采用数字燃烧速率调节 实现柔性燃料互换

多项研究项目已证实创新的合成燃料是可能替代当今化石燃料的候选代用燃料，汽车发动机中心的亚琛工业大学与FEV欧洲公司生物质燃料团队已开发出了一种发动机调节方案，使这些合成燃料能用于当今量产汽车上。讨论这些合成燃料与调节方案相组合的效果。

1 初始状况

由于环境和气候保护标准越来越严苛，就长期而言，能源和交通领域必须实现非化石燃料化，建立在可再生能源基础上的合成燃料，可以大幅度降低CO₂排放。除此之外，合成燃料还能显著降低氮氧化物（NO_x）和颗粒物（PM）排放。由于碳来源不同以及再生电能供应不稳定，合成燃料的生产工艺步骤有所差异，这就导致了合成燃料成分无法控制，这种差异会导致燃烧特性出现显著差别，这需要在发动机标定时重点考虑，这也促使开发自学习发动机调节结构来补偿这种差异的影响。

数字燃烧速率造型（DiCoRS）能调节预定义的燃烧过程，并可采用合成燃料，同时该方案能够在发动机运行期间调节效率和燃烧噪声。

2 电能制取液态燃料——用于未来替代能源

采用Fischer-Tropsch合成法与氢甲酰化反应组合方法制取的合成燃料，因具有发动机兼容性，而能在短期内以其单纯燃料或作为添加剂加入到传统燃料中使用。这些混合燃料是由长链醇（C6-C11）和烷烃组成的，利用合成气（CO与H的混合气）制取。

为此，可利用生物质制取煤气，用生物气与CO₂组合转化经过干性重整（DRM）或者进行水煤气转化（WGS），此外还可利用CO₂分离与常规电解相组合。除此之外，目前正在进行CO₂和H₂O共同电解成合成气的试验研究。

采用Fischer-Tropsch法应用合成气制取碳氢化合物（HC），催化剂是以铁和钴为基础。HC的长链分布产生了一种Schulz-Flory分布，并会受到反应条件的影响。Fischer-Tropsch 合成法与氢甲酰化反应相组合要求流程进行精确设计，力求用具有高烯烃含量的高份额C5-C10馏分作为用醇通过氢甲酰化反应合成的原材料。

工艺过程温度是影响产品的重要参数。低温Fischer-Tropsch（LTFT）工艺与高温Fischer-Tropsch（HTFT）工艺之间是有区别的，HTFT方法更适合于燃料合成。为了能在这种工艺基础上获得尽可能宽广的燃料型谱，选择了2种采用衍生燃料进行发动机试验（图1）。第一种燃料被称为“高氧含量Fischer-Tropsch燃料”（FTF_High,Ox），它是一种非活性短分子链燃料，含有40 % m/m*的高醇浓度，因而含氧量高。与此相反，FTF_Low,Ox是一种高活性长分子链燃料，含有10%m/m*较低的醇浓度，因而其含氧量比FTF_High,Ox低。除了这两 种FTF燃料之外，还对化石柴油分别与20% FTF燃料浓度的混合燃料（Blend）进行试验，柴油与FTF_High,Ox燃料的混合燃料被称为“Blend_High,Ox”，而柴油与FTF_Low,Ox燃料的混合燃料则被称为“Blend_Low,Ox”。

图1 试验燃料综览

3 燃烧速率调节方法

鉴于燃料箱中的燃料成分不可预测，DiCoRS可确保能可靠地调节所有的燃烧特性，而在发动机标定时或随后的汽车行驶时无需识别燃料成分。DiCoRS与其他基于气缸压力的燃烧调节方案之间的重要区别是所应用的调节参数。DiCoRS以曲轴转角完全预定义的燃烧方法来调节燃烧过程，因此DiCoRS利用了最大的燃烧调节自由度。

