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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

满足日本后新长期排放法规的重型柴油机技术

自2009年起，日本实施的后新长期排放法规针对重型车制定了更严格的排放限值。此前，已于2006年制定了严格的重型车辆用燃油耗标准，规定在2015年前，要在满足排放法规要求的同时，达到燃油耗标准。根据这一背景，描述了新E13C型重型柴油机的发展概况，以及采用的设计理念和主要技术规格。着重介绍了如何同时兼顾到改善排放性能与提高燃油经济性，为满足后新长期排放法规要求的新型E13C柴油机所采用的先进技术及其新装备。探讨了新高压共轨燃油喷射系统、新型燃烧室、大容量废气再循环系统、柴油颗粒捕集器和尿素选择性催化还原系统的实际应用与效果。     

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。     

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％。     

为达到欧3排放标准采用Taguchi技术优化重型柴油机的喷油参数

为了追求高功率密度、提高燃油经济性和达到排放标准,柴油机的性能在过去几十年中得到持续提高。燃烧技术、先进的电控喷油以及精确的发动机和喷油参数的开发帮助柴油机实现了环保方面的调整,同时降低了NOx和颗粒（PM）排放。了解发动机和喷油参数,以及它们对排放的影响对于生产更清洁的柴油机极其重要。研究的目的是优化一台重型直喷式柴油机的喷油参数,以尽可能降低法规限制的排放物,从而达到欧3排放标准。为了缩短开发周期,采用了仔细编制的试验设计和Taguchi技术。利用平均值分析、信一噪比分析和方差分析从L9正交排列的试验结果中筛选出最佳的参数。通过分析,保证这些参数能使各排放组分以确定的工程裕度达到欧3排放标准。对诸如凸轮转速、喷嘴流量、喷嘴头部在燃烧室中的凸出量和喷孔数等喷油参数的影响进行了试验研究。其中,凸轮转速会影响喷油速率,喷孔数会影响喷油压力和油束雾化,因而对降低NOx和PM排放起着直接作用。另外,喷嘴头部凸出量会影响到对油柬撞击燃烧室壁的位置,并对PM和HC排放产生中等的影响。就满足欧3排放标准而言,在已确定的试验工况范围内,喷嘴流量对柴油机排放的影响几乎可忽略不计。NOx、CO、HC和PM排放总体上能分别以11．5％、61．5％、76．5％和23％的裕度满足欧3排放标准的限值。此外,与原发动机性能相比,功率和扭矩提高了约30％,全负荷的燃油消耗率降低了10．6％,而且车辆的驾驶性和燃油经济性也得到了改善。     

MTU公司已准备好应对欧3B排放标准

随着欧3B（Euro III B）排放标准将于2012年1月1日开始生效,MTU公司在2010年柏林国际轨道交通技术博览会上展示了它的下一代4000系列柴油机。已获得德国联邦公路运输局认证的新系列柴油机装有颗粒过滤器和废气再循环装置,     

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。     

V8柴油机加入Scania公司欧6发动机系列型谱

为完善欧6发动机型谱,Scania公司开发了1款能满足欧6排放标准要求的V8柴油机,其功率为730hp（537kw）。 2013年初,功率为520hp和580hp的机型上市销售。基于2010年上市的16．4L发动机,开发了上述3款V8柴油机。新欧6机型通过将水冷废气再循环、选择性催化还原,以及可变涡轮截面技术相结合,达到排放法规的要求。据Scania公司称,V8柴油机采用的消声器装置相比安装于欧6直列式发动机上的略大,但仍为燃油箱和AdBlue尿素箱留下了足够的空间。     

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。     

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。     

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。     

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。     

内燃机车制造业中的创新思想

为了满足越来越严格的柴油机排放法规的要求,美国GE公司投资2.5亿美元、历时6年研制开发出创新系列机车,该机车采用先进的12缸柴油机,可以发出与GE目前16缸机同样的功率,但其废气排放却比后者减少40%以上,燃油效率高3%以上。     

水平对置柴油机的开发

水平对置发动机具备较高的动力性能,同时在配装车辆后,还能使车内空间更为舒适宽敞,同时,柴油机因排放二氧化碳更少而广受关注。为此,日本富士重工开发了配装量产乘用车的水平对置柴油机。该款发动机不仅具备优异的动力输出性能和响应性,而且在低噪声、低振动和低燃油耗方面都获得了不错的成绩。同时,由于配装了带氧化催化器和柴油颗粒滤清器的排气后处理装置及废气再循环冷却器,新发动机的排放水平达到了欧4标准。