【德】R.Pohlke等

【译】范明强

【编辑】伍赛特

摘要：主动废气温度管理是现代柴油机满足未来RDE排放法规的关键技术。德国IAV和Schaeffler公司共同研究了一种基于可变气门机构的有利于降低燃油耗的方案。

关键词：柴油机 可变气门机构 节油潜力

1 前言和动机

直至2025年，在实际行驶排放（RDE）法规框架下NOx排放目标值的日趋严格以及车队CO2排放目标值的不断降低都要求内燃机进一步采取新技术，特别是在柴油机上废气后处理装置对于达到NOx排放目标值起着重要作用。在这种关系中，发动机起动后加热催化转化器使CO2排放尽可能最低以及在低负荷行驶情况下避免废气装置冷却是个巨大的挑战。

现有技术中含有多种多样的加热运行方式，但是会使燃油耗随之升高。作为在燃油耗增加相对较少的情况下提高废气温度的措施，通过排气门二次升程（SEVL）实现内部废气再循环（EGR）是众所周知的。多方研究表明，为了在非常低的负荷下运行时使废气温度t4＞200 ℃，仅使用内部废气再循环的效果依然有限，因此在非常低的负荷下仍需采取其他措施，例如进气空气节流或推迟燃烧，但是随之都会使燃油耗明显增加。尤其是前者，可在低负荷运行范围内有效提高废气温度，因为其目的在于减少使废气温度降低的气缸中多余的充量，但是相应风险是会恶化换气效果从而使燃油耗升高。

2 常规和创新加热策略的0D和1D模拟

本文的核心思想是应用进气侧气门机构的可变性并无节流地减少气缸充量与EGR相结合，其所追求的目标是，即使在非常低的发动机负荷情况下仍能达到足够的废气温度水平，在燃油耗最低的同时主动降低NOx排放。

采用SEVL以实现EGR（图1左），而采用进气门早关（eIVC）则是实现无节流减少气缸充气量（图1右）。考察这两种策略的效果，显然eIVC的效果与采取SEVL提高气缸温度的效果是相反的，将在这种矛盾中力求在变化的环境温度和发动机温度状态下获得尽可能理想的燃烧条件并将其用于柴油机工作过程，从而使预混合燃烧与扩散燃烧始终能达到一个适度的比例，在HC/CO和炭烟颗粒排放方面起到相应的改善效果。

选择一种采用单级可变涡轮截面（VTG）增压和高压/低压废气再循环（HP/LP-EGR）系统的直列4缸2.0 L增压发动机的通用发动机模型作为GT系列模拟研究的基础，图2示出了发动机在怠速运转工况点下的模拟计算结果。各种不同的标定策略都是为了提高废气温度T4。按照不采取加热措施的基本标定，可以看到该运行工况点的废气温度约为110 ℃。

第一种常规的加热措施是进气空气节流与不冷却的HP-EGR相结合（深蓝色）。充气控制的另一种可选择的方式是采取进气门早关（eIVC）来改变进气充气量（浅蓝色）,由于这种策略的燃油耗较低，在相似的气缸气体质量mIVC情况下，其T4的提升要比采取进气空气节流（ALD）的常规加热策略来得低，在模拟计算曲线终了时进气门早关（eIVC）的指示比燃油耗（ISFC）要比采取进气空气节流策略时低约15%。

在采取排气门二次升程（SEVL）（橙色）时，在SEVL升程高度不变的情况下采用节气门来改变内部废气再循环（EGR）率。与常规的进气空气节流策略相比，在模拟计算曲线终了时其燃油耗降低达8%，这是由改善换气而得到的，因为该策略仅是被用于提高EGR的，而进气管压力p2不会强烈地降低。提高气缸气体温度是EGR的基本作用机理，这根据压缩终了温度TTDC,ovr的模拟计算结果也可清楚地看出来。

比较eIVC和SEVL的模拟计算结果，就可看出这两种策略在TTDC,ovr上的相反效果，而在相反效果中却有着将燃烧室内点火条件调节到理想范围的广阔潜力，因此这两种策略必须相互组合应用（绿色）,此时选择进气门关闭的时间点作为调节气缸充气量的变化参数。随着进气门关闭EGR率随之增大，从而被调节到较高的压缩终了温度TTDC,ovr，期望由此能使应用eIVC时较差的燃烧稳定性得以改善，因此尤其是在低负荷范围应用这种策略。总而言之，应用这种组合策略的效益是在尽可能好的燃油耗情况下大幅提高废气温度,与进气节流方式相比其模拟计算曲线最终点上的燃油耗降低了17%。

3 在单缸试验发动机上的验证

1D模拟研究已表明了燃油耗最佳加热策略所期望得到的结果，而最重要的策略已在具有全可变气门机构的单缸试验发动机上进行了测试，其中空气管路中的边界条件已较为精确地转换到整机模拟中。

图3以进气节流策略（深蓝色）作为基准示出了单缸试验发动机上的试验结果，此外还给出了两种SEVL与eIVC的组合方案：

（1）较长的SEVL开启持续时间（EGR多）和适度的eIVC配气定时（适度减少充气量和有效压缩比）（红色）；

（2）较短的SEVL开启持续时间（EGR少）和较为显著的eIVC配气定时（充气量大大减少和非常小的有效压缩比）（红绿色）；

为了公平地比较燃油耗结果，还测量了一个采用ALD策略的附加点，其借助于外部废气再循环将NOx排放调整到采取SEVL+eIVC策略的水平上。最终，通过测量技术就能证实由模拟预测的SEVL+eIVC组合策略可显著提升节油效果，在废气温度升高ΔT3=80 ℃的情况下SEVL+eIVC组合策略能使指示比燃油耗（ISFC）降低达16.8%。

