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减少燃油耗和废气排放一直是柴油机开发的重点。基于“动态停缸（DSF）”系统可以同时实现这2个目标。为了证明该项技术的优势，Tula公司和FEV公司针对不同发动机类型和试验循环进行了大量仿真研究，并基于完整的动力总成平台开发了相应的计算模型。
柴油机;停缸;燃油耗;排放;仿真
①为了符合本行业计量习惯，本文仍沿用部分非法定单位——编注。
0 前言
全球范围内的柴油机排放法规将会越来越严格。以美国为例，所有中型和重型柴油机必须符合0.2 g/（hp·h）①的NOx排放限值。同时还必须进一步降低燃油耗。此外，美国加利福尼亚州空气资源委员会（CARB）针对现有认证循环（例如联邦试验程序（FTP）和斜坡模型循环-补充排放试验（RMC-SET）），提出了更严格的氮氧化物（NOx）排放标准和低负荷循环（LLC）工况。为了满足相关要求，降低废气排放和燃油耗一直是柴油机的开发重点。
1 动态停缸技术
近年来，许多文献[1-4]已提出，停缸技术是减少燃油耗和提高排气温度的关键技术。较高的排气温度可以提高排气后处理系统中的NOx转换效率。此外，由于加热催化器所需的后喷量较少，还可以进一步降低燃油耗，并最大程度地缓解机油稀释现象。这些优势有利于降低排气后处理系统的成本。
动态停缸（DSF）是1项先进的停缸技术。该技术可以选择性地停用气缸，使投入运作的气缸数量与达到预设要求所需的实际气缸数量保持一致。
停缸时要考虑到最佳燃油耗和可接受的噪声-振动-平顺性（NVH）要求。通过量产汽油机已证明，DSF技术可显著改善燃油耗[5-6]。
图1比较了传统停缸技术和DSF技术的优点。就柴油机而言，针对停缸过程会采用与汽油机不同的 配气机构技术（图2）。
2 仿真模型
Tula公司与FEV公司开展合作，使用由FEV开发的动力总成仿真平台进行仿真。该方法可以对热能和流体的瞬态特性进行详细仿真，从而实现模型精度与计算速度之间的良好折中。建模过程从发动机模型仿真开始，研究人员须对其进行一维稳态计算。为了全面了解发动机的运行特性，研究人员需要确定各种稳态特性图，包括过量空气系数、发动机出口处的排放温度、摩擦、换气损失，以及指示热效率等参数。然后，研究人员可将发动機特性图集成到试验循环模型中，该模型包括基于特性图的传动系统模型和排气后处理模型。
研究人员通过FEV数据库对模型进行了验证。虽然没有传统停缸技术的测量数据，但研究人员通过在GT-Suite平台上建立的快速运行模型（FRM）可得出不同点火情况下的发动机运行特性。在确定DSF工作范围时，研究人员需要考虑到NVH和发动机运行特性的限制，例如最小过量空气系数、涡轮增压器喘振极限，以及可实现的废气再循环（EGR）率等。NVH限值由特性图确定，该特性图在主观额定值和客观测量值的基础上，示出了不同点火密度和转速下的最大扭矩。在DSF应用中，确定的扭矩限值高于基于发动机运行特性而设定的限值。
3 轻型柴油机应用结果
研究人员开发了1款仿真模型，以研究轻型车用柴油机DSF技术应用（dDSF）的优势。研究过程涵盖了2个典型的车辆平台，即中型运动型多功能汽车（SUV）和C级紧凑型汽车，并在全球统一轻型车试验循环（WLTC）和实际驾驶循环排放（RDE）标准法规下进行试验。仿真所研究的这2款车型均配装了2.0 L 4缸直列柴油机，柴油机采用高压和低压EGR及可变几何参数涡轮增压器（VGT）。排气后处理系统由近发动机布置的氧化催化器（DOC）、选择性催化还原（SCR）涂层式颗粒捕集器（SDPF），以及被动式底部SCR催化转化器所组成。
如图3的热力学损失分布所示，在停缸期间降低的燃油耗是多种因素的结果，这些因素包括减少的热损失和换气损失、提高的燃烧效率及DCCO系统等。DCCO系统有效优化了通过排气装置后的冷空气流量，从而防止排气温度下降。由此可见，与其他技术相比，停缸技术是1项更有效的措施，可以提高排气温度并减少燃油耗。
图4总结了dDSF技术应用在不同行驶循环和车辆平台上的燃油耗和NOx排放优势。由图可知，在发动机相同的情况下，采用dDSF技术的乘用车的NOx排放量明显低于采用dDSF技术的SUV。这是因为SUV的质量要多出480 kg且空气阻力更大，从而大幅缩小了dDSF的应用范围。RDE循环中的燃油经济性略好于WLTC。更重要的是，RDE循环中的NOx排放改善情况明显优于WLTC工况（乘用车分别为14.0%和8.9%，SUV分别为5.2%和0%）。这是因为RDE工况中的平均负荷低于WLTC工况中的平均负荷，从而扩大了dDSF的工作范围。较高的排气温度可以提高排气后处理系统的转化效率，这是dDSF技术可以减少NOx排放的主要原因。
