均质柴油燃烧——对系统、零件和燃油的挑战

现代轿车柴油机能够在低CO2排放的同时获得优异的行驶功率。在欧洲新登记车辆中，柴油机份额的不断增长有力地证实了柴油机动力装置的魅力。但是，未来更严格的排放法规将使全球的柴油机面临严峻挑战，例如，2014年欧洲将实施欧6排放法规，其氮氧化物限值要比当今欧4排放限值低70％以上。Bosch公司在接近汽车边界条件下的试验研究中，已证实了均质柴油燃烧降低N0x原始排放的潜力。     

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。     

AVL公司开发的小型化柴油机

要使排量1．05L的3缸柴油机输出功率达到80kW,是AVL公司小型化柴油机开发的下一目标。为了降低二氧化碳（CO：）排放并达到欧6排放标准,新开发机型要满足的关键准则是符合用户对动力和驾驶性能的期望,并使3缸柴油机结构的噪声一振动一平顺性性能接近4缸柴油机的水平。其结构方案以19MPa的最高燃烧压力限值为依据,并按高比功率来确定冷却系统。为了满足用户进一步降低CO2排放法规的要求,一些小型化动力装置已被成功地引入市场。例如,Renault公司研发了用于驱动1460kg中级车型的1．5L80kW柴油机。扫气容积约为1L的3缸柴油机正是小型化策略的体现。     

运用换气技术降低发动机二氧化碳排放

2008年,欧洲汽车制造商联合会主动提出降低汽车燃油耗或二氧化碳（CO2）排放量,由此其成为各国排放政策和用户关注的焦点。BMW公司在高效动力学开发策略下已提前开发出降低CO2排放的新技术,因而新出厂汽车的废气排放水平已低于协议规定的排放限值。在增压发动机上,换气系统的设计也对降低CO2排放作出了贡献。     

发动机的冷却系统将越来越重要

德国Behr公司董事长就冷却系统在发动机中的重要性指出：过去，车辆中发动机冷却系统起着次要的作用，为了避免动力装置过热，必须将未能转换成可用功的能量以热量形式导出；现在，这种情况彻底变了，热管理系统有助于达到严格的排放法规，并更有效地利用热能，从而进一步降低燃油耗和二氧化碳排放。     

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。     

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。     

庞巴迪公司开发的清洁型内燃动车动力包

日益短缺的资源要求铁路车辆采用更高效率的动力装置,与此同时必须满足日益严格的对发动机废气排放的要求.作为庞巴迪公司EC04产品开发计划的一部分而开发的清洁型柴油机动力包(C.L.E.A.N.Diesel power pack)提供了一种基于最新技术的高效动力装置.     

铁路牵引排放标准

美国环保局(以下简称EPA)于1997年12月正式通过了铁路机车的第一个排放法规〔63FR18997-19084,1998,4,16〕。该法规推行了新造和改造的铁路机车和机车发动机关于NOx、HC、CO、PM(颗粒物质)和烟度的Tier0～2级排放标准。这些排放标准于2000年开始生效,对于1973年之后原造的机车,     

Volkswagen公司复合燃烧系统的燃烧过程

当今,经济、技术、社会环境和社会发展趋势都发生了变化,汽车用户的要求也随之变化,这一切都要求未来车用动力装置具有更低的有害物排放、更高的效率,以降低二氧化碳排放量,这就必须通过综合汽油机和柴油机燃烧过程的优点来达到这个目标。Volkswagen公司动力研发部将这种新技术称之为“复合燃烧系统的燃烧过程”。     

基于CO_2排放的车辆路径优化模型及其算法研究

物流不仅是能源消耗大户,同时也是CO2排放的重要来源。在分析配送车辆燃油消耗和CO2排放因素的多种车辆类型车辆路径问题特点的基础上,构建其相应的优化模型,并给出基于遗传算法的启发式求解算法。最后,针对该模型和求解算法进行数值算例仿真,研究结果显示:路径最短的路线不一定是能耗最小的路线;与传统基于路径最短的车辆路径对比,基于CO2排放的车辆路径总行驶里程较长,但其综合成本较低;遗传算法是解决绿色车辆路径问题的一个有效的求解算法。     

