满足未来废气排放标准的柴油车可变气门传动方案

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

关键词：排放标准;柴油机;可变气门;传动方案

0 前言

到2030年底，与2020年全球统一的轻型车试验循环（WLTC）所设定的基准排放值相比，由汽车所产生的CO2 排放必须减少37.5%。因此，柴油车废气后处理系统将面临一系列技术挑战。在所有边界条件和行驶状况下，特别是在低环境温度和低负荷工况下，发动机能迅速预热并维持较高温度，这是当前柴油机开发的重点。发动机必须实现高效运行，并相应降低热量的损失，同时应适用于较长的行驶里程。这与燃油耗有着密切联系。

先前的试验表明，研究人员借助于可变气门机构，通过二次排气门升程（SEVL）、内部废气再循环（iEGR），与进气门早关（EIVC）等方案[1-3]相结合，对废气温度实现了有效管理。目前，为对之前的整车试验进行补充，研究人员针对行驶循环开展了一系列后续试验。研究人员在捷豹路虎公司量产的AJ200D系列发动机基础上，选取了1款排量为2.0L的4缸柴油机作为试验车辆。其特性数据如表1所示。

在发动机试验台上，研究人员针对配备有柴油机氧化催化转化器（DOC）和柴油机颗粒过滤器（DPF）的废气后处理系统开展了相关试验。为了进一步标定配备有2 种先进废气后处理设备的选择性催化还原（SCR）系统，研究人员运用Exothermia/AxiSuite废气后处理模拟软件进行了试验。试验中所应用的AxiSuite废气后处理模型在现有系统上进行了标定，并说明了双SCR系统的功能。布设于地板下方的SCR 系统配备有尿素计量装置，因此可以将汽车最终尾管氮氧化物（NOx）排放量作为目标值，并整合到到标定过程中。

在IAV 公司的发动机试验台上，试验车辆与“北极熊”空调装置相结合，可同时调节发动机环境、进气空气、冷却水和发动机机油温度，并可将其最高温度调节至-7℃（图1）。

1 可变气门机构

研究人员将试验发动机的量产气门机构（双顶置凸轮轴-摇臂传动机构）更换为配备有新凸轮轴的eRocker系统（图2），且进排气门升程都可实现转换。eRocker系统是1款能使电动机实现不连续转换的摇臂系统，它由执行器、执行器压板和转换摇臂3个核心部件组成。当执行器通电时，执行器销压在相应的执行器压板上并进行移动，从而使执行器压板的钢板弹簧与转换摇臂的联动机构实现共同作用，激活排气门的双升程功能。详细的系统描述可查阅参考文献[1-5]。

在排气门侧，研究人员通过排气门升程组Ⅰ和排气门升程组Ⅱ的选择控制来实现多级iEGR控制。此外，研究人员还使用了1个双销执行器和1个由2部分组成的执行器压板，该压板可以实现单独移动，也可以将2部分压板一起移动。试验发动机的进气门侧同样也采用了由进气门升程组Ⅰ和进气门升程组Ⅱ选择控制的方案，但在本文介绍的试验中没有使用，因为它始终只在基本升程与EIVC之间转换。试验发动机的eRocker机构结构图解，以及气门升程曲线和联动机构如图3所示。

2 气门升程曲线

试验发动机的进排气门升程曲线设计是借助于GT-Suite软件中的一维（1D）模拟进行的[3]。气门升程设计的基础是标定的试验发动机GT-Suite模型，eRocker系统通过2 个有选择性打开的排气门上的SEVL实现了iEGR 的4级调节过程（无、低、中、高），同时进气门升程可从量产的基本升程转换到EIVC。实现进气可变性的目的是减少部分负荷范围内的充气量和减少节流损失，有利于废气后处理装置的有效加热。

就试验发动机而言，其有效升程范围为0.9～2.0mm。研究人员采用升程高度为0.9mm 的SEVL时，只能通过增加进气节气门（IAT）才能达到必要的iEGR率，这与使用进气节气门的传统加热方式相比，在燃油耗方面几乎没有优势。研究人员采用升程高度为2.0mm 的SEVL时，将会使4缸发动机的进气管产生不必要的废气回流，并且由于iEGR率较高，限制了其运行范圍。升程高度为0.9mm 和1.5 mm 的SEVL组合是用于试验发动机的最佳方案，该方案可实现预期范围内的iEGR率，且无须附加进气空气节流。因此，研究人员可以将iEGR 用于负荷区域，使平均有效压力pme为0.40 MPa。研究人员同时使用2种SEVL曲线，则可达到的最大SEVL升程高度为2.0mm。

