摘要：为提升柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）被动再生效率，要求其前方安装的催化氧化转化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）入口温度（排温）为300℃-400℃，保证良好的起燃效果，为此，本文设计并对比三种热管理策略，结合排温、油耗指标进行优选。研究结果表明：基于空燃比控制排温的热管理策略，无论是采用进气节气门控制进气流量，还是采用电控放气阀增压器控制进气流量，均能较好的控制发动机低负荷区域的排温达到300℃以上，同时发动机油耗劣化在1%以内。单独采用后喷来控制低负荷排温热管理策略，发动机油耗劣化1.6%-13.3%。结合国内进气节流阀与电控放气阀增压器成熟度，选择进气节流阀控制发动机低负荷进气量，降低空燃比来控制排温的热管理策略是最佳选择。
关键词：农机；国四发动机；DOC；热管理
前言：
为满足国家非道路机械四阶段排放法规对于颗粒物数量（Particulate Number，PN）的控制要求，DOC+DPF是降低PN的必备选择，由此得到广泛运用[1-2]。DOC及DPF的热管理策略是控制开发及标定工程师必须面对的问题，国内外相关领域专家对后处理热管理策略进行了一些研究[3-5]，但对于满足非道路四阶段农机发动机方面热管理策略仍需要进一步研究并进行试验验证。DOC热管理策略既要依据发动机自身的特性，又要考虑零部件资源的成熟度，降低批产后的产品可靠性风险。
针对非道路农用机械的特殊性以及作业过程的安全性，被动再生+驻车再生是行业认可的DPF再生策略。对于再生过程的热管理策略，发动机低负荷工况有两种基本思路，一个是基于空燃比控制，降低空燃比提升排温；另一种是通过后喷提升排温。
排温随着发动机转速及负荷的增加而升高。热管理的难点是发动机低负荷区域排温控制，同时还要兼顾油耗、颗粒物（S00T）及NOx的变化，综合评估最佳控制策略。
本文基于满足非道路国四排放法规的某四缸发动机，试验研究低负荷区域不同的热管理控制，找出最优的DOC前排温热管理策略。
一、发动机排温控制机理
发动机的排温与空燃比存在规律性的变化关系。某平台发动机大量实验数据显示该机型排温与空燃比成幂函数关系。随着空燃比的增加，发动机排温呈现明显的下降趋势，在空燃比45以下，才能获得300℃以上的排温。
对排温的控制转化为对空燃比的控制，通过多种途径降低发动机低负荷区域的进气量，减小空燃比，使空燃比降低至45以下，发动机排温达到300℃以上。
二、热管理策略试验方案
试验采用某4缸农用发动机，基于收获机械载荷谱常用工况点特征，选择三个常用的工况点和驻车再生工况点进行试验研究。
1．基于空燃比控制的热管理试验策略
第一种方案，在发动机进气管安装电控进气节流阀，调节阀门开度控制发动机进气量，从而降低各工况点空燃比，达到提升排温的目的。同时分析对油耗、排放的影响规律。进气节流阀开度根据目标排温进行调节，将DOC前温度作为回馈信号进行闭环控制阀。
第二种方案，不安装进气节流阀，将普通放气阀增压器更换为电控放气阀增压器，根据某工况点DOC前目标温度，通过控制增压器放气阀开度，控制各工况点的进气量，降低低负荷的空燃比，达到提升排温的目的。
2．基于后喷的热管理试验策略
通过后喷引起的后燃也是提升发动机排温的一种有效途径，调整发动机的轨压、喷油提前角，增加后喷，达到提升排温的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
后喷角度和油量的标定试验设计（DoE）优化方案如下：油量设置在5mg/hub-20mg/hub，以5mg/hub为步长进行标定；后喷角度设定为上止点后10-30°CA，以2°CA为步长进行标定。试验记录不同组合下的排温、烟度、油耗，平衡各参数，取最佳的参数组合。
