通過動態停缸以減少柴油機排放和燃油耗

S.K.CHEN H.J.SCHIFFGENS R.WANG M.SCASSA

減少燃油耗和廢氣排放一直是柴油機開發的重點。基于“動態停缸（DSF）”系統可以同時實現這2個目標。為了證明該項技術的優勢，Tula公司和FEV公司針對不同發動機類型和試驗循環進行了大量仿真研究，并基于完整的動力總成平臺開發了相應的計算模型。

柴油機;停缸;燃油耗;排放;仿真

①為了符合本行業計量習慣，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

0 前言

全球范圍內的柴油機排放法規將會越來越嚴格。以美國為例，所有中型和重型柴油機必須符合0.2 g/（hp·h）①的NOx排放限值。同時還必須進一步降低燃油耗。此外，美國加利福尼亞州空氣資源委員會（CARB）針對現有認證循環（例如聯邦試驗程序（FTP）和斜坡模型循環-補充排放試驗（RMC-SET）），提出了更嚴格的氮氧化物（NOx）排放標準和低負荷循環（LLC）工況。為了滿足相關要求，降低廢氣排放和燃油耗一直是柴油機的開發重點。

1 動態停缸技術

近年來，許多文獻[1-4]已提出，停缸技術是減少燃油耗和提高排氣溫度的關鍵技術。較高的排氣溫度可以提高排氣后處理系統中的NOx轉換效率。此外，由于加熱催化器所需的后噴量較少，還可以進一步降低燃油耗，并最大程度地緩解機油稀釋現象。這些優勢有利于降低排氣后處理系統的成本。

動態停缸（DSF）是1項先進的停缸技術。該技術可以選擇性地停用氣缸，使投入運作的氣缸數量與達到預設要求所需的實際氣缸數量保持一致。

停缸時要考慮到最佳燃油耗和可接受的噪聲-振動-平順性（NVH）要求。通過量產汽油機已證明，DSF技術可顯著改善燃油耗[5-6]。

圖1比較了傳統停缸技術和DSF技術的優點。就柴油機而言，針對停缸過程會采用與汽油機不同的 配氣機構技術（圖2）。

2 仿真模型

Tula公司與FEV公司開展合作，使用由FEV開發的動力總成仿真平臺進行仿真。該方法可以對熱能和流體的瞬態特性進行詳細仿真，從而實現模型精度與計算速度之間的良好折中。建模過程從發動機模型仿真開始，研究人員須對其進行一維穩態計算。為了全面了解發動機的運行特性，研究人員需要確定各種穩態特性圖，包括過量空氣系數、發動機出口處的排放溫度、摩擦、換氣損失，以及指示熱效率等參數。然后，研究人員可將發動機特性圖集成到試驗循環模型中，該模型包括基于特性圖的傳動系統模型和排氣后處理模型。

研究人員通過FEV數據庫對模型進行了驗證。雖然沒有傳統停缸技術的測量數據，但研究人員通過在GT-Suite平臺上建立的快速運行模型（FRM）可得出不同點火情況下的發動機運行特性。在確定DSF工作范圍時，研究人員需要考慮到NVH和發動機運行特性的限制，例如最小過量空氣系數、渦輪增壓器喘振極限，以及可實現的廢氣再循環（EGR）率等。NVH限值由特性圖確定，該特性圖在主觀額定值和客觀測量值的基礎上，示出了不同點火密度和轉速下的最大扭矩。在DSF應用中，確定的扭矩限值高于基于發動機運行特性而設定的限值。

3 輕型柴油機應用結果

研究人員開發了1款仿真模型，以研究輕型車用柴油機DSF技術應用（dDSF）的優勢。研究過程涵蓋了2個典型的車輛平臺，即中型運動型多功能汽車（SUV）和C級緊湊型汽車，并在全球統一輕型車試驗循環（WLTC）和實際駕駛循環排放（RDE）標準法規下進行試驗。仿真所研究的這2款車型均配裝了2.0 L 4缸直列柴油機，柴油機采用高壓和低壓EGR及可變幾何參數渦輪增壓器（VGT）。排氣后處理系統由近發動機布置的氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原（SCR）涂層式顆粒捕集器（SDPF），以及被動式底部SCR催化轉化器所組成。

