柴油机选择性催化还原催化器的最佳布置方法

随着美国2007年第2阶段（Tier2）第5级（Bin5）排放法规的出台,大多数新型柴油车都要求安装氮氧化物（NOx）后处理装置。一种有可能降低NOx排放的技术就是尿素选择性催化还原（SCR）,该技术现已成为柴油机普遍可以接受的选择。尿素SCR是能够达到NOx法规限值的首选技术,并正在进行引入重型客车的研发,以满足美国Tier 2 Bin 5排放限值的要求。还介绍了包括柴油氧化催化器、催化型柴油颗粒过滤器和SCR催化器在内的SCR系统的要求,讨论了如何合理布置SCR催化器的方法。在研究中,由SCR系统总成和发动机台架的试验研究结果显示,候选的几种SCR布置方案可以与传统的SCR系统布置一比高低。     

2008年柴油机排放控制回顾

扼要回顾了2008年柴油机排放法规、发动机技术,以及氮氧化物（NOx）、颗粒和碳氢化合物（HC）控制方面的典型进展。欧洲有意在技术上与美国协调一致,决定于2013年实施欧6重型车排放法规。一项新的颗粒数标准将被采纳。加利福尼亚州正在考虑将轻型车队平均排放值收紧到美国第2阶段（Tier2）第2级（Bin2）的排放水平;欧洲,以及美国拟分别针对轻型车和所有车辆出台二氧化碳（CO2）排放强制性标准。为了能通过增压和废气再循环来实现更低的CO2排放,轻型车发动机的技术重点是缩缸强化。发动机的技术目标是要达到美国Tier2Bin2排放水平。重型车发动机将能任意配装各种降Nox装置,以达到最严格的Nox排放标准,但这些降NOx装置必须达到更低的燃油耗水平才能被采用。NOx控制技术的侧重点是要使选择性催化还原技术适用于各种应用对象,重点是冷态运行、系统优化和催化器的耐久性。稀燃Nox捕集器的性能正在逐渐提高,责金属的用量不断降低,脱硫功能有所加强,提出了几种以氧化铝和二氧化铈为基础的材料成分。稀燃NOx催化器和HC选择性催化还原技术有所更新。柴油颗粒过滤器（DPF）技术处于优化和成本降低状态。介绍了几种DPF再生策略,以及有关碳烟／催化荆相互作用和DPF孔穴结构影响基本原理的新知识。提供了有关柴油氧化催化器方面的最新资料,着重介绍了几种先进的燃烧策略方案。     

2010年柴油机排放控制回顾

从排放法规、发动机技术,以及氮氧化物（NOx）、颗粒、碳氢化合物（HC）和一氧化碳控制等方面扼要回顾了柴油机排放控制的最新进展。排放法规正在继续向前推进,美国加利福尼亚州可能会提出2016—2022年拟收紧70％的轻型车车队平均排放标准。轻型车和重型车发动机的二氧化碳（CO2）排放法规也都会收紧,这些法规对柴油机及其排放的影响可能会在未来延续很长时间。发动机技术正在顺应这些要求。小型柴油机试图在增强燃烧方面取得进展,以便能通过发动机的小型化来减少CO2排放。大型柴油机力求在硬件制造、减少NOx的控制和燃油耗之间取得最佳的平衡。迄今已发表了许多有关优化选择性催化还原（SCR）系统的报道,其中不少报道都提出,可以采用合适的还原剂管理和新的催化剂配方,以改善系统的低温性能。以HC为基础的减少NOx的技术侧重于稀NOx捕集器（LNT）和LNT＋SCR系统的研发,而LNT的标定策略是要产生供下游SCR使用的氨。采用柴油机颗粒过滤器（DPF）控制PM的技术非常有效。从再生策略、催化剂利用和基底材料设计等方面报道了DPF再生技术的进步。生物柴油对DPF功能的影响变得更为清晰。最后,针对SCR系统使用的下游催化型DPF生成的二氧化氮的影响,介绍了柴油机氧化催化器的试验研究情况。     

