車用柴油機超低排放控制技術-孫萬臣

車用柴油機超低排放控制技術孫萬臣2010-04-15我國汽車排放控制趨勢

中國采納歐洲汽車排放標準體系。

2005年發(fā)布國家第三/四/五階段排放標準。北京市2005年底確定提前實施國家第三/四階段排放標準?？傮w來說，鼓勵措施和提前強制實施相結合來促進低排放汽車的生產(chǎn)和使用。我國輕型車新排放標準1）技術上，等效采用歐III/IV的技術內(nèi)容。2）各檢測項目的實施時間將依據(jù)我國國情確定。全國范圍內(nèi)2007/2010年分別開始實施技術推動和競爭需要，廠家部分提前；北京市提前于2005年12月實施III階段。3）試驗用基準油的指標根據(jù)國情微調(diào)。我國重型車/發(fā)動機新排放標準1）技術上，等效采用歐III/IV/V的技術內(nèi)容。2）各檢測項目的實施時間將依據(jù)我國國情確定。預計于2007/2010/2012年開始實施；技術推動和競爭需要，廠家部分提前；

北京市于2005年底提前實施IV階段。滿足新排放標準的技術措施

發(fā)動機改進

燃燒室改進點火系統(tǒng)改進

EGR

電控噴射稀薄燃燒

排氣后處理

三效催化器

NOx催化器汽油車

發(fā)動機改進

燃燒室改進

EGR燃燒過程控制電控高壓噴射

排氣后處理

DOCDPFSCR，LNT柴油車汽油車排放控制技術發(fā)展機內(nèi)凈化技術：空燃比更精確控制；汽油機缸內(nèi)直噴的稀燃技術

（降低排放，有大幅度改善油耗潛力）后處理技術：更先進配方的三效催化器；存儲式NOx還原催化劑（稀燃汽油機用）重型柴油車排放控制標準排放法規(guī)要求：1）PM90%2）NOx80%排放法規(guī)年份CO/g·(kW·h)-1HC/g·(kW·h)-1NOx/g·(kW·h)-1PM/g·(kW·h)-1煙度m-1-注ECE-R49198514.03.518.0—ECE-R49.01歐0199011.22.414.40.70歐Ⅰ1993.104.51.18.00.61①/0.36≤85kW/>85kW歐Ⅱ1996.104.01.17.00.25②Vh≤0.7L/缸n>3000r/min1998.104.01.17.00.15Vh>0.7L/缸歐Ⅲ2000.102.10.665.00.100.8ESC*或ELR**2000.102.10.665.00.13②0.8Vh<0.7L/缸n>3000r/min2000.105.45NMHC0.78/CH40.160.16/0.21②ETC歐Ⅳ2005.101.50.463.50.020.5歐Ⅴ2008.101.50.462.00.020.5歐Ⅵ2012.120.13（0.16）0.040.01注:“*”表示歐洲固定循環(huán)；“**”表示歐洲負荷響應。重柴排放控制技術發(fā)展ExhaustGasCoolerMVRVChargeAirCoolerDPFEGRReedValveFuelInjectorsAirMeterEGRValvewithSRAforpositioncontrolVGTwithSRAforvanecontrolSCRUreaDosingSystemUreaDosingECUEGRMixer(venturi)NOxWRAFHumidityPMcontrolstrategyforurbanvehiclesNOxcontrolstrategyforlonghaulECUE3實現(xiàn)歐4的技術策略10廢氣再循環(huán)

EGR依靠將一部分發(fā)動機排出的廢氣再次導如發(fā)動機汽缸中，將引入的空氣和循環(huán)廢氣混合，降低絕熱的火焰溫度并（在柴油機中）減少過剩的O2。廢氣還會增加混合氣的比熱，從而降低燃燒溫度的峰值。降低汽車尾氣中NOx的生成。柴油機的排氣再循環(huán)クールドEGRのガス通路內(nèi)に吸入空気が侵入し、逆流を起こすことを防ぐために逆止弁を採用。これにより空気は一方向にのみ流れ、EGRガスを無駄なく燃焼室に送り込むことができます。

