车用发动机快速提温措施

任宪丰 王震华 杨帆 李云霞

摘要： 对比了不同型式的发动机快速暖机、提排温从而让催化器快速起燃的方法的优劣势。通过传统废气控制阀式增压控制方式和稳压气源式废气控制阀增压控制方式控制原理、以及试验数据的对比分析，得出使用稳压气源式废气控制阀增压控制方式在发动机小负荷时有助于发动机快速提排温以及提高发动机经济性。

Abstract： The advantages and disadvantages of different types of engine fast warm up and the methods of raising exhaust temperature to make the catalyst light-off quickly are analyzed. Through the comparative analysis of the control principle and experimental data of the traditional wastegate control valve pressurization control mode and the stabilized pressure gas source wastegate control valve pressurization control mode， it is concluded that the use of the stabilized pressure gas source wastegate control valve pressurization control mode is helpful for the rapid increase of exhaust temperature and the improvement of engine economy at low engine load.

关键词： 提排温;催化器;起燃;稳压气源式废气控制阀

Key words： raising exhaust temperature;catalyst;light-off;stable pressure gas source wastegatecontrol valve

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0219-02

0  引言

环境污染的加剧，推动更严格的排放法规的实施。为满足排放法规需求，发动机除了进行机内净化，降低发动机原排，也需要使用后处理对尾气进行机外净化。典型的满足国六阶段排放的柴油后处理系统为EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，而到国七阶段，预测需要使用SCR双喷策略。此外，随着汽车保有量的增加，对石油的需求也不断增加，而地球上石油资源日趋紧张。人们一直在寻求更廉价更环保的代用燃料。天然气资源储量大、安全可靠、经济可行、污染较少、易存储运输、热值高等优点，和柴油机相比，燃气发动机使用理论空燃比+EGR+TWC，可满足国六法规，天然气成为目前流行的车用代用燃料。不论是柴油机还是燃气发动机，后处理都需要达到一定的温度才能起燃工作。在冷态WHTC循环中，催化器起燃之前的排放污染物有些能达到60%左右，对排气系统的保温，尤其是冷启动阶段的快速提温，让后处理快速起燃工作成为行业内需要关注的问题。

1  提温保温措施

目前常用的提温保温措施，一般可分为如下几种：

①通过改变燃烧参数提温：对于柴油机，一般采用调轨压，调整噴油提前角，使用后喷等策略，燃气发动机采用调整点火提前角，调整λ等;②增加加热装置，如在催化器之前加装电加热的加热格栅;③增加硬件或利用现有硬件，开发提温策略：如柴油机增加进气节流阀，在需要提温保温时，适当减小进气节流阀开度，减少进气量，或者适当减小排气节流阀开度，增大背压，促进快速暖机;④采用两级催化器，其中一个是紧耦合催化器，使催化器尽量靠近发动机，减少热损失;⑤增加保温材料，如包裹隔热棉、隔热护套等。

这些方案各有利弊，在实际中均有应用。如调整轨压、喷油提前角等不需要增加成本，但会导致燃烧恶化，经济性变差;增加电加热格栅，大部分是在冷启动时使用，而冷启动时，电池放电能力变差，如格栅加热时间过长可能影响发动机启动性能;采用进气节流阀，调整发动机进气，除了可快速提温外，在DPF再生时，可通过减小进气量提升排温;采用废气节流阀，需要将原来开关型驱动方式的排气蝶阀更改为PWM型驱动方式，以控制废气蝶阀开度。

综上可见，除了电加热方式是使用电池能量对加热格栅加热以促进催化器快速起燃之外，其他均是依靠发动机废气对催化器加热。废气能量是提高催化器温度最直接的来源，充分利用废气能量是提升催化器快速起燃的关键。

2  废气控制阀

2.1 传统PWM废气控制阀

对于增压发动机，废气经增压器后再流过催化器。废气经过增压器后温度下降，所含能量降低。发动机刚启动时，所需的负荷较小，不需要较大的增压压力，对于传统的废气控制阀式增压器，如图1所示，废气控制阀连接增压后压力、废气控制膜盒、大气。当废气控制阀占空比为0%时，增压压力和膜盒上端连通，废气控制阀控制压力和排气背压大于弹簧预紧力，推动阀杆，将废气旁通阀打开，一部分废气通过废气旁通阀而不经过涡轮直接排到涡后;当废气控制阀占空比为100%时，增压压力和大气相通，弹簧预紧力大于排气背压，将阀杆上拉，关闭废气旁通阀，使所有废气经过涡轮做功，增压压力达到最大。当需要控制增压压力时，通过控制废气控制阀占空比，将部分增压压力放到大气中，调整推动膜盒的压力来间接调整经过废气旁通阀的废气流量，从而达到控制增压压力的目的。

