超低氮氧化物排放的乘用車柴油機

J.DEMUYNCK C.FAVRE D.BOSTEELS F.BUNAR

為解決實驗室測試與實際使用柴油車排放之間的差距問題，汽車行業引入實際行駛排放（RDE）要求?，F代柴油機技術證明，可以在寬泛行駛工況下實現車輛在道路上的低排放。研究進一步表明，通過綜合采用一體化的排放控制技術，可以在超過歐六d RDE要求的寬泛行駛工況下實現持續的低氮氧化物（NOx）排放和低顆粒數量（PN）排放。采用稀薄氮氧化物捕集技術（LNT）與雙劑量尿素噴射選擇性催化還原（SCR）系統相結合，通過綜合采用LNT和SCR催化劑涂覆柴油機顆粒物捕集器（SDPF）上的緊密耦合SCR系統，可以實現低負荷NOx控制。另一方面，通過裝有AdBlueGA16A噴射器的下置SCR系統涵蓋了高負荷工況的NOx控制。采用P0 48 V輕度混合動力系統也可以輔助NOx控制，以確保良好的駕駛性能和燃油效率。采用先進的控制策略，確保在所有排放控制功能之間實現最佳交互。該系統在1輛C級試驗樣車上進行驗證。在道路上和實驗室中進行了一系列綜合測試，以涵蓋寬泛的行駛工況。特別關注了市區和高速公路行駛工況下排放性能的穩定性。結果顯示，在所有行駛工況下，每種后處理組件都有助于實現持續的低NOx排放。研究表明， SDPF可有效控制顆粒排放。實際道路行駛工況;氮氧化物控制;顆粒物排放

0 前言

歐盟關于輕型車輛的排放法規在過去幾年中發生了重大變化。歐盟制定并實施了全球統一的輕型車試驗規程（WLTP），從而更能代表車輛正常使用時的燃料消耗和CO2排放。同時，1部四合一的實際行駛排放（RDE）法規也已經生效。該法規規定了乘用車和輕型商用車道路工況下的氮氧化物（NOx）和顆粒數量（PN）排放?，F在，整車制造商必須保證，車輛在任何行駛工況下，排放都應低于RDE邊界條件規定的最大值[1]。RDE排放考慮到了路線特性、行駛動力學和環境條件這些影響因素。這些要求不僅適用于包括市區、農村和高速公路在內的整個行程，也可單獨適用于市區。

實驗室測試與實際使用柴油車排放之間的差距問題得到了解決?，F代柴油技術證明，在寬泛行駛工況下，車輛可以在道路上實現低排放[2-6]。更為重要的是，歐盟市場上已有700多款滿足RDE法規要求的柴油車（自2017年9月起已通過型式認證，排放達到歐六d-TEMP標準的車型[7]）。圖1表示車輛在符合RDE工況要求的路線上的NOx排放，包括市區、鄉村和高速公路行駛工況[8]。與之前柴油車相比，符合RDE法規要求的柴油車的NOx排放大幅下降，這些數據在型式認證RDE測試中通過車載排放測試系統可獲取[9-10]?？梢钥闯?，在整個測試范圍及僅在市區部分，NOx排放均有所改善。

圖2所示為NOx尾管排放隨著車輛平均速度和負荷的變化情況。RDE法規生效之前的車輛，型式認證限制于新歐洲標準行駛循環（NEDC）。這是1種實驗室測試，以單個平均速度/負荷值為特征，圖2給出了NOx排放值。在公共道路行駛中，試驗條件更寬廣，包括行駛路線、道路坡度、車輛負載、行駛方式和環境條件，RDE之前車輛的NOx排放通常會有所增加。近年來，為了滿足RDE法規的要求，通過對動力裝置和排放控制系統進行優化，顯著改善了更寬廣行駛工況下尾管NOx排放控制的穩定性。

