现NOx排放为20 mg/（hp·h）的目标（图1）。

上述试验过程说明了未来废气排放法规所面临的艰巨挑战，而且考虑到零部件自身存在的误差，研究人员还需要对废气温度管理过程进行优化。

因此，高效的废气后处理系统与相应的软件和调节策略，以及SCR系统的快速起燃过程都是必不可少的[2]。本研究项目中所采用的废气后处理系统由如下部件组成：1个靠近发动机布置且不采用涂层的电加热催化转化器（EHC），1款柴油机尿素溶液（DEF）系统和第1级钒-铜组合型SCR（ccSCR）系统。系统中还配备了可满足2021年车型（MY21）要求，并且由柴油机氧化催化转化器（DOC）、柴油机颗粒捕集器（DPF）和氨逃逸催化转化器（ASC）组成的标准配置，其中使用了最新的催化转化器涂层。第2款布置于底板下方的SCR（ufSCR）系统采用了铜涂层。

试验在1台排量为2.0 L的柴油机上进行。该柴油机的喷油压力为250 MPa，同时采用了配备有电动废气放气阀的单级涡轮增压系统，以及高压废气再循环（HP-EGR）系统。在采用上述基本配置的情况下，该款柴油机已满足美国政府对2027年车型（MY27）8级专业车型提出的CO2排放要求。

2 加热策略和温度管理

研究人员选用了配有冷却系统的HP-EGR系统，并采用了节气门辅助，因此在系统冷起动后就直接能使NOx原始排放降至最低。同时，研究人员提高了进气管中的温度，使废气流量相应降至最低，最终使经过EHC的气体温度得以有效提升。在废气流量较小的情况下，功率为7 kW的加热系统具有较好的加热效果，而在废气流量较大的情况下，其效果并不显著（图2）。

研究人员通过采用未配有冷却设备的HP-EGR系统，同时降低废气流量，并与EHC相组合，可在冷态US HDDTC的前600 s内使NOx原始排放降至约1.50 g/（hp·h）。正如图2所示，在冷态US HDDTC中的首次加速阶段，系统对NOx的转化效果已较为显著，而在第2次加速阶段以后，NOx的转换效率就已超过了99%。研究人员通过选用未配有冷却设备的HP-EGR系统，不仅改善了发动机在加热期间较低的燃油耗，而且还改善了DPF的再生效果。

3 基于US HDDTC的试验结果

为了在DEF消耗量较低的同时实现较低的NOx排放，研究人员需要采用以下几方面的策略：（1）对催化转化器部件进行设计与优化;（2）应用新型涂层技术;（3）为两级SCR系统选用先进的软件和调节策略;（4）实现催化转化器的DEF计量过程;（5）对NH3加注量进行高精度建模;（6）开展相应的标定试验。

由AVL公司开发的软件和调节策略不仅能在NH3逸出量较少且N2O排放量较低的同时进一步提升NOx的转化率，而且还能通过基于模型的虚拟传感器对整个废气后处理系统进行物理建模，以降低系统成本[3-4]。除此之外，研究人员通过已开发的算法，并根据当前或未来废气后处理系统的状况，将转化NOx的任务分配到两级SCR系统上。只要满足相应的认可条件（温度、炭烟量、N2O等），第1级SCR系统便可从基于NH3加注状况而设定的運行模式转换到基于效率而设定的运行模式上，从而有针对性地实现了较高的NOx转化率，以支持DPF系统的被动再生过程，同时延长DPF再生间隔（图3）。在低负荷循环中，前1级的SCR系统主要基于NH3的加注状况而运行。

使用EHC能确保第1级SCR系统被迅速加热，从而有效地降低发动机在冷态运行时的排放。即使在热态US HDDTC中，系统也会在短期内使用EHC，以便确保系统在短期内达到最高的NOx转化率。

在试验室条件下，研究人员通过采用现有的发动机和废气后处理方案就能满足降低NOx排放的要求，而在冷/热态组合US HDDTC中的排放能降至18 mg/（hp·h），同时研究人员通过选择调节策略也能使N2O排放保持在较低的水平。在该方面，后者还可将其他催化转化器技术或铁/铜SCR组合用于第2级SCR系统，并进一步优化。

研究人员通过对发动机进行调节，就能使其以低燃油耗的模式运行。与MY21基础相比，发动机在US HDDTC中的燃油耗多出了1%（图3）。事实上，通过将内燃机输出的机械功转换为电能，即可满足系统需求，在US HDDTC中也能满足美国政府对MY27 8级专业车型提出的CO2排放要求。特别是在倒拖行驶阶段中，研究人员通过采用相应的智能充电策略，充分利用车辆动能，显著降低了整车燃油耗。研究人员通过优化部件的配置，就能明显加快催化转化器的起燃速度，从而进一步降低排放。

4 不同废气后处理系统的技术潜力

为了降低系统的复杂性和硬件的成本，研究人员选用尚未配备EHC的两级SCR系统进行了试验。虽然在该情况下也能达到最高的NOx转化率，但是现有的发动机和废气后处理系统如果并未配备EHC，就不可能满足20 mg/（hp·h）的超低NOx排放限值要求（图4）。尚未配备EHC的两级SCR系统的缓慢加热特性主要会对发动机在冷态运行时的排放造成影响，而在热态US HDDTC中所检测到的排放增加情况则并不明显。由于NOx转化过程会被分配到2个不同的SCR级上，因此剩余的N2O排放也将维持在较低水平。

