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燃气增程式混动车加载策略对NOx排放影响

2021-11-15 19:48:48·  来源：《内燃机学报》  
　
天然气发动机由于燃烧相对清洁在商用车领域的需求与日俱增，将其应用于增程式混合动力车可以有效提升整车经济性。典型发动机启动阶段瞬时NOx排放30 s平均值小于5
天然气发动机由于燃烧相对清洁在商用车领域的需求与日俱增，将其应用于增程式混合动力车可以有效提升整车经济性。典型发动机启动阶段瞬时NOx排放30 s平均值小于550×10占比仅为99.6%，低于京VI法规要求的100%。本期推文笔者研究了典型增程式混合动力燃气车的发动机启动阶段的运行特征，并研究了启动阶段加载时间和路径对整车排放的影响和探索了不同加载策略对达标京Ⅵ法规的潜力。

一、试验设备及方法

试验在一台插电式增程式混合动力燃气车上进行，整车装配了玉柴YCS04N 燃气发动机。按照中国典型城市公交循环(CCBC循环)工况开展试验，其运行工况如图1所示，一个CCBC循环约为1 300 s。


图1 传统燃气车和天然气增程式混合动力车在实际道路工况的发动机运行特性
典型天然气增程式混合动力车在实际道路工况下发动机的瞬时排放如图2所示。通过对图2中高NOx产生区域以及其对应的实际空燃比进行分析，发现NOx瞬时排放值偏高的主要原因是：在发动机启动阶段和加载完成后，由于混合气浓度不能精确控制，导致空燃比实际值与目标值偏差大，催化器效率低，造成整车NOx排放高。因此，需要对发动机加载策略进行优化设计以改善加载过程的空燃比控制。


图2 天然气增程式混合动力车启动过程主要参数变化
试验用增程式混合动力车典型的启动过程如图3所示。在接收到整车发送的启动指令后，发动机首先通过被拖转成功启动并回到怠速工况点(即图3 中t0段)，然后在怠速工况点工作较短时间后加载至发电工况点(即图3中t1段)。为提升整车经济性，应尽量缩短t0段的时间占比，同时由于该时间段发动机负荷小，NOx排放满足京Ⅵ法规要求。在t1阶段发动机的转速和负荷同步上升，并在3 s内从怠速点直接加载至发电工况点(转速为1 500 r/min、90%负荷)。



图3 增程式混合动力车典型的启动过程
由于典型启动阶段内的NOx 排放高无法满足京Ⅵ法规，因而针对t1加载阶段设计了该阶段内发动机转速和负荷上升的不同策略(即不同加载时间和路径)来研究其对整车排放的影响。图4为设定的不同加载策略。加载策略A对应发动机转速和转矩同步上升，其中加载策略A有A1和A2两种不同方案，A1为前面提到的典型快速加载路径，总加载时间为3 s，而新设计的A2方案总加载时间从3 s 延长至40 s。该设计是为了缩小实际空燃比相对目标空燃比的偏离程度。与加载策略A不同的是，加载策略B 的设计将转矩和转速分时控制，先提升发动机转速至目标转速，再提升发动机转矩至目标转矩，各加载时间均为20 s，总时间仍为40 s。这不仅是为了使实际空燃比的控制更加稳定，而且是为了控制发动机的加载路径远离高NOx生成区域，从而降低了发动机原排(没有安装后处理器时的排放)。


图4 新设计的加载策略对应的运行工况对比

二、试验结果及分析

图5为典型加载路径(即发动机转速和转矩同步上升)中不同加载时间下瞬时NOx排放和瞬时NOx排放30 s均值随时间变化。加载时间3 s(即典型快速加载策略)由于加载时间过短，启动工况变换过于激烈，发动机难以对混合气浓度实现精确的控制，导致启动阶段的NOx排放较高。当延长加载时间分别至20、30 和40 s 时，NOx排放明显降低，且加载时间为40 s 时对应的排放基本能达标北京地区Ⅵ阶段法规要求。考虑到在启动阶段进一步延长加载时间可能对发动机的响应性和经济性造成不利影响，且40 s加载时间对应的NOx排放已基本满足要求。因此，在研究中选择加载时间为40 s 进行不同加载路径的设计和对比分析，希望通过加载路径的优化来进一步降低NOx排放而不影响发动机的经济性和响应性。


图5 典型加载路径中不同加载时间对NOx排放的影响
图6为试验发动机的原排NOx万有特性，可见路径A(A1和A2)采用转速和转矩同步提升的策略导致发动机NOx原排较高，难以满足瞬时NOx的排放要求。相比路径A，路径B在初始加载阶段(即提升转速阶段)由于发动机NOx原排低，可以保证整车最终NOx排放满足法规要求。同时，在运行的后阶段，由于前期工作时间较长，发动机混合气空燃比实际值逐渐接近目标值，确保满足催化器对混合气浓度的需求，同时发动机原排NOx也保持在较低水平，最终保证了整车NOx排放始终在较低水平。