在小负荷时，排气压力较低，增压压力也较低，即使废气控制阀占空比为0%，排气背压和废气控制阀控制压力，即增压压力二者也克服不了弹簧预紧力，不能推动阀杆将废气旁通阀打开，所有废气仍将经过增压器涡轮才能进入催化器。废气能量在经过增压器时被白白浪费。

为利用在小负荷时的排气能量，需要将废气旁通，使废气不经过涡轮，而从废气旁通阀通过排出增压器。这就需要在小负荷时将废气旁通阀打开。这就需要引入足够的压力，并且压力可控。车辆上有压缩空气，合理利用压缩空气成为将废气旁通阀打开的关键。

2.2 稳压气源式废气控制阀

通过使用稳压气源式废气控制阀，见图2。废气控制阀入口连接稳定的压缩空气，出口连接增压器膜盒，排气口通大气。当占空比为0%时，进气口关闭，出口和排气口连通，膜盒仅受到弹簧预紧力和排气背压，在弹簧预紧力作用下，废气旁通阀关闭，所有废气需经过涡轮排出增压器，当占空比为100%时，进气口完全打开，进气口压力和出气口压力相同，同时压缩空气从排气口排出，在压缩空气、排气背压联合作用下，克服弹簧预紧力，推动阀杆下移，打开废气旁通阀，使部分废气通过废气旁通阀，降低增压压力。当需要控制增压压力时，通过控制废气控制阀占空比，将部分压缩压力放到大气中，调整推动膜盒的压力来间接调整经过废气旁通阀的废气流量，从而达到控制增压压力的目的。

对比传统PWM废气控制阀和稳压气源式废气控制阀可知，传统废气控制阀，占空比越大，增压能力越强，而稳压气源式废气控制阀，占空比越大，增压能力越弱。

2.3 稳压气源式废气控制阀试验

在一台满足国六排放标准的天然气发动机上对稳压气源式废气控制阀进行了转速为1000rpm、1300rpm，负荷为300Nm、500Nm的试验，验证其对排气温度的影响。试验设备表1所示。

试验过程中保持中冷后温度、点火角不变，调整不同的增压器占空比，通过调整节气门开度，使发动机输出相同的扭矩，试验结果如表2所示。

因在中小负荷区域试验，使用传统废气控制阀时，当废气控制阀占空比为0%时，增压压力较小，推不动阀杆，废气旁通阀不能打开。发动机性能表现和使用稳压气源式废气控制阀在占空比为0%时相同。

由试验可知，在1000rpm，300Nm时涡后温度提升12℃，气耗率降低5g/kWh，500Nm时涡后温度提升26℃，气耗率降低4g/kWh;1300rpm，300Nm时涡后温度提升8℃，气耗率降低5g/kWh，500Nm时涡后温度提升38℃，气耗率降低6g/kWh。

随着占空比增大，废气旁通阀被推开，部分废气不经过涡轮而直接排出增压器，減少了废气的热损失，涡后排温得以提升。因部分废气不经过涡轮，增压能力降低，为保持相同的扭矩输出，需要增大节气门开度以保证相同的进气量，节气门开度增大，减小了泵气损失，使气耗率得以优化。增压压力降低之后，在瞬态加速时，需要建立压力之后才能输出更大的扭矩，对加速性的影响未进行瞬态试验验证优化。

3  小结

①对比分析了不同的暖机、快速起燃催化器的方法，指出发动机提升排气温度仍是让催化器快速起燃的主要途径;②提出了使用稳压气源式废气控制阀提升排温的思路，并通过台架试验验证，在1000rpm、1300rpm中小负荷时提升涡后温度8-38摄氏度不等，同时气耗率降低约

5g/kWh;③使用稳压气源式废气控制阀仅进行了稳态试验，因小负荷时增压压力降低，对瞬态加速的影响需要进一步评估和优化。

参考文献：

[1]清华大学余志生主编.汽车理论[M].五版.北京：机械工业出版社，2009.3（2015.1重印）

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[3]王志坚，王晓华，等.满足重型柴油机超低排放法规的后处理技术现状与展望[J].环境工程，2020（9）：159-167.