这种燃烧调节由一种基于模型的预调节组成，它根据与运行工况点相关的燃烧过程额定值计算所必需的喷油参数，包括喷油次数、电控定时和喷油量。这种预调节通过基于气缸压力的反馈调节来进行，根据测得的燃烧状况与额定燃烧过程相比较，由这种调节功能来调整下一个循环的喷油，其基本结构示于图2。

图2 数字燃烧速率调节的基本结构

这种调节方案改变了传统的发动机标定，需要仔细地调节到理想的燃烧过程，而且还能大大降低标定费用。

想要实现的额定燃烧过程可利用如气缸压力曲线、气缸温度曲线或放热曲线（燃烧速率）等来定义。根据已经发布的相关资料可以用具有适当升高率和陡峭坡度的三角形来定义额定燃烧速率。这种采用几个参数就可以简要描述包括标定费用在内的对调节方案的要求。图3示出了理想燃烧过程的进展状况，用倾斜角α1、面积Q_b,total、燃烧重心位置Q_α50和因子r来定义三角形的位置和形状以及计算燃烧速率。三角形面积Q_b,total相当于加入的总能量,这取决于发动机的负荷需求，燃烧重心位置Q_α50决定了三角形的位置，这两个参数由基于模型从所需的扭矩推算出来。因子r表示上升侧和下降侧之间的关系，可说明均质或扩散燃烧之间的权重，首先要标定这个因子。为了确定较为真实的燃烧完全程度，三角形下降侧由Vibe等人的估算来取代。除此之外，可限定最大燃烧速率，这样就能限制直接燃烧噪声，因为最大燃烧速度对噪声具有决定性的影响。

图3 额定燃烧速率及其特性值

图4 WLTP瞬态运行范围的模拟结果

图4示出了柴油运行时全球统一的轻型车测试程序（WLTP）行驶循环瞬态运行部分调节的模拟结果，包括4个不同运行工况点预设和实际的燃烧速率和喷油速率。即使因所需的扭矩提高了规定的额定值，DiCoRS调节额定燃烧增大喷油量，并调整喷油次数以及喷油定时和喷油持续时间。

4 单缸试验发动机的试验结果

图5中的试验结果表明，DiCoRS对于许多种燃料混合气都达到了可接受的调节状况，与燃烧状况几乎相同，可以认为燃料的废气排放与燃烧的形态和状况无关。从图5可明显看出，所有燃料都很好地达到了额定的燃烧曲线，其中相对于燃料不同的着火性部分喷油信号有明显的位移，与柴油相比某个负荷工况点的喷油定时最大调整10°CA，在该负荷工况点碳烟排放的降低非常明显的，根据再循环废气量的不同，烟度降低最高可达80%。

图5 不同燃料燃烧曲线和废气排放的比较

图6示出了烟度-NO_x排放之间缓和的目标冲突。为了尽可能明确地详细解释这些曲线，对每种燃料进行了改变废气再循环（EGR）量的试验。所有试验的替代柴油的代用燃料都缓和了目标冲突，特别是FTF_High,Ox燃料的特点是碳烟排放非常低。

图6 各种不同燃料的烟度-NO_x排放目标冲突

5 汽车集成及其首次试验结果

为了进行进一步的试验，准备了1辆采用DiCoRS运行的试验车辆（Jaguar XE轿车），该车配备了一种快速控制（RCP）样车系统，它由样车单元和输入/输出接口2部分组成。样车单元是1种具有附加可自由编程的现场可编程阵列（FPGA）模块的MecroAutoBox Ⅱ。取消常规的电控单元，并且包括自身的空气管路、燃料管路和DiCoRS调节器计算在内的整体发动机控制都在新开发的电控单元中进行。图7示出了所应用的开发系统的配置和流程原理图。

图7 RCP配置情况

图8示出了首次汽车瞬态运行试验的测量结果。因为反馈调节器在汽车上的的调试尚未结束，因此至目前为止仅有基于模型的预调节试验结果，该图表明已达到了良好的结果。根据发动机试验台上的经验，由此可得知反馈调节器补偿了所残留的偏差。

