CN103114895B - 优化scr路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法 - Google Patents

Abstract

Description

优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法

技术领域

本发明涉及一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，具体是一种基于等价质量流量总燃油消耗及最小加权综合比油耗来最优发动机综合经济性的方法。

背景技术

SCR路线是国四及国四以上排放水平的中重型柴油发动机的主流技术路线。采用SCR技术的柴油发动机燃油和尿素都属于长期消耗品。用户的关注点不仅是燃油的经济性，还包括尿素的经济性。在柴油机的开发中，如何实现燃油和尿素的综合经济性最优，是一个迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，本发明基于等价质量流量燃油消耗及最小加权综合比油耗进行机型开发，柴油机可在低排放的情况下获得最优的综合经济性。

本发明的技术方案是：本发明的优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法包括如下步骤：

1）根据发动机外特性曲线、调速特性曲线及低速段功率曲线，确定ESC排放试验13工况点的发动机转速n_i，扭矩T_i、功率P_i；

2）采集整车上发动机运行工况数据，包括发动机转速、扭矩参数，并根据采集到的数据计算ESC 13工况点油耗权重系数WF(F)_i；

3）分别计算得到ESC 13工况点用于综合比油耗计算的加权功率P(F)及用于氮氧化物比排放计算的加权功率P(n)；

4）进行发动机台架试验，获取不同燃烧参数，包括喷油提前角、轨压、循环喷油量、预喷油量、预喷时间、后喷油量、后喷时间下的发动机性能及排放数据，每更改任一个燃烧参数，都记为该工况的一种选型方案；

5）基于第4步试验设计结果，结合机型开发目标，主要包括动力性、燃油经济性、烟度、排放、缸内峰值燃烧压力、增压器转速以及涡前排温的要求，构建20组～50组ESC13工况点的燃烧参数设计方案；

6）对第5步所产生的20组或以上方案，按照GB17691-2005的规定，计算得到ESC 13工况点氮氧化物比排放值并剔除第5步产生的方案中氮氧化物比排放值超过目标值的设计方案；

7）计算第6步保留下来各组设计方案的ESC 13工况点的等价质量流量燃油消耗F_equivi、等价质量流量总燃油消耗F_equiv及加权综合比油耗

8）列出加权综合比油耗最低的5组方案，并找到这5组方案的氮氧化物比排放值5种方案中加权综合比油耗最低，氮氧化物排放满足法规且较低的组合即为发动机综合经济性最优的方案。

所述的步骤7）中：

等价质量流量的总燃油消耗F_equivi为：

F_equivi=F_i+UreaMf_i×(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)

=F_i+k×UreaMf_i

F_equiv=∑(F _i+k×UreaMf _i)

其中UreaMf_i、F_i为第i个工况点的尿素质量流量和柴油质量流量，单位为公斤/小时；k为计算系数=(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)，ρ_urea、ρ_fuel为尿素密度和柴油密度，P_urea，P_fuel为尿素和燃油的价格。

所述的步骤2）中：

WF(F)_i=P_i×t_I/∑(P_i×t_i)

式中：WF(F)_i为第i个工况点的油耗权重系数；P_i为第i个工况点的功率，单位为kW；t_i为第i个工况点累计运行时间，单位为小时。

所述的步骤3）中：

P(F)_i=P_i×WF_i

P(F)=∑(P_i×WF_i)

式中，P(F)_i、P(F)分别为计算综合比油耗的加权功率及总加权功率。

所述的步骤7）中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BSFC}}=1000\×F/P\left(F\right)$

式中P(F)=∑(P_i×WF(F)_i)，单位为kW；F=∑(F _i×WF(F)_i)，加权小时油耗，单位为kg/h；F _i为第i个工况点的小时油耗，单位为kg/h。

本发明的优点：本发明的方法首先基于整车运行数据确定ESC 13工况点的油耗权重系数，在开发的初期即把降低整车实际油耗作为开发目标之一；其次提出了等价质量流量燃油消耗的概念并给出计算方法，把尿素的消耗有效转化为燃油消耗，用加权综合比油耗衡量发动机的综合经济性并应用于发动机的开发过程，最终保证柴油机可在低排放的情况下获得最优的综合经济性。

附图说明

图1为发动机的主要特性曲线及由此确定的排放区。

具体实施方式

当重型车用柴油发动机排放升级到国四及国四以上阶段时，单纯依靠机内处理已不能满足国家法规限值的要求，必须借助必要的机外减排措施，其中通过高压喷射优化缸内燃烧实现颗粒物控制，通过选择性催化还原技术降低氮氧化物排放（后简称SCR路线）是中重型柴油发动机选择的主流技术路线。

SCR技术是将尿素喷射到排气管中，使其充分雾化，在后处理中贵金属催化剂的催化作用下，将氮氧化物还原成氮气和水。对于SCR路线的产品，尿素和燃油一样成为一种长期消耗品，整机的经济性不仅包括燃油的经济性，还包括尿素的经济性。本发明将介绍一种排放满足法规要求，同时综合经济性最优的SCR路线国四及国四以上柴油机的开发方法。在说明本发明一种优化SCR路线国四及以上发动机综合经济性的方法之前，先说明此方法的理论原理。

