超低氮氧化物排放的乘用车柴油机

为解决实验室测试与实际使用柴油车排放之间的差距问题，汽车行业引入实际行驶排放(RDE)要求。现代柴油机技术证明，可以在宽泛行驶工况下实现车辆在道路上的低排放。研究进一步表明，通过综合采用一体化的排放控制技术，可以在超过欧六dRDE要求的宽泛行驶工况下实现持续的低氮氧化物(NOx)排放和低颗粒数量(PN)排放。采用稀薄氮氧化物捕集技术(LNT)与双剂量尿素喷射选择性催化还原(SCR)系统相结合，通过综合采用LNT和SCR催化剂涂覆柴油机颗粒物捕集器(SDPF)上的紧密耦合SCR系统，可以实现低负荷NOx控制。另一方面，通过装有AdBlue喷射器的下置SCR系统涵盖了高负荷工况的NOx控制。采用P0 48 V轻度混合动力系统也可以辅助NOx控制，以确保良好的驾驶性能和燃油效率。采用先进的控制策略，确保在所有排放控制功能之间实现最佳交互。该系统在1辆C级试验样车上进行验证。在道路上和实验室中进行了一系列综合测试，以涵盖宽泛的行驶工况。特别关注了市区和高速公路行驶工况下排放性能的稳定性。结果显示，在所有行驶工况下，每种后处理组件都有助于实现持续的低NOx排放。研究表明，SDPF可有效控制颗粒排放。

0 前言

欧盟关于轻型车辆的排放法规在过去几年中发生了重大变化。欧盟制定并实施了全球统一的轻型车试验规程(WLTP)，从而更能代表车辆正常使用时的燃料消耗和CO2排放。同时，1部四合一的实际行驶排放(RDE)法规也已经生效。该法规规定了乘用车和轻型商用车道路工况下的氮氧化物(NOx)和颗粒数量(PN)排放。现在，整车制造商必须保证，车辆在任何行驶工况下，排放都应低于RDE边界条件规定的最大值。RDE排放考虑到了路线特性、行驶动力学和环境条件这些影响因素。这些要求不仅适用于包括市区、农村和高速公路在内的整个行程，也可单独适用于市区。

实验室测试与实际使用柴油车排放之间的差距问题得到了解决。现代柴油技术证明，在宽泛行驶工况下，车辆可以在道路上实现低排放。更为重要的是，欧盟市场上已有700多款满足RDE法规要求的柴油车(自2017年9月起已通过型式认证，排放达到欧六d-TEMP标准的车型)。图1 表示车辆在符合RDE工况要求的路线上的NOx排放，包括市区、乡村和高速公路行驶工况。与之前柴油车相比，符合RDE法规要求的柴油车的NOx排放大幅下降，这些数据在型式认证RDE测试中通过车载排放测试系统可获取。可以看出，在整个测试范围及仅在市区部分，NOx排放均有所改善。

图1 RDE要求的引入降低了实际使用中柴油机的NOx排放

图2所示为NOx尾管排放随着车辆平均速度和负荷的变化情况。RDE法规生效之前的车辆，型式认证限制于新欧洲标准行驶循环(NEDC)。这是1种实验室测试，以单个平均速度/负荷值为特征，图2给出了NOx排放值。在公共道路行驶中，试验条件更宽广，包括行驶路线、道路坡度、车辆负载、行驶方式和环境条件，RDE之前车辆的NOx排放通常会有所增加。近年来，为了满足RDE法规的要求，通过对动力装置和排放控制系统进行优化，显著改善了更宽广行驶工况下尾管NOx排放控制的稳定性。

图2 尾管NOx排放随着车辆平均速度/负荷的变化

作为“后欧六”研究的一部分，欧盟委员会正在考虑是否进一步修正和拓展法规框架内的元素。RDE试验所覆盖的行驶工况是当前考虑的“后欧六”元素的一部分。

进一步目标显示，在包括接近图2边缘挑战性条件在内的宽泛运行工况下，具有低的NOx排放和低颗粒数量排放水平，同时保持CO2的排放水平。为了达到这个目标，将柴油机颗粒物捕集器(DPF)与NOx排放控制技术相结合，应用于1辆轻度混合动力柴油轿车上。软件中各项技术的功能控制集成是关键，更为明确的目标定位是代表市区行驶的平均低速和代表高速公路行驶的平均高速。

