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使用集成系统仿真方法优化发动机效率和柴油机的
后处理系统结构
Om Parkash Bhardwaj, David Blanco-Rodriguez, Ketan Krishnamurthy,
and Bastian Holderbaum
摘 要：随着排放法规的日益严格，为了尽量减少柴油机的尾气排放，世界范围内都在考虑使用多个排气后处理装置。对于柴油车在印度等发展中国家市场的销售来说，燃油消耗是客户非常关心的一点，对他们而言购车总成本要尽可能地低。为了满足这些竞争要求，后处理系统和发动机必须同时被优化，因为一个系统的性能会影响另一个。
在最先进的校准过程中，后处理系统与热力学的校准被分开考虑。采用这种传统的方法会使得在瞬态工况下实现油耗和尾气排放的同时优化变得更加困难。此外，对于手动挡车辆，最终操作受换挡齿轮齿廓的显著影响，并由不同的规则来决定；而对于自动挡车辆，则由校准的换档策略决定。
为了实现这一目标，FEV GmbH开发出了一种纵向模拟方法，可同时优化包括发动机热力学、整车控制、传动系统、换挡策略和排气后处理在内的多个子系统。通过这种方法，可以自由选择优化参数，例如不同发动机模式下空气和燃油路径的控制、换挡策略、车辆惯量等级、后处理系统设计（如尺寸）、PGM负载和催化剂配方。
本文研究结果表明，采用DPF可以达到BS V排放标准。然而，为了达到BS VI标准，可能会强制要求在柴油机上使用能降低NOx排放的后处理系统。稀燃氮氧化物捕集（LNT）系统将能够满足这一要求，而SCR结合DPF（SDPF）的方法将允许在提高燃油经济性的同时提高工程利润。总燃油消耗量的降低将依赖于更多新技术的引入，如分体式冷却，甚至是低压EGR（LPEGR）。
引 言
经济的增长和生活水平的提高导致了亚洲汽车销量的增加。印度、中国、马来西亚、泰国和印度尼西亚等新兴经济体的汽车产业在过去五年中蓬勃发展，且2010年至2015年呈现正增长趋势。由于印度汽车行业设立了雄心勃勃的发展目标，不久的将来印度预计将成为最有前途的市场之一。
汽车行业的主要发展趋势是开发出具有更高燃油效率和更少尾气排放的车辆。为此，汽车制造商们正在努力改善汽车的排放特性。
自上世纪70年代首次引进乘用车排放法规以来，制造商们便不得不更注重汽车的排放。各种机内净化措施（如EGR，先进的喷射系统等）以及排气后处理措施已成功引入了市场。柴油氧化催化剂（DOC）于1989年首次应用于欧洲的柴油乘用车，而且为了大幅减少PM排放，自2000年起柴油微粒捕集器（DPF）也已成功应用了。为了进一步减少尾气排放使其低于欧六排放限制，或是要想获得新的型式认可，就不仅需要DPF，还需要使用复杂的氮氧化物减排技术。对于小型客车市场来说，稀燃氮氧化物捕集器（LNT）的应用更为普遍，而对于欧洲和美国的中型轿车以及MD / HD卡车来说，大多数整车制造商都决定采用SCR技术来满足实际的排放要求[1-5]。
图1显示了欧洲以及中国和印度等新兴市场的排放法规。从这个数据可以看出，世界各地的新兴市场都沿用欧洲或美国的法规，但有一定的延迟。
图1。欧洲及主要新兴市场全国性排放法规的实施计划。印度和中国会在全国范围推行之前在一些主要城市提前实施这些法规[6-8]。
巴拉特阶段标准的制定是为了满足印度国情的特定需求。即使排放标准完全一样，差异还是会在环境和地理条件的要求上体现出来。例如，一个主要的区别便是车辆测试地区规定的最高车速。巴拉特阶段标准规定的速度为90公里/小时，而欧洲标准规定的速度为120公里/小时，在这两种情况下却要保持排放限值相同。除了限值不同，测试程序也有一些细微的差异。例如，在欧洲，底盘测功机上进行的以g / km为单位的质量排放测试需要在汽车重量的基础上再加载100 千克的重量。而在印度，鉴于这里的道路条件，BS标准要求额外加载150千克的重量，以达到所需的惯性重量。
印度的BS IV排放法规自2010年起在13个主要城市生效，2015年推广到另外29个城市。BS IV标准计划于2017年在全国范围内实施。下一步的目标是依次于2019年和2023推出BS V和BS VI标准从而大幅降低PM和NOx排放。BS VI标准的实施将会使PM排放量减少80％，NOx排放量减少68％。但是，对于BS VI标准，TA循环仍未被定义，即使是引入全球轻型车统一测试程序（WLTP）也正在讨论当中。