形式1－廢氣進入壓氣機入口形式2－廢氣進入口在壓氣機后柴油車排放控制技術發(fā)展柴油機機內(nèi)凈化技術：1）EGR：降低NOx。2）電控高壓噴射技術，如共軌、泵噴嘴降低PM、NOx上述措施可以滿足歐3排放要求。但上述機內(nèi)凈化技術不足以滿足歐4、歐5排放法規(guī)要求中重型柴油車排放控制技術發(fā)展中重型車用柴油機實現(xiàn)歐Ⅳ應具有的基本條件中重型車用歐Ⅳ柴油機必須建立在一臺有良好基礎的電控歐Ⅲ發(fā)動機基礎上。國外典型的12～13L車用歐Ⅳ柴油機具有如下特征:采用直列6缸形式，單級帶空-空中冷渦輪增壓系統(tǒng)，同時匹配排氣旁通閥和可變截面渦輪增壓器或復合增壓系統(tǒng)，或采用二級增壓系統(tǒng)?？刂七M氣溫度很重要，進氣溫度每減低1℃，NOx可減少0.5%～0.67%。b.采用鑄鐵缸蓋、水冷、4氣門結構，噴油嘴垂直中置。4氣門結構有使發(fā)動機功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潛力。c.機體采用鑄鐵，水冷、濕式缸套，內(nèi)置式機油冷卻器。d.采用整體鋁活塞/鋼頂鋁裙組合活塞/整體鋼活塞。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展e.燃油系統(tǒng)采用電控共軌系統(tǒng)/電控單體泵/電控泵噴嘴/HEUI/高壓噴射系統(tǒng)。需電控、3～5次的多次噴射(包括預噴、主噴、后噴)能力和更高的燃油噴射壓力。如采用共軌系統(tǒng)，額定工況時最大噴射壓力要達到180MPa；如采用電控泵噴嘴或電控單體泵，額定工況時最大噴射壓力要達到200MPa。為使油耗降低，應縮短噴油持續(xù)期，使放熱靠近上止點。借助于噴油規(guī)律實現(xiàn)柔和燃燒。表2為歐洲12～13L車用柴油機燃油系統(tǒng)的構成及預估情況。コモンレールシステムとは、高圧化した燃料をコモンレールに蓄え、各インジェクターへ均一に供給し、燃焼室へ噴射するシステムです。高圧の燃料を噴射し完全燃焼させることでPMを減少させ、噴射を複數(shù)回行うことで燃焼室の高溫化を防ぎNOxを低減させます。このとき重要になるのが、燃料の噴射圧力、噴射タイミングや回數(shù)、噴射量であり、これらを電子制御によりきめ細かくコントロールします。

中重型柴油車排放控制技術發(fā)展年份排放共軌單體泵泵噴嘴直列泵系統(tǒng)2002歐Ⅲ13%37%29%21%2005歐Ⅳ25%45%30%2010歐Ⅴ46%46%8%歐洲12～13L車用柴油機燃油系統(tǒng)的構成及預估情況

中重型柴油車排放控制技術發(fā)展中重型車用柴油機實現(xiàn)歐Ⅳ應具有的基本條件f.進一步優(yōu)化進氣渦流和燃燒系統(tǒng)，采用直口或略微縮口燃燒室，進氣渦流比為0.5～1.5，壓縮比為16.5～18.5。g.缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可達18～22MPa，升功率可達35kW/L。h.進一步控制燃油中的硫含量到50×10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指數(shù)提高到46。i.嚴格控制活塞環(huán)、氣門導管、增壓器軸承等處的機油泄漏量，將發(fā)動機額定工況時機油耗與柴油耗的比值控制到0.1%以下。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展實現(xiàn)歐Ⅳ的兩條主要技術路線要實現(xiàn)歐Ⅳ對NOx和PM都較低的限值，目前有如圖1所示的兩條技術路線:1、優(yōu)化燃燒+SCR路線：先通過噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時提前以降低顆粒物，再使用SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx排放；2、EGR+DPF路線：先通過廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的顆粒物，從而達到同時降低NOx和PM的效果。柴油機實現(xiàn)歐Ⅳ排放的技術路線中重型柴油車排放控制技術發(fā)展路線1：優(yōu)化燃燒+SCR此種路線在歐洲采用較多，簡稱歐洲路線。對于大多數(shù)制造商，發(fā)展現(xiàn)有的發(fā)動機技術是首選的途徑。幾種可選擇的方案：

1、先在發(fā)動機機內(nèi)處理NOx，再處理PM；或者兩者都進行后處理。后者存在一個污染源回收的處理問題。2、沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動機機內(nèi)處理NOx