1 项目准备

1.1 车辆和动力装置

试验项目的基础车是1辆装有柴油机的C级轿车，其通过了欧六b型式认证。车辆装有6速手动变速箱，前轮驱动。车辆质量为1 700 kg，包括司机和车载尾管排放测试系统(PEMS)在内。车辆使用4 缸、2 气门的小型化柴油机，排量为1.5 L，压缩比为15.5，额定功率为54 kW/L(4 000 r/min)，扭矩为173 N·m(1 700 r/min)。发动机装有160 MPa高压共轨喷油系统(电磁喷油器)。单级可变截面涡轮增压器装有电动执行器和空-空中冷器。通过综合采用非冷却高压和冷却低压废气再循环(EGR)系统来降低发动机NOx排放，该系统通过低压EGR系统下游的废气压力阀支撑。

1.2 排气后处理系统结构和控制

在拆除了原来的排气后处理系统后，取而代之的是稀燃NOx捕集器(LNT)+双选择性催化还原(SCR)系统，如图3所示。1.4 L LNT主要在低速市区行驶工况下自动处理NOx排放。LNT紧密耦合低热质SCR，以优化冷起动后SCR 的起燃特性，并用来支撑LNT。紧密耦合SCR由1.6 L SCR片和涂覆在DPF之上的2.4 L SCR催化器(SDPF)组成。这能够使车辆在市区行驶排气温度低的工况下，在LNT和SCR清除NOx的性能之间达到最佳协同，如图4所示。

图3 排气后处理系统结构

图4 通过技术组合来扩大系统清除NOx的总体性能

针对高速和高负荷行驶工况，在底盘下面安装了第2个SCR催化器和氨逃逸催化器(ASC)。相比紧密耦合SCR系统，这些下游催化器承受的温度较低，从而使其在较高车辆速度/负荷下更加有效。与第2个AdBlue定量供给单元相结合，改善了高速道路行驶条件下(高速、高负荷和涡轮后温度)的NOx净化性能，如图4所示。总之，沿着排气管路布置不同组件的组合，改善了系统在宽泛行驶工况下的NOx清除性能。该研究的目标并不是评估所有可能的替代系统，其他方法也可以实现低排放。

为了实现较高的NOx转化效率，同时防止NH3逃逸，需要根据排气温度和发动机NOx瞬态排放水平，自动精确调整各个SCR组件内NH3的存储量。

为了单独控制双SCR系统的不同组件，并且与Ad-Blue喷射器进行协作，引入了基于模型的闭环定量喷射控制软件，在SCR组件上实现了实时、低维模型化。基于每个组件入口的信息，计算所谓的相关状态，如NH3的存储量、各催化器中NOx和NH3的浓度，或者是在车上无法测量的任何其他参数。为了使各SCR组件达到最佳性能，通过交互式存储量控制器控制各SCR内NH3的存储估算量。考虑到系统偏差，以及传感器和执行器的漂移，根据下游NOx传感器测量的信息，通过1种扩展卡尔曼滤波器(EKF)不断检测SCR模型，使各SCR组件保持高效的NOx清除性能。这种对2个SCR系统中NH3存储量进行的闭环控制，使尿素喷射系统硬件中出现的任何误差都具有高度的稳定性。预计闭环运行会成为1个新的标准功能，可以更好地处理传感器/执行器的偏差。这种稳定的控制功能与耐久性良好的硬件组件相结合，极大地稳定了在整个生命周期内NOx的清除性能。

增加第2个定量喷射系统的好处是减少低压EGR管道内NH3的形成(第2个定量喷射单元位于废气汲取点的下游)，并减少高温下NH3的氧化。在对单个定量喷射器Adblue喷射量需求大时，紧密耦合SCR系统上游会导致上述不利情况。

这项工作中使用的所有催化剂组件都是按照能够代表车辆寿命的水热炉老化程序进行测试的。此外，在最终排放测试之前，项目期间累计约15 000 km。

1.3 混合动力系统布局和控制

48 V轻度混合动力系统的电动机(EM)通过皮带驱动，靠近位于P0位置的4缸柴油机。集成电动机可以辅助内燃机，电功率高达10 kW。在加速期间，电动机作为辅助驱动系统，产生驱动力矩辅助发动机，以降低燃油消耗和CO2排放。在车辆静止时，可通过起停功能进一步降低CO2排放。在减速和制动期间，电动机能转换为发电机以回收动能，并向电池充电。车辆在起动或加速期间，在发动机低转速下，电动机作为辅助驱动系统，将进一步提供驱动扭矩，提高车辆反应性的同时避免变速机构调低速档。

本项目还为48 V轻度混合动力系统额外增加了以下排放控制功能：(1)后处理系统的主动热管理，使排气温度达到或高于催化剂起燃温度。在这种情况下，电动机作为发电机工作，给内燃机了增加额外的负载。(2)在低负荷工况下，辅助LNT再生。电动机稳定发动机扭矩，吸收驾驶员需求扭矩产生的波动，否则可能会中断LNT再生过程。(3)在瞬态行驶工况下，扭矩变化梯度大，会显著增加NOx排放。在这些瞬态阶段，电动机可辅助发动机降低排放峰值。