发动机在采用单级SCR系统的情况下，同样也能有效降低排放。研究人员通过将未配有冷却设备的HP-EGR系统和最新的涂层技术相组合，使试验发动机在US HDDTC中的NOx排放降至35 mg/（hp·h）。與原机型相比，试验发动机的这一数据得以明显降低，其中也体现出HP-EGR系统在采用了冷却设备后的优势。发动机在冷态运行状态时产生的NOx原始排放较低，并可用于为系统保温。单级SCR系统在加热模式下得以长期运行，可有效降低NOx原始排放。与两级SCR系统相比，NOx原始排放也会相对较低，相比较高的NH3加注量，会导致较高的N2O排放，但是后者通过采用其他的催化转化器技术或组合应用铁/铜SCR系统，可实现进一步优化，满足法规限值要求。

5 发动机在低负荷循环中的性能表现

发动机在低负荷循环中的性能表明，采用单级SCR系统或两级SCR系统都能达到最低的排放（图5）。使用EHC能使SCR催化转化器的温度保持在200 ℃以上，因此其排放也更接近指示限值。由于单级SCR系统被加热的总质量较小，因此其呈现出了较高的温度梯度，同时也显示出较快的加热特性和冷却特性，以及较高的N2O排放。对于所有参与试验的废气后处理系统而言，其能充分满足2024年车型（MY24）生效的低负荷循环要求。

6 针对废气后处理系统的认证过程

由试验发动机产生的排放有望进一步降低，但同时也面临着艰巨的挑战，其要求车辆在整个使用寿命期内都要满足超低的NOx排放要求。为了对较高的开发费用和认证费用进行优化，AVL公司开发并设立了可用于废气后处理系统的6步认证程序（图6）。在方案设计阶段，研究人员借助于AVL公司的软件平台巡航系统模型开展了试验，同时确定了车载诊断（OBD）系统方案，并研究了不同参数对系统可靠性所产生的影响。

即使在软件开发过程和后续的系统标定过程期间，研究人员也应持续使用模型来开展研究。同时，模型的完善程度也在持续优化中，特别是在评估软件功能和标定工作期间，研究人员须使模型在成本、时间计划和效率等方面具有显著的优势。

此外，在发动机试验台上进行的试验认证可用于模型预测，并可作为在使用寿命期间缓解老化效应及提升排放稳定性的基础。认证期间获得的结果可用于为学习功能提供数据，从而补偿产品偏差与老化效应产生的影响。研究人员在试验过程中采用了模型，从而显著优化了试验程序，并减少了试验数量。除此之外，模型还能持续用于整车标定及系统对车辆的监测。

考虑到未来法规的影响，以模型为基础的6步认证程序能为提升产品的可靠性及耐久性作出重要贡献。

7 结论和展望

试验研究表明，研究人员将不采用冷却设备的HP-EGR系统与两级SCR系统和电加热催化转化器相组合，可在试验室条件下使排放降至最低。在试验发动机上，US HDDTC条件下的NOx排放会降至18 mg/（hp·h），而低负荷循环的排放则接近指示限值，此外两级SCR系统可在满足MY27 8级专业车型的CO2排放目标限值的同时，呈现出较低的N2O排放。由AVL公司开发的软件和调节策略能在确保NH3逸出量较低的同时达到较高的NOx转化率，并可将NOx转化过程分配到两级SCR系统中，以此支持DPF系统实现被动再生，从而可获得更高的诊断自由度。此外，基于模型的方法还能有效地为学习功能提供数据。作为用于替代EHC的其他方法，研究人员还可采用停缸法，或者采用能使排气门实现早开的可变气门机构。

在试验发动机上使用单级SCR系统或两级SCR（无EHC）系统有着较好的应用前景，并可用作于使NOx排放限值降至50 mg/（hp·h）的折中方案。

试验研究表明，降低车辆在整个使用寿命周期内的NOx排放是1项艰巨的挑战。在该方面，由AVL公司开发的废气后处理系统认证程序，为提升产品的可靠性及耐久性提供了重要的技术支持。

参考文献

[1]DREISBACH R，WIESER M，SEITZ H，u.a.50% wirkungsgrad am verbrennungsmotor-die realisierung einer vision[C]. 7th Internationaler Motorenkongress，Baden-Baden，2020.

[2]EDVARDSSON J，HADL K，THEISSL H，et al.HD diesel engine-exhaust gas temperature management and advanced exhaust gas aftertreatment technology for ultra-low NOx emission legislation[C]. 7th Internationaler Motorenkongress，Baden-Baden，2020.

[3]GRAF G，THEISSL H，HADL K，et al.Lowest CO2 emissions despite ultra-low NOx[C].10th International Commercial Powertrain Conference，Graz，2019.

[4]DE MONTE M，MANNSBERGER S，NOLL H，et al.SCR control strategies with multiple reduction devices for lowest NOx emissions[C]. SAE Heavy-Duty Diesel Emissions Control Symposium，Gothenburg，2018.

范明强 译自 MTZ，2021，82（3）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2021-03-19）