作為“后歐六”研究的一部分，歐盟委員會正在考慮是否進一步修正和拓展法規框架內的元素。RDE試驗所覆蓋的行駛工況是當前考慮的“后歐六”元素的一部分。

進一步目標顯示，在包括接近圖2邊緣挑戰性條件在內的寬泛運行工況下，具有低的NOx排放和低顆粒數量排放水平，同時保持CO2的排放水平。為了達到這個目標，將柴油機顆粒物捕集器（DPF）與NOx排放控制技術相結合，應用于1輛輕度混合動力柴油轎車上。軟件中各項技術的功能控制集成是關鍵，更為明確的目標定位是代表市區行駛的平均低速和代表高速公路行駛的平均高速。

1 項目準備

1.1 車輛和動力裝置

試驗項目的基礎車是1輛裝有柴油機的C級轎車，其最初通過了歐六b型式認證。車輛裝有6速手動變速箱，前輪驅動。車輛測試質量為1 700 kg，包括司機和車載尾管排放測試系統（PEMS）在內。

車輛使用4缸、2氣門的小型化柴油機，排量為15 L，壓縮比為15.5，額定功率為54 kW/L（4 000 r/min），扭矩為173 N·m（1 700 r/min）。發動機裝有160 MPa高壓共軌噴油系統（電磁噴油器）。單級可變截面渦輪增壓器裝有電動執行器和空-空中冷器。通過綜合采用非冷卻高壓和冷卻低壓廢氣再循環（EGR）系統來降低發動機NOx排放，該系統通過低壓EGR系統下游的廢氣壓力閥支撐。

1.2 排氣后處理系統結構和控制

在拆除了原來的排氣后處理系統后，取而代之的是稀燃NOx捕集器（LNT）+雙選擇性催化還原（SCR）系統，如圖3所示。1.4 L LNT主要在低速市區行駛工況下自動處理NOx排放。LNT緊密耦合低熱質SCR，以優化冷起動后SCR的起燃特性，并用來支撐LNT。緊密耦合SCR由1.6 L SCR片和涂覆在DPF之上的2.4 L SCR催化器（SDPF）組成。這能夠使車輛在市區行駛排氣溫度低的工況下，在LNT和SCR清除NOx的性能之間達到最佳協同，如圖4所示。

針對高速和高負荷行駛工況，在底盤下面安裝了第2個SCR催化器和氨逃逸催化器（ASC）。相比緊密耦合SCR系統，這些下游催化器承受的溫度較低，從而使其在較高車輛速度/負荷下更加有效。與第2個AdBlueGA16A定量供給單元相結合，改善了高速道路行駛條件下（高速、高負荷和渦輪后溫度）的NOx凈化性能，如圖4所示?？傊?，沿著排氣管路布置不同組件的組合，改善了系統在寬泛行駛工況下的NOx清除性能。該研究的目標并不是評估所有可能的替代系統，其他方法也可以實現低排放。

為了實現較高的NOx轉化效率，同時防止NH3逃逸，需要根據排氣溫度和發動機NOx瞬態排放水平，自動精確調整各個SCR組件內NH3的存儲量。為了單獨控制雙SCR系統的不同組件，并且與AdBlueGA16A噴射器進行協作，引入了基于模型的閉環定量噴射控制軟件，在SCR組件上實現了實時、低維模型化?；诿總€組件入口的信息，計算所謂的相關狀態，如NH3的存儲量、各催化器中NOx和NH3的濃度，或者是在車上無法測量的任何其他參數。為了使各SCR組件達到最佳性能，通過交互式存儲量控制器控制各SCR內NH3的存儲估算量?？紤]到系統偏差，以及傳感器和執行器的漂移，根據下游NOx傳感器測量的信息，通過1種擴展卡爾曼濾波器（EKF）不斷檢測SCR模型，使各SCR組件保持高效的NOx清除性能。這種對2個SCR系統中NH3存儲量進行的閉環控制，使尿素噴射系統硬件中出現的任何誤差都具有高度的穩定性。預計閉環運行會成為1個新的標準功能，可以更好地處理傳感器/執行器的偏差。這種穩定的控制功能與耐久性良好的硬件組件相結合，極大地穩定了在整個生命周期內NOx的清除性能。

