用于国V SBC试验循环的二次空气喷射系统气路部分开发与验证

2017-05-04于津涛肖广宇YuJintaoXiaoGuangyuWeiJing

北京汽车 2017年2期

于津涛，肖广宇，魏京 Yu Jintao，Xiao Guangyu，Wei Jing

于津涛1，肖广宇1，魏京2Yu Jintao1，Xiao Guangyu1，Wei Jing2

（1. 中国汽车技术研究中心，天津 300300；2. 梅赛德斯-奔驰乘用车中国研发中心，北京 100102）

依照GB18352.5—2013中对标准台架循环（Standard Bench Cycle，SBC）的相关规定，设计研制一套适用于SBC试验循环的二次空气喷射系统，用于发动机台架老化试验。该系统气路部分由质量流量控制器和空燃比传感器组成双闭环系统，可根据需求调整每次喷射空气的质量流量，喷射时刻可严格对应标准，经过数十小时验证，二次喷射空气流量稳定，重复性高，可外接在现有发动机台架上进行催化器老化试验。

SBC；二次空气喷射；发动机耐久

0 引言

国Ⅴ排放法规在耐久性方面增加了发动机台架耐久SBC（Standard Bench Cycle，标准台架循环）。相对于整车耐久，SBC是一个全新的耐久方式，并且在管理模式方面，由整车的里程管理模式变换为时间管理模式[1]。

SBC要求使用一个能为催化器提供气源并进行定期补气的发动机老化台架。SBC是一个60 s的循环，在所要求的时间段内，按需要重复该循环以进行老化试验。根据催化器温度、发动机过量空气系数和添加在第一个催化器前面的二次空气喷射量来规定SBC[2]。

分析市场需求，设计设备相关参数，并测试所开发设备是否满足标准精度及耐久要求。该系统由气动执行机构和电控系统组成，重点介绍气路部分的开发及验证，并对电控系统进行简要说明。

SBC单个循环的介绍见表1。

表1 SBC

时间发动机空气/燃油比（A/F）二次空气喷射第1 s-第40 s理论空燃比（通过发动机转速、负荷和点火正时的控制来实现催化器最低温度为800 ℃）无第41 s -第45 s“浓”（选择A/F比值，以实现催化器温度在整个循环内最高为890 ℃，或比较低的控制温度高90 ℃）无第46 s -第55 s“浓”（选择A/F比值，以实现催化器温度在整个循环内最高为890 ℃，或比较低的控制温度高90 ℃）3%（±0.1%）第56 s -第60 s理论空燃比（通过发动机转速、负荷、点火正时的控制来实现催化器最低温度为800 ℃）3%（±0.1%）

1 气路系统设计

1.1 产品适用范围

据统计，目前国内轻型车市场中汽油发动机2.0 L排量及以下的产销量占全部数量的近95%[3]。对我国2015年市场上满足轻型车国V排放标准的超过20款的2.0 L及以下不同排量发动机的统计发现，催化器容积与发动机排量的比值主要分布在0.8～1.2。因此，本项目设计的SBC二次空气喷射系统主要针对排量为2.0 L（含增压发动机）及以下，催化器容积在2.4 L及以下的发动机。

1.2 功能需求及气路图

气路系统的要求如下：

1）GB18352.5—2013中并没有像其他法规[4]直接规定SBC中需要的用气量，因此需要根据产品需求范围，设计出符合法规中用气需求的补气系统，即该系统能够在连续15 s的时间内持续稳定供给所需要的空气，保持在该时间段内流速稳定，并且在45 s秒时间内使系统恢复初始状态以满足下个循环使用量的要求；

2）带有触发功能，能够周期性地触发发动机的加浓喷油起止时刻，并将此开关量信号作为空气喷射的触发信号；

3）该补气系统的空气供给量不随温度、压力等变化；

4）在催化器温度超出设定值或其他需要情况时，可以自动或手动紧急切断二次空气喷射；

5）可以对采集到的数据进行显示、存储。

参考相关文献[5]及其他相关学者的实践，综合考虑成本、响应性、体积及现有设备的综合利用，气路硬件部分设计思路如下，气路图设计如图1所示。

1）利用车间压缩空气作为主气源而不是自带气泵；

2）设计储气罐提高稳定性和响应性，并根据实际需求设计为两级或多级储气罐以减小设备尺寸和成本；

3）配备质量流量控制器进行流量控制；

4）配备不同控制阀和不同仪表进行控制和指示；

5）使用氧传感器对喷气量进行反馈。

2 气路系统主要零部件计算

2.1 单位时间最大排气流量估算

按照标准要求，需要在连续15 s的时间内喷射发动机排气量3%（±0.1%）的O2，因此需要结合适用范围估算排气总量exh，kg；或单位时间最大排气流量exh，kg/h。

