3L柴油机冷起动技术评价

【美】 J.Miwa D.Mehta C.Koci

3L柴油机冷起动技术评价

【美】 J.Miwa D.Mehta C.Koci

日益严格的排放法规要求现代柴油机后处理系统在起动后不久就必须变热并开始控制排放。介绍了几种新的专注于降低后处理激活温度的技术，但柴油机系统仍然需要向排气提供热能以便进行冷起动。研究评价了几种发动机技术，注重改善发动机系统向后处理系统提供热能，同时尽可能减小对燃油经济性和排放产生影响。研究在1台配有定制双回路废气再循环系统的现代共轨3L柴油机上进行。根据速度/负荷工况采用各种燃烧策略对该发动机低氮氧化物排放进行了标定。在本评价过程中，显示出具有强大潜力的技术包括涡轮旁通系统、排气门提前开启、停缸技术和发动机延迟起动技术。这些技术的性能通过1个发动机测试单元进行了比较，该测试单元通过编程模拟了FTP-75试验循环的第一部分。

柴油机 冷起动技术 后处理

0 前言

近期的排放和燃油经济性标准持续推动提高燃油效率并降低尾气排放。最新修订的CAFE标准(公司平均燃油经济性标准)要求，CO2平均排放为163g/mile①为符合原著本意，本文仍沿用原文中的非法定单位——编注。。柴油车可以有效满足车队平均燃油经济性标准，特别是大型运动型多功能车(SUV)车型。然而，柴油车面临的最大挑战之一是满足日益严格的气体排放标准。Tier 3车队平均排放法规要求的气体排放显著下降，到2025车型年，氮氧化物(NOx)+非甲烷有机气体(NMOG)的排放量在FTP-75试验循环下为30mg/mile。这一排放水平相当于比Tier 2 Bin 5降低了80%。图1显示了Tier 3标准的分阶段计划。

为满足新的排放标准，需要进一步加强冷起动性能，因为大部分尾气排放是在冷起动过程中排出的。例如，图2显示了1辆Tier 2 Bin 5汽车在FTP-75试验循环的前两个阶段的NOx和HC累积排放量。从图中可以看出，大部分排放物是在FTP-75试验循环的第一个250s排出的，而且该车在约175s后超出Tier 3最终限值。

以前的研究[1-3]表明，发动机标定可以改善冷起动性能，包括采用多次后喷、高温电热塞、进气节流和独特的催化剂配置。到目前为止的结果表明，可在冷起动过程中限制废气排放，然而，还需要进一步的工作以增加技术余量并评价各种策略对燃油效率的影响。

图1 Tier 3车队平均气体排放标准的分阶段计划表明，NOx+NMOG的排放总量在2025年全面过渡到0.03g/mile

本文的研究重点是对改善1辆Tier 2 Bin 5标定的3L柴油机冷起动性能的几种技术进行评价。这些技术的主要焦点是提高冷起动过程中废气的温度以改善催化剂的起燃特性。评价的技术包括具有不同配置的涡轮旁通技术、停缸技术、模拟起停技术的无怠速运行，以及排气门提前开启(EEVO)技术。研究结果表明，大幅提高冷起动过程中的废气温度有助于降低尾气气体排放量。

图2 1辆Tier 2 Bin 5汽车累计NOx+NMOG排放量测量值[1]，其排放显著低于Tier 2限值，但在160s后超出Tier 3限值

1 试验用发动机及后处理概述

本研究试验用发动机为MWM公司的NGD 3.0L 发动机，如图3所示。该发动机对原技术规格进行了修改和配置，其技术规格见表1。设想这一排量的发动机可以用于SUV或小型卡车。催化器技术规格见表2。发动机硬件修改包括压缩比的范围，以及增加双回路废气再循环(EGR)系统，如图4、图5所示。