图6 发动机原排NOx万有特性
不同加载策略对发动机实际空燃比的影响如图7所示。对于快速加载策略A1在启动加载阶段，由于启动过程加载时间为3 s 过短，启动工况变换过于激烈，发动机难以对混合气浓度实现精确的控制，导致空燃比实际值与目标值偏差大。此外，发动机重新启动后，空燃比需要重新进入闭环控制，且空燃比达到闭环和自适应稳定需要一定的时间，因而难以满足高效后处理器对混合气浓度的控制精度要求。相对A1加载策略，A2策略保持加载路径不变而延长加载时间为3 s 至40 s。这明显减小了发动机混合气空燃比的实际值相对目标值的波动，更接近空燃比的控制目标值，有助于整车NOx排放的改善。新设计的加载策略B相对策略A1不仅延长了加载时间还改变了加载路径。整体混合气浓度波动相对较小，特别是启动阶段和加载完成后，进一步确保了整车排放的合规性。


图7 不同加载策略的实际空燃比
图8为不同加载策略对应的瞬时NOx排放和瞬时NOx排放30 s平均值。发动机采用常规快速加载策略A2在启动阶段NOx排放偏高，主要是因为该阶段内发动机混合气空燃比实际值与目标值差异较大，此时发动机原排对整车最终尾气排放有决定性作用。图8a所示对于加载策略A2，混合气浓度相对目标值之间波动的改善，显著降低了启动阶段和加载完成后的瞬时NOx排放峰值。而对于加载策略B，发动机原排的降低和混合气浓度控制的改善进一步降低了启动阶段的瞬时NOx排放峰值。从图8a中还可以看出，加载策略B在加载完成后的NOx排放峰值已不存在，NOx保持在低排放水平。这主要得益于该策略对空燃比的影响(图7)。综上所述，相对于加载策略A1，新设计的加载策略A2和B通过改善发动机原排和空燃比的控制降低了瞬时NOx排放，从而减小了瞬时NOx排放30 s平均值如图8b所示。


图8 不同加载策略瞬时NOx排放和瞬时NOx排放30 s平均值
表1对研究中3种不同加载策略下整车的排放数据相对于国Ⅵ和京Ⅵ的合规性进行了综合性的对比。可见，3种加载策略下，整车的NOx排放均能满足国Ⅵ法规要求。这主要是因为增程式混合动力车对应发动机的运行工况单一，且工作稳定，因而总体排放较传统的燃气车要低，更容易满足国Ⅵ限值要求。然而，3 种不同加载策略中，只有加载策略A2和B 的NOx排放可以满足京Ⅵ法规要求，并且策略B的排放优于策略A2，这主要是启动阶段排放差异造成的。从图8可以看出，发动机实际工作过程中，NOx排放峰值主要出现在发动机从停机到运行至发电工作点的启动阶段。在启动阶段，策略A1的NOx瞬时峰值最高，高达1 076×10，对应的NOx瞬时排放30 s 平均值高达786×10，无法满足京Ⅵ法规对NOx瞬时排放的要求。策略A2的NOx排放值次之，分别为775×10和504×10。策略B的NOx瞬时排放和NOx瞬时排放30 s平均值最低，分别为538×10和271×10。

表1 3种不同加载策略整车NOx排放合规性对比

图9为分析不同加载策略对整车HC和CO排放的影响，对不同加载策略对应的后处理入口温度进行了对比。新设计的加载策略A2和B虽然稍微降低了后处理的入口温度，但整体温度能够保持在400℃以上，满足催化器高效转化的床层温度要求(大于400 ℃)。因此，HC和CO排放能很好地通过三元催化器进行高效转化控制。表2对比了3种不同加载策略相对于国Ⅵ排放限值的整车HC和CO排放。京Ⅵ相比于国Ⅵ法规对整车NOx瞬时排放有严格要求，而对HC和CO排放无更严的限值要求。通过高效TWC的转化，3 种加载策略的整车HC和CO排放明显低于国Ⅵ法规要求的排放限值，且加载策略B的HC和CO排放略优于策略A1和A2。


图9 不同加载策略的后处理入口温度
表2 3种不同加载策略的整车HC和CO排放国Ⅵ法规性对比

三、结论

(1) 典型的快速加载策略(策略A1)存在空燃比控制精度差，启动阶段NOx排放偏高而无法满足京Ⅵ法规的关键问题；通过采用加载时间延长至40 s的控制策略(策略A2)，对空燃比进行优化控制来稳定降低启动阶段的NOx排放，使整车NOx排放基本能满足京Ⅵ法规要求，但相对NOx法规限值的裕度不大。
(2) 通过设计加载策略对转矩和转速进行分时控制(加载策略B)，能进一步提升启动阶段的空燃比控制精度，改善混合气浓度相对控制目标的一致性，这导致NOx排放得到进一步的降低，使整车NOx排放不仅能够满足京Ⅵ法规要求，而且保证了足够的限值裕度。
(3) 加载策略A2 和B 在满足京Ⅵ法规的同时，由于启动阶段时间占比较小，对整体经济性的影响很小；由于不同加载策略的后处理器入口温度整体保持在400℃以上，满足催化器高效转化的床层温度要求(大于400 ℃)，因而HC和CO排放能很好地满足限值要求且策略B略低于策略A1和A2。

文献来源
[1]朱 赞,邓远海,官 维.燃气增程式混动车加载策略对NOx排放影响[J].内燃机学报,2021,(05):439-444.
 
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