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1 发动机管理和诊断系统的功能

为了满足日益严格的排放标准，需要安装关键部件和应用关键技术来实现所有子系统的最大潜能。为达到此目的，在优化硬件的同时必须升级发动机管理系统。由于需求面极大，使用的软件功能必须全面完善且完全集成，以覆盖瞬态运行工况及环境条件等外部影响。

为了严格遵守超低排放车辆(SULEV)30在超长里程范围内的排放法规，各个排放控制系统必须自发地精确弥补其退化趋势，同时避免大幅度地违反其他发动机和车辆的性能规格。

在此方面，创建的全球排放管理系统全面控制废气排放性能，主要是氮氧化物(NOx)控制，还有其他所有的污染物排放。由于脱硝(DeNOx)系统状态的直接作用，全球排放管理系统控制所有运行工况下的发动机排放性能、稀燃NOx催化转化器(LNT)清洗和选择性催化还原(SCR)计量策略。图1给出了控制器设置的一般流程。

图2 先进的级联“直接NOx”空气路径控制模块的示意图

排气后处理系统(EATS)状态为原排NOx排放性能的关键设置定义了主要输入参数，需要快速调整燃烧行为和特性。根据物理原理，缸内氧气浓度不是燃烧阶段NOx生成的主要因素。因此，基于相应的电控单元(ECU)模块中的反转NOx模型，如图2所示的“直接NOx控制”算法控制主要影响参数如废气再循环(EGR)率、增压压力和进气温度使之自发地达到最佳设置。对于长期漂移补偿，利用NOx传感器信号来调整核心NOx模型。根据稳态优化的标定设置和动态修正功能，采用“直接NOx控制”算法启动EGR阀、节气门和EGR冷却器旁通阀，从而能够非常快速地为所有可用EGR回路的EGR率、来源和占比识别出最佳设置。

然而，废气净化与总体效率之间的相互作用相对复杂，因此还必须考虑二次效应。作为直接解决方案，必须使用先进和全面的模型来确定最优整体方案。图3提供了上层的基础算法，计算和评估了排气后处理元件的缸内NOx抑制和NOx净化之间的相互关联影响。

图3 关于最佳燃油效率下优化排放性能的规则导向、基于模型的控制算法的简化示意图

由密耦LNT和底置式SCR催化器组成的组合DeNOx装置的运用提供了附加的潜能，以便对发动机的运行工况进行最佳后处理调节。密耦LNT能够在低温和轻负荷运行下减少NOx，同时还可以通过组合措施(如可变气门正时(VVT)起动和相应缸内后喷射)来减少先进加热方式中的碳氢化合物(HC)排放。

如上所述，实施必要的加热策略是满足严格排放法规的关键因素。公司平均燃油经济性(CAFE)法规导致燃油效率及加热策略都必须要得到优化。诸如VVT和绝缘排气歧管等部件，以及对所有加热和排气温度控制策略实现最佳标定都是现实生活行驶工况中省油的主要方法。

详细的试验研究表明，当理想燃烧相位唯一形成放热率的情况下，可以在给定扭矩需求下的最佳热效率和对排气系统达到精确的热量需求之间实现最佳组合。随着运行工况的变化，必须调整设置以获取最佳的整体性能。图4(a)给出了平均有效指示压力(IMEP)为1.2 MPa的示例。在初始设置中，要求提供每行程0.6 kJ热量以满足排气管中的目标温度值。为满足这种情况，放热中心时刻应设置在44°CA ATDC，在短时间的热量增加之后，需求的热量降低到每行程0.4 kJ。为了在这些边界条件下保持相同的指示扭矩，在放热中心约为29°CA ATDC时，最好使用改进的喷射夹角提前燃烧相位。

这一原则与发动机管理概念的先进“全球排放管理”体系的实施效率模块中的运行模式相连(图4(b))。显然，燃烧相位和成形的调整中自由度受到上游涡轮机温度(T3)、每分钟的相对空燃比(A/F)和碳烟排放要求的限制。

图4 最佳燃油效率下满足初级燃烧模式目标的最佳燃烧相位和曲线的鉴定及特征

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

关于发动机燃油消耗和尾气排放的控制和最佳平衡管理的第二个方面，是要求对各种操作模式的燃烧性能有最佳标定。除了正常的推进模式，还需要在明确的排放限制下根据产生的最有效的扭矩定义最高优先级，其主要参数随着不同的加热、再生和清洗模式发生改变。在此情况下，必须优化最有利的燃烧相位，以达到最佳热力学效率下的最佳控制参数，如T3温度、空燃比、燃烧稳定性等(图28)。

最新研究表明，为确保最佳的热量传递到排气系统，需要在燃烧中心确定最佳前导参数，同时将给定工况下的燃烧效率保持在最高水平。在考虑燃烧稳定性和可控性的同时，这种先进的燃烧控制算法确保了安装在6缸发动机排列中的最冷缸的其中一个电热塞传感器的应用。同样，结合新颖的模型功能，理想的多点喷射模型可相应地分解单个喷射量。

