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。     

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。     

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。     

马自达公司在日本市场销售新一代清洁柴油车

马自达公司将在2012年春季把新型运动型多功能车的跨界车型MazdaCX-5投放日本国内市场，并计划以此为契机，在日本市场扩大清洁柴油车的份额。CX-5车配装新一代2．2L清洁柴油机（Skyactiv—D2．2），该机型不采用高成本的氮氧化物后处理装置，是能满足日本后新长期排放法规要求的首款乘用车柴油机。     

Freescale公司的可编程电磁阀控制器MC33816

近年来，世界各国相继制定了更为严格的排放法规，要求在今后的5～10年内进一步改善车辆的燃油经济性。为满足这一要求，各汽车制造商及车载电子部件生产商都开展了相应的产品研发工作。日本Freescale半导体公司开发了可编程电磁阀控制器MC33816。该控制器能满足直喷汽油机或直喷式柴油机的应用要求，同时实现降低排放和改善燃油经济性的目标。     

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。     

满足日本排放法规的2．0L直喷式柴油机的开发——稀燃氮氧化物捕集催化系统的开发

为了满足严格的排放法规要求,开发了带稀燃氮氧化物捕集催化剂的排放控制系统;开发过程中的难点是如何在不影响驾驶性能的前提下实现过量空气系数的控制。介绍了新开发的过量空气系数控制系统,该系统已被应用于2．0L柴油机。这一新开发的排放控制系统满足了日本2009年排放法规的要求。     

通用电气运输公司Tier 4船用柴油机的开发

新的排放法规和人们不断变化的观念,正推动着船舶的经营者们去关注降低柴油的可见(颗粒、碳烟)和不可见(气体)排放的新技术。这些新技术会因船舶的具体工作循环和用户偏好而进一步复杂化。为应对日益严苛的排放法规而产生的新技术有:液体喷射后处理,颗粒过滤及缸内处理技术。为满足EPA Tier 4和IMO III排放法规,通用电气运输公司(简称GE公司)开发了不需要尾气后处理的缸内处理解决方案。详细介绍了GE公司在L和V250MDC系列柴油机开发中的研发、验证过程及在其过程中出现的技术难点。这些发动机平台的开发始于2011年,最初围绕着V12和V16机型开展,后拓展至L6和L8机型。在批量生产后,首批投入运营的发动机遇到了一些技术上和用户期望解决的问题。其中许多问题源自于发动机平台为满足排放法规而使用的降排新技术。通过机械设计提升和算法上的改进,这些问题得到了解决。目前,有超过30台发动机成功地投入船舶运营,有的发动机运行时间已超过10 000 h。GE公司EPA Tier 4级IMO Tier III柴油机在商业运用中的运用成果及经验教训将在文章中呈现。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

利用机械增压器降低柴油机瞬态工况排放的研究

一般来说，涡轮增压发动机有增压延迟，而机械增压发动机则不存在这个问题。为了满足日本新长期排放法规，在1台柴油机上安装了机械增压器，由此改善了柴油机瞬态工况和低速扭矩工况的增压特性。在瞬态工况应用更高的废气再循环率，降低了排放。介绍了柴油机使用机械增压的优缺点。     

马自达公司的单一纳米催化技术减少贵金属使用量70％

马自达公司首次将单一纳米催化技术实用化,不但大幅度降低了车用催化器的贵金属使用量,而且提高了废气净化性能和耐久性。这一新型催化器被2009年开始在全球范围内销售的新型Mazda Axela车所采用,地板下催化器的贵金属使用量由0．55g／L降至0．15g／L,减少了约70％,在日本销售的车型还满足了比日本2005年排放法规再降低75％排放的要求。车用催化器的功能就是利用贵金属促进其表面的废气净化反应。传统催化器的结构是在催化器的基体材料上附着贵金属,但由于排气热的原因,贵金属会移动并凝结,变成大颗粒子。这样,贵金属的表面积会减少,从而使催化器性能恶化,因此有必要预先就使用大量的贵金属。     

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。     

国内外机车柴油机排放污染物的法规制定进展与现状

系统介绍国内外机车柴油机排放污染物限值和测定方法法规制定的进展与现状、重点介绍了国际铁路联盟(UIC)、欧洲共同体(ECE)、经互会(CMEA)、国际标准组织(ISO)、美国、日本、捷克、前苏联及中国机车柴油机排放污染物限值与测定方法法规制定的有关情况.     

Jaguar公司推出的第二代柴油机

Jaugur公司推出一款MY2009 3L V6柴油机，整合了大量先进技术，实现了高功率、低噪声和低排放性能。这款发动机可能最终被用于XK型跑车，以取代Jaguar公司与PSA公司和Ford公司共同研发的第一代2．7 L V6柴油机。     

新一代Д49系列柴油机

本文介绍了通过修改结构,采用新工艺和新材料,改进机组特性,装用供油和供气电子控制设备来改进Д49型柴油机的工作结果。由于采用了上述新技术,形成了第三代的Д49系列柴油机,其代表机型是12ЧН26/26型柴油机。内燃机车用21-26ДГ-01型柴油机-发电机组中采用了该柴油机。这种柴油机能满足2012年起生效的EC2004/26EG排放法规的要求。     

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。