满足最低废气排放限值的Volkswagen新型2L涡轮增压直喷式柴油机（第二部分）

2008年中期,Volkswagen公司在美国推出一种装有共轨柴油机的VW Jetta型轿车,它满足Tier2 Bin5的排放限值。为了实现这一目标,通过机内措施和使用NOx排气后处理系统,对安装在欧洲VW Tiguan和Audi A4型轿车中的欧5共轨柴油机作了进一步改进。第二部分介绍NOx后处理系统的开发,同时探讨一种新型运行模式系统的协调以及车栽诊断系统的功能。     

关于提高尿素选择性催化还原系统氮氧化物净化率的研究——NH3吸附量控制及其在瞬态运行时的应用

为了降低氮氧化物（NOx）和颗粒排放,一台4L、涡轮增压、中冷的柴油机采用了尿素选择性催化还原系统（SCR）与柴油颗粒滤清器系统相结合的后处理装置。在SCR催化器中增加氨（NH3）的吸附量后,观察到在低排气温度下NOx有明显的降低。基于NH3吸附特性,为瞬态运行开发了NH3吸附控制逻辑。显示了通过NH3吸附控制,在JE05工况下,SCR入口处气体平均温度为158℃的条件下,NOx约可降低75％。     

满足最低废气排放限值的Volkswagen新型2L涡轮增压直喷式柴油机（第一部分）

对欧洲的Volkswagen Tiguan和Audi A4轿车上已使用的共轨柴油机作了进一步改进之后,从2008年中期开始在美国上市的VW Jetta轿车可满足全球最严格的排放法规Tier2 Bin5中对废气排放限值的要求。除了采取燃油喷射系统优化、低压废气再循环系统和新型气缸压力调节法的实用化等机内措施外,NOx后处理系统的应用是其技术特点。新的柴油机系统要求针对全新的燃烧方式开发新的控制算法和进行细致的参数匹配。     

柴油机排放控制综述

概述了2006年以来柴油机排放法规、燃烧和氮氧化物（NOx）以及颗粒整治的发展情况。目前，法规的发展主要集中在欧洲，已提议分别将于2009年和2014年实施轻型车欧5和欧6法规。虽然这些法规没有美国的那么严格，但有助于欧洲车辆适应美国市场。欧洲开始关注2012年及未来的重型车法规。发动机正在取得巨大的进步，如主要针对美国轻型车采取积极开发清洁燃烧的策略。重型车发动机研究更多地集中在传统方法上，并将提供多种发动机及其后处理方案，以满足严格的美国2010年法规。现今的NOx控制研发工作主要集中在用于不同车型的选择性催化还原（SCR）系统。重点是冷态运行、耐久性、二次排放和系统优化。经老化后的稀氮氧化物捕集器（LNT）脱NOx的效率最高可达60％～70％，现正在考虑将其用于轻型车和某些较轻的重型车。对采用一体化SCR来补充LNT的兴趣日益增长，它主要是利用LNT在浓混合气再生期间产生的氨。柴油机颗粒过滤器技术正处于努力优化和降低成本的状态。正在采用先进的管理策略，开发各种新型过滤材料和备选系统结构方案。二次排放问题已经显现，并且正被处理。     