根据Hendricks等[6]对进气系统建模采用

2.2 SBC二次空气喷射量估算

空气中O2体积含量约为21%，质量含量约为23%，按照标准要求，需要在连续15 s的时间内喷射发动机排气量3%（±0.1%）的O2，即

式中SBC为SBC二次空气喷射量，则单位时间最大空气喷射流量SBC-air与单位时间最大排气流量exh的关系为

SBC-air=0.15×exh（3）

如果exh取460 kg/h，则SBC-air=69 kg/h= 19.2 g/s，即二次空气喷射系统应具备最大提供19.2 g/s空气的能力。

2.3 流量控制器参数选择

为能有效实现对喷射空气量的闭环控制，去除气源压力、环境温度等因素变化所带来的扰动影响，配置质量流量控制器（Mass Flow Controller，MFC）对喷射空气进行精密测量与控制。

SBC-air=19.2 g/s÷1.2 sl/g×60 s/min=960 slpm（标准状态下升每分钟），气体质量流量控制器基本参数应满足：量程>1 000 slpm，精度< 1% F.S.，响应时间< 100 ms。

2.4 储气罐设计

试验室气泵最大排量为1.2 m3/min，总储气罐容量为300 L，能力较大，所以SBC设备所设计的储气罐为2个10 L串联。

2.5 其他说明

为实现对催化器中的闭环控制，需要配置相应的Lambda模块与传感器，实时采集空燃比，并将空燃比以过量空气系数模式输出，作为控制系统软件闭环负反馈的依据。其中与/的关系为=/÷14.7。

同时配备模拟电压量采样模块、热电偶信号采集模块、输出控制模块及USB集线器用于数据采集及通讯。软件功能通过Delphi语言编译，适用于Windows操作系统，具体操作界面如图2所示。

3 试验验证

3.1 最大流量确认

设置15 s稳定流量为800 slpm，并以50 slpm的步长增长，测试该设备能提供的最大流量。每次试验10个循环，每个循环从喷射开始计时15 s，采样频率1 Hz。标准中规定3%±0.1%的二次空气喷射偏差，即喷射波动可在3%（0.1%/3%=3%）范围内波动。

经测试，SBC二次空气喷射设备可以提供的最大空气流量为1 000 slpm，满足最初设计要求。

3.2 温度压力—流量稳定性

设备用于台架耐久循环，必须具有良好的耐久性和可靠性，至少能够无故障连续运转24 h（因为发动机台架通常每24 h耐久后需要对中检查等），且流量不随环境温度、压力或其他外在因素变化，能保持3%的稳定性。

经验证，设备连续运转24 h流量不随试验室环境温度、气泵压力等因素发生明显变化，能维持稳定。

3.3 SBC喷射验证试验

选择某国产2.0 T增压直喷汽油发动机进行试验，发动机基本参数见表2。

表2 试验发动机基本参数

参数参数值排量/L1.967 进气方式增压中冷最大净扭矩/Nm/(r/min）315/ 2 000-4 000 额定功率/kW/(r/min）160/5 500

选择的试验工况为2 900 r/min、BMEP（Brake Mean Effective Pressure，制动平均有效压力）为800 kPa，该点催化器温度为807 ℃，空速为60 000 h-1。在这个选定工况下，输入空气量air为146 kg/h，油耗量fuel为10.2 kg/h，软件根据式（4）计算出SBC喷射量SBC-air为325 slpm。

SBC-air=0.15×(air+fuel)×1 000/3 600÷ 1.2×60 =325 （4）

=(air+0.15×(air+fuel))/fuel÷14.7=1.13 （5）

根据法规要求，二次空气喷射量占到排气总量的3%（±0.1%），也就是过量空气系数要在1.16±0.006范围内。将计算所得的SBC-air流量应用于设定流量后，通过喷射口后端设置的空燃比传感器测得满足要求，如果超过范围可通过手动微调设置流量满足过量空气系数在1.16±0.006范围的要求，如图3所示。

为进一步验证在发动机运转情况下该设备的稳定性，利用的波动来测试8 h内（480个循环）设备稳定性。取喷射开始后第11 s至第14 s的平均值作为该循环的过量空气系数，绘制过量空气系数变化曲线。经过8 h耐久后统计得出过量空气系数90%稳定在1.16±0.006范围内，如图4所示。