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。     

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。     

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。     

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。     

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％。     

尿素选择性催化还原转化器分析技术（第2部分）——催化剂反应过程模拟

作为一项极有前途的能降低柴油机氮氧化物（NOx）排放的技术,尿素选择性催化还原（SCR）系统受到了广泛关注。开发了尿素SCR催化反应模型,用于分析催化剂表面尿素的分解反应及其详细的化学反应。通过对催化转化器内部的直接测试分析,证实了尿素分解反应模型的有效性。采用新开发的模型,可以成功地预测安装尿素SCR系统的车辆在各种实际行驶条件下的废气（如NOx和氨）排放性能。     

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。     

EMD公司继续开发710系列柴油机

美国EMD公司最近宣布,它已生产了第7500台710系列柴油机。在过去的24个月中,EMD公司共取得37项有关其710系列发动机减少排放和改善燃油效率新技术的专利。710系列发动机达到美国环保局（EPA）Tier2排放标准,其中的12—710G3B．T2型和16-710G3B-T2型柴油机已于2006年获得欧盟Directive97／68EC排放法规的Stage3a限值达标认可。EMD公司期望下一步能在不需要采用尿素后处理措施来减少NOx排放的情况下达到Stage3b级排放标准的限值要求。     

Volvo公司推出符合2010法规的实测卡车

Volvo卡车配备了选择性催化还原系统（SCR）以符合美国环保署2010年排放法规的要求。Volvo卡车北美公司对这些卡车进行了实地测试。Volvo卡车北美公司董事长兼首席执行官指出：“这是空气净化领域的一个里程碑,其燃油经济性和可靠性等性能可以满足用户需求。根据其他领域的经验,采用SCR技术可以降低NOx排放,提高燃油经济性。”Volvo公司针对2010标准制定了技术解决方案,开发了采用柴油颗粒过滤器和废气再循环系统的以及适合现状的排放控制技术。同时还借鉴SCR技术在欧洲市场的丰富经验,Volvo在欧洲生产了100000多辆新型卡车。2007年已对11辆采用SCR技术的卡车进行实地测试,其余安排在2008年。     

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。     

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（第二部分）

2008年中期,Volkswagen公司在美国推出一种装有共轨柴油机的VW Jetta型轿车,它满足Tier2 Bin5的排放限值。为了实现这一目标,通过机内措施和使用NOx排气后处理系统,对安装在欧洲VW Tiguan和Audi A4型轿车中的欧5共轨柴油机作了进一步改进。第二部分介绍NOx后处理系统的开发,同时探讨一种新型运行模式系统的协调以及车栽诊断系统的功能。     

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。     

现代化的喷油系统应对未来大功率柴油机排放法规的挑战

能够满足EPA Tier 4最终版排放标准要求的大功率柴油机刚刚投放市场。EPA劣化系数测试和现场验证进展顺利。目前尚无有关其坚固性、可靠性和耐久性的统计结果。据文献报道,目前市场上解决排放问题的方案有:CRS1 800 bar+SCR和CRS 2 200 bar+EGR和DOC。随着燃烧进一步优化,不久将出现共轨系统1 600 bar+SCR+DOC。与EPA Tier 2发动机相比,上述方案均将显著提高成本。EGR和SCR的成本以及冷却和配套要求均使得Tier 4方案的采样变得十分复杂并提高成本。虽然对EPA Tier 4系统的了解还不全面,新的排放标准已经在讨论之中。已经发布了EU Stage 5的提案,其将对PM和NOx的限制更加严格。文章对喷油系统和排气后处理系统的要求进行了概述。大功率发动机用2 200 bar CRS能够达到的怎样的排放标准?这种方案能否满足未来的排放法规要求?文章介绍了喷油系统及其在排放相关负荷点的性能,以及排放与燃油消耗的关联。详细分析了喷油率、喷雾特性以及喷油孔出口的喷雾速度。对一台配有单级和两级涡轮增压器的高速大功率单缸机进行了试验研究。基于重载公路和非公路柴油机的经验,针对未来排放法规,对高速大功率发动机的喷射系统和排气后处理需要达到的条件进行了预测。目前的EU Stage 4和EPA Tier 4重载非公路应用(560 k W)所能达到的标准接近于未来的LE(560 kW)EU Stage 5限值。EU Stage 4为0.4 g/(kWh)NOx和0.02 g/(kWh)PM。当前的公路排放标准处于类似的水平,但附加有PM限值,并已在进行运行测试。现有的重载方案和现有的大功率发动机的业绩为LE EU Stage 5排放达标所可能采取的技术提供了依据。在成本、配套性和结构复杂性方面影响较小的方案是可取的。所有方案必须具有坚固性、可靠性和耐久性。     

