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2020泰达汽车论坛 | 玉柴钟玉伟:国六发动机排放高适应性技术的开发

时间:2020-09-07 14:32:50|来源:|编辑:网络|点击:

9月4日-6日,由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会以及中国汽车报社共同主办的第十六届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛隆重召开。9月6日,在以“打赢蓝天保卫战,提升排放控制水平”为主题的第二会场中,广西玉柴机器股份有限公司董事长助理、战略与规划高级总监钟玉伟发表了精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的各位嘉宾、大家好,首先非常感谢组委会邀请我参加这次论坛。

我今天报告的主题是国六发动机排放高适应性技术的开发,跟大家分享一下玉柴在提高发动机排放控制技术保障国六发动机排放一致性和耐久性方面所做的一些探索。

我的报告分为四个部分,首先介绍一下国六发动机排放开发所面临的挑战。

第二部分介绍国六排放高适应性的需求对整个产品开发的影响。

第三部分跟大家分享一下玉柴在国六发动机排放高适应性方面所做的技术研究。

最后做一个简单的总结。

 第一部分是国六发动机排放开发所面临的挑战。其主要来源于两个方面。首先是排放标准的要求,另外一个方面是用户使用复杂的条件的一个要求,从国六法规上面来看,首先17691国六排放标准对耐久性提出了很高的要求,大家可以从这个表上看到,对于总质量超过18吨的N3类车型,要求在70万公里或者十年的有效寿命期内排放都要达标,这样也就需要我们来开展排放的高适应性的控制。

在17691国六排放标准当中,还提出了排放质保的要求。要求以排放控制相关的零部件都应纳入排放质保零部件清单,并提供不低于最低排放质保期的排放质保期服务,要求最短的质保期期间内排放质保零部件清单因本身质量故障或损坏,而导致的排放控制装置失效,或排放超标,生产企业都要承担相关维修费用。

这个排放质保的要求在欧洲的法规当中现在还是没有的,我们主要借鉴的是美国的排放标准,但对照美国的标准来看,美国的排放质保对于18吨以上的重型车除了行使的里程,使用的年限以外,还有一个累计使用时间的限制,我们中国的国六标准是没有的,像这个对于城市用车,以及自卸车这类每天行使时间比较长,但是平均速度比较低的车辆类型来说,有可能一直用到车辆的报废都用不了七十万公里,所以的话就相当于说,我们生产企业要对这个产品全生命周期的排放达标都要承担责任,这是一个比较苛刻的要求。

特别是到了国六B阶段,也就是2023年7月1日起开始实施的阶段,在整车上面要强制安装远程监控车载终端,对在用车的实时的排放数据要做监控以及上传,这也就相当于说发动机的你的排放的一致性跟耐久性要非常好,这个实际上对整个国六的开发是一个非常大的挑战。

特别是我们整个排放适应性的开发要考虑的是使用条件的适应性,这里面包含我们燃油的品质,我们尿素的质量和机油的质量,还有环境的适应性。高温、高原、高寒以及一些极限的使用的工况,像高硫的环境频繁启停的工况等等。

另外的话就是我们要针对不同的区域、不同用途的车辆都要做整个匹配开发,对比来看我们中国的地理条件,我们的使用环境远远要比美国、欧洲的要复杂,但是我们的零部件的技术水平,我们的质量状况跟欧美差距还是比较大的,我们实施同样的排放标准给行业带来的挑战是非常大的。

像左边这张图显示的是在冷启动这种工况下面,由于发动机的水温它的上升是缓慢的,但是从排放控制的角度我们希望SCR的温度能快速达到起作用的温度。右面这张图就是频繁的上下坡,上面这张纵坐标是海拔高度,就相当于上坡,然后下坡,下面这张是后处理的催化器的温度的变化,横坐标都是一样的,都是时间。

大家可以看到这种频繁的上下坡带来的催化器的温度也是激烈变化的,为了保证后处理的SCR具有比较高的转化效率,我们需要对它的温度进行控制,这个对热管理的挑战也是非常大。