比油耗等于油耗除以功率，它是发动机效率的衡量指标，比油耗越低，发动机效率越高。降低发动机运行区域的比油耗，就能提高发动机效率，进而降低整车的耗油量。对于给定工况，在比油耗一定的情况下，该点的功率和累计运行时间决定了总的油耗量，所以可以用下式表征指定工况点的油耗量在总油耗中所占的权重。

WF(F)_i=P_i×t_i/∑(P_i×t_i) （1）

式中：WF(F)_i为第i个工况点的油耗权重系数；P_i为第i个工况点的功率，单位为kW；t_i为第i个工况点累计运行时间，单位为小时，由采集到的整车运行数据得到。

利用油耗权重系数，可得到发动机的加权综合比油耗用下式表示：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BSFC}}=1000\×F/P{\left(F\right)}_{\_W}---\left(2\right)$

式中P(F)=∑(P_i×WF(F)_i)，单位为kW；F=∑(F_i×WF(F)_i)，加权小时油耗，单位为kg/h；F_i为第i个工况点的小时油耗，单位为kg/h。

加权综合比油耗可以作为衡量发动机燃油经济性的最重要指标。对于SCR路线的国四及国四以上柴油机，由于尿素成为了一种长期消耗品，它将影响发动机的综合经济性。如果把尿素的消耗等价折算成燃油消耗，得到等价的总燃油消耗，然后就可按照常规的综合比油耗方法来计算国四及国四以上柴油机的综合经济性。

用下式把尿素消耗等价折算成燃油消耗，得到等价质量流量的总燃油消耗F_equivi为：

F_equivI=F_i+UreaMf_i×(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)

=F_i+k×UreaMf_i （3）

其中P_urea、P_fuel为尿素价格和柴油价格，单位为元/公斤；UreaMf_i、FC_i为第i个工况点的尿素质量流量和柴油质量流量，单位为公斤/小时；ρ_urea、ρ_fuel为尿素密度和柴油密度；k=(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)，随尿素、燃油价格等变化而波动。

得到等价质量流量总燃油消耗F_equiv后，按照加权综合比油耗的计算方法，可以评判发动机在不同的硬件方案及匹配不同的燃烧参数下综合经济性的优劣，进而选择出综合经济性最优的方案，达到整机节能的目标。

基于上述的等价质量流量总燃油消耗转换的及综合比油耗的计算方法，下面具体说明本方法。

步骤1）根据发动机外特性曲线、调速特性曲线、低速段功率曲线等，如图1，按照GB17691-2005规定的计算方法确定ESC排放13工况点的发动机转速n_i，扭矩T_i、功率P_i及加权系数WF_i等，i=1，2，3….13，如下表;

步骤2）采集整车上发动机运行工况数据，至少包括发动机转速、扭矩等参数，采样频率1Hz，并根据采集到的数据，计算得到ESC13工况点油耗权重系数WF(F)_i，i=1，2…13，计算公式如下：

WF(F)_i=P_i×t_I/∑(P_i×t_i)

式中：WF(F)_i为第i个工况点的油耗权重系数；P_i为第i个工况点的功率，单位为kW；t_i为第i个工况点累计运行时间，单位为小时。

步骤3）分别计算得到13工况点用于综合比油耗计算的加权功率P(F)及用于氮氧化物比排放计算的加权功率P(n);

P(F)_i=P_i×WF(F)_i （4）

P(F)=∑(P_i×WF(F)_i) （5）

P(n)_i=P_i×WF_i （6）

P(n)=∑(P_i×WF_i) （7）

式中，P(F)_i、P(F)分别为计算综合比油耗的加权功率及总加权功率;P(n)_i、P(n)分别为计算氮氧化物比排放的加权功率及总加权功率;

步骤4）进行发动机台架试验，验证不同燃烧参数，包括喷油提前角、轨压、循环喷油量、预喷油量、预喷时间、后喷油量、后喷时间下的发动机性能数据，包括原机氮氧化物比排放量Eng_Out_BSNOx，系统氮氧化物比排放量Sys_Out_BSNOx，系统氮氧化物质量流量NOx_mass(kg/h)，小时耗油量F，小时尿素消耗量UreaMf（kg/h）。对于给定工况点，每更改任一个燃烧参数，都记为该工况的一种选型方案。

步骤5）基于步骤4）步发动机台架试验结果，结合机型开发目标，包括动力性、燃油经济性、烟度、排放、缸内燃烧峰值压力、增压器转速、涡前排温的要求，构建20组～50组的ESC13工况点的燃烧参数设计方案。