图3 MWM公司NGD 3.0L发动机

项目参数排量/L3行程/mm102.5缸径/mm96连杆长度/mm255评估的压缩比14∶1、15∶1、16∶1和17∶1燃油系统160MPa共轨燃油喷射EGR系统双回路增压器单可变喷嘴涡轮增压器(VNT)燃烧室缩口型

图4 试验用发动机配置图，显示双回路EGR

图5 试验发动机在试验台上的照片(主要零部件带标记)

2 发动机标定

该3L发动机之前已标定为不采用NOx后处理就能满足Tier 2 Bin 5标准。该标定依靠低温燃烧(LTC)[4]进行，低温燃烧通过获得避免NO和碳烟形成区域的局部温度和当量比来实现，如图6所示。降低NOx排放的机理是众所周知的捷尔杜维奇(Zeldovich)机理，NOx的形成规模与温度成指数关系。限制碳粒形成反应的机理如图7左侧所示。柴油机燃烧过程中，多环芳烃(PAH)在高当量比区域产生。然后，大部分多环芳烃被转化成干碳粒。然而，在低的局部温度条件下，从多环芳烃到干碳粒的反应不会发生。这一现象可在图7右侧所示的柴油机燃烧曲线图观察到。如图所示，当达到足够的EGR量(低空燃比)时，烟度会突然下降。

图6 低温燃烧及发动机低NOx和碳烟颗粒排放的机理

图7 说明如何用低温燃烧避免碳粒和NO形成的φ -T图

需要满足Tire 3排放标准的发动机NOx排放水平取决于预期的后处理转化效率。实际上，NOx的转化效率基于多种因素，如排气温度、标准空间速度、催化器中存储的氨量、进入催化器的尿素均匀度指数以及NO/NO2比例。本研究中，NOx转化效率在典型的稳态模态点测量，在FTP 75循环下的复合NOx转化效率为82%。基于预期的NOx转化效率和0.02g/mile的目标尾气NOx排放水平，生成了发动机NOx排放图谱。图8为Tier 3标定下的发动机NOx排放水平与Tier 2 Bin 5标定的对比。与Tier 2标定相比，从怠速至0.8MPa的BMEP，需要减少发动机NOx排放。由于所需的EGR率较高，导致燃油耗增加3%。US60区域的标定基本未变，因为预期的SCR转化效率很高(US06循环开始于热态的发动机和后处理)。

图8 Tier 2和Tier 3标定下发动机NOx排放水平对比

一旦可行性研究证实了满足Tier 3排放的可能性，下一步就要调查冷起动排放。由于正式测试程序包括在开始FTP75循环之前要在室温下加热汽车，发动机和后处理的冷起动策略最终确定车辆是否能符合排放法规要求。因此，这个项目的工作将从稳态试验转变为瞬态冷起动调查。

初步调查表明，HC排放比NOx更加难以控制。这是因为发动机在起动后，NOx排放可通过EGR快速控制，但在DOC起燃之前相对较高的HC排放水平将超出Tier 3限值。因此，Tier 3冷起动调查的重点是减少发动机HC排放和/或减少DOC起燃时间。

通过进行冷起动排放标定以减少NOx排放量，同时保持燃烧稳定性。由此产生的压缩比为17∶1时的稳态NOx和HC排放图谱，如图9所示。发动机冷却液温度维持在25℃以模拟冷起动条件。同时研究了压缩比为14∶1时的冷起动排放量，但后来放弃了，因为这时发动机的HC排放比压缩比为17∶1时高4～8倍，不可能满足Tier 3排放限值。先进的电热塞技术可以改变压缩比对HC的敏感性，但超出了目前的工作范围。

图9 用于冷起动研究的压缩比为17∶1、冷却液温度为25℃时的HC和NOx排放图谱

3 冷起动评价

对于本评价，发动机控制器和测功机配置为模拟FTP-75驱动循环的第一个75s，如图10所示。发动机转速和平均有效压力使用前面提到的惯性车重为1958kg的SUV车辆模拟确定。发动机和后处理系统在室温下存放一晚以保证所有硬件在试验前均为25℃。使用这种方法研究了广泛的减少HC排放的策略，这些策略包括： (1) 涡轮旁通系统；(2) 停缸技术；(3) 排气门提前开启；(4) 发动机起动延迟；同时也对这些策略进行了组合研究。