TierⅢ法规对船用柴油机增压器布置和设计的影响

国际海事组织IMO TierⅢ法规将在2016年实施,计划在排放控制地区(ECA)内推行更低的排放限值,并且要求2015年起ECA地区内的燃料含硫量降至0.1％.过去几年中研究了各种降低NOx排放的方法,比如油水乳化、空气加湿和米勒循环,然而这些方法不能经济地满足新限值的需要.如果以增压器开发为关键突破口迎接将来的生态和经济挑战,重点在于两项重要技术:排气再循环技术(EGR)和利用选择性催化还原技术(SCR)进行的排气后处理方法.两种技术都与增压系统有相当的关联.SCR产生效果需要一定的温度,这与燃料含硫量相关,所以可布置在增压器的上游或下游,在这两种情况下,催化剂的压力损失都必须由增压系统补偿.EGR系统对进气量影响很大,正在研究如何应对EGR率达到45％的情况.同时,因为清洁燃烧需要恒定空燃比,所以要求进气压力比更高.两级增压系统对高低压各级部件作了优化后,可适应EGR系统的特殊要求.     

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。     

针对乙醇优化的Saab9-5型生物能源汽车的燃料经济性和排放

Saab汽车公司推出1款生物能源发动机,燃用乙醇燃料时,能借助提高涡轮增压器压力和点火提前角提高性能。这款2L涡轮增压发动机与Saab9-5型2t汽车配套,燃用汽油时的功率为112kW,燃用E85燃料（85％乙醇,15％汽油）时的功率增加了20％,为134kW。美国法规要求境内销售的柔性燃料汽车使用联邦认证汽油或E85乙醇汽油时,车辆的排放性能必须都合格,而欧洲法规仅要求车辆在用汽油时的排放性能合格。由于美国不断增加对使用乙醇燃料的兴趣,能源部和橡树岭国家试验室要求对符合欧洲技术标准的2007年Saab9-5型2t生物能源汽车进行基准评估。按联邦测试循环（FTP）和公路燃料经济性测试循环对该车型进行测试的结果表明,其汽油等效燃料经济性与同类符合美国法规的柔性燃料汽车处于同等水平。而按FTP和美国2006年（US06）严酷测试循环（FTP的补充部分）试验时所测得的法定和非法定排放物表明,尽管欧洲没有要求用E85燃料或按关国工况进行认证试验,但该车仍满足美国第2阶段第5级（Tier2Bin5）排放标准（但没有测定全使用寿命的排放）,而且在6400km的US06排放法规限值以内。在燃用联邦认证汽油时,碳氢化合物排放较多;用乙醇汽油时,乙醇和醛类排放较多。在底盘测功器和道路上的加速性试验均证实,燃用E85时能达到所宣称的功率增加量。     

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。     

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。     

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。     

VMMotori公司新型R750发动机系列

针对非道路用车辆的排放法规要求,研究人员正重新审视发动机设计,并为零部件引入最新的技术和定制排气后处理系统。降低颗粒排放是影响发动机整体性能和价格的关键问题之一。目前,业界还没有一种统一的解决办法。部分制造商采用高压燃油喷射与高效的柴油氧化催化转化器组合的方式,而另一些制造商则依靠主动再生柴油机排气颗粒过滤器技术或单用选择性催化还原技术来达到欧盟第4阶段和美国第4f阶段排放标准。考虑到上述方法的利弊,VMMotori公司决定采用一种新技术,将柴油氧化催化转化器与分流式颗粒过滤器（PM—Metalitg）用于新型R750发动机系列。讨论这种方法的优点,同时介绍为达到排放限值所进行的应用性研究。介绍PM—Metalit技术无须维护保养就可降低颗粒排放的物理及化学机理。此外,还将讨论模拟实际运行条件得出的试验结果。