功能1和功能2可确保车辆在市区行驶工况冷起动后的早期进行NOx清除。图5所示为第2个功能。

图5(a)为发动机车辆和燃烧模式(NRM=正常、NPU=NOx清除)，图5(b)为动力装置系统的不同扭矩。该功能可以对低负荷行驶工况下的恒定扭矩进行补偿，也可以作为变扭矩来稳定驾驶员需求扭矩产生的波动。借助48 V轻度混合动力系统，发动机扭矩保持在1个使LNT可稳定再生的区域。在这些条件下，如果没有48 V轻混系统的支持，LNT 不可能再生。这为LNT再生创造了额外的机会，从而改善了NOx排放控制，尤其是在市区行驶工况下。

图5 通过48 V轻度混合动力系统实现LNT去除NOx的稳定性

1.4 排放试验

本项目的目标是验证宽泛行驶工况下的低排放性能。除了法规性排放试验外(包括全球统一的轻型车试验循环(WLTC)和RDE 工况)，还进行了不同的道路和实验室试验，试验条件包括市区(柏林及伦敦交通局“低峰时段”循环)、上坡(德国的哈尔茨山，高达700 m)和柏林附近的高速公路(车速达160 km/h)。

部分试验的发动机负荷点、车辆速度踪迹和排气温度直方图如图6和图7所示。从伦敦交通局“低峰时段”循环(TfL)到WLTC工况，再到RDE和高速公路工况，发动机特性图覆盖面积依次增大。由于C级车1.5 L小型化柴油机独有的特性，WLTC工况、RDE工况和高速公路工况包含了全负荷运行。涡轮下游温度至少达到200 ℃所需的发动机负荷条件在发动机特性图中也有所显示。TfL工况试验主要包括低负荷运行，通常低于200 ℃的水平线。距离短(9 km)、车辆平均速度低(13.9 km/h，包括怠速)，使冷起动试验非常具有挑战性。在进行WLTC工况、RDE工况和高速公路工况试验时，排气温度直方图移向较高温度。

图6 不同排放试验下发动机特性图的覆盖范围

图7 不同排放试验下行驶速度踪迹和排气温度直方图

图8示出不同排放试验的环境条件范围，涉及2种不同的海拔高度。RDE路线1和实验室测试在海拔高度低于100 m的位置上进行，RDE 路线2靠近700 m的海拔高度，该试验也包括更为动态的行驶，达到了RDE的边界条件(1 200 m/100 km)。

图8 不同排放试验的环境条件范围

2 结果与讨论

2.1 NOx排放

本文介绍宽泛行驶工况下所测量的NOx排放。首先讨论平均行驶条件下的排放结果，然后分别对市区和高速行驶工况下的排放进行更为详细地分析。

图9示出RDE工况和WLTC工况下测量的NOx排放。根据平均环境温度，从左到右对结果进行分类。包括道路和实验室RDE试验结果。NOx排放范围为8~16 mg/km。在试验期间，环境温度对NOx的排放范围没有影响。

图9 全部试验NOx排放随环境温度的变化

图10为市区行驶期间所测量的NOx排放。图中所示为RDE试验(道路和实验室)和2种专用的市区排放试验(柏林道路行驶和实验室伦敦交通局循环)数据。研究人员根据环境温度再一次对结果进行分类。在这些工况下，NOx排放持续保持在低水平，排放范围为24~47 mg/km，没有观察到环境温度对试验的影响。

图10 市区行驶工况下NOx排放随环境温度的变化

图11示出在RDE工况试验的市区部分，不同后处理组件对降低NOx排放所做的贡献。该试验中发动机的NOx排放为373 mg/km，LNT 和紧密耦合SCR+SDPF的贡献几乎相同，该试验中NOx的清除效率达到92%，尾管NOx排放为31 mg/km。

图11 城区行驶工况下NOx排放转化分解

如上所述，系统控制措施的实施，使冷起动后市区工况下NOx在早期进行转化。贡献主要源自LNT再生的稳定性和主动热管理。图12示出这些措施的改进，以及伦敦交通局循环下累积的NOx排放。在不采用额外的系统控制功能时，尾管NOx排放测量值为216 mg/km。激活LNT再生稳定和主动热管理后，NOx排放改善80%，为47 mg/km。