图10 用于在发动机测功机上模拟FTP-75循环第1个75s进行冷起动研究的发动机转速和负荷曲线

3.1 涡轮旁通系统

第1个策略为涡轮旁通系统，废气绕过涡轮增压器以减少对涡轮增压器壳体的热量损失。旁通系统示意图如图11所示。其外部管路是用于建立1个从排气歧管直接到主DOC的通道。在旁路通路中放置1个小的DOC(0.2L，170g/ft3Pt)用于所选择的试验项目。为将气流导入旁路通路，在涡轮前面设置1个节流板。根据节流板的面积，可以将废气流的部分或全部导入旁路通路。这样会使得增压器的功能有所丧失，但在该试验的第一个75s(在该试验循环的本部分，最大负荷为0.8MPa BMEP)，对冷起动标定来说根本不需要增压器。标定没有因缺少增压而受到影响的补充证据是，在第一个75s，空燃比从来没有低于17∶1，基准累积尾气CO排放不超过Tier 3 Bin 30(1.0g/mile)限值的30%。

图11 减少冷起动HC排放的涡轮旁通系统

图12为起动后废气进、出主DOC的温度变化过程。图中也显示了不带涡轮旁通系统的基准配置作为参考。图中还显示了采用旁通系统的另外的两种外形，1种为在旁通部分包括1个DOC(称为旁通DOC)的情形，另一种为不包括的情形。在两种旁通配置中，流经旁通系统的废气预计为总废气流量的65%。对于没有旁通DOC的旁通配置，在初始提速后，主DOC端面的温度比基准值大约高20℃，这是由于热损失较低。当安装有旁通DOC时，主DOC端面温度急剧升高。在这种情况下，由于催化剂质量和相关的安装硬件，在首个20s怠速期的热量损失增加了，但是初始提速后，由于旁通DOC中的催化剂反应，主DOC端面温度显著升高。

图12 当65%的废气流经旁通部分时，冷起动后涡轮旁通系统提升了DOC进口温度

另外，还研究了废气100%通过旁通系统的情况。该配置中，主DOC端面温度在整个试验期间都显著升高，即使在没有旁通DOC的情况下也是这样。增加旁通DOC是有益的，如从30～70s的较高的排气温度所示。旁通DOC的体积增加1倍后没有进一步升高温度，实际上观察到了关于单旁通DOC在25～45s范围的热沉效应。

图13 当100%的废气流经旁通部分时，冷起动后涡轮旁通系统实现了最高的DOC进口温度

对于基本配置和涡轮旁通配置，实时测量了HC排放。这些结果将与其他冷起动策略一起在下文给出。

3.2 停缸技术

作为减少发动机HC排放的策略之一，也对停缸技术进行了研究。该研究中，关闭了2个气缸的燃料供应，而其他2个气缸的供油量增加以保持目标BMEP。在这种方法中，点火气缸的净指示平均有效压力(IMEP)显著增加，如图14所示。本研究中，进排气门没有停止动作，因此，排气流量和热焓与基准值相比没有明显差别。在75s冷起动评估的最后对正常运行和停缸运行时的DPF进口温度进行了比较，其温度差在10℃范围内。由于下游后处理温度相似，不期望催化剂起燃时间有任何改善。而期望的是发动机HC排放有所减少，因为缸内温度和比负荷都比较高。实时HC排放结果将与其他冷起动策略一起在下文给出。