是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在發(fā)動機機內(nèi)減少PM排放、在廢氣中處理NOx

的措施。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展SCR系統(tǒng)的解決方案:利用商業(yè)用的固體尿素和水(水溶液濃度為32.5%±0.5%)；在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)；將NOx(主要是NO)還原為N2

和H2O。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展SCR系統(tǒng)的工作原理中重型柴油車排放控制技術發(fā)展用于歐Ⅳ發(fā)動機的典型SCR系統(tǒng)示意中重型柴油車排放控制技術發(fā)展優(yōu)點：1、發(fā)動機燃油消耗率比較低，油耗可節(jié)省5%～7%，若扣除因尿素所增加的費用，還將有節(jié)油2%～3%的優(yōu)勢。2、對于燃油品質(zhì)相對不敏感，戴姆勒·克萊斯勒公司認為甚至含硫量350×10-6以下的歐Ⅲ燃油就可以滿足要求。缺點：使用SCR后不但要增加SCR本身裝置的質(zhì)量約150～300kg，另外還要增加1個尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。按100L尿素溶液運行7000km計算，一輛汽車損失的有效載荷在400kg左右。SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動機管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與NOx

的濃度相匹配，在保證降低NOx

的同時，不能超過份量。尿素的噴入量過少，則達不到應有的處理水平，尿素的噴入量過多，則會使多余的氨氣排入大氣，導致新的污染。所以，必須有高靈敏度的NOx

濃度傳感器以及相應的高精度尿素噴射裝置。尿素消耗較快，定期添加尿素的責任也必須由用戶來完成，加大了裝置的復雜性和保養(yǎng)的難度，而且這種裝置的價格也是較為昂貴的。目前歐洲市場每升尿素溶液現(xiàn)價為40歐分，每升柴油現(xiàn)價為42歐分。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展SCR作為新的后處理技術，系統(tǒng)成本高(大約是車輛成本的3%～5%)、初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加1套較復雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)。要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供應，并需要車載診斷(OBD)，同時需要車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時地添加尿素也是目前實施這一路線的現(xiàn)實困難。在溫度較低(-11℃)的情況下，尿素-水溶液會結冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過尿素計量系統(tǒng)的適當加熱措施來解決。在SCR技術的應用方面，目前已經(jīng)基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術問題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機上應用的經(jīng)驗，但還需進一步解決降低SCR裝置成本以及尿素加注站的布局等問題。隨著對SCR技術的開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術在歐Ⅳ機上很快會得到推廣。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展路線2(EGR+DPF)該路線美國采用較多，簡稱美國路線。供油提前角和EGR都對柴油機的NOx

排放和PM排放有較大的影響。減小供油提前角，可以使NOx

排放降低，但會使PM排放和燃油消耗率增加；而增大EGR率，使廢氣與進氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在燃燒過程中降低氣體最高溫度的同時可使NOx

排放降低，但會使PM排放增加。與減小供油提前角相比，燃油消耗率變化不大，所以在采用降低NOx

排放的措施時應首選EGR系統(tǒng)。EGR可有效地降低NOx

排放，但隨著EGR率的增加，缸內(nèi)較低的氧氣濃度將會增加顆粒物的排放，并使發(fā)動機的排氣煙度增加，在中小負荷時煙度值比較小，而大負荷時會使柴油機的排氣煙度增大。為達到歐Ⅳ排放限值，EGR率一般控制在15%以內(nèi)，同時還需配合使用DPF微粒捕集器。然而這項技術卻潛伏著危險:一方面燃料中的硫會使微粒捕集系統(tǒng)中毒失效;另一方面，廢氣中含有的灰分會逐漸地堵塞捕集器，增加排氣背壓，使油耗惡化。因此，有時在DPF的上游增加一個氧化催化轉換器(DOC)，其基質(zhì)用貴金屬如白金涂層，就能夠改進再生過程的效率，還將進一步降低HC的排放。圖4為一典型的中重型車用柴油機配置的EGR+DPF+DOC系統(tǒng)(VGT為可變截面渦輪增壓進氣系統(tǒng))。在某些發(fā)動機上也有只用DPF或DOC來轉化PM的。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展路線2(EGR+DPF)該方案成本比SCR低，但它不適合停車起動操作，因為此時發(fā)動機排溫不可能達到300℃，廢氣中的黑煙無法在顆粒過濾器中燃燒，同時還存在過濾器堵塞的危險。它更適合發(fā)動機排溫高而且比較穩(wěn)定的長途運輸使用。典型的中重型車用柴油機配置的EGR+DPF+DOC系統(tǒng)示意中重型柴油車排放控制技術發(fā)展為使EGR更有效，EGR冷卻系統(tǒng)和散熱器必須比普通的大得多，甚至大于路線1中尿素箱的尺寸，可大多數(shù)發(fā)動機為了減少噪聲進行了空間壓縮，這增加了冷卻問題的解決難度。早期試驗表明在歐Ⅳ發(fā)動機中使用EGR的燃油效率不如SCR。這條路線對燃油品質(zhì)的要求更高，要求硫含量達到低于50×10-6