在瞬态循环中，变速器换档策略对dDSF技术的燃油耗和NOx减排潜力也会产生重大影响。在合适的变速器换档策略中，升档点被延后至更高的转速工况点。发动机平均转速从1 250 r/min提高到1 550 r/min，平均扭矩需求从0.45 MPa降至0.36 MPa，从而使dDSF技术的应用范围更广，由此减少了燃油耗并提高了排气温度。dDSF技术能有效提高燃油经济性，并可充分改善在更高转速工况下的燃油耗增加现象。总体而言，SUV的燃油耗降低了4.8%，乘用车的燃油耗降低了5.7%。
4 中型柴油机应用结果
研究人员在配备直列6缸发动机（具有带放气阀的单级涡轮增压器和高压EGR）及相应排气后处理系统（含DOC、颗粒捕集器（DPF）、SCR和氨氧化催化器（ASC））的车辆上针对中型发动机进行了应用仿真。针对未来排放法规，研究人员采用了以下试验循环：由美国环境保护署（EPA）制定的重型联邦试验程序（HD FTP）、全球统一瞬态循环（WHTC）和LLC工况。CARB已对各种LLC工况进行了评估，指定第7号（LLC7）循环为附加认证。研究人员在HD FTP循环之后开展了该项试验，并将发动机预热20 min。LLC7是美国西南研究院针对重型道路发动机的低NOx排放限值而开发的，其体现了货车在市区高峰时段的真实行驶状态，并具有负荷较低的特点。研究人员选择了较长的周期以开展该项试验，从而确保发动机及其排气后处理系统的持续主动热管理能满足限值要求。LLC工况与HD FTP试验的参数对比如下：平均速度分别为16.5 km/h和30.0 km/h;运行里程分别为25.0 km和10.3 km;平均负荷分别为5%～10%和20%～25%。 圖5示出在LLC7循环中，dDSF技术在SCR催化转化器入口的温度、NOx转化效率，以及NOx排放等方面的优势。结果表明，SCR入口温度得以显著提高，并且在循环的大部分工况范围内均超过200 °C。由于排气温度较高，且催化转化器中的空间速度较低，因而NOx排放量可减少77%。如果通过后喷策略提高排气温度，则会使CO2排放提高5%～7%。
图6总结了dDSF技术在不同行驶循环中以降低NOx和CO2排放的优势。由图可知，采用dDSF技术可以同时降低排放和燃油耗。在FTP循环中，dDSF技术使NOx排放量降低了50%，同时使燃油耗降低了3.5%。同样地，在LLC7循环中，dDSF技术使NOx排放量降低了77%，使燃油耗降低了8.9%。
5 结论
DSF是1项先进的停缸技术，目前已应用于量产汽油机。应用于柴油机的dDSF技术是DSF技术的扩展，其具有同时减少废气排放和燃油耗的潜力。减少的传热和换气损失、提高的燃烧效率及DCCO系统的应用是DSF技术可以改善整机燃油耗的主要原因。NOx排放的降低则主要归因于更高的排气温度及由此产生的更高的NOx转化效率。
[1]RAMESH A，GOSALA D，ALLEN C，et al. Cylinder deactivation for increased engine efficiency and aftertreatment thermal management in diesel engines[C]. SAE Paper 2018-01-0384.
[2]PILLAI S，LORUSSO J，VAN B M. Analytical and experimental evaluation of cylinder deactivation on a diesel engine[C]. SAE Paper 2015-01-2809.
[3]MCCARTHY J. Cylinder deactivation improves diesel aftertreatment and fuel economy for commercial vehicles[C].Tagungsband Internationales Stuttgarter Symposium，2017.
[4]YANG J，QUAN L，YANG Y.Excavator energy-saving efficiency based on diesel engine cylinder deactivation technology[J]. Chin J Mech Eng，2012（25）：897-904.
[5]WILCUTTS M，SCHIFFGENS H J，YOUNKINS M. CO2-reduzierung durch dynamische zylinderabschaltung[J]. MTZ，2019，80（4）：22-29.