除了引入严格的排放标准，柴油动力的车载诊断系统(OBD)的法律规范也更为严格。图5显示了排放标准与OBD排放限制之间的差距大大降低。因此，可靠性故障检测变得越来越有挑战性，在更敏感的柴油动力系统中，较小的故障也可引起OBD阈值偏离。另外，新动力系统增加了以前从未使用的附加监控要求。在这些条件下，目前的监控策略无法保证对故障组件进行全面可靠的检测。除排放和驾驶性能标准外，除非根据OBD的要求定制动力系统，否则还不能实现新型的和改进的监测策略所要求的灵敏度。这表明在早期概念阶段对OBD战略的评估和OBD需求的考量是非常重要的。功能改进必须通过增加现有策略的智能组合、新监控方式的开发和监控与控制策略之间的互动来实现。

图5 具有严格排放阈值和新增挑战的即将到来的OBD法规

图6说明了综合性的OBD功能开发过程的方法，包括对法规的详细评估、软件和硬件要求的定义及早期概念验证，依靠仿真工具和快速控制原型为即将到来的挑战开发出诊断方案。然而，不仅需要开发新的诊断软件，还需要模型改进和新的传感器，以提高未来复杂柴油机的OBD功能。

最终，当OBD认证的力度满足排放标准时，就不会在已完成的动力系统中添加符合的OBD策略。因此，要强制设计排放控制系统从而可以进行符合规定的监控。

图6 适用于监控和诊断功能的全链OBD功能开发

通过利用基于模型的控制功能，包括动力学和化学反应的组合算法，SCR系统可以得到进一步改进(图7)。这种方法可以帮助获取几乎所有工况下的最大转换率，而不违反NH3滑移的限制。为控制NH3排放，在高剂量条件下作为最终装置的典型清理催化器可以减少容积，有利于低背压设计和降低零部件成本。

图7 改进SCR监测和诊断的基于模型的新方法

基于动力学控制概念的动机源于多个方面：

(1)在NH3滑移条件下对SCR/组合式SCR-DPF催化器(SDPF)系统的监控越来越重要；

(2)密耦位置导致更高的温度梯度和严格的空间限制，导致NH3的计量不太均匀，并导致SCR / SDPF中NH3更频繁的解吸；

(3)由于NOx传感器的交叉敏感性，基于测量性能与SCR模型的对比，目前的现场SCR监测概念在NH3滑移条件下表现不佳。

目前NH3滑移检测方法并不稳定(因此防止对这类事件的监测)，因为目前NH3滑移模型缺乏对滑移发生一致性预测所需的准确度，存在关于滑移准确量化的特征缺点。

给出的NH3滑移测量方法(利用NOx传感器对NH3的交叉敏感性)的几个难点有：(1)只有在其变大之后才能检测到滑移(到时部分诊断或全部完成)；(2)消耗较长时间可靠地检测滑移(到时部分诊断或全部完成)；(3)无法区分NH3的滑移和降低的NOx转换效率。

面对这些挑战，必须要利用新型的算法以优化所有排放相关子系统的操作流程和性能表现。动力学模型在这方面的明显优势是：(1)动力学模型全球范围内通用(独立于车辆)，并且相比经验模型能提供更好的准确性和更有效的操作范围；(2)更好地预测滑移的发生，在此阶段启用监测的复位/关闭/暂停；(3)更精确地确定滑移量，即使在目前不可能进行的NH3滑移阶段也能进行监测。

来自动力学模型的预测测量出的NH3滑移可以用作其他控制电路的价值输入，以过滤NOx传感器与NH3的交叉敏感性，从而导出使用NOx传感器的SCR的实际NOx转化估值。

这种动力学模型使得SCR/SDPF监控运行更强大(更低的OEM保修成本)和更频繁(使用中的性能比高于立法要求)。

日渐复杂的OBD要求需要在车辆同步过程中产生复杂的故障模式，以证实所有诊断功能正常工作。为了实现这些，可以利用传感器和执行器信号来模拟某些故障，这种电子操纵技术具备潜力和高成本效率。

德国FEV集团的汇编语言源程度(ASM)系统是针对这个目的专门设计的。凭借其扩展的I/O集合和可自由编程的RCP环境，为模拟大量故障模式提供了充分的机动性。其操纵喷射和点火系统的能力使之能判断复杂的喷射系统错误。

2 总结

通过现代化的专用柴油机配置，针对当前流行的轻型货车(LDT)应用，可以有效地满足即将到来的严格美国排放标准。

直列式与V型配置的发动机设计的直接对比显示了两者排列型式都能够满足未来的法规。直列式配置呈现了有关热力学功能(效率为3.5%，排放性能提高10%)的优势(图8)。

图8 在优化的EATS布局的全尺寸皮卡车中，两类3.3 L排量发动机设计的最终燃油经济性表现和尾排结果