的水平，理想情況要求達到10×10-6～15×10-

6

的水平，這對于我國的石油工業(yè)要在2010年前達到這一要求似有困難。要在柴油機上實現(xiàn)微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃燒器加熱、電阻加熱或微波加熱，這些也在一定程度上增加了這一路線的油耗和系統(tǒng)成本。因為這些原因，許多生產(chǎn)廠商反對采用EGR系統(tǒng)。當然，這并不意味著歐Ⅴ、歐Ⅵ發(fā)動機也不會采用。目前，采用這一路線的主要廠商有SWRI、SCANIA、MAN等。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展兩條技術路線比較中重型柴油車排放控制技術發(fā)展歐洲Ⅵ排放法規(guī)要點

2008年歐盟正式提出歐洲Ⅵ排放法規(guī)草案，相對于最早提出的歐洲0(NOx

)和歐洲Ⅰ(PM)的限值均降低98%，已接近0排放，相比歐洲Ⅴ和EEV法規(guī)也有大幅降低。歐洲Ⅵ法規(guī)于2012年12月31日起開始實施，并于2013年12月31日前用于所有新車中。

歐洲Ⅴ、EEV、歐洲Ⅵ的NOx、PM排放限值的比較表2列出了歐洲Ⅵ排放法規(guī)中主要有害排放物的限值。表中排放顆粒數(shù)限值待定；PI為正向點火(positiveignition)，火花點火發(fā)動機，主要指使用CNG燃料；WHSC，WHTC為全世界諧調(diào)的靜態(tài)(S)和動態(tài)(T)測試循環(huán)(Worldarmonizeddutycycle)，將在制定后引入，這里是指它們與ESC和ETC測試值相比的修正系數(shù)。中重型柴油車排放控制技術發(fā)展

建議的歐洲Ⅵ排放法規(guī)與歐洲Ⅴ排放法規(guī)相比，歐洲Ⅵ有更嚴格的限制。a)達到排放限值的使用壽命更長；b)除對PM排放稱重限制外，還對PM顆粒數(shù)予以限制；c)在NOx排放限值中，增加對NO2的限值，主要是因為在后處理系統(tǒng)中應用氧化催化器或微粒過濾器后，NO2與NO的比值在增加，而NO2是一種有毒的強溫室氣體；d)建立WHDC(WorldHarmonizeddutycycle)和ETC測試結果之間的關系(尚未完成)；e)建立非使用狀態(tài)下(off-cycle)的排放限值(Not-to-exceed)以及引入全世界諧調(diào)的車載診斷裝置(WWH-OBD)。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢“歐盟綠色計劃”對新一代車用重載發(fā)動機的開發(fā)預定了3個目標：有價格競爭力；高經(jīng)濟性，大力降低CO2和其他溫室氣體排放；接近0排放(包括非使用狀態(tài))。研發(fā)對象是重型載貨車、軌道牽引、大客車等城市運輸動力，并能應用天然氣、GTL、CTL等替代燃料。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

