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。     

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。     

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。     

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。     

满足美国第2阶段第5级排放限值的Bluetec排放控制系统

近年来,柴油机在欧洲轻型车的市场份额持续增长,而北美市场的柴油机份额却仍很小。直至最近,柴油机仍可不使用活性的氮氧化物（NOx）后处理系统,仅通过发动机机内优化措施就能满足欧洲和北美的Nox排放限值要求。但美国于2007年引入第2阶段（Tier2）第8级（Bin8）和Tier2第5级（Bin5）排放法规后,大部分新柴油机都将需要采用No,后处理系统。降低稀燃排气中NO：的一种可行技术是NOx吸附催化器,它是汽油直接喷射发动机的公认选择。Daimler公司已将其用于现行的柴油机BluetecⅠ系统。对于中重型汽车来说,尿素选择性催化还原（SCR）系统是满足NOx排放限值的首选技术之一。用于重型载货车的尿素-SCR系统已投入批量生产,并正将其开发用于大型客车,以满足美国Bin5法规。论述了满足Bin5排放法规的Bluetec排放控制系统的要求,包括柴油氧化催化器、催化型柴油颗粒过滤器和SCR催化器,也讨论了满足这些要求的方法,为此介绍了一些包括模拟气测试、发动机台架测试,以及车辆评估等在内的研究结果。     

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。     

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。     

2013年车用发动机排放控制回顾（上）

回顾了2013年汽车排放法规和车用发动机排放控制技术的重要进展。介绍该领域排放法规的主要进展,包括美国建议收紧轻型车污染物排放标准,以及欧盟制定车辆实际行驶排放标准的情况。在应对严重的空气质量问题方面,中国和印度出现值得注意的转变。简要阐述了发动机燃油的发展状况。估计目前正处于石油稳定供应的初期阶段,有可能使燃油价格保持稳定。轻型车和重型车的发动机技术促使效率明显提高。回顾了汽油机和柴油机在满足现行氮氧化物和温室气体排放法规方面取得的重要进展。证实或不久将证实,重型发动机可以采用常用的方法达到50％有效热效率。回顾了包括选择性催化还原系统和选择性催化还原过滤器在内的氮氧化物控制技术进展,重点是低排气温度下的氮氧化物减排,以及各种部件的整合和控制。柴油机的颗粒减排技术正在围绕积灰特性和选择性催化还原一体化方面发展。直喷汽油机使用的颗粒捕集器正在快速发展,在某些情况下,这种捕集器的背压、点火特性和减排功能已与三效催化转化器的十分接近。氧化催化转化器的发展涉及一些棘手的问题,如排气中碳氢化合物和CO较高时的低温减排性能,以及甲烷氧化问题。讨论了汽油机气态排放物控制技术的主要进展,重点是发动机标定与排放控制系统的匹配,以及稀燃汽油机的排放控制。上半部分介绍排放法规、燃油,以及发动机技术的发展情况。     

2013年车用发动机排放控制回顾（下）

回顾2013年汽车排放法规和车用发动机排放控制技术的重要进展。介绍该领域排放法规的主要进展,包括美国建议收紧轻型车污染物排放标准,以及欧盟制定车辆实际行驶排放标准的情况。在应对严重的空气质量问题方面,中国和印度出现值得注意的转变。简要阐述了发动机燃油的发展状况。估计目前正处于石油稳定供应的初期阶段,这有可能使燃油价格保持稳定。轻型车和重型车的发动机技术促使发动机效率明显提高。回顾汽油机和柴油机在满足现行氮氧化物和温室气体排放法规方面取得的重要进展。证实或不久将证实,重型发动机可以采用常用的方法达到50％有效热效率。回顾包括选择性催化还原系统和选择性催化还原过滤器在内的氮氧化物控制技术进展,重点是低排气温度下的氮氧化物减排,以及各种部件的整合和控制。柴油机的颗粒减排技术正在围绕积灰特性和选择性催化还原一体化方面发展。直喷汽油机使用的颗粒捕集器正在快速发展,在某些情况下,这种捕集器的背压、点火特性和减排功能已与三效催化转化器的十分接近。氧化催化转化器的发展涉及一些棘手的问题,如排气中碳氢化合物和CO较高时的低温减排性能,以及甲烷氧化问题。讨论汽油机气态排放物控制技术的主要进展,重点是发动机标定与排放控制系统的匹配,以及稀燃汽油机的排放控制。下半部分介绍车用发动机排放控制技术的发展。     

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。     

北美重型商用车用Paccar MX型柴油机

美国2010排放标准是目前对重型商用车发动机实施的最为严格的排放法规。PaccarMX12．9L重型柴油机是根据美国2010排放法规要求为北美市场开发的。以欧洲（欧5）MX机型为例，介绍发动机方面所采取的措施和排放技术，以及与亚琛FEV发动机技术公司紧密合作开发出的一种新型综合性废气排放调节方案。     

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。     

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。     

欧6商用车采用冷却废气再循环降低氮氧化物的潜力

在欧5标准和美国2007年的商用车排放标准中，氮氧化物和颗粒的限值对发动机及其排气后处理技术提出了极高的要求。美国2007标准和欧5标准已经生效。更大的技术挑战即将来临。2010年1月起，美国2010标准在美国实施，欧6标准有望于2013年实施。必须遵守这些限值的商用车发动机目前已开始研发。Behr公司正在为这些新发动机提供低温废气再循环技术，力求通过这种技术达到欧洲和美国的排放限值。     

商用车柴油机技术的发展

为适应全球市场的需要,日本已确定了2009年之后的轻型车及重型车排放法规。日本的柴油机技术正是伴随排放法规及降低燃油耗要求的不断提高而取得进步的。描述了自然吸气发动机及增压发动机的技术发展动向,介绍了这类发动机采用的新技术和新装置。同时,对柴油机喷油系统及排气后处理装置的技术变迁作了介绍。     

低温废气再循环及低压缩比对降低欧6柴油机氮氧化物排放的影响

采用低温废气再循环（EGR）和低压缩比降低氮氧化物（NOx）排放,开发大型多功能运动车用欧6柴油机。低温EGR是通过低温EGR冷却液来降低再循环废气的温度,因而能在颗粒排放相同的情况下降低NOx排放。由于燃烧温度低,低压缩比可降低NOx排放。这两种方法在实际应用中部适用于常规柴油机。另一方面,EGR冷却液温度和压缩比过低可能会导致一些问题,如EGR积炭和冷起动能力不足等。因此,必须具备避免产生这些异常现象的NOx排放降低策略。结果表明,低温EGR在EGR流量较低的低负荷条件下可显著降低NOx排放,在新欧洲行驶循环的14个32．况点,可降低NOx排放约4％。考虑到冷起动的持续时间、怠速变动系数和生产偏差,将压缩比确定为15．2。在调整EGR率和主喷油定时以保持相同的颗粒排放后,将压缩比调至15．2可降低NOx排放约5％。     

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。     

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％。     

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。     

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。