低压废气再循环柴油机对废气涡轮增压器的挑战

行驶动力性好和燃油耗低的柴油机已成为交通运输领域极具吸引力的动力装置。除了成本高外,压燃式柴油机还存在机理性的高氮氧化物和颗粒排放问题。为满足未来排放法规,柴油机面临技术上的挑战。Borg—Warner Turbo＆Emission System公司进行了试验研究和计算,已掌握低压废气再循环（EGR）影响废气涡轮增压器的相关参数,并开发出保护流通零部件的有效措施,从而使可进一步降低柴油机有害物排放的低压EGR系统得到批量使用。     

未来轿车柴油机的系统开发

Mahle公司的试验研究是建立在一种典型的现代柴油机结构基础上的,能够对现在和未来的技术进行系统的试验。这种试验用柴油机具有集成的高压和低压废气再循环（EGR）管路,以及可自由编程的发动机电控单元,因而能在真实的条件下高效地开发新系统。以试验研究EGR技术为例,介绍这种整体式试验方法的优点。     

各种废气再循环策略在多缸柴油机中的适用性——高压回路和低压回路废气再循环系统联合应用的效果

采用1台多缸柴油机在稳态工况下研究了高压回路（HPL）和低压回路（LPL）废气再循环（EGR）系统联合应用对发动机性能和排放特性的影响。在低负荷下,增加HPL-EGR率会导致较高的碳烟排放,而增加LPL-EGR率则会导致燃油耗较高。为了解决这一问题,在低负荷下联合应用HPL-EGR和LPL—EGR系统,能在不牺牲燃油耗的情况下减少排放。反之,在高负荷下,由于泵气损失对燃油耗的影响较小,增加LPL-EGR率并采用较高的增压压力后,能同时减少氮氧化物和碳烟排放。     

匹配EGR和二级增压系统的柴油机性能仿真

为满足未来日益严格的排放法规要求,采用EGR和带有中冷的二级增压相结合的技术可有效降低NOx的排放.针对某6缸柴油机设计了两种不同的二级增压方案,第1种压比分配为高压级∶低压级为4∶6,第2种为高压级∶低压级为6∶4,并在各工况点对两种方案进行了EGR率和放气阀开度优化仿真计算.计算结果表明,采用EGR的二级增压系统较...     

Volkswagen公司的柴油机模块化标准部件

Volkswagen公司新一代涡轮增压直喷式（TDI）柴油机是其模块化策略的重要组成部分。该新型柴油机系列必须满足Volkswagen集团对横置式柴油机标准部件的要求,而且,TDI技术必须能满足未来10年的高要求,因此,与上一代柴油机相比,新型柴油机不仅结构紧凑、应用灵活,而且进一步降低了燃油耗和有害物排放。     

清洁柴油机——燃油喷射系统和排气后处理系统的未来发展趋势

柴油轿车的成功要归功于其低转速下的高扭矩和较低的燃油耗。而更加严格的排放标准（特别是降低NOx排放）对柴油机是很大挑战。为了达到严格的排放目标,除了进一步研究燃烧过程外,还必须有先进的燃油喷射系统和排气后处理系统。喷射压力需要达到200MPa甚至更高,并具有高的动态特性以及灵活的多次喷射能力。为了进一步降低NOx,需要使用选择性催化还原装置或稀燃NOx捕集器。如果没有精密的电子控制,这些新的技术大部分无法实现。     

柴油机废气再循环冷却器内部堆积物的评价——堆积层的特性分析

作为降低柴油机氮氧化物排放的有效手段,高增压和高废气再循环（EGR）技术已受到广泛关注。EGR冷却器是EGR系统中的关键部件之一。而在高性能EGR冷却器的使用保养中,必须消除冷却器中的碳粒堆积物。在之前的相关研究中,已报道过EGR冷却器中碳粒堆积物的特性。利用氧化方法预先调查了换热性能的恶化及堆积质量的相关信息。对堆积层的微观研究揭示了EGR冷却器中堆积物的分布情况。换热管内表面形状对堆积层的厚度影响很大。堆积层的体积密度约为0．2g／cm3,远低于文献报道的颗粒密度。     

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％。     

柴油机技术的10年回顾

在过去的10年里,柴油机所面临的最重要课题就是降低排放,改善城市的大气环境。针对这一课题,从1998年到2009年,排放法规限值被4次收紧,并且,涡轮增压、燃油喷射系统、废气再循环及排气后处理装置等众多柴油机技术也得到了显着提高。简要介绍10年来柴油机技术的发展。     