对于进气侧，EIVC升程的目标调节宽度为90°CA。一方面发动机充分减少了燃油耗;另一方面由于减小了有效压缩比，压缩温度和压缩压力不会下降过多，使发动机在以热机状态运行时有足够宽广的运行范围和稳定的点火条件。图4示出了气门升程曲线。

3 稳态运行工况点试验结果

整机稳态运行试验是在3种不同的温度边界条件和3个具有代表性运行工况点进行的（表2、表3）。怠速运行工况点代表了在使用配备有液力变扭器的变速箱时的汽车停车状态。中等运行工况点代表了在低负荷下汽车的行驶状况，该工况在城市驾驶模式中的时间占比较高。极限运行工况点代表了使用主动加热措施的负荷上限，该工况在典型的城市行驶工况中也较为常见。试验所选择的温度边界场景包括了夏季和冬季条件下冷起动后的废气后处理系统加热过程，以及发动机在以热机状态运行时须维持一定的温度。在温度低于0℃时，试验车辆在试验时需要配装“北极熊”空调装置。

在发动机试验台的运行过程中，研究人员定义了中止运行的标准，包括了不完全燃烧有害物的排放限值，以及因燃烧的不稳定性而得到的平均指示压力偏差值。相关限值和标准如下：CO限值为3000×10-6，碳氢（HC）限值为1000×10-6，炭烟烟度（FSN）为3.5，平均指示压力的标准偏差（σpmi/σmi）为3%。图5示出了稳态运行条件下的测量结果，即在各种不同试验运行工况点和不同涡轮后废气温度（T4）下的有效比油耗（BSFC）。所有的可变气门机构的废气温度管理策略始终与IAT温度变化和后喷射（PoI）温度组成的参考加热措施进行比较。

在冬季加热条件下，发动机不能采用EIVC运行，而应采用iEGR 和PoI的组合方式来降低CO 和HC的排放。该方案与采用IAT和PoI的传统加热策略相比，可使BSFC减少9%。

在夏季加热条件下，SEVL 与EIVC 相组合的运行模式所起到的效果较为有限。在边界条件下，高温iEGR无法再补偿EIVC 引起的点火条件恶化现象。如果采用SEVL与EIVC的组合，发动机将表现出燃烧不稳定、燃油转化率低、CO 和HC排放高、无BSFC优势等现象。另一方面，在CO 和HC排放不变、相同的NOx 排放和较低的炭烟排放情况下，发动机采用SEVL与PoI的组合方式，与传统的加热策略相比，可使BSFC减少11%。

在保持一定温度的条件下，根据不同的运行工况点，发动机通过EIVC、SEVL与PoI的组合，涡轮后废气温度T4 可在不显著增加燃油耗的情况下提升82K。在平均有效压力pme为0.20MPa的负荷条件下，发动机通过EIVC减少充液量是可行的。在相同的T4 条件下，该方案与传统的加热策略相比，可使BSFC减少8%。根据所选择的废气温度水平的不同，BSFC也显著低于不采用加热措施的基准点。以可比较的BSFC和相同的NOx 排放水平为基准，研究人员发现发动机所产生的炭烟、CO和HC排放并没有增加或仅出现极小的增加现象[3]，这取决于不同的运行工况点。

4 行驶循环

研究人员将特定的低负荷试验循环U1作为行驶情况对照，它具有典型的城市行驶特性。表4示出了U1试验循环与WLTC行驶工况的比较。研究人员选择了1款空载质量约为1800kg的D级汽车作为试验的基础车型。WLTC行驶工况的第1阶段至第2阶段前580s的行驶过程代表了典型的城市行驶工况，其平均速度为19km/h的车速略高于目前真实行驶排放（RDE）法规中城市行驶所要求的最低车速（15km/h），试验车辆的加速度也处于目前RDE 法规的有效范围内。为了满足RDE法规所规定的16.0km 的行驶里程，试验车辆在WLTC行驶工况的第1阶段必须连续行驶5次，此时U1试验循环下的平均速度为17km/h，呈现出略高的动态性能。尽管有较小的差异，但U1试验循环与WLTC行驶工况的第1阶段还是具有可比性，代表了城市行驶的低负荷场景。因此，基于U1试验循环的试验结果也可与文献[1]的试验结果进行比较。在该文献所描述的试验中，研究人员借助了WLTC行驶工况第1阶段的1D 模拟来研究可变气门机构的创新加热策略的潜力。图6示出了U1试验循环的速度谱线。研究人员将U1试验循环分为2个阶段进行试验。在前半个循环长度为8km 的行驶里程中，研究人员对废气后处理系统进行了主动加热，加热时间至第2个1730s为止。后半个循环代表了试验车辆持久的低负荷运行状态，研究人员从第2个1730s起保持废气后处理的系统温度。

