進氣節流優化對柴油機低負荷循環工況下NOx排放的影響研究

高濤 杜闖 汪曉偉 高寅祥 霍永占

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 前言

重型車的污染物排放已經成為大氣污染的重要來源，其中柴油車NOx排放量占汽車排放總量的80%以上，顆粒物排放量占汽車排放總量的90%以上[1]。為了進一步降低柴油車的污染物排放量，特別是NOx的排放量，美國加州空氣資源委員會（California Air Resources Board，CARB）等機構將出臺更加嚴格的標準。自2024 年起，CARB 的NOx排放限值將降至0.067 g/(kW·h)，到2027 年，將繼續降低至0.027 g/(kW·h)，并將低負荷循環（Low Load Cycle，LLC）測試工況加入重型車的發動機臺架測試中，對低負荷排放考核進一步加嚴[2]。

LLC 工況下NOx排放量高的主要原因是排氣溫度較低，后處理系統性能較差[3]。因此，在開展LLC工況下的標定開發時，需重點關注后處理系統的熱管理以及選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統的低溫轉化性能。研究表明，通過在進氣管安裝節流閥可以明顯提高發動機排氣溫度[4]，本文通過3種進氣節流狀態下LLC 工況測試的對比，進一步深入研究柴油機進氣節流對發動機低負荷工況下排放性能的影響。

2 試驗方案

本文選取某滿足國家第六階段污染物排放標準的柴油發動機，在發動機控制器（Engine Control Unit，ECU）國六原始數據基礎上，針對低負荷工況區域提出2 種不同程度的節氣門節流標定方案，方案2 在方案1 的基礎上進一步增強低負荷區域的節流作用，在低負荷區域提升發動機排氣溫度，提高后處理轉化效率。同時用臺架氣態污染物分析儀和油耗儀采集試驗數據，為保證數據的準確性，同一種ECU 狀態下開展3 次LLC 測試，試驗結果取3次試驗數據的平均值。

2.1 發動機參數

發動機后處理系統包括柴油氧化催化器（Diesel Oxidation Catalysts，DOC）、SCR 系統、氨催化器（Ammonia Slip Catalyst，ASC）及顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），發動機具體參數如表1所示。

表1 發動機參數

2.2 測試設備

在發動機臺架控制系統中，根據LLC 工況下發動機歸一化轉速和扭矩系數輸入發動機工況，然后由PUMA 系統控制測功機轉速和發動機負荷，發動機臺架試驗中使用的主要設備如表2所示。

表2 主要試驗設備

2.3 測試工況

LLC 工況開發過程中采集了751 輛汽車的原始數據，并通過低負荷窗口定義、聚類分析等得到了代表性的工況片段，再通過拼接、試驗驗證等方式獲得了整車的低負荷循環[5]，美國西南研究院采用美國環保署的溫室氣體排放模型（Global Energy Model，GEM）將整車工況轉換為發動機工況，從而得到了發動機的LLC工況，如圖1所示。

3 優化結果及分析

3.1 發動機LLC工況點分布

在原始ECU 狀態下開展發動機LLC 工況測試，由圖2 可知，LLC 工況散點分布轉速相對集中在650～1 600 r/min區間，負荷點主要分布在-50～300 N·m區間。以工況點分布和噴油量為依據，選定每沖程噴油量18 mg 為優化邊界限值，對低于該限值的工況點開展節氣門節流標定優化。

圖2 發動機LLC工況點

對原始ECU 狀態工況點分布情況展開統計分析，結果如表3所示。怠速區域（發動機轉速范圍為640～660 r/min、發動機扭矩小于50 N·m）工況點占比為41.51%，發動機扭矩小于300 N·m 的工況點占比為83.47%，可見LLC工況主要分布在低負荷區間。

表3 LLC工況點分布（工況點數量占比）%

3.2 NOx排放質量分布

利用LLC 測試工況中實時測得的NOx濃度計算得到NOx瞬時排放質量m(NOx)：

式中，Ugas為稀釋排氣組分密度與稀釋排氣密度之比，對于柴油發動機，Ugas=0.001 587；Cgas為排氣組分中NOx瞬時濃度；med為排氣質量流量；kh,d為NOx濕度修正系數[6]。

對計算得到的m(NOx)根據工況點統計結果進行累計分析得到該發動機LLC 工況下NOx質量的分布情況，如表4 所示，怠速區域NOx排放質量占比約為15.52%，低于300 N·m 的工況點NOx排放質量占LLC 工況發動機循環NOx排放總質量的43.64%，低負荷區域排放占比較高。

