整機控制邊界對排放一致性的影響

褚國良 王建東

摘要：以典型國六EGR+VNT路線為研究對象，針對整車配套過程中的幾大關鍵控制邊界，從臺架模擬進行相關的試驗研究，從研究機理入手，識別影響影響權重及規律，探索關鍵輸出參數對控制邊界的敏感區域，對后續的臺架邊界控制及整車配套控制提供標準。

Abstract： CN6 engine with EGR+VNT route as the research object， aimed at several key to control its borders during the process of the vehicle using， from the bench simulation test of related research， from the mechanism of effect influence weight and recognition， to explore the key output parameters sensitive to control the border area， to the subsequent boundary control and vehicle matching control standard.

關鍵詞：排放;經濟性;一致性

Key words： emission;economy;consistency

中圖分類號：TK411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0016-05

0? 引言

隨著排放標準的升級，國六階段對性能排放的變差控制范圍也越來越嚴格，這對設計開發及整車配套的魯棒性提出更高的要求。其中如何提高整車排放的適應性，同時做到經濟性、動力性以及排放的一致性控制，同時實現較好的折衷。需要在開發階段考慮整機關鍵控制邊界對性能排放的敏感性影響規律，結合當前的排放控制路線影響規律指導后續整車配套及相關策略的優化，實現整車在推薦的控制邊界條件下實現性能排放最佳。

1? 國六排放控制路線介紹

當前國六排放控制主流路線分為兩類：SCR-Only（無EGR）路線和EGR路線[1]。兩種路線的主要差別：空氣系統的差異，其主要特點對比如表1所示。

經上分析，由于EGR的引入，所帶來的復雜的空氣系統閉環策略，對其邊界提出較高的要求。因此識別整機配套邊界及環境因素對發動機排放的影響，同時在臺架上做適應性的放行驗證，對后續的產品關鍵指標的一致性控制及市場反饋都打下良好的基礎。

本文主要針對EGR（復雜空氣系統控制）路線，結合關鍵因素的影響機理及試驗研究分析，同時對影響大的提出改進措施，使其滿足排放一致性的控制要求，同時滿足整車排放的控制要求。

重點控制參數NOX排放、油耗偏差盡量控制在一定的范圍內，保證整車性能排放的一致性。同時碳煙對后處理DPF再生頻率密切相關，盡量將碳煙的對關鍵邊界的變化控制在合理的范圍之內。

1? 影響原理分析

1.1 關鍵影響因素-整機控制邊界

關鍵的影響因素：見圖1，主要有進氣端：進氣阻力，中冷壓降，中冷進氣溫度;排氣端：排氣背壓;環境因素：進氣溫度、進氣濕度。

試驗臺架開發以上關鍵因素均可控因素：進氣負壓、中冷壓降、排氣背壓、中冷后溫度、進氣溫度、進氣濕度;（后續統一以關鍵因素1，2，3…，代替），如圖2所示。

整車配套由于不同車型的布置不同，以上均存在較大的不可控現象，尤其是環境因素進氣溫度和進氣濕度。

1.2 影響路徑及原理

所有的關鍵因素的波動偏差都會影響到整機的性能排放，結合控制策略的影響，闡述關鍵因素的影響路徑及影響機理。

對于EGR路線，為了能夠保證EGR率，目前都是流量和壓力的雙閉環策略。關鍵因素的變化容易導致總的進氣量變化，進而導致EGR率和泵氣功的變化。任何引起EGR率變化的因素都會導致排放的變化，尤其是NOX和煙度。總的進氣量下降和泵氣損失的變化導致燃油消耗的發生較大變化。

對于無EGR路線，無EGR率的影響，同時不涉及氣量和壓力閉環，空氣系統較為簡單，對NOX的主要影響還是缸內進氣溫度和絕對濕度的影響。碳煙和油耗取決于總的進氣量及進排氣阻力引起的泵氣損失的變化量。

以中冷溫度為例（見圖3）簡要描述下影響路徑：中冷溫度升高后，導致缸內進氣溫度升高，進而導致充氣效率的變化，對于新鮮進氣量閉環策略的路線來說，導致總的進氣量下降，進而EGR流量下降，EGR率降低。最終的表現就是NOX升高，油耗升高等，對于排放控制極為不利。

本文主要針對以下兩種關鍵性能參數進行分析：

①NOX：EGR率，缸內進氣溫度，絕對濕度。

②燃油消耗率：有效功，總功，泵氣損失功等。

后續通過試驗，識別關鍵過程參數的變化對關鍵輸出參數的影響權重。

2? 試驗研究

2.1 研究裝置

在發動機臺架上進行試驗，在一款已經完成國六開發的柴油機上進行相關的邊界試驗研究。柴油機主要技術參數見表2。

2.2 研究方法

整個試驗方案從單因素影響然后根據實際的整車運行環境進行不同因素的交互影響研究，流程見圖4。

工況覆蓋所有的轉速及負荷區域，選取典型的工況點（見圖5）代表整車的運行工況區域。

2.3 影響規律分析

識別影響規律及影響權重，為后續的策略優化及運行波動范圍提出運行偏差范圍[2]。

重點關注的對NOX排放、油耗偏差盡量控制在一定的范圍內，保證整車性能排放的一致性。同時碳煙對后處理DPF再生頻率密切相關，盡量將碳煙的對關鍵邊界的變化控制在合理的范圍之內。