2020年以后的商用车动力

二氧化碳（CO2）排放对全球变暖的影响正日益引起重视，为此，整个工程技术界正在竭力满足未来排放法规的要求，并降低汽车的燃油耗。幸运的是，降低燃油耗与降低CO2排放可以并行不悖，但受其他技术要求的限制，例如降低气态污染物和颗粒排放、发动机的耐久性和可靠性要求，以及生产成本等。在乘用车上应用混合动力似乎有利于降低CO2排放和燃油耗，至少在部分负荷工况下运行时如此。对于瞬态运行工况频繁的市内公共汽车来说，应用混合动力系统已被证明是有利的。而对于重型载货车来说，特别是长途运输车，应用混合动力似乎无济于事，至少按照通常的理解是这样。阐述了改进中型和重型长途运输载货车的效率和降低其CO2排放的概念和途径。通过应用现有技术并不断改进，为引入缩缸强化和降低转速的技术，并结合动力总成的电气化，给传统型和改进型内燃机实施二次过程，展示了短期、中期和长期的前景。     

未来柴油多样化的挑战和解决方法

排放控制、二氧化碳值、舒适性、驾驶性、可靠性和成本是未来所有动力装置开发的主要框架。为了在保持燃油耗优势、良好运行性能和可接受成本的同时,满足未来的欧洲排放法规和现行的美国排放法规,在这个框架内,无论是轿车,还是商用车的柴油动力装置都面临一些挑战。其中之一是不同国家柴油品质的差异,包括不同的十六烷值、挥发性、含硫量和分子成分。此外,由于经济和环境的原因,越来越多具有不同燃油品质和特性的代用燃油将被推向市场。目前,大多数柴油机采用的喷油系统控制算法是开环控制。采用这种控制方法时,燃油品质的变化会增加校准的难度和校准持续时间,同时还会降低燃烧强度和排放。控制不同燃油燃烧的一种可能解决方案是采用闭环燃烧控制。一旦这种设想被发动机试验证实,针对不同品质燃油的校准会变得更快、更容易。另外,车辆使用期间的在线校准修正还可以避免发动机故障,并确保适宜的驾驶性能和排放性能。介绍一种补偿燃油品质变化的创新方法。依据2种市售燃油（EN590欧洲柴油和低十六烷值美国柴油）的品质,通过燃烧分析研究了燃油对燃烧特性和排放的影响。基于这些数据和结果,介绍了一种能补偿燃油品质变化的创新闭环燃烧控制策略。     

BMW公司新型6缸轿车柴油机

3．0L6缸柴油机是BMW公司柴油机系列中除2007年已推出的新型2．0L4缸柴油机外的第2个主力机型,主要用作BMW公司大多数轿车产品系列中不同功率等级的动力装置,为满足未来燃油耗和废气排放要求作出了重要贡献。考虑到产品系列结构设计方案的一致性和零件的通用性,6缸机由4缸机派生而来。2008年9月,这种新6缸柴油机首次以180kW和520N·m的动力性能搭载于330d轿车,同时以180kW和540N·m的动力性能搭载于730d轿车,这2种车型都达到了欧5排放限值,而且,330d轿车还可作为欧6车型。     

符合美国环保署第4阶段过渡性排放法规的小型柴油机的开发

与其他发动机相比,柴油机具有燃油利用率高和燃油耗低的优势,现已作为各种工程机械的动力装置被广泛使用。但另一方面,相关的排放法规逐年收紧,针对额定输出功率56～75kW的柴油机,2012年美国环保署（EPA）公布实施第4阶段过渡性（InterimTier4）排放法规,与之前的法规相比,该法规规定的颗粒排放量被要求降低到原来的1／20以下。因此,三菱重工公司开发了D04EG型柴油机,以进一步降低排放和燃油耗,满足EPAInterimTier4排放法规的要求。     

铁路运输CO2减排研究

对铁路运输减少CO2排放的要求,推动了氢燃料电池和蓄电池技术的发展,二者作为柴油牵引的替代方案将在铁路领域发挥越来越大的作用.     