如圖3的熱力學損失分布所示，在停缸期間降低的燃油耗是多種因素的結果，這些因素包括減少的熱損失和換氣損失、提高的燃燒效率及DCCO系統等。DCCO系統有效優化了通過排氣裝置后的冷空氣流量，從而防止排氣溫度下降。由此可見，與其他技術相比，停缸技術是1項更有效的措施，可以提高排氣溫度并減少燃油耗。

圖4總結了dDSF技術應用在不同行駛循環和車輛平臺上的燃油耗和NOx排放優勢。由圖可知，在發動機相同的情況下，采用dDSF技術的乘用車的NOx排放量明顯低于采用dDSF技術的SUV。這是因為SUV的質量要多出480 kg且空氣阻力更大，從而大幅縮小了dDSF的應用范圍。RDE循環中的燃油經濟性略好于WLTC。更重要的是，RDE循環中的NOx排放改善情況明顯優于WLTC工況（乘用車分別為14.0%和8.9%，SUV分別為5.2%和0%）。這是因為RDE工況中的平均負荷低于WLTC工況中的平均負荷，從而擴大了dDSF的工作范圍。較高的排氣溫度可以提高排氣后處理系統的轉化效率，這是dDSF技術可以減少NOx排放的主要原因。

在瞬態循環中，變速器換檔策略對dDSF技術的燃油耗和NOx減排潛力也會產生重大影響。在合適的變速器換檔策略中，升檔點被延后至更高的轉速工況點。發動機平均轉速從1 250 r/min提高到1 550 r/min，平均扭矩需求從0.45 MPa降至0.36 MPa，從而使dDSF技術的應用范圍更廣，由此減少了燃油耗并提高了排氣溫度。dDSF技術能有效提高燃油經濟性，并可充分改善在更高轉速工況下的燃油耗增加現象。總體而言，SUV的燃油耗降低了4.8%，乘用車的燃油耗降低了5.7%。

4 中型柴油機應用結果

研究人員在配備直列6缸發動機（具有帶放氣閥的單級渦輪增壓器和高壓EGR）及相應排氣后處理系統（含DOC、顆粒捕集器（DPF）、SCR和氨氧化催化器（ASC））的車輛上針對中型發動機進行了應用仿真。針對未來排放法規，研究人員采用了以下試驗循環：由美國環境保護署（EPA）制定的重型聯邦試驗程序（HD FTP）、全球統一瞬態循環（WHTC）和LLC工況。CARB已對各種LLC工況進行了評估，指定第7號（LLC7）循環為附加認證。研究人員在HD FTP循環之后開展了該項試驗，并將發動機預熱20 min。LLC7是美國西南研究院針對重型道路發動機的低NOx排放限值而開發的，其體現了貨車在市區高峰時段的真實行駛狀態，并具有負荷較低的特點。研究人員選擇了較長的周期以開展該項試驗，從而確保發動機及其排氣后處理系統的持續主動熱管理能滿足限值要求。LLC工況與HD FTP試驗的參數對比如下：平均速度分別為16.5 km/h和30.0 km/h;運行里程分別為25.0 km和10.3 km;平均負荷分別為5%～10%和20%～25%。

圖5示出在LLC7循環中，dDSF技術在SCR催化轉化器入口的溫度、NOx轉化效率，以及NOx排放等方面的優勢。結果表明，SCR入口溫度得以顯著提高，并且在循環的大部分工況范圍內均超過200 °C。由于排氣溫度較高，且催化轉化器中的空間速度較低，因而NOx排放量可減少77%。如果通過后噴策略提高排氣溫度，則會使CO2排放提高5%～7%。

圖6總結了dDSF技術在不同行駛循環中以降低NOx和CO2排放的優勢。由圖可知，采用dDSF技術可以同時降低排放和燃油耗。在FTP循環中，dDSF技術使NOx排放量降低了50%，同時使燃油耗降低了3.5%。同樣地，在LLC7循環中，dDSF技術使NOx排放量降低了77%，使燃油耗降低了8.9%。

5 結論

DSF是1項先進的停缸技術，目前已應用于量產汽油機。應用于柴油機的dDSF技術是DSF技術的擴展，其具有同時減少廢氣排放和燃油耗的潛力。減少的傳熱和換氣損失、提高的燃燒效率及DCCO系統的應用是DSF技術可以改善整機燃油耗的主要原因。NOx排放的降低則主要歸因于更高的排氣溫度及由此產生的更高的NOx轉化效率。

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