[6]WILCUTTS M，YOUNKINS M.Weiterentwickelte zylinderabschaltung mit Miller-verfahren[J]. MTZ，2019，80（5）：60-65.
柴油机;停缸;燃油耗;排放;仿真
①为了符合本行业计量习惯，本文仍沿用部分非法定单位——编注。
0 前言
全球范围内的柴油机排放法规将会越来越严格。以美国为例，所有中型和重型柴油机必须符合0.2 g/（hp·h）①的NOx排放限值。同时还必须进一步降低燃油耗。此外，美国加利福尼亚州空气资源委员会（CARB）针对现有认证循环（例如联邦试验程序（FTP）和斜坡模型循环-补充排放试验（RMC-SET）），提出了更严格的氮氧化物（NOx）排放标准和低负荷循环（LLC）工况。为了满足相关要求，降低废气排放和燃油耗一直是柴油机的开发重点。
1 动态停缸技术
近年来，许多文献[1-4]已提出，停缸技术是减少燃油耗和提高排气温度的关键技术。较高的排气温度可以提高排气后处理系统中的NOx转换效率。此外，由于加热催化器所需的后喷量较少，还可以进一步降低燃油耗，并最大程度地缓解机油稀释现象。这些优势有利于降低排气后处理系统的成本。
动态停缸（DSF）是1项先进的停缸技术。该技术可以选择性地停用气缸，使投入运作的气缸数量与达到预设要求所需的实际气缸数量保持一致。
停缸时要考虑到最佳燃油耗和可接受的噪声-振动-平顺性（NVH）要求。通过量产汽油机已证明，DSF技术可显著改善燃油耗[5-6]。
图1比较了传统停缸技术和DSF技术的优点。就柴油机而言，针对停缸过程会采用与汽油机不同的 配气机构技术（图2）。
2 仿真模型
Tula公司与FEV公司开展合作，使用由FEV开发的动力总成仿真平台进行仿真。该方法可以对热能和流体的瞬态特性进行详细仿真，从而实现模型精度与计算速度之间的良好折中。建模过程从发动机模型仿真开始，研究人员须对其进行一维稳态计算。为了全面了解发动机的运行特性，研究人员需要确定各种稳态特性图，包括过量空气系数、发动机出口处的排放温度、摩擦、换气损失，以及指示热效率等参数。然后，研究人员可将发动機特性图集成到试验循环模型中，该模型包括基于特性图的传动系统模型和排气后处理模型。
研究人员通过FEV数据库对模型进行了验证。虽然没有传统停缸技术的测量数据，但研究人员通过在GT-Suite平台上建立的快速运行模型（FRM）可得出不同点火情况下的发动机运行特性。在确定DSF工作范围时，研究人员需要考虑到NVH和发动机运行特性的限制，例如最小过量空气系数、涡轮增压器喘振极限，以及可实现的废气再循环（EGR）率等。NVH限值由特性图确定，该特性图在主观额定值和客观测量值的基础上，示出了不同点火密度和转速下的最大扭矩。在DSF应用中，确定的扭矩限值高于基于发动机运行特性而设定的限值。
3 轻型柴油机应用结果
研究人员开发了1款仿真模型，以研究轻型车用柴油机DSF技术应用（dDSF）的优势。研究过程涵盖了2个典型的车辆平台，即中型运动型多功能汽车（SUV）和C级紧凑型汽车，并在全球统一轻型车试验循环（WLTC）和实际驾驶循环排放（RDE）标准法规下进行试验。仿真所研究的这2款车型均配装了2.0 L 4缸直列柴油机，柴油机采用高压和低压EGR及可变几何参数涡轮增压器（VGT）。排气后处理系统由近发动机布置的氧化催化器（DOC）、选择性催化还原（SCR）涂层式颗粒捕集器（SDPF），以及被动式底部SCR催化转化器所组成。
如图3的热力学损失分布所示，在停缸期间降低的燃油耗是多种因素的结果，这些因素包括减少的热损失和换气损失、提高的燃烧效率及DCCO系统等。DCCO系统有效优化了通过排气装置后的冷空气流量，从而防止排气温度下降。由此可见，与其他技术相比，停缸技术是1项更有效的措施，可以提高排气温度并减少燃油耗。
图4总结了dDSF技术应用在不同行驶循环和车辆平台上的燃油耗和NOx排放优势。由图可知，在发动机相同的情况下，采用dDSF技术的乘用车的NOx排放量明显低于采用dDSF技术的SUV。这是因为SUV的质量要多出480 kg且空气阻力更大，从而大幅缩小了dDSF的应用范围。RDE循环中的燃油经济性略好于WLTC。更重要的是，RDE循环中的NOx排放改善情况明显优于WLTC工况（乘用车分别为14.0%和8.9%，SUV分别为5.2%和0%）。这是因为RDE工况中的平均负荷低于WLTC工况中的平均负荷，从而扩大了dDSF的工作范围。较高的排气温度可以提高排气后处理系统的转化效率，这是dDSF技术可以减少NOx排放的主要原因。