2007年柴油机排放控制回顾

综述了2007年以来柴油机排放法规、发动机技术及NOx和PM控制技术的发展。目前欧洲排放法规的主要发展是提出了2013年重型车排放法规。该法规在技术上与美国2010年的排放要求相似。另外,欧洲委员会还首次提出了CO2排放130g／km的限值,接近于日本燃油经济性对CO2排放的要求。发动机取得了非常显著的进步,特别是美国轻型车发动机的清洁燃烧技术有很大发展。对重型发动机的研究主要集中在传统方法的改进,为满足严格的美国2010年排放要求,开发了许多发动机后处理技术。在不同的应用场合,NOx的控制集中采用选择性催化还原技术。对寒冷环境下的运行和系统优化进行了进一步研究。稀NOx捕集器的耐久性问题更受关注,并通过硫捕集器来提高性能。稀NOx催化技术得到进一步发展。柴油机颗粒过滤器技术得到进一步优化,成本得以降低。提出了新一代柴油机颗粒过滤器方案,并进行了关于碳烟与催化剂之间相互作用的基础研究,以及对柴油机颗粒过滤器结构进一步优化的研究。最后,提供了有关柴油机氧化催化器的最新进展,介绍了采用先进燃烧策略的研究趋势,讨论了影响NO2形成的重要因素,以及提高氧化催化器使用耐久性的一些新措施。     

尿素选择性催化还原转化器分析技术（第2部分）——催化剂反应过程模拟

作为一项极有前途的能降低柴油机氮氧化物（NOx）排放的技术,尿素选择性催化还原（SCR）系统受到了广泛关注。开发了尿素SCR催化反应模型,用于分析催化剂表面尿素的分解反应及其详细的化学反应。通过对催化转化器内部的直接测试分析,证实了尿素分解反应模型的有效性。采用新开发的模型,可以成功地预测安装尿素SCR系统的车辆在各种实际行驶条件下的废气（如NOx和氨）排放性能。     

现代化的喷油系统应对未来大功率柴油机排放法规的挑战

能够满足EPA Tier 4最终版排放标准要求的大功率柴油机刚刚投放市场。EPA劣化系数测试和现场验证进展顺利。目前尚无有关其坚固性、可靠性和耐久性的统计结果。据文献报道,目前市场上解决排放问题的方案有:CRS1 800 bar+SCR和CRS 2 200 bar+EGR和DOC。随着燃烧进一步优化,不久将出现共轨系统1 600 bar+SCR+DOC。与EPA Tier 2发动机相比,上述方案均将显著提高成本。EGR和SCR的成本以及冷却和配套要求均使得Tier 4方案的采样变得十分复杂并提高成本。虽然对EPA Tier 4系统的了解还不全面,新的排放标准已经在讨论之中。已经发布了EU Stage 5的提案,其将对PM和NOx的限制更加严格。文章对喷油系统和排气后处理系统的要求进行了概述。大功率发动机用2 200 bar CRS能够达到的怎样的排放标准?这种方案能否满足未来的排放法规要求?文章介绍了喷油系统及其在排放相关负荷点的性能,以及排放与燃油消耗的关联。详细分析了喷油率、喷雾特性以及喷油孔出口的喷雾速度。对一台配有单级和两级涡轮增压器的高速大功率单缸机进行了试验研究。基于重载公路和非公路柴油机的经验,针对未来排放法规,对高速大功率发动机的喷射系统和排气后处理需要达到的条件进行了预测。目前的EU Stage 4和EPA Tier 4重载非公路应用(560 k W)所能达到的标准接近于未来的LE(560 kW)EU Stage 5限值。EU Stage 4为0.4 g/(kWh)NOx和0.02 g/(kWh)PM。当前的公路排放标准处于类似的水平,但附加有PM限值,并已在进行运行测试。现有的重载方案和现有的大功率发动机的业绩为LE EU Stage 5排放达标所可能采取的技术提供了依据。在成本、配套性和结构复杂性方面影响较小的方案是可取的。所有方案必须具有坚固性、可靠性和耐久性。     

BMW公司满足未来全球废气排放标准的柴油机排放技术

全球排放法规日趋收紧，而且美国、日本，以及欧洲各国的排放法规又有差异，因此，除进一步开发现有的系统外，还必须应用新技术，特别是在柴油机排气后处理方面。采用众所周知的、近发动机免维护柴油颗粒捕集器、氮氧化物存储催化器和选择性催化还原系统开发出1套排放组合装置，从而使BMW公司的柴油机动力总成继续保持高品质，并成功地进入美国和加拿大市场。     

