滿足2025年CAFE標準的輕型卡車用節能柴油機解決方案(下)

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1 發動機管理和診斷系統的功能

為了滿足日益嚴格的排放標準，需要安裝關鍵部件和應用關鍵技術來實現所有子系統的最大潛能。為達到此目的，在優化硬件的同時必須升級發動機管理系統。由于需求面極大，使用的軟件功能必須全面完善且完全集成，以覆蓋瞬態運行工況及環境條件等外部影響。

為了嚴格遵守超低排放車輛(SULEV)30在超長里程范圍內的排放法規，各個排放控制系統必須自發地精確彌補其退化趨勢，同時避免大幅度地違反其他發動機和車輛的性能規格。

在此方面，創建的全球排放管理系統全面控制廢氣排放性能，主要是氮氧化物(NOx)控制，還有其他所有的污染物排放。由于脫硝(DeNOx)系統狀態的直接作用，全球排放管理系統控制所有運行工況下的發動機排放性能、稀燃NOx催化轉化器(LNT)清洗和選擇性催化還原(SCR)計量策略。圖1給出了控制器設置的一般流程。

圖2 先進的級聯“直接NOx”空氣路徑控制模塊的示意圖

排氣后處理系統(EATS)狀態為原排NOx排放性能的關鍵設置定義了主要輸入參數，需要快速調整燃燒行為和特性。根據物理原理，缸內氧氣濃度不是燃燒階段NOx生成的主要因素。因此，基于相應的電控單元(ECU)模塊中的反轉NOx模型，如圖2所示的“直接NOx控制”算法控制主要影響參數如廢氣再循環(EGR)率、增壓壓力和進氣溫度使之自發地達到最佳設置。對于長期漂移補償，利用NOx傳感器信號來調整核心NOx模型。根據穩態優化的標定設置和動態修正功能，采用“直接NOx控制”算法啟動EGR閥、節氣門和EGR冷卻器旁通閥，從而能夠非常快速地為所有可用EGR回路的EGR率、來源和占比識別出最佳設置。

然而，廢氣凈化與總體效率之間的相互作用相對復雜，因此還必須考慮二次效應。作為直接解決方案，必須使用先進和全面的模型來確定最優整體方案。圖3提供了上層的基礎算法，計算和評估了排氣后處理元件的缸內NOx抑制和NOx凈化之間的相互關聯影響。

圖3 關于最佳燃油效率下優化排放性能的規則導向、基于模型的控制算法的簡化示意圖

由密耦LNT和底置式SCR催化器組成的組合DeNOx裝置的運用提供了附加的潛能，以便對發動機的運行工況進行最佳后處理調節。密耦LNT能夠在低溫和輕負荷運行下減少NOx，同時還可以通過組合措施(如可變氣門正時(VVT)起動和相應缸內后噴射)來減少先進加熱方式中的碳氫化合物(HC)排放。

如上所述，實施必要的加熱策略是滿足嚴格排放法規的關鍵因素。公司平均燃油經濟性(CAFE)法規導致燃油效率及加熱策略都必須要得到優化。諸如VVT和絕緣排氣歧管等部件，以及對所有加熱和排氣溫度控制策略實現最佳標定都是現實生活行駛工況中省油的主要方法。

詳細的試驗研究表明，當理想燃燒相位唯一形成放熱率的情況下，可以在給定扭矩需求下的最佳熱效率和對排氣系統達到精確的熱量需求之間實現最佳組合。隨著運行工況的變化，必須調整設置以獲取最佳的整體性能。圖4(a)給出了平均有效指示壓力(IMEP)為1.2 MPa的示例。在初始設置中，要求提供每行程0.6 kJ熱量以滿足排氣管中的目標溫度值。為滿足這種情況，放熱中心時刻應設置在44°CA ATDC，在短時間的熱量增加之后，需求的熱量降低到每行程0.4 kJ。為了在這些邊界條件下保持相同的指示扭矩，在放熱中心約為29°CA ATDC時，最好使用改進的噴射夾角提前燃燒相位。

這一原則與發動機管理概念的先進“全球排放管理”體系的實施效率模塊中的運行模式相連(圖4(b))。顯然，燃燒相位和成形的調整中自由度受到上游渦輪機溫度(T3)、每分鐘的相對空燃比(A/F)和碳煙排放要求的限制。

圖4 最佳燃油效率下滿足初級燃燒模式目標的最佳燃燒相位和曲線的鑒定及特征

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

關于發動機燃油消耗和尾氣排放的控制和最佳平衡管理的第二個方面，是要求對各種操作模式的燃燒性能有最佳標定。除了正常的推進模式，還需要在明確的排放限制下根據產生的最有效的扭矩定義最高優先級，其主要參數隨著不同的加熱、再生和清洗模式發生改變。在此情況下，必須優化最有利的燃燒相位，以達到最佳熱力學效率下的最佳控制參數，如T3溫度、空燃比、燃燒穩定性等(圖28)。

最新研究表明，為確保最佳的熱量傳遞到排氣系統，需要在燃燒中心確定最佳前導參數，同時將給定工況下的燃燒效率保持在最高水平。在考慮燃燒穩定性和可控性的同時，這種先進的燃燒控制算法確保了安裝在6缸發動機排列中的最冷缸的其中一個電熱塞傳感器的應用。同樣，結合新穎的模型功能，理想的多點噴射模型可相應地分解單個噴射量。