图14 用停缸技术增加点火气缸的IMEP同时保持目标BMEP

3.3 排气门提前开启

研究了排气门提前开启(EEVO)对减少主DOC起燃时间的影响。排气门提前开启通过专门为这台发动机使用而设计的Jacobs车辆系统公司(JVS)的空转可变气门驱动(VVA)系统来实现。排气门提前开启凸轮型线的类型，如图15所示。这样，在1个标定内可允许有不同的排气门提前开启水平，从而避开Ratzberger等人在固定凸轮排气门提前开启研究中观察到的试验的局限性[5]。

图15 用JVS公司的空转VVA系统进行排气门提前开启的凸轮型线

稳态测量结果表明，排气门提前开启时，废气热焓和主DOC进气温度都有所增加，如图16所示。排气门提前开启设置不带涡轮旁通系统，而是利用正常的增压功能。在怠速条件下，主DOC进气温度升高125℃。冷起动过程中研究的其他的轻载工况表明，温度升高的范围在75～100℃之间。废气热焓是催化剂加热的1个更合适的指标，观察到的增加量在25%～40%之间。

图16 显示采用排气门提前开启时废气热焓流量和DOC进口温度增加的稳态排气门开启扫气

基于稳态试验结果，在实际冷起动试验中选择了2种排气门提前开启策略进行评价。这些策略分为具有挑战性的和轻度的排气门提前开启，前者表示排气门提前开启的最大能力，同时观察系统的制约因素，后者为较为保守的标定，以平衡温度和发动机的HC排放。2种策略的曲轴转角正时随发动机负荷的变化如图17所示。

图17 2种策略(挑战性的和轻度的排气门提前开启)的EEVO正时随发动机负荷的变化

当需要增加排气温度和热焓时，必须注意确保发动机HC排放不能显著增加。因此，在冷却液温度为25℃时测量了2种排气门提前开启策略的HC流量和主DOC进气温度。2种策略的对比表明，有挑战性的排气门提前开启策略的排气温度更高，而发动机的HC排放只有小幅增加，如图18所示。2种策略产生的HC流量都比基准值低。这是由于需要克服与排气门提前开启相关的效率损失而使得发动机负荷显著增加(即额外加油)。正如在停缸技术策略中所讨论的，在低冷却液温度下采用EGR时，增加负荷可有效减少HC。

图18 在冷却液温度为25℃时2种排气门提前开启策略的HC流量和DOC进气温度测量值

用2种策略在模拟FTP-75循环下进行了冷起动测量，并比较了75 s后的温度。初始提速后，2种策略都产生了较高的主DOC进气温度，如图19所示。轻度和挑战性排气门提前开启策略分别使DOC进气温度升高20℃和50℃。与稳态条件相比，结果不太明显，其原因是实际冷起动条件过程中的排气系统的热量损失。虽然排气门提前开启有效提高了排气温度，但还不如涡轮旁通策略有效。排气门提前开启试验的实时HC排放结果将与其他冷起动策略一起在下文中介绍。

图19 冷起动后，排气门提前开启能有效提高主DOC进气温度，但不如涡轮旁通策略有效

为确定运行排气门提前开启策略时考虑的其他因素，在图20和图21中给出了空燃比和CO排放图。从图中看出，排气门提前开启标定在FTP循环的首个75s范围内具有特别低的空燃比值，且具有相同的最小值，约为17∶1。该标定要求较高的供油量以保持负荷，考虑到空燃比和烟度因素，随后的EGR和进气歧管压力水平也能够调整。在排气门提前开启设置中充分运行涡轮增压，以有助于在标定中遵守空燃比限值。另外，其他所有的冷起动策略也都遵循图20中的基准空燃比轨迹，且不低于 17∶1。

尽管在所有冷起动试验中没有测量瞬态碳烟/颗粒物排放，图21所示的排气门提前开启情况的较低的CO排放表明，从避免过多积炭的角度来看，较低的空燃比标定不会对燃烧产生负面影响。可以确定的观点是，由于CO测量是在排气尾管进行的，发动机实际产生的CO排放被后处理掩盖了。但是，从图19可以看出，轻度和基准的排气门提前开启2种情况的DOC温度变化过程非常相似，可以预计2种情况下的CO的氧化也类似。基于类似的空燃比变化过程/最低限值和从基准值到排气门提前开启策略的累积CO排放没有明显的正斜率变化，作者认为，这些策略的碳烟/颗粒物排放没有太大的差异。这也可以扩展到其他冷起动策略，因为它们的CO排放物比基准值都低(<30%)，而排气门提前开启是有关空燃比限值的最极端情况。