图12 项目初始(额外的系统控制措施，非主动)和项目结束

(主动)的伦敦交通局循环试验NOx累积排放在专用的高速公路试验期间，对高速道路排放进行了研究，包括最高时速160 km/h下的排放。分别对不同试验区段进行研究，以检测车辆平均速度对NOx的影响。依据所选区段得到平均速度，速度范围为75~140 km/h。图13详细分析了不同试验区段NOx排放的减少。具有挑战性的行驶条件增加了发动机负荷和转速，使发动机排放从124 mg/km 增加到1 465 mg/km。LNT覆盖最大部分的NOx控制，直到车速达到80 km/h。当车速更高时，紧密耦合SCR+SDPF覆盖了最大部分的NOx控制。在所有高速工况下，都需要下置的SCR确保持续低的NOx排放。下置的SCR能使紧密耦合的SCR+SDPF在NH3供给较高的情况下运行，尾管没有NH3泄漏的风险，辅助SCR+SDPF更大程度地降低NOx排放。尾管NOx排放不等，在2~49 mg/km 之间。NOx清除效率不等，在96%~99%之间。

图13 高速公路行驶工况(NOx排放分解)

图14示出了尾管NOx排放随着车辆速度的变化。在所涵盖的行驶条件下，NOx排放测量值持续低，不仅反映了车辆速度的影响，也反映了试验初始冷起动的影响。图15示出了整个系统NOx清除效率的变化。

图14 项目所涵盖的运行工况下尾管NOx排放总结

图15 项目所涵盖的运行工况下系统清除NOx的总效率

在WLTC工况和RDE 工况试验中，主动热管理的使用导致CO2排放升高，但是升高值低于3%。在这些试验中，尿素消耗每1 000 km低于1.5 L。NH3泄漏保持低于10 mg/L(峰值)和1 mg/km(总测试结果)的状态。

2.2 颗粒物排放

图16和图17分别示出了测得的颗粒物数量(PN)和颗粒物质量(PM)排放。PM排放仅在WLTC工况、RDE滚筒试验台(RTB)和伦敦交通局循环下的实验室试验中测得。道路RDE试验中也测得了PN排放。PN排放在8×109/km 和7×1 010/km 之间。在实验室中还通过WLTC工况和RDE滚筒试验台测量了小于23 nm的颗粒数量，但是未观察到有显著的贡献。PM排放小于0.5 mg/km。这些结果说明，在所有行驶工况下，柴油机颗粒物捕集器可有效控制颗粒物排放。

图16 实验室和道路所测的PN排放

图17 实验室内所测的PM 排放

2.3 其他排放

CO排放情况如图18 所示。在WLTC工况和RDE工况试验中，CO排放低于0.5 mg/km。观察到伦敦运输循环中CO有所增加，原因是主动热管理中受到了后喷的影响。THC排放也有类似的结果(图19)。

图18 实验室和道路所测CO排放

图19 实验室内所测THC排放

进一步优化TfL工况上的CO和THC排放是可能的。这需要根据LNT温度对后喷燃油量进行微调，但是这超出了项目范围。

为了防止尾管NH3泄漏，研究内置了不同的机制。通过基于模型的SCR控制，实现最佳的NH3负载，而且无泄漏。双尿素喷射的双SCR的优点是，能够对紧耦合的SCR+SDPF和下置的SCR分别进行控制。此外，下置SCR能够使SCR+SDPF的NH3负载指标更高。最后，通过增加氨泄漏催化剂来转化剩余的NH3。

图20示出在RDE道路试验期间，紧密耦合SCR+SDPF和下置SCR的NH3负载和泄漏。在RDE工况试验中，尾管NH3泄漏被控制在10 mg/L以下。

图20 RDE试验期间紧密耦合SCR+SDPF和下置SCR的NH3负载及逃逸情况

3 结论

研究表明，将可用的催化剂技术和改进的发动机及后处理控制功能相结合，在宽泛行驶工况下，柴油NOx排放始终可以保持在非常低的水平。研究人员将LNT+双SCR后处理系统、48 V轻混和高低压EGR柴油机优化集成于1辆C级试验车。除了扭矩辅助和制动能量回收外，各种混合辅助功能还用于NOx排放控制(LNT再生的稳定、对主动热管理的贡献和发动机机外NOx控制的支持)。基于模型的SCR控制，实现高效的NOx清除，无氨泄漏。

为了检验在宽泛行驶条件下NOx控制的稳定性，研究人员进行了大量的排放试验。试验主要关注市区和高速行驶工况。在WLTC和RDE试验下，NOx排放水平超低。通过对各排放控制组件贡献的综合优化，系统在专用的市区和高速行驶工况下，保持高效的NOx清除效率，转化效率高于84%。各个后处理部件(LNT、紧耦合SCR/SDPF和下置SCR)都有助于NOx排放持续保持在较低的水平。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第1期

作者：[比利时]J.DEMUYNCK等

整理：高英英 曹 杰 张然治

编辑：虞