表4 NOx排放質量分布（排放質量占比）%

3.3 SCR系統上游溫度

表5 所示為3 種ECU 狀態下LLC 工況測試結果，通過累計的NOx排放量對比發現，節氣門進氣節流對LLC 工況NOx排放控制效果顯著。相較于原始ECU 狀態，在顆粒物數量（Particle Number，PN）沒有明顯增加的情況下，在整個LLC 工況下，方案1 SCR 系統上游溫度平均提升了14.03 ℃，方案2 SCR 系統上游溫度平均提升了37.59 ℃，2 種方案均可在LLC 工況下提升SCR 系統上游溫度，氮氧化物轉換效率分別提高了7.23 百分點、16.93百分點，轉換效率使用SCR 系統上、下游NOx傳感器數據計算得到，排除達到“露點”溫度前的無效數據，NOx的尾氣排放量分別減少41.23%、62.46%。

表5 LLC工況測試結果

3.4 CO2比排放

CO2排放與車輛燃料消耗量直接相關[7]，將LLC工況產生的CO2排放量除以LLC 工況循環功得到CO2比排放，如圖3所示，隨著節氣門開度的減小，雖然NOx排放數據優化，但導致燃燒惡化，從而帶來燃油經濟性的惡化，方案1和方案2測試的CO2比排放較原始狀態分別增加了0.96%和7.48%。

圖3 LLC工況CO2比排放

3.5 怠速分析

圖4所示為3 種ECU 狀態下LLC 工況測試過程的車載診斷系統（On-Board Diagnostics, OBD）瞬態數據，摘取其中60 s怠速和600 s怠速片段分別進行分析，參數指標選擇上游NOx傳感器示數、下游NOx傳感器示數、SCR系統上游溫度傳感器示數、進氣流量和油耗量。

圖4 怠速片段

3.5.1 短時間怠速分析

在經過60 s 怠速后，3 種ECU 數據狀態SCR 上游溫度降幅均低于3 ℃，下游NOx傳感器讀數均為0，可以滿足發動機原始排放NOx轉化的要求，因此，對于短時間怠速，SCR系統上游排氣溫度降幅較小，經過后處理的NOx尾氣排放基本無變化，但會因為進氣節流的效果導致NOx原始排放和油耗量增加，結果如表6 所示。綜上，短時間怠速不需要采用進氣節流的方式提升排氣溫度。

表6 短時間怠速分析數據

3.5.2 長時間怠速分析

對于長時間怠速，3 種ECU 數據狀態下SCR 系統上游溫度隨怠速持續時間的延長均呈現下降趨勢，長時間怠速起、止時刻數據結果如表7所示。在原始狀態下，SCR 系統上游溫度經過600 s怠速后可降至100 ℃，遠低于后處理轉換的工作溫度，經過600 s 怠速后，原始狀態下游NOx傳感器與上游NOx傳感器數據基本接近，此時SCR 系統失去催化轉換效果。而方案1和方案2可以明顯改善怠速600 s造成的排氣溫度下降和原始排放濃度升高后污染物排放量的增加，方案2 在怠速600 s 后，SCR 系統仍保持轉化作用，尾氣NOx排放量接近0。

表7 長時間怠速分析數據

3.5.3 怠速穩態點分析

對自然怠速穩態工況點開展測試，取每種穩定狀態下30 s 平均值進行計算，結果表明，進氣節流對怠速排氣溫度提升作用非常明顯，如表8 所示，隨著節氣門開度降低，怠速工況排氣溫度最大可提升約50 ℃。

表8 怠速工況點對比

4 結束語

本文以LLC 為試驗工況，使用3 種不同程度的節氣門節流方案，驗證了進氣節流優化對柴油機低負荷循環工況下NOx排放的影響。研究結果顯示：

a. 進氣節流會導致燃燒惡化，從而使NOx原始排放量和油耗量增加，但進氣節流策略對排氣溫度的提升較大，還會降低低負荷工況NOx排放量，同時顆粒物數量沒有明顯提高；

b.怠速狀態下，節流帶來的影響導致油耗量增加，短時間怠速（60 s）排氣溫度降低較少，權衡油耗和原始排放情況，不需要采用進氣節流的方式提升排氣溫度；

c.SCR系統上游溫度隨著發動機怠速持續時間的延長均呈現下降趨勢，長時間怠速后溫度將低于后處理轉換的工作溫度。針對此低負荷問題，可在經過短時間怠速階段后，采用進氣節流的方式提升發動機排氣溫度，減少NOx的產生。