图20 排气门提前开启要求更高的供油量以维持相同的负荷，导致空燃比标定较低，但保持了17∶1的最低限值。另外，其他所有的冷起动策略也都遵循基准空燃比轨迹，且不低于17∶1

3.4 发动机起动延迟

研究了将发动机起动延迟至FTP-75循环的第一次加速的策略。通常，发动机在试验开始时起动，并在第一次加速前怠速运行20s。在20s的怠速运行期间，上述策略都不能明显提升DOC进气温度，而在这段时间内基本上没有机会实现DOC的起燃。因此，最好的策略是在这段时间内消除HC排放，而唯一能实现的就是发动机不工作。20s后，发动机可以起动并为第一次加速提供动力。该策略由其自身并结合带旁通DOC的涡轮旁通系统评估。

4 所有冷起动策略的结果

所有冷起动策略的尾气HC排放结果如图22所示。回顾试验程序，包括在室温下停放12h，以使发动机和后处理系统在试验开始时的温度为25℃，而图10中的发动机转速和负荷分布曲线用于表示FTP-75循环的首个75s。

图22 所有冷起动策略的冷起动尾气HC排放结果，HC排放最多减少90%

单独使用时，20s的发动机起动延迟只能使尾气HC排放有轻微的减少。同样看到，使用没有旁通催化器的涡轮旁通系统时，HC排放减少也很轻微。但是，当有旁通DOC时，HC排放显著减少，而且随着通过旁通系统的流量的增加，HC减少量达到最大化。正如温度测量中所看到的，当旁通催化器体积翻倍时并没有发现任何改善。排气门提前开启对减少HC排放非常有效，而且轻度提前开启比富有挑战性的提前开启策略更有效，这是因为前面讨论的在排气温度和HC质量流量之间的更有利的折中。当对策略进行组合时，停缸技术+全流旁通系统+旁通DOC可使HC排放减少90%。当采用全流旁通系统+旁通DOC+20s发动机起动延迟策略组合时，也能实现同样的排放减少水平。

瞬态HC测量值也被用来对燃烧稳定性进行定性评估。气缸失火或缓慢燃烧预计会使HC排放因不完全燃烧而急剧增加。由于HC曲线没有出现这种现象，对研究的所有冷起动策略而言，燃烧稳定性主观上认为都是可以接受的。

所有冷起动策略的尾气NOx排放结果如图23所示。结果表明，各种策略在FTP-75循环的第一个75s都会影响NOx排放。这一信息在考虑控制NOx+NMOG的Tier 3标准时是非常重要的。但应注意的是，这些结果对于冷起动策略和正常标定之间的切换来说没有任何逻辑关系。

每种不同策略还对燃油耗有着影响。基于ECU供油量和循环工作数据的燃油耗评估如图24所示。从图中看出，排气门提前开启比其他策略对燃油耗的影响都大。

图23 所有冷起动策略的冷起动尾气NOx排放结果

图24 不同冷起动策略对燃油耗的影响

为了将结果与车辆相联系，采用稳态模态试验结果和100%涡轮旁通+催化器+停缸技术的瞬态冷起动结果对FTP-75的排放进行了评估。汽车评估时假定催化器温度足够，标定从快速加热标定变为低NOx标定，如图25所示。这种转变可以代表deNOx系统被充分激活，或DOC被激活从而允许高EGR低NOx燃烧。NOx和HC排放的评估结果如图26所示，结果表明冷起动策略具有帮助满足Tier 3排放标准的潜力。