根据燃烧过程，着火条件变化而产生的结果是显而易见的。基准方案（深蓝色）因进气空气节流降低了压缩终了压力而显现出明显的预混合燃烧现象，而方案1（红色）因EGR率大而具有较短的着火滞后期并呈现出明显的扩散燃烧。与其相反，方案2（绿色）的EGR率有所减少但其使用的eIVC配气定时影响更为显著，预混合燃烧的作用相应较为明显。因此由于EGR和无节流减少充气量的组合效果，使得着火滞后现象得以恰当调整，随之预混合倾向以及HC/CO和炭烟排放也都得到了适度的调节。

4 WLTC行驶循环的节油潜力

行驶循环模拟采用D级车与自动变速器相组合进行，并应用了一个详细的废气后处理模型，它模拟了柴油机氧化催化转化器、柴油机颗粒捕集器和SCR催化转化器中的化学反应。选择全球统一的轻型载货车试验循环第1阶段（WLTC low）作为行驶循环，因为其对于负荷要求较低的临界行驶循环而言，更具代表性。

作为比较基准图4示出了不采取加热措施的试验结果（绿色曲线），其废气温度T4仅在短时间内超过200 ℃，总体上处于较低的水平，就如同在SCR催化转化器中没有NOx转化。同样还示出了有时候采取后喷射的常规加热策略的试验结果（深蓝色曲线）。

SEVL+可变eIVC策略（绿色曲线）通过高的EGR且因空气管路无惯性且能较快地进行准备，因而达到了较低的NOx原始排放要求。此外由于SCR催化转化器快速起燃，NOx排放被进一步降低。SEVL+可变eIVC策略部分时候也需要进行后喷射，以便达到所要求的废气温度水平（目标值稳定在250 ℃）。如果考虑SEVL和eIVC转换调节的话，那么eIVC就会更为频繁地出现尽可能早的配气定时，根据目标导向就需应用分立的升程型线转换，鉴于系统成本可能会采用更合适的替代方案。基于该原因，目前已考虑了用于eIVC的两种分立气门升程曲线的附加配置。

按照试验结果可能要在NOx排放不变的情况下进行所有策略CO2排放的比较。图5综合了所选择的标定方案以及与基准加热策略层面上的差异。

（1）应用SEVL可降低CO2排放2.5%；

（2）采用SEVL与eIVC组合可减少使用节气门，从而获得燃油耗方面的好处，采用eIVC升程曲线恒定的方案CO2排放可降低4.5%（适当的eIVC）或者5.3%（大的eIVC）；

（3）采用可变eIVC就能完全放弃使用节气门，此时与基准加热策略相比，CO2排放的降低可提高到5.7%。

5 实现可变性的硬件方案

实现气门机构可变性的一种可行的硬件方案（除全可变eIVC外）是由Schaeffler公司开发的机电式eRocker系统（图6和图7），由一个执行器通过由摇杆和钢板弹簧组成的执行器传动杆操纵可变滚轮摇臂（SRFF）。当摇杆运动时可变摇臂的操纵销不受力因而不能被直接操纵的时候（例如凸轮处于基圆之外时），钢板弹簧传递摇杆的运动，同时可起到中间储能器的作用。而不在操纵状态时，钢板弹簧与操纵销之间则没有接触，因而就不会产生附加的摩擦损耗，而且操纵销接近旋转点附近的结构可确保在操纵状态时的摩擦处于较低的水平。

通过对钢板弹簧的各类设计（长度/横截面积），系统具备另一项优点，即可在气缸盖上灵活地进行定位，并根据具体情况适应结构空间等条件，此外eRocker系统的结构易于实现多级换挡策略：无论是在进气侧还是在排气侧，均可通过应用两根平行工作的摇杆与进气门或排气门上不同的转换升程或附加升程相结合进行转换。作为实例，图6示出了排气侧的气门电动摇杆方案。

6 结论

本文介绍了一种在低燃油耗情况下可最优地提高柴油机低负荷范围废气温度的解决方案，以满足用于欧6d及其后废气排放标准的RDE法规NOx排放限值的要求。这种建议方案基于在低负荷运行时，废气温度较低的原因是气缸充量质量存在显著过剩现象，因此建议借助于可变进气门配气定时来减少充气量，但是在低负荷和冷机状态时这种策略不能单独使用，因为其效果比进气节流更为强烈，会导致着火滞后延长，从而出现较高的HC和CO排放值以及被恶化的燃烧稳定性。这种问题的解决方法是可变进气门配气定时与EGR相结合，从而补偿当时气缸中的温度效果，并对有害物排放产生相应有利的影响，同时能显著地提高废气温度。在WLTC行驶循环的城市行驶部分中，与常规的加热策略相比，这种策略能使燃油耗最多降低5.7%。

为了实现气门机构的可变性，Schaeffler公司提供了可投入批量生产的部件，并建议将用于eIVC的进气侧两个平行转换的滚轮摇臂与用于SEVL的排气侧一个可转换的滚轮摇臂相结合作为成本/效益比最佳的硬件方案。