三、验证结果
1.空燃比控制和后喷控制在不同工况排温提升效果
经过热管理策略标定的发动机98%以上的工况点发动机空燃比降低至35以下，排温提升至300℃以上，满足控制要求。
通过试验对比可以发现，采用降低空燃比的策略和后喷的策略，均可以实现将排温控制在300℃以上；但是负荷率较小工况，由于原始状态排温200℃，采用空燃比策略可以提升至300℃以上，但是后喷策略只能提升至240℃。
2.空燃比控制与后喷控制对油耗的影响对比
不论采用空燃比策略，还是后喷策略，发动机的热效率均有所降低，因此排温提升的同时，油耗率会升高。采用降低空燃比的策略发动机油耗变化不大；后喷策略，在各工况点油耗均有劣化，增加1.6%-13.3%。
3.空燃比控制与后喷控制对颗粒排放的影响对比
降低空燃比，气缸内氧气减少，排温升高，会增加碳烟生成，但此时空燃比仍然远大于理论计量空燃比，而后喷油量燃烧时，气缸内新鲜空气大部分已经参与燃烧，严重缺氧，因此后喷策略碳烟生成较空燃比策略更多。空燃比控制策略发动机碳烟排放劣化程度要好于后喷策略40%-80%。随着提升排温幅度的增加，碳烟劣化达到40%；特别是后喷策略，碳烟排放增加100%。
4.空燃比控制与后喷控制对NOx排放的影响对比
NOx的生成条件为高温、富氧及持续时间，在燃烧正常的情况下，随着空燃比的降低，可燃混合气中氧含量下降，不利于NOx的产生，NOx排放会降低。大负荷工况，各种控制策略均能实现NOx排放有一定程度的降低；但小负荷，后喷策略空燃比仍然高达70，燃烧异常，NOx反而劣化。
四、结论
通过三种提升发动机排温的控制策略，进行试验对比研究，分析各策略提升排温效果，并结合提升排温后对油耗、颗粒物排放及NOx排放的影响规律，得出的结论如下。
（1）排温提升效果：采用降低空燃比策略，无论是进气节流阀还是电控放气阀增压器，均能有效的提升发动机排温到设定目标。在小负荷工况，通过后喷，提升排温幅度有限，不能满足排温设定目标。
（2）对油耗的影响：各工况点，在达到同样的排温目标值下，通过空燃比提升排温，发动机油耗略有降低1%以内；而后喷策略油耗劣化1.6%-13.3%。
（3）对颗粒物排放影响：各种控制策略，提升排温后，各工况点颗粒物排放均有劣化，劣化率40%-80%；后喷控制策略碳烟排放劣化最多达到100%。
（4）对NOx排放的影响：在中高负荷工况点，提升排温后，NOx排放降低4%-10%，后喷策略NOx降低明显，达到13%-48%。但在小负荷工况点，后喷策略对NOx排放的贡献相反，劣化10%。
（5）通过三种方法综合评估，通过控制空燃比提升发动机排温是较好的控制策略；同时考虑到国内进气节流阀及电控放气阀增压器零部件成熟度，在非道路国四阶段，农用发动机选择进气节流阀降低中小负荷空燃比，提升DOC前排温的控制策略是最佳选择。
参考文献：
[1]张靖，柴油机DOC+CDPF系统的应用研究。西华大学学报，2016
[2]帅石金，唐韬，赵彦光，等．柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J]．汽车安全与节能学报，2012，3（3）：200—217．
[3]郑贵聪，颜传武，陆胜旗，发动机排气热管理试验研究。内燃机工程，2017.1
[4]刘洪歧，高莹，麻斌等。氧化催化器出口温度控制研究.农业机械学报，第49卷第3期。
[5]王建，曹政，张多军等，基于柴油机排气热管理的喷油策略控制试验研究。车用发动机，2018年02期。
论文作者:司明选
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/28
标签：策略论文; 发动机论文; 工况论文; 油耗论文; 负荷论文; 节流阀论文; 气阀论文; 《防护工程》2019年第7期论文;