内燃机车用柴油机排放气态污染物的试验研究

利用KNOS-600等先进测试仪器,参照UIC623及ECER49等法规标准,对路内3种主要机型机车柴油机6～7个工况条件下排放的气态污染物氮氧化物(NO_x)、—氧化碳(CO)及二氧化硫(SO_2)进行了测试研究,获取了现行机车废气排放的基础数据,提出了我国铁路主型机车柴油机标定工况下排气中NO_x、CO及SO_2的比排放量(g/kW·h)分别为1.05～2.03,7.89～13.23,0.17～0.76;排放系数(g/kg燃料)分别为5.08～9.46,36.35～62.92,0.81～4.23。与国外同型机车柴油机排放水平进行了对照比较,并以国际标准为参照,进行了测试结果评估。     

均质充量压燃发动机一氧化碳及碳氢排放的分析

欧6排放标准对减少氮氧化物（NOx）排放的要求迫使发动机制造商开发柴油机均质压燃（HCCI）燃烧过程。作为应对环境挑战一种有前途的方法,HCCI可同时减少NOx和颗粒排放。遗憾的是,HCCI燃烧通常使一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放增加。现在用于欧4车辆的常规氧化催化技术可能由于活性催化点的饱和而无法转化这些排放物。因此,必须利用新型催化剂或新生技术,把这些增加了的CO和HC排放降低到标准限制以下。研究在“新一代柴油机后处理”项目框架下由欧洲委员会资助进行。目的是开发先进的新型催化剂,以提高低温下CO及HC的转化效率,可能与基于低温等离子理念的新生技术相结合,适应HCCI特定的废气排放。介绍了初步研究结果：在HCCI燃烧下定义氧化催化剂的边界条件。为此,在1辆装有2．2L4缸机的乘用车上,对窄角直喷（NADITM）双模式发动机（低负荷下的HCCI燃烧转换到高负荷下的常规燃烧）的CO和HC排放特性做了详细研究。法规排放物（COx总碳氢）由标准气体分析装置测量,HC物种分析由连接在火焰离子化分析仪系统上的C1-C9气相色谱仪进行。此外,醛和酮的排放用高压液相色谱仪分析。结果表明,HCCI燃烧易造成比常规燃烧更高的甲烷排放,且高EGR率会导致较高的含氧物（尤其是甲醛）排放。假如醛在催化剂热起后容易转化,那么,甲烷在该温度下就不会被氧化。今后将确定HCCI专用高效氧化催化剂的成分,并制造催化剂和进行测试,以达到CO和HC排放标准。在排气管中还将安装低温等离子反应器以促进氧化反应。     

将内燃机摩擦减小到最低程度

降低摩擦为汽油机和柴油机进一步降低燃油耗和CO2排放提供了巨大的潜力。Daimler公司通过对实际案例的分析评价，得出最为有效的技术措施。     

地铁车站通风空调系统生命周期CO2排放量研究

以地铁车站能耗和CO2排放量最多的车站通风空调系统作为研究对象,确定其CO2排放量计算方法,并探究其CO2排放特征.建立了基于生命周期理论的地铁车站通风空调系统CO2排放量计算模型.以计算模型和工程实例参数为依据,计算分析了典型车站通风空调系统生命周期CO2排放量.结果 表明,案例车站的CO2排放强度明显高于普通建筑,每年单位制冷量所产生的CO2排放量达917.39 kg/(kW·年);CO2排放量在运行阶段生命周期中占比最大,达97.87％;冷源水系统在各子系统中排放量占比最大,为39.42％.