整机控制边界对排放一致性的影响

褚国良 王建东

摘要：以典型国六EGR+VNT路线为研究对象，针对整车配套过程中的几大关键控制边界，从台架模拟进行相关的试验研究，从研究机理入手，识别影响影响权重及规律，探索关键输出参数对控制边界的敏感区域，对后续的台架边界控制及整车配套控制提供标准。

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.

关键词：排放;经济性;一致性

Key words： emission;economy;consistency

中图分类号：TK411                                   文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0016-05

0  引言

随着排放标准的升级，国六阶段对性能排放的变差控制范围也越来越严格，这对设计开发及整车配套的鲁棒性提出更高的要求。其中如何提高整车排放的适应性，同时做到经济性、动力性以及排放的一致性控制，同时实现较好的折衷。需要在开发阶段考虑整机关键控制边界对性能排放的敏感性影响规律，结合当前的排放控制路线影响规律指导后续整车配套及相关策略的优化，实现整车在推荐的控制边界条件下实现性能排放最佳。

1  国六排放控制路线介绍

当前国六排放控制主流路线分为两类：SCR-Only（无EGR）路线和EGR路线[1]。两种路线的主要差别：空气系统的差异，其主要特点对比如表1所示。

经上分析，由于EGR的引入，所带来的复杂的空气系统闭环策略，对其边界提出较高的要求。因此识别整机配套边界及环境因素对发动机排放的影响，同时在台架上做适应性的放行验证，对后续的产品关键指标的一致性控制及市场反馈都打下良好的基础。

本文主要针对EGR（复杂空气系统控制）路线，结合关键因素的影响机理及试验研究分析，同时对影响大的提出改进措施，使其满足排放一致性的控制要求，同时满足整车排放的控制要求。

重点控制参数NOX排放、油耗偏差尽量控制在一定的范围内，保证整车性能排放的一致性。同时碳烟对后处理DPF再生频率密切相关，尽量将碳烟的对关键边界的变化控制在合理的范围之内。

1  影响原理分析

1.1 关键影响因素-整机控制边界

关键的影响因素：见图1，主要有进气端：进气阻力，中冷压降，中冷进气温度;排气端：排气背压;环境因素：进气温度、进气湿度。

试验台架开发以上关键因素均可控因素：进气负压、中冷压降、排气背压、中冷后温度、进气温度、进气湿度;（后续统一以关键因素1，2，3…，代替），如图2所示。

整车配套由于不同车型的布置不同，以上均存在较大的不可控现象，尤其是环境因素进气温度和进气湿度。

1.2 影响路径及原理

所有的关键因素的波动偏差都会影响到整机的性能排放，结合控制策略的影响，阐述关键因素的影响路径及影响机理。

对于EGR路线，为了能够保证EGR率，目前都是流量和压力的双闭环策略。关键因素的变化容易导致总的进气量变化，进而导致EGR率和泵气功的变化。任何引起EGR率变化的因素都会导致排放的变化，尤其是NOX和烟度。总的进气量下降和泵气损失的变化导致燃油消耗的发生较大变化。

对于无EGR路线，无EGR率的影响，同时不涉及气量和压力闭环，空气系统较为简单，对NOX的主要影响还是缸内进气温度和绝对湿度的影响。碳烟和油耗取决于总的进气量及进排气阻力引起的泵气损失的变化量。

以中冷温度为例（见图3）简要描述下影响路径：中冷温度升高后，导致缸内进气温度升高，进而导致充气效率的变化，对于新鲜进气量闭环策略的路线来说，导致总的进气量下降，进而EGR流量下降，EGR率降低。最终的表现就是NOX升高，油耗升高等，对于排放控制极为不利。

本文主要针对以下两种关键性能参数进行分析：

①NOX：EGR率，缸内进气温度，绝对湿度。

②燃油消耗率：有效功，总功，泵气损失功等。

后续通过试验，识别关键过程参数的变化对关键输出参数的影响权重。

2  试验研究

2.1 研究装置

在发动机台架上进行试验，在一款已经完成国六开发的柴油机上进行相关的边界试验研究。柴油机主要技術参数见表2。

2.2 研究方法

整个试验方案从单因素影响然后根据实际的整车运行环境进行不同因素的交互影响研究，流程见图4。

工况覆盖所有的转速及负荷区域，选取典型的工况点（见图5）代表整车的运行工况区域。

2.3 影响规律分析

识别影响规律及影响权重，为后续的策略优化及运行波动范围提出运行偏差范围[2]。

重点关注的对NOX排放、油耗偏差尽量控制在一定的范围内，保证整车性能排放的一致性。同时碳烟对后处理DPF再生频率密切相关，尽量将碳烟的对关键边界的变化控制在合理的范围之内。