如前文所述，满足BS VI轻型车排放标准所需的技术已于2010年在北美和2014年在欧洲发展起来。因此，在不远的将来，印度也需要引入类似的发动机和废气后处理技术。但是，由于这些市场中特殊的系统概念的发展，具体的市场边界条件和要求也必须被考虑。在印度国情下，具体边界条件包括：成本方面、特殊气候条件以及本地的实际驾驶条件，后者包括道路质量和燃料品质两方面[4]。
例如，通常在大城市中低负荷和低速下行驶的循环可能会导致排气温度降低，从而使污染物的转化效率降低。第一代生物柴油和柴油的混合燃料的使用可能会改变发动机的燃烧和排放特性，还会导致后处理系统发生严重的功能失常。另外，燃油中的硫含量也被认为是后处理系统能否有效运行的关键影响因素。
作为路线图的一部分，汽车燃料政策2025中提到了到2019年时印度的超低硫燃料的可用性，以确保BS V和BS VI法规的顺利实施[7]。
除了有越来越严格的排放标准，发动机效率也在提高，以便达到将来的燃油经济性和二氧化碳排放目标。在国际上，欧洲历来是实现车辆燃油经济性目标方面的先行者。然而，近年来，大多数大型经济体还为新车指定了二氧化碳的排放目标。例如，相较于欧洲2020年95克/公里的目标 ，美国2025年乘用车的排放目标为97克/公里，日本2020年为122克/公里，加拿大2025年为97克/公里，印度也设定了类似的目标（2021年为113克/公里）[6]。在欧洲，实现该目标的基础是NEDC循环。与此同时，欧盟正在制定修正因子以便和WLTC循环对接，而后者对实际行驶的要求更高。在印度，今后短期内的排放测试仍将专注于采用改良印度驾驶循环（MIDC）同时在较长一段时期内平稳过渡到WLTP。
为了满足这些有关排放和燃油经济性的竞争要求，后处理系统和发动机必须同时被优化，因为一个系统的性能会影响另一个。总的来说，这种仿真方法能使整个系统配置得到综合优化以满足严格的排放法规，实现燃油经济性目标，同时使购车总成本降到最低。
1. 在新兴市场条件下 DPF再生性能面临的挑战和可能的策略
如前文所述，为遵守关于PM排放的新法规，乘用车和轻型制造商们更常用的是柴油微粒捕集器（DPF）。采用DPF脱除碳烟的机理通常包括利用机械过滤的方法将碳烟颗粒从气相中分离，以及在600°C以上的排气温度下通过再生的方式定期地燃烧掉这些捕获的颗粒物。这个排气温度对于典型柴油机排出的尾气来说是非常高的。因此，在大多数的DPF应用中这个“过滤器再生”是借助主动再生措施来完成的[9-13]。
从排气温度的角度来看印度城市里的驾驶行为是最重要的驾驶概况之一，表现为车速很低（平均15公里/小时）、燃油质量差（优质燃料的硫含量也很高，为50 ppm，只适用于较大的城市）。燃油中的高硫含量降低了催化剂的效率，导致点火温度升高。这会决定DOC在DPF再生过程中关于温度生成的关键性能。因此，在这些应用中，确保在所有行驶条件下DPF的成功再生变得至关重要[14]。
在这些边界条件下，使用燃料载催化剂（FBC）可以为DPF技术带来独特的优势。FBC被加入燃料中，它在燃烧过程中与碳烟结合，并被DPF中的碳烟捕获。FBC的主要功能是降低DPF再生过程中碳烟燃烧的温度。根据先前的研究，DPF的再生可在低于450°C的温度下完成，而非加成系统的再生温度为600°C或更高[15-17]。
FBC的使用可能会带来一些显著的优势，也可能会带来一些应用中的问题，现总结如下：
优势：
（1）低负荷和低速的城市行驶条件下DPF的成功再生。
（2）由于在明显较低的温度下实现再生，所以能减少燃油消耗 。
（3）后处理系统对燃油质量（即高硫燃油、生物柴油）的敏感性降低。
（4）由于再生过程中燃油的后期喷射减少，机油稀释度降低（机油更换间隔增加）。
（5）延长催化器（DOC、LNT、SCR、SDPF等）的寿命，减小了DPF再生过程中排气部件的热应力。
（6）改进了“ki”系数（DPF再生对循环尾气排放和燃油经济性的影响）。
（7）由于可减少DOC和DPF上的PGM涂层，从而降低了整个系统的成本。
应用中的问题：
（1）附加车载部件（FBC油箱和相关硬件）的要求。
（2）FBC测控软件的功能性。