機械開發(fā)“綠色計劃”新一代柴油機平均有效壓力的目標值(Pme>3MPa)，最高燃燒壓力大于24MPa，因此，歐洲Ⅵ柴油機的機械開發(fā)面臨以下新挑戰(zhàn)。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢a)在材料選用和結構設計等方面應充分考慮發(fā)動機主要零部件機械負荷和熱負荷的增加；b)為了改善柴油機排放性和經(jīng)濟性，必須盡可能提高機械效率，要充分運用摩擦學的知識，改進活塞/環(huán)組的密封，改進潤滑系統(tǒng)和潤滑油泵的設計，使用合成潤滑油以減少灰分含量，改進軸承系統(tǒng)設計，使機械效率提高到94%以上，潤滑油消耗率降到0.1g/(kW·h)以下，潤滑油更換周期提高到20×104km以上；c)仔細進行冷卻系統(tǒng)的設計，依靠智能熱管理系統(tǒng)，隨發(fā)動機工況(轉速和負荷)和大氣溫度的變化改變冷卻水的流率，使有關零部件保持最佳溫度狀態(tài)，減少冷卻水泵和風扇的驅(qū)動功率，在發(fā)動機停機后最好仍能使冷卻系統(tǒng)運行一段時間，以避免發(fā)動機內(nèi)“熱點”(hotplots)產(chǎn)生。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

燃燒系統(tǒng)燃燒室形狀、氣缸內(nèi)氣流運動的組織及噴油系統(tǒng)是燃燒系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容，它是影響柴油機性能和排放的最主要因素。盡量挖掘燃燒過程的潛力以減少對價格昂貴的后處理裝置的要求。應用三維模擬軟件，用來對氣缸內(nèi)的氣流運動、燃油噴射、混合氣生成、著火等燃燒過程進行模擬計算；應用激光技術，用于觀察氣缸內(nèi)宏觀氣流運動、油束生成及燃燒過程。減少優(yōu)化燃燒過程的試驗開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。近20多年，人們曾集中力量研發(fā)HCCI燃燒方式，但研究表明，在高EGR率下應用HCCI燃燒方式最高的pme值約為1MPa，距離歐Ⅵ柴油機要求的3MPa甚遠，若采用雙燃燒模式運行，在重載柴油機上不太適合。因此，歐Ⅵ重載柴油機的燃燒方式仍然采用傳統(tǒng)的擴散燃燒方式。為了進一步優(yōu)化性能，將采用各種可變機構，如可變氣門定時、可變進氣渦流等將會得到應用。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

燃油噴射系統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)對柴油機混合氣生成、燃燒和排放起著十分重要的作用。對歐洲Ⅵ重載柴油機而言，電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)可能是目前唯一可供選用的方案，這一系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是噴射壓力與發(fā)動機的轉速和負荷無關。此外，歐洲Ⅵ柴油機還要求對目前使用的共軌系統(tǒng)進行升級換代，其主要要求如下：

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢a)把最高噴射壓力提高到200MPa以上，為了避免共軌系統(tǒng)的大部分元件承受高壓，一般均采用壓力放大系統(tǒng)，放大比為2.5左右(例如BoschCRSN4.2)，這樣就把200MPa以上的高壓集中在噴油器下部的小范圍內(nèi)。圖3示出歐Ⅵ柴油機對噴油壓力的要求。EGR率越高，NOx

排放越低，則對噴油壓力的要求越高，圖上所繪的上下兩條限制線，是由于柴油機的燃燒系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)不同所致。歐Ⅵ柴油機對噴油壓力的要求

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢b)在不同的軌壓下，能夠快速地開啟和關閉針閥，關閉速度從原來的1m/s提高到3m/s，使噴油率曲線接近方波，這樣可增大油束本身的動量，改善混合氣的形成，這對低軌壓和小循環(huán)噴油量運行工況特別有意義。此外，接近方波的噴油率也增加了循環(huán)噴油量，可以使柴油機的功率輸出提高10%以上。石英-陶瓷動作器(piezo-ceramicactuator)直接控制針閥啟閉的噴油器就能滿足上述要求。直接作用式噴油器針閥開啟迅速，噴油器持續(xù)期比常規(guī)電磁閥式噴油器縮短較多，噴孔處的節(jié)流作用減小，油束動量增加，卷吸空氣量增大，混合氣形成得到改善，煙度下降，為滿足NOx排放限值(可采用EGR和推遲噴油提前)和改善燃消油耗創(chuàng)造了條件。應用快速啟閉針閥可使NOx

和PM排放減少30%。c)直接作用式石英-陶瓷噴油器有極佳的多次噴射功能。一次噴射的最小噴油量為0.5mg，兩次噴射之間的最小間隔可達0μs。直接作用式噴油器DFI3和常規(guī)電磁閥式噴油器FI1.3性能的比較