在瞬态循环中，变速器换档策略对dDSF技术的燃油耗和NOx减排潜力也会产生重大影响。在合适的变速器换档策略中，升档点被延后至更高的转速工况点。发动机平均转速从1 250 r/min提高到1 550 r/min，平均扭矩需求从0.45 MPa降至0.36 MPa，从而使dDSF技术的应用范围更广，由此减少了燃油耗并提高了排气温度。dDSF技术能有效提高燃油经济性，并可充分改善在更高转速工况下的燃油耗增加现象。总体而言，SUV的燃油耗降低了4.8%，乘用车的燃油耗降低了5.7%。
4 中型柴油机应用结果
研究人员在配备直列6缸发动机（具有带放气阀的单级涡轮增压器和高压EGR）及相应排气后处理系统（含DOC、颗粒捕集器（DPF）、SCR和氨氧化催化器（ASC））的车辆上针对中型发动机进行了应用仿真。针对未来排放法规，研究人员采用了以下试验循环：由美国环境保护署（EPA）制定的重型联邦试验程序（HD FTP）、全球统一瞬态循环（WHTC）和LLC工况。CARB已对各种LLC工况进行了评估，指定第7号（LLC7）循环为附加认证。研究人员在HD FTP循环之后开展了该项试验，并将发动机预热20 min。LLC7是美国西南研究院针对重型道路发动机的低NOx排放限值而开发的，其体现了货车在市区高峰时段的真实行驶状态，并具有负荷较低的特点。研究人员选择了较长的周期以开展该项试验，从而确保发动机及其排气后处理系统的持续主动热管理能满足限值要求。LLC工况与HD FTP试验的参数对比如下：平均速度分别为16.5 km/h和30.0 km/h;运行里程分别为25.0 km和10.3 km;平均负荷分别为5%～10%和20%～25%。 圖5示出在LLC7循环中，dDSF技术在SCR催化转化器入口的温度、NOx转化效率，以及NOx排放等方面的优势。结果表明，SCR入口温度得以显著提高，并且在循环的大部分工况范围内均超过200 °C。由于排气温度较高，且催化转化器中的空间速度较低，因而NOx排放量可减少77%。如果通过后喷策略提高排气温度，则会使CO2排放提高5%～7%。
图6总结了dDSF技术在不同行驶循环中以降低NOx和CO2排放的优势。由图可知，采用dDSF技术可以同时降低排放和燃油耗。在FTP循环中，dDSF技术使NOx排放量降低了50%，同时使燃油耗降低了3.5%。同样地，在LLC7循环中，dDSF技术使NOx排放量降低了77%，使燃油耗降低了8.9%。
5 结论
DSF是1项先进的停缸技术，目前已应用于量产汽油机。应用于柴油机的dDSF技术是DSF技术的扩展，其具有同时减少废气排放和燃油耗的潜力。减少的传热和换气损失、提高的燃烧效率及DCCO系统的应用是DSF技术可以改善整机燃油耗的主要原因。NOx排放的降低则主要归因于更高的排气温度及由此产生的更高的NOx转化效率。
[1]RAMESH A，GOSALA D，ALLEN C，et al. Cylinder deactivation for increased engine efficiency and aftertreatment thermal management in diesel engines[C]. SAE Paper 2018-01-0384.
[2]PILLAI S，LORUSSO J，VAN B M. Analytical and experimental evaluation of cylinder deactivation on a diesel engine[C]. SAE Paper 2015-01-2809.
[3]MCCARTHY J. Cylinder deactivation improves diesel aftertreatment and fuel economy for commercial vehicles[C].Tagungsband Internationales Stuttgarter Symposium，2017.
[4]YANG J，QUAN L，YANG Y.Excavator energy-saving efficiency based on diesel engine cylinder deactivation technology[J]. Chin J Mech Eng，2012（25）：897-904.
[5]WILCUTTS M，SCHIFFGENS H J，YOUNKINS M. CO2-reduzierung durch dynamische zylinderabschaltung[J]. MTZ，2019，80（4）：22-29.
[6]WILCUTTS M，YOUNKINS M.Weiterentwickelte zylinderabschaltung mit Miller-verfahren[J]. MTZ，2019，80（5）：60-65.