铁路柴油机的排放优化、废气再循环和废气后处理

MTU公司一直密切关注着日益严格的铁路柴油机排放限值,并成功开发出可保证其能够在未来提供经济而有吸引力的铁路柴油机的若干技术方案。本文侧重介绍MTU公司为实现铁路柴油机排放优化而采取的废气再循环和废气后处理两种措施。     

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。     

高速直喷式柴油机在不同废气再循环路线下的瞬态性能

为了满足未来排放法规的要求,各种可供选择的以提高废气再循环（EGR）率的EGR技术路线正受到研究人员的广泛关注,由于稳态排放在不断降低,排放试验运转循环中瞬态部分的排放峰值变得十分重要。因此,需要分析不同EGR技术路线的瞬态性能。对装有冷却式短线EGR和可变截面涡轮增压器的1．9L轿车柴油机采用GT—Power软件进行了1维仿真分析。为了对仿真进行标定,测量了瞬态负荷,包括采用快速二氧化碳分析仪测量瞬态EGR率和气缸压力,以测取放热数据。采集了瞬态燃烧放热率的数据库进行仿真。用瞬态EGR率和进气压力作为选择某一循环正确放热率的判据。     

通过喷入压缩空气改善涡轮增压柴油机的扭矩特性

近年来,Knorr-Bremse制动器公司通过对汽车工业、商用车柴油机领域电控喷油（如共轨）,以及商用车制动装置领域高动态电控压缩空气元器件的开发整合,成功开发出一种主要基于量产元器件且达到初期开发状态的系统。该系统易于集成到进气管上,且能极大改善发动机及车辆的动态响应性和加速性能。     

MAN公司的欧6柴油机

2011年10月,MAN公司在比利时Kortrijk举行的客车展会上推出了其首款欧6柴油机。尽管对于欧4和欧5机型竭力主张仅采用废气再循环（EGR）技术,但MAN公司的第1款欧6柴油机却结合了冷却EGR和选择性催化还原（SCR）技术。     

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。     

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。     

满足未来排放法规要求的MTU解决方案

所有大型的柴油机制造商的开发重点都放在未来即将生效的废气排放法规上。国际海事组织Stage3标准将规定船用发动机在最大标定转速下的NOx排放限值为2g/kWh。针对机车的将从2012年开始生效的欧盟EUIIIB标准规定,NOx+HC的排放限值为4.0g/kWh,颗粒物排放量限值在0.025g/kWh以内。美国环保局规定,输出功率超过900kW发电机组的NOx排放限值为0.67g/kWh,颗粒物排放限值为0.10g/kWh。MTUFriedrichafen公司的柴油机产品遍布全球,应用领域十分广泛,因此需要考虑满足各种主流排放参数要求。最大限度地降低寿命周期成本的最佳技术理念已贯穿在每个应用领域的开发中。根据已生效的排放限值、再冷却条件、燃油经济性要求和燃油品质,可以采用不同技术组合,这些技术包括:燃油喷射、涡轮增压、气门定时、废气再循环和排气后处理。本文通过引用一些应用实例来阐述这些技术方案。     

采用模块化标准部件的Volkswagen公司欧6柴油机

在采用模块化标准部件的欧5柴油机进入市场后,Volkswagen公司的首要任务是采取进一步的机内措施并集成降氮氧化物排气后处理装置开发欧6柴油机。这种模块化基础已成为附加的发动机措施,并且,可选用存储式氮氧化物催化转化器或选择性催化还原技术。     

船舶和机车用高速柴油机废气再循环试验

通过将被冷却的废气混合到增压空气中,可以明显地降低柴油机燃烧时的最高温度和NOx排放量。这项技术在小汽车和载重卡车领域中早已大量应用。本文以MTU公司的2台经改造的柴油机为例,说明废气再循环(AGR)作为一项众所周知的降低NOx排放,从而经济地满足未来排放标准的技术,亦可以应用于非公路车辆领域。     

采用后喷射改善柴油机的燃烧过程

在一系列运转工况下试验研究了后喷射对共轨直喷式柴油机减排的效果。结果表明,在全部工况范围内,采用后喷射可以降低排气烟度,而热效率和其他排放指标并无恶化。降低排气烟度的后喷射最佳油量为总喷油量的20％。后喷射的最佳定时为紧接主喷射之后。从燃烧室底部观察的燃烧火焰显示,后喷射促进了碳烟的氧化。