（3）DPF中颗粒物沉积，从而增加了排气背压（由于开发了新一代FBC添加技术（使用非常低的投加量），以及改进了DPF基板的设计（在颗粒物存储能力和背压性能方面），这一缺点变得不再那么具有挑战性）。
2. WLTP: 排放测试的形式转变
目前，印度采用了一种改进的NEDC循环（也称为改进的印度驾驶循环，即MIDC），用于轻型车和客车的排放测试。由于公众和政治压力，新的试验条件将在不久的将来被制定以减少非循环排放。
同时，在欧洲和其他一些国家，立法程序的改进，如世界轻型车统一测试程序（WLTP）和实际行驶排放（RDE）限值[18]几乎肯定会被引入。例如，欧洲将用WLTP测试程序替换NEDC循环，日本将用WLTP替换jc08测试循环。因为印度是制定和改进WLTP法规的主要利益相关者之一[19]，所以为了确保与世界现实驾驶条件的紧密联系，印度将很可能用WLTP测试循环代替目前使用的MIDC进行二氧化碳测定和排放测试。尽管如此，但在印度的国情下，WLTP的实施时间表仍然没有明确确定下来。然而，为了深入了解未来的需求和挑战，本文试图分析未来的WLTP测试循环对燃油经济性、发动机排放性能和所提出的后处理概念的作用的影响，以满足尾气排放目标。
WLTP循环（即WLTC）分为四个阶段（低速、中速、高速和超高速阶段），最大速度提高至131.3 km/h（MIDC则是90 km/h），加速度提高1.58 km/s2（MIDC则是0.833km/s2）。因此，与MIDC相比，WLTC中的车辆负载预计会更高[20]。
图2中对这三种测试循环进行了比较，而图3给出了WLTC和MIDC测试循环中发动机工作曲线的分布带。很明显，由于与MIDC或NEDC相比，WLTC中的发动机转速-负荷曲线分布范围更广，所以要满足降低排放和提高燃油经济性这两种相反的要求将带来更大挑战。
图2。NEDC、MIDC和WLTC循环的的车辆速度特性。
图3。本文对所研究车辆采用MIDC和WLTC循环时的发动机MAP图进行了比较分析。变速器为MT5。
如前文所述，与MIDC相比，WLTP中的发动机运行速度和负荷相对较高。此外，测试程序还存在一些重要的差异。
对于手动挡车辆，在MIDC中（NEDC中也一样）换挡特性是固定的，而对于WLTP，它应该根据联合国欧洲经济委员会制定的指导方针来计算。目前，WLTP的换挡特性要求在尽可能高的挡位上行驶，同时在满载情况下仍保持10%的理论裕度（考虑到辅助设备、传动效率、进一步损失等）。此外，还应用了一些驾驶性能条件对最终的齿廓线进行了修正。综上所述，WLTP的换档策略是在发动机上运用某种减速策略，这通常有利于提高柴油机的燃油效率（但在汽油机中并不总是如此）。但是，较高的排放也要分析（在靠近低转矩区的一端，应将EGR标定与碳烟排放进行权衡）。对于WLTP，将MT5变速箱（紧凑型和小型变速箱的代表）升级为MT6变速箱可以为发动机工作在更高效的区域提供更大的潜力。正如当前工作中所提到的，MT5车辆升级为MT6后，除了性能得到改进，还具备了约1%的二氧化碳减排潜力。
WLTP程序确定了用于测试的两个车辆类型：
(1) “H型车辆”是指车辆系列中结合了道路载荷相关特性（即试验质量高-TMH-、空气阻力和轮胎滚动阻力）产生最高的循环能源需求的车辆。此外，该车辆与污染物排放法规相关，代表最坏情况。
(2) “L型车辆”是指车辆系列中结合了道路载荷相关特性（即试验质量低-TML-、空气阻力和轮胎滚动阻力）产生最低的循环能源需求的车辆。任何车辆在循环中产生的介于“L型车辆”和“H型车辆”之间的二氧化碳排放量都可根据目标车辆的质量修正二氧化碳排放值来计算。
根据配置来看，WLTP TMH的二氧化碳排放量明显高于 NEDC，要高出10%至30%。新的边界条件对WLTP认证的影响是造成NEDC和WLTC燃油消耗差异的主要原因。循环本身会导致发动机的工作区域效率更高，并且可以部分补偿更高的能源需求。
此外，大多数现代技术在未来几年可能应用于柴油发动机，这使得在部分和低负荷运行时比在高负荷运行时有更多的优势。随后，进入WLTP的这些技术的潜在二氧化碳排放低于当前的NEDC或MIDC。
最后，结合WLTP更高的能源需求和当前的技术趋势（如缩小尺寸），预期的减
资料编号：[5492]
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