图25 从快速加热转换到低NOx标定的示意图

图26 FTP-75排放汽车评估表明具有满足Tier 3排放标准潜力

5 总结

研究了评估冷起动性能的几种技术，包括涡轮旁通、发动机起动延迟、停缸、排气门提前开启，以及几种技术的组合。

5.1 涡轮旁通

对FTP-75冷起动部分过程中的涡轮旁通进行了评估，该技术被认为是合理的技术，因为发动机平均有效压力相对较低(<0.8MPa)，发动机的空燃比不低于17∶1，CO排放不超出Tier 3 Bin 50限值(1.0g/mile)的30%。试验证明，涡轮旁通导致DOC温度稍有上升，从而使得归一化累积非甲烷碳氢化合物稍微减少。与“无DOC+65%旁通”相比，“无DOC+100%旁通”燃油耗增加约9%。尽管该结果很有前景，但仍需更多的努力来满足冷起动性能目标。

5.2 涡轮旁通+DOC

对在旁通通道中安装有小型催化器的涡轮旁通进行了评估。评价了2个催化器，第一个为小型催化器(DOC)，第二个催化器的体积2倍于第一个旁通催化器。试验结果表明，增加旁通催化器可通过进一步减少归一化累积非甲烷碳氢化合物而使得冷起动性能得到更加改善。“2个DOC+100%旁通”的试验结果表明，与基准值相比，归一化累积非甲烷碳氢化合物减少近60%，而燃油耗增加15%。

5.3 发动机延迟起动

延迟发动机起动的概念也作为冷起动研究的一部分进行了评价。在这项研究进行时，几个制造商已将发动机起停技术引入生产中，因此这种方法被认为对冷起动是合理的。延迟发动机起动的结果是有前景的，因为归一化累积非甲烷碳氢化合物有小幅下降而没有大的燃油经济性损失。对于“无怠速，无旁通”情况，与基准值相比，归一化累积非甲烷碳氢化合物约减少15%，燃油耗增加约5%。

5.4 排气门提前开启(EEVO)

在实际冷起动试验中选取了2种EEVO策略进行评估。这些策略是挑战性的EEVO和轻度EEVO。前者表示EEVO的最大能力，同时观察系统的制约因素；后者为较保守的标定以平衡温度和发动机HC排放。试验结果表明，与基准值相比，归一化累积非甲烷碳氢化合物减少40%～50%，但燃油耗增加30%～35%。

表3为每种技术的减排潜力及相关的油耗损失的相对评估结果。选择的技术也可以进行组合以进一步减少排放。最好的组合是延迟发动机起动+带DOC的涡轮旁通。该组合在怠速过程中消除了HC排放，同时减少了DOC的起燃时间。停缸技术+带DOC的涡轮旁通相组合也能获得类似的排放结果。

结果表明，能保证满足未来Tier 3排放标准，但可能需要与其他技术(冷起动催化器或捕集器上的SCR)相结合。

表3 发动机冷起动减排策略评估及排序

[1] Neely G, Mehta D, Sarlashkar J. Diesel cold-start emission control research for 2015—2025 LEV III emissions-part 2[C]. SAE Paper 2014-01-1552.

[2] Neely G, Sarlashkar J, Mehta D. Diesel cold-start emission control research for 2015—2025 LEV III Emissions[C]. SAE Paper 2013-01-1301.

[3] Chen H, Mulla S, Weigert E, et al. Cold start concept (CSCTM)： a novel catalyst for cold start emission control[C]. SAE Paper 2013-01-0535.

[4] Akihama K, Takatori Y, Inagaki K, et al.Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature[C]. SAE Paper 2001-01-0655.

[5] Ratzberger R, Kraxner T, Pramhas J, et al. Evaluation of valve train variability in diesel engines[C].SAE Paper 2015-24-2532.

程玉发 陈晓峰 译自 SAE Paper 2016-01-0823

张然治 校

虞 展 编辑

2016-08-25)