增加第2個定量噴射系統的好處是減少低壓EGR管道內NH3的形成（第2個定量噴射單元位于廢氣汲取點的下游），并減少高溫下NH3的氧化。在對單個定量噴射器AdblueGA16A噴射量需求大時，緊密耦合SCR系統上游會導致上述不利情況。

這項工作中使用的所有催化劑組件都是按照能夠代表車輛壽命的水熱爐老化程序進行測試的。此外，在最終排放測試之前，項目期間累計約15 000 km。

1.3 混合動力系統布局和控制

48 V輕度混合動力系統的電動機（EM）通過皮帶驅動，靠近位于P0位置的4缸柴油機。集成電動機可以輔助內燃機，電功率高達10 kW。在加速期間，電動機作為輔助驅動系統，產生驅動力矩輔助發動機，以降低燃油消耗和CO2排放。在車輛靜止時，可通過起停功能進一步降低CO2排放。在減速和制動期間，電動機能轉換為發電機以回收動能，并向電池充電。車輛在起動或加速期間，在發動機低轉速下，電動機作為輔助驅動系統，將進一步提供驅動扭矩，提高車輛反應性的同時避免變速機構調低速檔。

本項目還為48 V輕度混合動力系統額外增加了以下排放控制功能：（1）后處理系統的主動熱管理，使排氣溫度達到或高于催化劑起燃溫度。在這種情況下，電動機作為發電機工作，給內燃機了增加額外的負載。（2）在低負荷工況下，輔助LNT再生。電動機穩定發動機扭矩，吸收駕駛員需求扭矩產生的波動，否則可能會中斷LNT再生過程。（3）在瞬態行駛工況下，扭矩變化梯度大，會顯著增加NOx排放。在這些瞬態階段，電動機可輔助發動機降低排放峰值。

功能1和功能2可確保車輛在市區行駛工況冷起動后的早期進行NOx清除。圖5所示為第2個功能。圖5（a）為發動機車輛和燃燒模式（NRM=正常、NPU=NOx清除），圖5（b）為動力裝置系統的不同扭矩。該功能可以對低負荷行駛工況下的恒定扭矩進行補償，也可以作為變扭矩來穩定駕駛員需求扭矩產生的波動。借助48 V輕度混合動力系統，發動機扭矩保持在1個使LNT可穩定再生的區域。在這些條件下，如果沒有48 V輕混系統的支持，LNT不可能再生。這為LNT再生創造了額外的機會，從而改善了NOx排放控制，尤其是在市區行駛工況下。

1.4 排放試驗

本項目的目標是驗證寬泛行駛工況下的低排放性能。除了法規性排放試驗外（包括全球統一的輕型車試驗循環（WLTC）和RDE工況），還進行了不同的道路和實驗室試驗，試驗條件包括市區（柏林及倫敦交通局“低峰時段”循環）、上坡（德國的哈爾茨山，高達700 m）和柏林附近的高速公路（車速達160 km/h）。

部分試驗的發動機負荷點、車輛速度蹤跡和排氣溫度直方圖如圖6和圖7所示。從倫敦交通局“低峰時段”循環（TfL）到WLTC工況，再到RDE和高速公路工況，發動機特性圖覆蓋面積依次增大。由于C級車1.5 L小型化柴油機獨有的特性，WLTC工況、RDE工況和高速公路工況包含了全負荷運行。渦輪下游溫度至少達到200 ℃所需的發動機負荷條件在發動機特性圖中也有所顯示。TfL工況試驗主要包括低負荷運行，通常低于200 ℃的水平線。距離短（9 km）、車輛平均速度低（13.9 km/h，包括怠速），使冷起動試驗非常具有挑戰性。在進行WLTC工況、RDE工況和高速公路工況試驗時，排氣溫度直方圖移向較高溫度。