清洁柴油车采用替代燃烧方式、进气流主导控制和排气后处理系统的试验研究

为了达到美国第2阶段（Tier2）第5级（Bin5）排放目标,在1台2．2L涡轮增压直喷式柴油机上采用由富油和接近富油燃烧的替代燃烧方式,以及用于精确燃烧控制的进气流主导控制系统和带稀氮氧化物捕集器（LNT）的四效催化系统组成的新型柴油机系统。还研究了催化器温度控制、带或不带后喷射的氮氧化物再生、脱硫和颗粒氧化。采用一种批量生产的稀燃汽油机,用LNT进行相当60000mile的老化。由US06和FTP75试验循环确认,在较好的噪声、振动和平顺性、较少燃油耗和平稳瞬态运行的情况下,车辆能符合Tier2 Bin5排放法规要求。     

重型柴油机达到欧4和欧5标准的排放控制方案

现代柴油机是最通用的车辆动力之一。柴油机因较高的燃油经济性和扭矩得以长期用于全球重型车辆。此外,如今的涡轮增压小型高速柴油机有很高的动力性,以及优异的驱动性,加上很低的CO2排放,使得柴油机驱动的轻型车也越来越多。然而,只有当柴油车的废气排放满足日益严格的排放法规,它才可能被接受。在美国,重型柴油车和轻型柴油车要满足2007年开始生效的严格的排放法规,必须加装颗粒过滤器。从2010年起,排放法规将进一步收紧,这些车辆还必须加装NOx控制系统。欧洲与美国相似,先是欧4、欧5,最终将实施欧6排放法规。实际上,这样的目标意味着NOx和颗粒排放要比之前降低多达90％。评述了世界范围内重型柴油车为满足现行以及即将实施的欧6排放法规所使用的废气排放控制装置,以及控制策略的发展,探讨了有助于满足重型车法规要求的柴油机氧化催化器、通流式颗粒过滤器以及NOx控制催化器（选择性催化还原系统）的应用,并给出了不同控制方案的比较分析。     

Hyundai—Kia运动型多功能车用V6—3L柴油机的研发

为了满足高级运动型多功能车的要求,新开发了一款V6—3L柴油机。该发动机的有效功率提供了良好的行驶舒适性,并达到欧4排放标准。通过燃烧和排气后处理方案的优化,该发动机的基本设计方案可成为未来达到欧5排放标准的基础。同时,为了满足美国Tier 2 Bin 5排放标准的要求,正在开发采用尿素喷射的氮氧化物排气后处理系统。     

EMD公司继续开发710系列柴油机

美国EMD公司最近宣布,它已生产了第7500台710系列柴油机。在过去的24个月中,EMD公司共取得37项有关其710系列发动机减少排放和改善燃油效率新技术的专利。710系列发动机达到美国环保局（EPA）Tier2排放标准,其中的12—710G3B．T2型和16-710G3B-T2型柴油机已于2006年获得欧盟Directive97／68EC排放法规的Stage3a限值达标认可。EMD公司期望下一步能在不需要采用尿素后处理措施来减少NOx排放的情况下达到Stage3b级排放标准的限值要求。     

Deutz公司满足第4i阶段排放标准的新型柴油机（第1部分）——结构和耐久性

自2010年1月1日起,功率130kW以上移动式工程机械用的美国第4i阶段（Tier4i）和欧3B排放标准已分别在美国和欧洲正式生效。其颗粒排放限值比之前的法规降低了90％,氮氧化物排放限值降低了50％。Deutz公司对6～16L排量的柴油机应用了大量新技术理念,以满足Tier4i或欧3B排放标准的要求。介绍了该柴油机的结构和耐久性。     

