进气节流优化对柴油机低负荷循环工况下NOx排放的影响研究

高涛 杜闯 汪晓伟 高寅祥 霍永占

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 前言

重型车的污染物排放已经成为大气污染的重要来源，其中柴油车NOx排放量占汽车排放总量的80%以上，颗粒物排放量占汽车排放总量的90%以上[1]。为了进一步降低柴油车的污染物排放量，特别是NOx的排放量，美国加州空气资源委员会（California Air Resources Board，CARB）等机构将出台更加严格的标准。自2024 年起，CARB 的NOx排放限值将降至0.067 g/(kW·h)，到2027 年，将继续降低至0.027 g/(kW·h)，并将低负荷循环（Low Load Cycle，LLC）测试工况加入重型车的发动机台架测试中，对低负荷排放考核进一步加严[2]。

LLC 工况下NOx排放量高的主要原因是排气温度较低，后处理系统性能较差[3]。因此，在开展LLC工况下的标定开发时，需重点关注后处理系统的热管理以及选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统的低温转化性能。研究表明，通过在进气管安装节流阀可以明显提高发动机排气温度[4]，本文通过3种进气节流状态下LLC 工况测试的对比，进一步深入研究柴油机进气节流对发动机低负荷工况下排放性能的影响。

2 试验方案

本文选取某满足国家第六阶段污染物排放标准的柴油发动机，在发动机控制器（Engine Control Unit，ECU）国六原始数据基础上，针对低负荷工况区域提出2 种不同程度的节气门节流标定方案，方案2 在方案1 的基础上进一步增强低负荷区域的节流作用，在低负荷区域提升发动机排气温度，提高后处理转化效率。同时用台架气态污染物分析仪和油耗仪采集试验数据，为保证数据的准确性，同一种ECU 状态下开展3 次LLC 测试，试验结果取3次试验数据的平均值。

2.1 发动机参数

发动机后处理系统包括柴油氧化催化器（Diesel Oxidation Catalysts，DOC）、SCR 系统、氨催化器（Ammonia Slip Catalyst，ASC）及颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），发动机具体参数如表1所示。

表1 发动机参数

2.2 测试设备

在发动机台架控制系统中，根据LLC 工况下发动机归一化转速和扭矩系数输入发动机工况，然后由PUMA 系统控制测功机转速和发动机负荷，发动机台架试验中使用的主要设备如表2所示。

表2 主要试验设备

2.3 测试工况

LLC 工况开发过程中采集了751 辆汽车的原始数据，并通过低负荷窗口定义、聚类分析等得到了代表性的工况片段，再通过拼接、试验验证等方式获得了整车的低负荷循环[5]，美国西南研究院采用美国环保署的温室气体排放模型（Global Energy Model，GEM）将整车工况转换为发动机工况，从而得到了发动机的LLC工况，如图1所示。

3 优化结果及分析

3.1 发动机LLC工况点分布

在原始ECU 状态下开展发动机LLC 工况测试，由图2 可知，LLC 工况散点分布转速相对集中在650～1 600 r/min区间，负荷点主要分布在-50～300 N·m区间。以工况点分布和喷油量为依据，选定每冲程喷油量18 mg 为优化边界限值，对低于该限值的工况点开展节气门节流标定优化。

图2 发动机LLC工况点

对原始ECU 状态工况点分布情况展开统计分析，结果如表3所示。怠速区域（发动机转速范围为640～660 r/min、发动机扭矩小于50 N·m）工况点占比为41.51%，发动机扭矩小于300 N·m 的工况点占比为83.47%，可见LLC工况主要分布在低负荷区间。

表3 LLC工况点分布（工况点数量占比）%

3.2 NOx排放质量分布

利用LLC 测试工况中实时测得的NOx浓度计算得到NOx瞬时排放质量m(NOx)：

式中，Ugas为稀释排气组分密度与稀释排气密度之比，对于柴油发动机，Ugas=0.001 587；Cgas为排气组分中NOx瞬时浓度；med为排气质量流量；kh,d为NOx湿度修正系数[6]。

对计算得到的m(NOx)根据工况点统计结果进行累计分析得到该发动机LLC 工况下NOx质量的分布情况，如表4 所示，怠速区域NOx排放质量占比约为15.52%，低于300 N·m 的工况点NOx排放质量占LLC 工况发动机循环NOx排放总质量的43.64%，低负荷区域排放占比较高。