第二部分讲一下排放高适应性的要求对国六产品开发的影响。首先第一个影响就是我们整个的标定要从原来的发动机单个去考虑,转变到基于整个动力总成还有整车这样标定开发的理念。

我们需要基于整车终端的应用,包括它的配置库和整个路谱库来做标定开发,要把整车需求的这种目标设定作为输入,来开发我们发动机的工况,并对这些数据来做评价。

这里面主要包含一些专业的模块,包括空气的模块、燃油的模块、后处理的模块。另外也包括了不同的用途,还有一些典型的使用区的要求,像我们的南方跟北方这个差异是非常大的。

我们整车的竞争力重点表现除了整车的性能以外还要考虑排放的适应性,以及排放耐久性的控制。

第二个就是整个排放的高适应性的需求,对我们整个国六后处理技术路线的选择,后处理技术路线关键的是选择带不带EGR,因为DOC、DPF、SCR实际上都是要的,另外我们整个高效热管理的技术,包含我们发动机的热管理,还有整车排气系统怎么保温。另外就是包括我们DPF再生控制技术的选择,我们要不要做主动再生,还是以被动再生为主。另外还有一个就是我们SCR的高效催化的技术,这个实际上就是包括我们载体,我们的涂层该怎么去选择。

第三个影响就是到我们整个开发指标的设定,我们需要考虑排放高适应性的要求,从耐久性以及后处理效率提升的角度来考虑我们开发目标的设定。依据17691排放标准的要求,我们氮氧尾气排放的限值是0.46g/kwh,如果基于这个氮氧的目标,我们要设定氮氧原机,就是催化器之前的,这个原排的指标跟你的路线也有很大的关系。大家可以看到带EGR的技术路线,以及没有EGR的技术路线,原排的目标,还有就是我们耐久后面的原排这些指标设定都是不一样的。

同时我们要设定SCR的原始转化效率以及它耐久性后的转换效率的变化,这些都要作为我们开发的目标。

另外为了保证耐久性以及我们的后处理的效率,我们需要对关键性零部件提出这些关键参数的要求,比如这个燃烧室要对型线提出控制的要求,喷油器要对流量,我们增压器要对它的压比、流量,我们的缸盖要针对它的涡流比,它的流量系数,凸轮轴要对它的配气相位、它的升程,EGR系统要对它的流量和它的响应性,都要提出明确的参数的要求。

像SCR,我们要对它的转化效率的变化,需要控制的比较小的范围,这样的话对SCR的涂层,它的耐久性的要求也比较高。另外一个方面,就是我们需要解决产品耐久性使用过程当中因为DPF再生所带来的机油稀释的现象。

按照换油的技术要求,我们是按照国标7607这个标准来作设定的,它主要是从质量变化指标和机油的物理化特性指标来评价机油的稀释力。

我们依据在实际使用当中的工况,这里面是按照城市的工况我们做整车实验前后,这个机油质量变化的百分比来做分析。通过历史的数据,我们输入单位时间机油质量的变化率,通过实车的监控输入再生的间隔以及单次再生的时间,这样对整个结果进行评估,这个换油周期只有两万五千公里,大家知道现在我们重型车整个行业都在宣传我们的十万公里的换油间隔,大家可以看到由于我们要保证排放的适应性,我们DPF在使用过程当中它的再生频次是比较高的,由这个DPF主动的再生它带来机油的稀释,所以我们要满足用户的要求,同时又要保证我们排放的耐久性,像这里面对我们整个的开发的影响是非常大的。

第三部分就给大家分享一下玉柴现在在国六发动机排放高适应性方面所做的一些技术研究。首先我们要确保耐久性要制订好耐久性的测试循环,这个图展示了玉柴现在两种适应循环,黑色这个是国标排放耐久的工况,红色虚线以及灰色的虚线这个是我们企业耐久性测试的循环。从对比上面来看,我们企业定义的排放耐久测试循环它的工况变化会更快,要高负荷的区域占比也会更大。设定更苛刻的工况进行验证,就是要有利于保障我们能够覆盖更多的匹配、更多的用途。