圖8示出不同排放試驗的環境條件范圍，涉及2種不同的海拔高度。RDE路線1和實驗室測試在海拔高度低于100 m的位置上進行，RDE路線2靠近700 m的海拔高度，該試驗也包括更為動態的行駛，達到了RDE的邊界條件（1 200 m/100 km）。

2 結果與討論

2.1 NOx排放

本文介紹寬泛行駛工況下所測量的NOx排放。首先討論平均行駛條件下的排放結果，然后分別對市區和高速行駛工況下的排放進行更為詳細地分析。

圖9示出RDE工況和WLTC工況下測量的NOx排放。根據平均環境溫度，從左到右對結果進行分類。包括道路和實驗室RDE試驗結果。NOx排放范圍為8～16 mg/km。在試驗期間，環境溫度對NOx的排放范圍沒有影響。

圖10為市區行駛期間所測量的NOx排放。圖中所示為RDE試驗（道路和實驗室）和2種專用的市區排放試驗（柏林道路行駛和實驗室倫敦交通局循環）數據。研究人員根據環境溫度再一次對結果進行分類。在這些工況下，NOx排放持續保持在低水平，排放范圍為24～47 mg/km，沒有觀察到環境溫度對試驗的影響。

圖11示出在RDE工況試驗的市區部分，不同后處理組件對降低NOx排放所做的貢獻。該試驗中發動機的NOx排放為373 mg/km，LNT和緊密耦合SCR+SDPF的貢獻幾乎相同，該試驗中NOx的清除效率達到92%，尾管NOx排放為31 mg/km。

如上所述，系統控制措施的實施，使冷起動后市區工況下NOx在早期進行轉化。貢獻主要源自LNT再生的穩定性和主動熱管理。圖12示出這些措施的改進，以及倫敦交通局循環下累積的NOx排放。在不采用額外的系統控制功能時，尾管NOx排放測量值為216 mg/km。激活LNT再生穩定和主動熱管理后，NOx排放改善80%，為47 mg/km。

在專用的高速公路試驗期間，對高速道路排放進行了研究，包括最高時速160 km/h下的排放。分別對不同試驗區段進行研究，以檢測車輛平均速度對NOx的影響。依據所選區段得到平均速度，速度范圍為75～140 km/h。圖13詳細分析了不同試驗區段NOx排放的減少。具有挑戰性的行駛條件增加了發動機負荷和轉速，使發動機排放從124 mg/km增加到1 465 mg/km。LNT覆蓋最大部分的NOx控制，直到車速達到80 km/h。當車速更高時，緊密耦合SCR+SDPF覆蓋了最大部分的NOx控制。在所有高速工況下，都需要下置的SCR確保持續低的NOx排放。下置的SCR能使緊密耦合的SCR+SDPF在NH3供給較高的情況下運行，尾管沒有NH3泄漏的風險，輔助SCR+SDPF更大程度地降低NOx排放。尾管NOx排放不等，在2～49 mg/km之間。NOx清除效率不等，在96%～99%之間。

圖14示出了尾管NOx排放隨著車輛速度的變化。在所涵蓋的行駛條件下，NOx排放測量值持續低，不僅反映了車輛速度的影響，也反映了試驗初始冷起動的影響。圖15示出了整個系統NOx清除效率的變化。

在WLTC工況和RDE工況試驗中，主動熱管理的使用導致CO2排放升高，但是升高值低于3%。在這些試驗中，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（總測試結果）的狀態。

2.2 顆粒物排放

圖16和圖17分別示出了測得的顆粒物數量（PN）和顆粒物質量（PM）排放。PM排放僅在WLTC工況、RDE滾筒試驗臺（RTB）和倫敦交通局循環下的實驗室試驗中測得。道路RDE試驗中也測得了PN排放。PN排放在8×109/km和7×1010/km之間。在實驗室中還通過WLTC工況和RDE滾筒試驗臺測量了小于23 nm的顆粒數量，但是未觀察到有顯著的貢獻。PM排放小于0.5 mg/km。這些結果說明，在所有行駛工況下，柴油機顆粒物捕集器可有效控制顆粒物排放。