图8 DiCoRS预调节的汽车试验结果

6 柔性燃料发动机管理

DiCoRS在宽广的运行范围内使直接燃烧噪声与碳烟排放脱离关联。因为噪声主要取决于最大燃烧速率，通过限制其最大值就能调节噪声，同时喷油压力可被用作降低碳烟形成的附加自由度，但是提高喷油压力会导致燃烧噪声的增大，这通过DiCoRS就能避免，因为提高喷油压力可被看成是干扰项，可通过有针对性的干预喷油规律予以补偿，这样就能缓和碳烟与燃烧噪声之间的目标冲突。这方面的优势还可以用来延长柴油机颗粒捕集器（DPF）再生时间间隔而降低燃油耗或者因提高EGR兼容性而降低NO_x排放。

这种方案能在汽车行驶期间通过改变燃烧曲线来调节NO_x排放。燃烧速率可被用作相关外部调节回路中的调节变量，特别是倾斜角α1对NO_x排放具有强烈的影响，因为它对燃烧温度具有重大的影响。

根据这种关系，就能通过减小倾斜角α1来降低NO_x排放，但是应考虑到减小倾斜角α1会对燃烧效率产生不利的影响。将倾斜角α1朝较高数值的方向进行控制有利于提高效率。如果碳烟与NO_x排放之间目标冲突的缓和可以通过提高EGR兼容性而降低NO_x排放，那么可以增大倾斜角α1来提高效率。与此相反，限制最大燃烧速度就能限制燃烧噪声。在使用合成燃料情况下，因碳烟/NO_x的目标冲突更加缓和，上述减排潜力就更大。

图9示出了采取彼此相互无关的两种决策途径。左侧的策略考虑在DiCoRS基础之上建立在发动机开发阶段和在发动机试验台上标定阶段，重点关注降低CO₂排放以及降低系统成本和运行成本，制造商根据优先权重和必要性就能充分利用这些可能的途径。

图8中右侧表示汽车在使用合成燃料行驶时可降低CO₂排放的的途径，因为所考察的合成燃料在NO_x排放方面不会有问题，因此使用已配备的废气后处理系统就能满足法规关于NO_x排放的要求，因而由于具有较高的EGR兼容性，应尽可能降低NO_x排放，以便能通过加大倾斜角α1改善燃烧效率。

图9 发动机开发阶段的策略（左）和汽车行驶时的策略（右）

在考虑到实际行驶条件的情况下，由1个协调器作出判断在每个运行工况点最有利的组合，由协调器根据效果成本、边界条件和必要的限制来决定，最终在获得良好行驶性能的前提条件使效率和废气排放的整体优化。

在相同的发动机上采用DiCoRS这两种策略，在发动机开发期间预先选择1种策略，而在汽车使用各种不同候选燃料行驶时选用其他策略。

7 结论

本文详细研究了基于Fischer-Tropsch工艺与氢甲酰化反应组合方法的新型衍生燃料的潜力，这些燃料在降低CO₂和有害物排放方面的潜力很大，但是由于生产条件的差异以及与柴油混合比例的变动，燃料成分有较大的波动。

为了补偿这些波动，采用DiCoRS作为可行的调节方案。鉴于这种方案的品质，对于各种不同的合成燃料、运行工况点和EGR水平都能达到良好的调节精度，达到预定的额定燃烧。

除此之外，试验车辆配备了RCP系统，以便能在汽车行驶期间实施DiCoRS，采用有效预调节的首次试验结果已表现出非常优异的调节特性。

最后，还介绍了扩展的运行策略，充分利用了碳烟-噪声以及碳烟-NO_x排放之间缓和的目标冲突。在发动机开发期间就考虑到这种方案的情况下，其最大的潜力是通过提高燃烧效率来降低CO₂排放以及通过降低NO_x排放来降低系统成本和运行成本。只要汽车在线使用这种方案，使用合成燃料行驶时采取这种策略就能获得降低CO₂排放的优势。

【德】 D.NEUMANN等

【整理】范明强

【编辑】何丹妮