对于每一种设计方案，分别进行步骤6）至步骤7）的工作。

步骤6）按照排放法规公式，计算ESC试验的氮氧化物比排放量

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NOx}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{mass}}\×{\mathrm{WF}}_i}{\mathrm{\Σ}{P}_i\×{\mathrm{WF}}_i}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{mass}}\×{\mathrm{WF}}_i}{P\left(n\right)}$

根据GB17691-2005，国4机型系统氮氧化物排放国5机型系统氮氧化物排放设定合理的系统氮氧化物排放目标值α。剔出步骤5）中产生的的组合，剩下的组合按步骤7）进行计算。

步骤7）计算步骤6）所产生的剩下各组设计方案的ESC13工况点等价质量流量燃油消耗F_equivi、等价质量流量总燃油消耗F_equiv及加权综合比油耗

Fe_quivi=F_i+k×UreaMf_i

F_equiv=∑(F_i+k×UreaMf_i) （8）

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BSFC}}=1000\×F_{\mathrm{equiv}}/P\left(F\right)---\left(9\right)$

步骤8），列出步骤7）中加权综合比油耗最低的5组方案，并找到这5组方案下的系统氮氧化物排放值所有方案中加权综合比油耗最低，且氮氧化物排放小的设计方案即为发动机综合经济性最优方案。

步骤9），如需要进一步优化发动机综合性能，可以在步骤8）确定方案的基础上通过选择发动机新的硬件及软件的再优化，重复步骤1）～步骤9），直到达到开发目标要求。

Claims (5)

1.一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，包括如下步骤：

1)根据发动机外特性曲线、调速特性曲线及低速段功率曲线，确定ESC排放试验13工况点的发动机转速n_i，扭矩T_i、功率P_i；

2)采集整车上发动机运行工况数据，包括发动机转速、扭矩参数，并根据采集到的数据计算ESC 13工况点油耗权重系数WF(F)_i；

3)分别计算得到ESC 13工况点用于加权综合比油耗计算的加权功率P(F)及用于氮氧化物比排放计算的加权功率P(n)；

4)进行发动机台架试验，获取不同燃烧参数，包括喷油提前角、轨压、循环喷油量、预喷油量、预喷时间、后喷油量、后喷时间下的发动机性能及排放数据，每更改任一个燃烧参数，都记为该工况的一种选型方案；

5)基于第4步试验设计结果，结合机型开发目标，主要包括动力性、燃油经济性、烟度、排放、缸内峰值燃烧压力、增压器转速以及涡前排温的要求，构建20组～50组ESC13工况点的燃烧参数设计方案；

6)对第5步所产生的20组～50组方案，按照GB17691-2005的规定，计算得到ESC 13工况点氮氧化物比排放值并剔除第5步产生的方案中氮氧化物比排放值超过目标值的设计方案；

7)计算第6步保留下来各组设计方案的ESC 13工况点的等价质量流量燃油消耗F_{equiv i}、等价质量流量总燃油消耗F_equiv及加权综合比油耗等价质量流量的总燃油消耗F_{equiv i}为：

F_{equiv i}＝F_i+UreaMf_i×(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)

＝F_i+k×UreaMf_i

F_equiv＝∑(F_i+k×UreaMf_i)

其中UreaMf_i、F_i为第i个工况点的尿素质量流量和柴油质量流量，单位为公斤/小时；k为计算系数＝(P_urea/P_fuel)×(ρ_fuel/ρ_urea)，ρ_urea、ρ_fuel为尿素密度和柴油密度，P_urea，P_fuel为尿素和燃油的价格；

8)列出加权综合比油耗最低的5组方案，并找到这5组方案的氮氧化物比排放值5种方案中加权综合比油耗最低，氮氧化物排放满足法规且较低的组合即为发动机综合经济性最优的方案。

2.如权利要求1所述的一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，其特征在于：步骤2)中：

WF(F)_i＝P_i×t_I/∑(P_i×t_i)

式中：WF(F)_i为第i个工况点的油耗权重系数；P_i为第i个工况点的功率，单位为kW；t_i为第i个工况点累计运行时间，单位为小时。

3.如权利要求1或2所述的一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，其特征在于：步骤3)中：

P(F)_i＝P_i×WF_i

P(F)＝∑(P_i×WF_i)

式中P(F)_i、P(F)分别为计算综合比油耗的加权功率及总加权功率。

4.如权利要求1或2所述的一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，其特征在于：步骤7)中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BSFC}}=1000\×F/P\left(F\right)$

式中P(F)＝∑(P_i×WF(F)_i)，单位为kW；F＝∑(F_i×WF(F)_i)，加权小时油耗，单位为kg/h；F_i为第i个工况点的小时油耗，单位为kg/h。

5.如权利要求3所述的一种优化SCR路线国四及以上车用柴油发动机综合经济性的方法，其特征在于：步骤7)中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BSFC}}=1000\×F/P\left(F\right)$

式中P(F)＝∑(P_i×WF(F)_i)，单位为kW；F＝∑(F_i×WF(F)_i)，加权小时油耗，单位为kg/h；F_i为第i个工况点的小时油耗，单位为kg/h。