2.3.1 對EGR率和NOX的影響規律

在雙閉環策略及無相關修正的情況下，可以看出，不同因素對EGR率的影響及EGR率和NOX的關系。EGR率的變化與NOX的變化近似純線性關系，排放一致性如何更好的控制變化范圍，關鍵在于對EGR率的控制偏差的控制。

不同因素對EGR率的影響規律，如圖6所示，近似線性關系，隨著因素的增加，EGR率變大或者變小，其中因素1影響最大，其次是因素2和因素3，影響最小的是因素4。當前的控制策略對因素1的影響太敏感，邊界適應性較差。對于當前的控制策略存在一定的不足，后續應該降低對邊界的敏感性，提高邊界的適應性，見圖6。

2.3.2 對熱效率和燃油消耗率的影響規律

試驗研究過程中，采集了燃燒分析數據。通過燃燒分析，更好的指導我們對燃燒過程關鍵參數的變化趨勢及定量分析，見圖7，通過數據可以清晰的看出，各關鍵因素的變化對泵氣損失都有影響，其中影響最大是關鍵因素1。

如圖8所示，通過對比可以清晰的看到，對經濟性影響趨勢同樣非常明顯，并且關鍵因素取決于對泵氣損失的影響，這主要是由當前的閉環策略導致，當關鍵因素發生變化后，導致總的進氣量發生變化，而此時閉環策略則導致VNT增壓器渦輪發生變化，進而導致整個工況循環泵氣損失的變化，整體趨勢都是隨著歸一化步長的增加，泵氣損失增加，熱效率下降，油耗惡化。

2.3.3 絕對濕度和中冷進氣溫度的交互影響規律

整車運行環境，絕對濕度和中冷溫度變化范圍較大，并且同時出現較大變動的概率非常高，針對這兩個因素，在臺架進行相關交互影響試驗研究。

兩個因素無交互影響（見圖11），圖9～圖10展示了兩個因素的影響規律。

通過試驗數據可以看出，兩個因素無交互作用，NOX隨中冷溫度的增加而升高，中冷溫度每5℃，NOX變化20～40ppm，NOX隨絕對濕度的增加而降低，絕對濕度每增加1g/kg，NOX降低約10～20ppm。

2.4 小結

綜上所述，各因素的變化都會在實際的運行環境中出現，我們的開發必須能夠探測到可能的極限邊界，同時開發余量，數據標定的魯棒性都要考慮，尤其是作為后處理的輸入原機排放，對后處理SCR的設計余量及整機排放的開發余量提供評價基礎。

上述關鍵因素除絕對濕度外，其他的因素都可以在配套過程中進行控制，控制運行的偏差需要進行相關的驗證，結合運行的關鍵輸出波動偏差來推薦合適的控制范圍，同時對于影響較大的因素，應該通過策略模型等方法進行識別，并進行修正，實現較高的整車適應性，確保排放、經濟的一致性，滿足客戶和法規的要求。

3? 關于過程參數（EGR率和過量空氣系數λ）對關鍵輸出的影響探討

通過對不同工況下（本文選取4個典型工況）的過程參數建模分析，識別影響主權重，便于后續的重點控制。以碳煙和NOx的生成為例，碳煙的生成機理非常復雜，影響碳煙生成的主要因素是缸內的當量比分布和缸內燃燒溫度。即缸內氧濃度和缸內的燃燒溫度，本次研究的對象，新鮮進氣量閉環控制，實際的λ需要考慮EGR流量所含的氧濃度。

以過量空氣系數（混合氣比例）的變化量和EGR率（影響到缸內燃燒溫度，同時反映的是對混合均勻度的影響程度，氣量閉環，新鮮氣量一定）的變化量與碳煙變化量的關系。通過不同工況展示影響規律。

由圖12～圖13可以清晰的看出：對煙度的權重：EGR率>λ的影響權重，原因，在氣量變化不大的情況下，EGR率的多少影響到了混合氣的均勻程度，同時EGR率影響到了缸內燃燒溫度，而缸內燃燒溫度對煙度的氧化也起到的關鍵作用，故本次研究中，EGR率的減少，雖然λ降低，但是提高混合氣的混合均勻度，同時缸內燃燒溫度也上升，均有利于煙度的降低。對NOX的影響權重主要是EGR率。

經上分析可知：如何能保證整機良好的排放一致性和適應性，基于雙閉環的策略的關鍵：EGR率的波動偏差必須控制在某一范圍內。在國六階段，整機邊界的設定及后續配套要求，要密切結合邏輯策略及標定的魯棒性來保證后續市場推廣的一致性及適應性。

4? 結束語

本文通過影響整機性能關鍵因素的影響機理入手，闡述了對整車性能排放的影響[3]，通過臺架模擬整車邊界，識別出關鍵的影響因素，對后續的整車性能排放預測控制，指導整車配套推廣提供理論依據，為后續的整車性能排放的一致性控制夯實基礎研究。

參考文獻：

[1]Johnson T V. Diesel Emission Control in Review[C]. SAE technical paper 2006-01-0030， 2006.

[2]帥石金，唐韜，趙彥光，等.柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望[J].汽車安全與節能學報，2012（03）：200-217.

[3]王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業出版社，2004，8.