另外一个方面,就是要确保怎么在全生命周期内SCR都具有比较高的转化效率,SCR整个催化器效率的下降主要来源于两个方面的风险,一个是热老化,就是在高温的应用环境还有DPF频繁的再生,以及发动机原排的恶化所带来的,另外一个就是硫老化,这一块是从柴油的质量,我们机油的质量以及长期里程的累积所带来的。

所以我们首先要设定整个标定的约束边界要加严,就是要更合理的去设定发动机后处理的关键控制指标。

第二个就是我们要做这个排放闭环监控和自适应的调整,也就是要做精确的排放预测模型以及喷射策略的自适应控制。

第三方面就是要做智能的热管理控制策略,也就是基于工况和目标的效率弥补后处理的效率的劣化。

对于SCR的老化,我们要设定后处理系统的老化适应流程,研究全生命周期SCR转化效率的特性。这块整个的实验是由发动机厂跟后处理供应商共同来做的。

另外刚才前面也讲到了,我们要基于模型的SCR的尿素喷射来做闭环的控制,就是除了我们易控制的计量,以及储氨需求的喷射量以外,我们增加了闭环修正系数来修正整个尿素的喷射。通过SCR下游的氮氧传感器,以及评估的模型估算偏差作为输入,来触发自适应性的修正,调整当前的尿素喷射量。适用于系统老化、一致性控制等等偏差所导致的氮氧化物控制的偏差。

另外从热管理这块,我们要确保不同的使用条件和工况下面,特别像冷机、冷温、低温这种恶劣的工况,这个后处理系统都可以快速升温并且保持,保证整个系统始终处在一个高效区。这样来良好的适应实际整车道路循环的排放控制。

我们从SCR入口温度监控来看,这个智能热管理的影响,首先在正常没有加智能热管理之前,我们要达到185度的温度,SCR的起喷时间是694秒,要加了智能热管理以后,使得整个尿素喷射提前得以实现,有效的降低冷态下面的排放污染物,像这个起喷时间缩短了465秒。

由于市场上面油品的质量不稳定,为了保证SCR的高转化效率,我们还进行了硫中毒以后SCR特性的研究。像这个图就是我们使用含硫量350ppm来做的一个连续运行WHTC循环的测试的结果。

我们测试当SCR累计含硫量达到每升三克左右,SCR的转化效率已经下降到了88%。已经接近了国六OBD报警的极限。这样在这种情况下我们就得起动脱硫或者硫再生的技术。

这个流程图展示了我们在脱硫上面所做的一些策略,从整车的角度来看,我们要针对原型车、变型车采取不同的标定,特别是针对原型车,需要针对整车的特性,以及用户的核心诉求来做标定以及三高的验证,对于变型车除了视同的一部分,我们更多要考虑用户核心的这种需求以及整车边界条件的变化,这样来做开展变型车的标定。

另外就是我们开发了虚拟标定的技术,来开展不同使用条件和工况下面的精细标定,最终的目标都是要保证后处理SCR具有高的转化效率。

最后我们来做一个简单的总结。由于国六增加了在用车的监控,所以我们要基于整车的道路运行工况,开展大量复杂条件下面的开发工作,这个实际上对我们发动机以及后处理系统的适应性开发尤为关键。

第二点是由于整车道路运行的状态,我们国六法规标准增加了质保期的要求,这样对各个关键零部件的适应性的要求大幅度提高。也就是我们整个行业都要共同来努力,来满足排放的质保的要求。

第三,国六要求对全生命周期进行排放管理,我们建议一个是行业,一个是我们政府相关部门,要共同努力来确保市场上面用户使用的燃油、机油还有尿素溶液等等,都符合标准的要求,这样才能够保证排放的一致性达标,才能够保证我们真正实现,我们实施排放法规的初衷,这是为我们的未来创造一片更美好的蓝天。

好,我的报告就是这些,谢谢大家!   

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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