2.3.1 对EGR率和NOX的影响规律

在双闭环策略及无相关修正的情况下，可以看出，不同因素对EGR率的影响及EGR率和NOX的关系。EGR率的变化与NOX的变化近似纯线性关系，排放一致性如何更好的控制变化范围，关键在于对EGR率的控制偏差的控制。

不同因素对EGR率的影响规律，如图6所示，近似线性关系，随着因素的增加，EGR率变大或者变小，其中因素1影响最大，其次是因素2和因素3，影响最小的是因素4。当前的控制策略对因素1的影响太敏感，边界适应性较差。对于当前的控制策略存在一定的不足，后续应该降低对边界的敏感性，提高边界的适应性，见图6。

2.3.2 对热效率和燃油消耗率的影响规律

试验研究过程中，采集了燃烧分析数据。通过燃烧分析，更好的指导我们对燃烧过程关键参数的变化趋势及定量分析，见图7，通过数据可以清晰的看出，各关键因素的变化对泵气损失都有影响，其中影响最大是关键因素1。

如图8所示，通过对比可以清晰的看到，对经济性影响趋势同样非常明显，并且关键因素取决于对泵气损失的影响，这主要是由当前的闭环策略导致，当关键因素发生变化后，导致总的进气量发生变化，而此时闭环策略则导致VNT增压器涡轮发生变化，进而导致整个工况循环泵气损失的变化，整体趋势都是随着归一化步长的增加，泵气损失增加，热效率下降，油耗恶化。

2.3.3 绝对湿度和中冷进气温度的交互影响规律

整车运行环境，绝对湿度和中冷温度变化范围较大，并且同时出现较大变动的概率非常高，针对这两个因素，在台架进行相关交互影响试验研究。

两个因素无交互影响（见图11），图9～图10展示了两个因素的影响规律。

通过试验数据可以看出，两个因素无交互作用，NOX随中冷温度的增加而升高，中冷温度每5℃，NOX变化20～40ppm，NOX随绝对湿度的增加而降低，绝对湿度每增加1g/kg，NOX降低约10～20ppm。

2.4 小结

综上所述，各因素的变化都会在实际的运行环境中出现，我们的开发必须能够探测到可能的极限边界，同时开发余量，数据标定的鲁棒性都要考虑，尤其是作为后处理的输入原机排放，对后处理SCR的设计余量及整机排放的开发余量提供评价基础。

上述关键因素除绝对湿度外，其他的因素都可以在配套过程中进行控制，控制运行的偏差需要进行相关的验证，结合运行的关键输出波动偏差来推荐合适的控制范围，同时对于影响较大的因素，应该通过策略模型等方法进行识别，并进行修正，实现较高的整车适应性，确保排放、经济的一致性，满足客户和法规的要求。

3  关于过程参数（EGR率和过量空气系数λ）对关键输出的影响探讨

通过对不同工况下（本文选取4个典型工况）的过程参数建模分析，识别影响主权重，便于后续的重点控制。以碳烟和NOx的生成为例，碳烟的生成机理非常复杂，影响碳烟生成的主要因素是缸内的当量比分布和缸内燃烧温度。即缸内氧浓度和缸内的燃烧温度，本次研究的对象，新鲜进气量闭环控制，实际的λ需要考虑EGR流量所含的氧浓度。

以过量空气系数（混合气比例）的变化量和EGR率（影响到缸内燃烧温度，同时反映的是对混合均匀度的影响程度，气量闭环，新鲜气量一定）的变化量与碳烟变化量的关系。通过不同工况展示影响规律。

由图12～图13可以清晰的看出：对烟度的权重：EGR率>λ的影响权重，原因，在气量变化不大的情况下，EGR率的多少影响到了混合气的均匀程度，同时EGR率影响到了缸内燃烧温度，而缸内燃烧温度对烟度的氧化也起到的关键作用，故本次研究中，EGR率的减少，虽然λ降低，但是提高混合气的混合均匀度，同时缸内燃烧温度也上升，均有利于烟度的降低。对NOX的影响权重主要是EGR率。

经上分析可知：如何能保证整机良好的排放一致性和适应性，基于双闭环的策略的关键：EGR率的波动偏差必须控制在某一范围内。在国六阶段，整机边界的设定及后续配套要求，要密切结合逻辑策略及標定的鲁棒性来保证后续市场推广的一致性及适应性。

4  结束语

本文通过影响整机性能关键因素的影响机理入手，阐述了对整车性能排放的影响[3]，通过台架模拟整车边界，识别出关键的影响因素，对后续的整车性能排放预测控制，指导整车配套推广提供理论依据，为后续的整车性能排放的一致性控制夯实基础研究。

参考文献：

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

[2]帅石金，唐韬，赵彦光，等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报，2012（03）：200-217.

[3]王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2004，8.