5 行驶循环试验结果

在行驶试验循环的测量框架内，研究人员需要考察以下4种运行策略：（1）无附加加热措施的基本型（不加热的基本型）;（2）IAT和PoI组合的传统加热方案;（3）iEGR（SEVL）与IAT 和PoI（SEVL）的组合方案;（4）SEVL、EIVC、IAT 和PoI（SEVL+EIVC）的组合方案。

稳態试验的结果为发动机在瞬态运行中应用各种运行策略奠定了基础，并确定了SEVL 和SEVL+EIVC运行策略在发动机特性曲线场中的应用范围。为了能公平比较所有运行策略，试验必须满足以下标定条件：（1）所有4种运行策略具有相同的NOx 原始排放水平;（2）所有加热策略（传统加热、SEVL 和SEVL+EIVC）具有可相比较的T4 水平。

上述的标定条件都可用于比较废气后处理系统的脱硝效率，并使得汽车尾管的NOx 排放水平也具有可对比性。发动机废气后处理系统经加热、维持温度及整个行驶循环范围的汽车尾管NOx 的排放目标值，是根据现行NOx 限值为80mg/km 的废气排放法规来制定的。为此，研究人员必须降低发动机的NOx 原始排放并提高废气温度。对于所有循环试验，发动机都在温度为20℃的条件下进行冷起动（图7）。

试验结果表明，废气温度管理有利于降低NOx 排放。在所有温度边界条件下，与未采用加热措施的基本型相比，加热措施提高了废气后处理系统的脱硝效率。因此，汽车尾管的NOx 排放在加热阶段降低了18.3%，在保持温度阶段降低了41.5%。在整个行驶循环中，研究人员无须调整废气后处理系统就能使NOx 排放降低26.7%，而通过所有加热措施达到的汽车尾管NOx 排放会略高于设定的NOx 排放目标值（80mg/km），在加热阶段其目标值可能会明显降低。

这主要是因为加热阶段达到的最高废气温度使废气后处理的脱硝效率有所降低。发动机经加热后，其特性曲线场范围内的NOx 原始排放无法进一步降低，因为此时的NOx 排放已经处于较低水平。

至于燃油耗，研究人员在所有温度边界条件下所采用的可变气门机构加热措施相比于传统加热的基准加热策略具有明显优势。在保持温度阶段，发动机采用SEVL+EIVC策略的燃油耗甚至比发动机采用未加热基本型策略的燃油耗更低，其节油效率比传统加热的运行策略节油效率高4.4%。导致上述现象的主要原因有：（1）较低的后喷射需求缩短了燃烧时间;（2）较低的进气节流减少了换气损失;（3）通过降低有效压缩比，减少了壁面热损失。同样，在降低燃油耗方面，SEVL运行策略比于传统加热的运行策略效果更佳，改善效果达2.4%。在加热阶段，发动机采用SEVL和采用SEVL+EIVC的运行策略差别不大，因为EIVC仅会在发动机冷却液温度为70 ℃时被激活，在此之前这2种策略达到的效果是相同的。

此外，高温iEGR 在发动机起动后，SEVL 和SEVL+EIVC加热方式的应用可使HC和CO 原始排放具有显著优势。因此，加热阶段与传统加热相比，发动机的DOC效率更高。通过适当的标定，发动机可以将颗粒排放保持在与传统加热方式相当的水平。

6 结论和展望

本文介绍的试验结果证实了可气门机构可实现iEGR和EIVC有效的主动废气温度管理。在所研究的城市行驶循环试验中，研究人员发现，采取了主动废气温度管理措施的发动机比未采用加热措施的基本型发动机，其NOx 排放值可降低41.5%，其中采用可变气门机构加热措施的SEVL和SEVL+EIVC与IAT和PoI相组合的加热方式，相较于采用IAT 和PoI的传统加热方式，其节油效率进一步提高了4.4%。这表明为了满足未来法规排放限值要求，特别是在保持温度运行时，SEVL与EIVC相组合是1种有效的措施。

试验结果表明，废气后处理方案需要1套组合系统来确保系统可在所有行驶状况下满足未来法规排放限值要求，这个方案包括降低NOx 原始排放的发动机措施、主动废气温度管理和高效的废气后处理系统。其中，可变气门机构的加热策略将在发动机节油方面作出重要的贡献。