2.3 其他排放

CO排放情況如圖18所示。在WLTC工況和RDE工況試驗中，CO排放低于0.5 mg/km。觀察到倫敦運輸循環中CO有所增加，原因是主動熱管理中受到了后噴的影響。THC排放也有類似的結果（圖19）。

進一步優化TfL工況上的CO和THC排放是可能的。這需要根據LNT溫度對后噴燃油量進行微調，但是這超出了項目范圍。

為了防止尾管NH3泄漏，研究內置了不同的機制。通過基于模型的SCR控制，實現最佳的NH3負載，而且無泄漏。雙尿素噴射的雙SCR的優點是，能夠對緊耦合的SCR+SDPF和下置的SCR分別進行控制。此外，下置SCR能夠使SCR+SDPF的NH3負載指標更高。最后，通過增加氨泄漏催化劑來轉化剩余的NH3。

圖20示出在RDE道路試驗期間，緊密耦合SCR+SDPF和下置SCR的NH3負載和泄漏。在RDE工況試驗中，尾管NH3泄漏被控制在10 mg/L以下。

3 結論

研究表明，將可用的催化劑技術和改進的發動機及后處理控制功能相結合，在寬泛行駛工況下，柴油NOx排放始終可以保持在非常低的水平。

研究人員將LNT+雙SCR后處理系統、48 V輕混和高低壓EGR柴油機優化集成于1輛C級試驗車。除了扭矩輔助和制動能量回收外，各種混合輔助功能還用于NOx排放控制（LNT再生的穩定、對主動熱管理的貢獻和發動機機外NOx控制的支持）?；谀Ｐ偷腟CR控制，實現高效的NOx清除，無氨泄漏。

為了檢驗在寬泛行駛條件下NOx控制的穩定性，研究人員進行了大量的排放試驗。試驗主要關注市區和高速行駛工況。在WLTC和RDE試驗下，NOx排放水平超低。通過對各排放控制組件貢獻的綜合優化，系統在專用的市區和高速行駛工況下，保持高效的NOx清除效率，轉化效率高于84%。各個后處理部件（LNT、緊耦合SCR/SDPF和下置SCR）都有助于NOx排放持續保持在較低的水平。

[1][OL].https：//eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/？qid=1545234494664&uri=CELEX：32017R1151.

[2]HOLDERBAUM B， KIND M， MENNE C， et al. Potential for Euro 6 passenger cars with SCR to meet RDE requirements[C]. Vienna Motorensymposium， 2015.

[3]BOSTEELS D， DEMUYNCK J， FAVRE C. Diesel engines on the pathway to low impact on local air quality[C]. 4th International Conference Diesel Powertrains 3.0， Coventry，July， 2018.

[4]KUFFERATH A， KRGER M， NABER D， et al. The path to a negligible NO2 emission contribution from the diesel powertrain[C]. Vienna Motorensymposium， 2018.

[5]AVOLIO G， BRCK R， GRIMM J， et al. Super clean electrified diesel： towards real NOx emissions below 35 mg/km[C]. 27th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology， 2018.

[6][OL]. https：//www.concawe.eu/wp-content/uploads/2018/04/RD18-000697-2-CONCAWE_Expectations_for_Actual_Euro_6_Vehicle_Emissions.pdf.

[7][OL]. https：//www.adac.de/infotestrat/umwelt-und-innovation/abgas/modelle_mit_euro_6d_temp/default.aspx.

[8][OL]. https：//www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/abgas-diesel-fahrverbote/dieselkauf-abgasnorm/euro-6d-temp/.

[9][OL]. https：//www.acea.be/publications/article/access-to-euro-6-rde-monitoring-data.

[10][OL].http：//www.jama-english.jp/europe/publications/rde.html.