除了引入嚴格的排放標準，柴油動力的車載診斷系統(OBD)的法律規范也更為嚴格。圖5顯示了排放標準與OBD排放限制之間的差距大大降低。因此，可靠性故障檢測變得越來越有挑戰性，在更敏感的柴油動力系統中，較小的故障也可引起OBD閾值偏離。另外，新動力系統增加了以前從未使用的附加監控要求。在這些條件下，目前的監控策略無法保證對故障組件進行全面可靠的檢測。除排放和駕駛性能標準外，除非根據OBD的要求定制動力系統，否則還不能實現新型的和改進的監測策略所要求的靈敏度。這表明在早期概念階段對OBD戰略的評估和OBD需求的考量是非常重要的。功能改進必須通過增加現有策略的智能組合、新監控方式的開發和監控與控制策略之間的互動來實現。

圖5 具有嚴格排放閾值和新增挑戰的即將到來的OBD法規

圖6說明了綜合性的OBD功能開發過程的方法，包括對法規的詳細評估、軟件和硬件要求的定義及早期概念驗證，依靠仿真工具和快速控制原型為即將到來的挑戰開發出診斷方案。然而，不僅需要開發新的診斷軟件，還需要模型改進和新的傳感器，以提高未來復雜柴油機的OBD功能。

最終，當OBD認證的力度滿足排放標準時，就不會在已完成的動力系統中添加符合的OBD策略。因此，要強制設計排放控制系統從而可以進行符合規定的監控。

圖6 適用于監控和診斷功能的全鏈OBD功能開發

通過利用基于模型的控制功能，包括動力學和化學反應的組合算法，SCR系統可以得到進一步改進(圖7)。這種方法可以幫助獲取幾乎所有工況下的最大轉換率，而不違反NH3滑移的限制。為控制NH3排放，在高劑量條件下作為最終裝置的典型清理催化器可以減少容積，有利于低背壓設計和降低零部件成本。

圖7 改進SCR監測和診斷的基于模型的新方法

基于動力學控制概念的動機源于多個方面：

(1)在NH3滑移條件下對SCR/組合式SCR-DPF催化器(SDPF)系統的監控越來越重要；

(2)密耦位置導致更高的溫度梯度和嚴格的空間限制，導致NH3的計量不太均勻，并導致SCR / SDPF中NH3更頻繁的解吸；

(3)由于NOx傳感器的交叉敏感性，基于測量性能與SCR模型的對比，目前的現場SCR監測概念在NH3滑移條件下表現不佳。

目前NH3滑移檢測方法并不穩定(因此防止對這類事件的監測)，因為目前NH3滑移模型缺乏對滑移發生一致性預測所需的準確度，存在關于滑移準確量化的特征缺點。

給出的NH3滑移測量方法(利用NOx傳感器對NH3的交叉敏感性)的幾個難點有：(1)只有在其變大之后才能檢測到滑移(到時部分診斷或全部完成)；(2)消耗較長時間可靠地檢測滑移(到時部分診斷或全部完成)；(3)無法區分NH3的滑移和降低的NOx轉換效率。

面對這些挑戰，必須要利用新型的算法以優化所有排放相關子系統的操作流程和性能表現。動力學模型在這方面的明顯優勢是：(1)動力學模型全球范圍內通用(獨立于車輛)，并且相比經驗模型能提供更好的準確性和更有效的操作范圍；(2)更好地預測滑移的發生，在此階段啟用監測的復位/關閉/暫停；(3)更精確地確定滑移量，即使在目前不可能進行的NH3滑移階段也能進行監測。

來自動力學模型的預測測量出的NH3滑移可以用作其他控制電路的價值輸入，以過濾NOx傳感器與NH3的交叉敏感性，從而導出使用NOx傳感器的SCR的實際NOx轉化估值。

這種動力學模型使得SCR/SDPF監控運行更強大(更低的OEM保修成本)和更頻繁(使用中的性能比高于立法要求)。

日漸復雜的OBD要求需要在車輛同步過程中產生復雜的故障模式，以證實所有診斷功能正常工作。為了實現這些，可以利用傳感器和執行器信號來模擬某些故障，這種電子操縱技術具備潛力和高成本效率。

德國FEV集團的匯編語言源程度(ASM)系統是針對這個目的專門設計的。憑借其擴展的I/O集合和可自由編程的RCP環境，為模擬大量故障模式提供了充分的機動性。其操縱噴射和點火系統的能力使之能判斷復雜的噴射系統錯誤。

2 總結

通過現代化的專用柴油機配置，針對當前流行的輕型貨車(LDT)應用，可以有效地滿足即將到來的嚴格美國排放標準。

直列式與V型配置的發動機設計的直接對比顯示了兩者排列型式都能夠滿足未來的法規。直列式配置呈現了有關熱力學功能(效率為3.5%，排放性能提高10%)的優勢(圖8)。

圖8 在優化的EATS布局的全尺寸皮卡車中，兩類3.3 L排量發動機設計的最終燃油經濟性表現和尾排結果