表4 NOx排放质量分布（排放质量占比）%

3.3 SCR系统上游温度

表5 所示为3 种ECU 状态下LLC 工况测试结果，通过累计的NOx排放量对比发现，节气门进气节流对LLC 工况NOx排放控制效果显著。相较于原始ECU 状态，在颗粒物数量（Particle Number，PN）没有明显增加的情况下，在整个LLC 工况下，方案1 SCR 系统上游温度平均提升了14.03 ℃，方案2 SCR 系统上游温度平均提升了37.59 ℃，2 种方案均可在LLC 工况下提升SCR 系统上游温度，氮氧化物转换效率分别提高了7.23 百分点、16.93百分点，转换效率使用SCR 系统上、下游NOx传感器数据计算得到，排除达到“露点”温度前的无效数据，NOx的尾气排放量分别减少41.23%、62.46%。

表5 LLC工况测试结果

3.4 CO2比排放

CO2排放与车辆燃料消耗量直接相关[7]，将LLC工况产生的CO2排放量除以LLC 工况循环功得到CO2比排放，如图3所示，随着节气门开度的减小，虽然NOx排放数据优化，但导致燃烧恶化，从而带来燃油经济性的恶化，方案1和方案2测试的CO2比排放较原始状态分别增加了0.96%和7.48%。

图3 LLC工况CO2比排放

3.5 怠速分析

图4所示为3 种ECU 状态下LLC 工况测试过程的车载诊断系统（On-Board Diagnostics, OBD）瞬态数据，摘取其中60 s怠速和600 s怠速片段分别进行分析，参数指标选择上游NOx传感器示数、下游NOx传感器示数、SCR系统上游温度传感器示数、进气流量和油耗量。

图4 怠速片段

3.5.1 短时间怠速分析

在经过60 s 怠速后，3 种ECU 数据状态SCR 上游温度降幅均低于3 ℃，下游NOx传感器读数均为0，可以满足发动机原始排放NOx转化的要求，因此，对于短时间怠速，SCR系统上游排气温度降幅较小，经过后处理的NOx尾气排放基本无变化，但会因为进气节流的效果导致NOx原始排放和油耗量增加，结果如表6 所示。综上，短时间怠速不需要采用进气节流的方式提升排气温度。

表6 短时间怠速分析数据

3.5.2 长时间怠速分析

对于长时间怠速，3 种ECU 数据状态下SCR 系统上游温度随怠速持续时间的延长均呈现下降趋势，长时间怠速起、止时刻数据结果如表7所示。在原始状态下，SCR 系统上游温度经过600 s怠速后可降至100 ℃，远低于后处理转换的工作温度，经过600 s 怠速后，原始状态下游NOx传感器与上游NOx传感器数据基本接近，此时SCR 系统失去催化转换效果。而方案1和方案2可以明显改善怠速600 s造成的排气温度下降和原始排放浓度升高后污染物排放量的增加，方案2 在怠速600 s 后，SCR 系统仍保持转化作用，尾气NOx排放量接近0。

表7 长时间怠速分析数据

3.5.3 怠速稳态点分析

对自然怠速稳态工况点开展测试，取每种稳定状态下30 s 平均值进行计算，结果表明，进气节流对怠速排气温度提升作用非常明显，如表8 所示，随着节气门开度降低，怠速工况排气温度最大可提升约50 ℃。

表8 怠速工况点对比

4 结束语

本文以LLC 为试验工况，使用3 种不同程度的节气门节流方案，验证了进气节流优化对柴油机低负荷循环工况下NOx排放的影响。研究结果显示：

a. 进气节流会导致燃烧恶化，从而使NOx原始排放量和油耗量增加，但进气节流策略对排气温度的提升较大，还会降低低负荷工况NOx排放量，同时颗粒物数量没有明显提高；

b.怠速状态下，节流带来的影响导致油耗量增加，短时间怠速（60 s）排气温度降低较少，权衡油耗和原始排放情况，不需要采用进气节流的方式提升排气温度；

c.SCR系统上游温度随着发动机怠速持续时间的延长均呈现下降趋势，长时间怠速后温度将低于后处理转换的工作温度。针对此低负荷问题，可在经过短时间怠速阶段后，采用进气节流的方式提升发动机排气温度，减少NOx的产生。