机车和船舶发动机未来的排放要求（上）——面临的挑战、技术方案以及来自其他重型发动机应用领域的经验借鉴

未来世界范围内的船舶和机车废气排放法规要求大幅减少废气中的有害物（尤其是氮氧化物）的排放量。大幅减少尾气排放,同时保持低的燃油消耗也是目前重型发动机和工业用发动机的开发重点。根据从这些开发工作中获得的经验,可以得出结论：严格的排放限值标准不能仅通过一个技术阶段（发动机机内措施／安装排气后处理净化系统）来实现,而必须开发一整套经济有效的手段,其中包括降低发动机本身输出的排放值,辅之以满足要求的高效排气后处理措施。 关于氮氧化物的减排,在重型发动机和工业用发动机领域,当前主要是研究和采用SCR（选择性催化还原）技术。虽然船舶和机车发动机与公路用重型发动机和较小的工业用发动机在具体要求和边界条件方面有显著不同,但是已经取得的经验（尤其是在公路应用领域）仍可用于未来船舶和机车低排放方案开发。 在本文第一部分,将对船舶和机车发动机在排放法规和典型运用边界条件方面与公路用重型发动机和小型工业用发动机进行比较。进一步指出公路用重型和工业用小型发动机应用领域的新技术和发展趋势,包括基本发动机减排方案（EGR、增压、喷油系统等）、后处理技术（柴油机氧化催化器、SCR、主动／被动式柴油机颗粒过滤器、颗粒物氧化催化器等）以及传感器和控制技术。在此基础上,提出适用于船舶和机车应用的技术方案,对于这类应用场合,将考虑具体的边界条件（例如：法规要求、燃油品质及具体运行模式）。 将来把基本发动机与后处理措施结合起来,将会明显增大系统布置和校准方面的难度和工作量。尤其是大型船舶和机车发动机,在最终应用之前对大量金属部件变体进行试验将会受到很大的限制。在这方面,高效开发工具（诸如后处理系统的详细一维模拟,在综合气体试验台上确定催化剂的特性,根据模拟对控制方案和传感器方案进行评估）以及针对公路应用开发的高效标准程序,都可以用来提供可靠的系统布置和校准,同时又可保持短的开发周期和发动机试验时间。     

Renault柴油机氮氧化物后处理系统的开发

柴油机为达到未来的废气排放标准限值，要求在机内优化的基础上应用排气后处理系统。Renault公司开发的降氮氧化物（NOx）催化器系统使得质量较重的商务车能达到未来的排放标准，并仍保持柴油机二氧化碳排放低的优势，从而降低了Espace dCi 175型轿车的NOx排放，并达到了欧5排放标准，为未来的欧6排放标准作好了准备。     

为北美市场开发的OUTLANDER车特超低排放系统

三菱公司外销北美的OUTLANDER车已符合世界最严格排放法规之一的加州低排放车第二阶段特超低排放车（LEV Ⅱ SULEV）的限值。先前的排放对策是以排量相对较小的车型满足SULEV法规，而今是针对V63．0 L的运动型多功能车（SUV），设法开发出能符合SULEV法规的新型排放系统。具体做法主要是降低冷起动后排出的HC和发动机在高温燃烧条件下生成的NOx。由于其他公司普遍采用的二次空气系统会增加车重，并使系统复杂化，故而OUTLANDER车改为采用HC捕集催化器，并引进了各种发动机控制技术，率先在世界上将V63．0 L发动机配装在SUV上满足了SULEV法规。     

满足欧4标准的发动机及其排放控制技术

北美、日本和欧洲这些交通运输高度发达的国家已经引用越来越严的排放法规。在国际化形势下,其他新兴市场对排放和燃油质量的控制也日益严格。发动机管理与排放控制系统相结合可以满足越来越严的法规。讨论了几种发动机排放控制系统的实例以及开发排放控制系统组合的方法。还对某些原设备制造商宣称能在不用NOx后处理的情况下达到美国2010重型车排放法规和欧5重型车排放法规的观点进行了探讨。