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢d)具備可變噴油率的能力。方波噴油率雖然優(yōu)點很多，但由于進行預混燃燒的油量過多，伴隨而來的就是dp/dφ過大，噪聲增大，雖然可以應用1～2次預噴射和先期噴射(pilot)的方式來減少噪聲，但增加了調(diào)試的工作量，最好能避免。對于電磁閥式噴油器，依靠結構設計，可以實現(xiàn)三角形、靴形和山坡形噴油率。對于直接作用式噴油器可依靠改變石英2陶瓷片堆壓的方式來實現(xiàn)正常噴油率Nor-malrate)、慢速噴油率(slowrate)和極慢速噴油率(veryslowrate)。e)沒有回油和燃油泄漏(Noback-leak)。在石英-陶瓷直接作用式噴油器內(nèi)部包含一個較大的柴油體積，但不能有回油和漏油現(xiàn)象發(fā)生，這樣就可簡化安裝，不需要回油管和燃油冷卻器(即使油壓高達200MPa)，從而減少驅(qū)動高壓油泵的功率，改善燃油消耗。在噴射時，噴嘴內(nèi)部較大的存油體積可以減少壓力波的影響。由于歐洲Ⅵ法規(guī)的PM排放限值很低，絕對不允許潤滑油進入燃油系統(tǒng)，因此原來共軌系統(tǒng)中許多部件的潤滑要重新設計。此外，高壓作用下噴油器工作的耐久性、可靠性需要重新設計，還要對材料、加工工藝和熱處理等多方面進行研究改進。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

渦輪增壓和EGR系統(tǒng)為了增大柴油機的單位排量功率及進一步改善經(jīng)濟性和瞬態(tài)特性，在歐洲Ⅵ柴油機上可能應用以下3種渦輪增壓系統(tǒng):兩級渦輪增壓系統(tǒng)、復合式渦輪增壓系統(tǒng)及電驅(qū)動可變幾何參數(shù)渦輪增壓器(E-VGT)。其中，尤以采用兩級渦輪增壓系統(tǒng)為首選方案。E-VGT方案的特點是電動機/發(fā)電機和渦輪增壓器采用同軸連接，其目的是增加發(fā)動機低速時的增壓壓力及降低加速時因增壓器滯后造成的PM排放增加。由于電動機可以控制增壓壓力，因此也改善了汽車的排氣制動性能。當發(fā)動機高速高負荷運行時，電機以發(fā)電機模式工作，可以限制增壓器超速。一級渦輪增壓器的增壓比已達到極限，采用兩級增壓和復合增壓可進一步提高增壓壓力?？梢?，采用兩級增壓可以進一步改善燃油經(jīng)濟性和增加平均有效壓力25%以上。其中高壓級和低壓級渦輪增壓器可以分開布置，也可以做成一體，便于在發(fā)動機上安裝。此外，為了降低NOx排放，發(fā)動機采用EGR系統(tǒng)后會使PM排放增加，顯然此時采用高的增壓壓力(同時帶來高的燃燒壓力)有利。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

渦輪增壓和EGR系統(tǒng)在歐Ⅵ柴油機上采用冷卻EGR系統(tǒng)，就必需采用兩級增壓，同時兩級增壓又為EGR系統(tǒng)的設置和渦輪增壓系統(tǒng)本身的控制提供了多種方案，由于使用了多個中冷器和EGR冷卻器，必須對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行十分細致的設計。針對高壓比要求的技術措施二級增壓基本原理高壓級采用小體積流量實現(xiàn)級間匹配不同的調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)與發(fā)動機的匹配二級增壓

結構形式—一體化可變特性渦輪

結構形式廢氣放氣閥轉動葉片式---性能更好，成本高可變噴嘴滑動葉片式—可靠性和壽命更好方便可靠的制動

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

排氣后處理系統(tǒng)達到歐洲Ⅵ排放指標難度很大，單靠發(fā)動機本身燃燒過程的改進和使用含S量低的柴油是不可能實現(xiàn)的。因此，對降低PM和NOx均需采用后處理裝置，甚至對NOx僅僅應用SCR裝置還不夠，要求冷卻EGR和SCR結合應用。

柴油機氧化催化器(DOC)DOC的作用是在催化劑(一般為Pt/Pd=0.1～0.3)的幫助下，使排氣中的CO、HC(包括PM中的SOF)、NO及H2氧化成CO2、H2O和NO2。其主要化學反應式為CO+1/2O2—CO2

Cn

Hm

+(n+m/4)O2—nCO2+m/2H2OH2+1/2O2H2ONO+1/2O2—NO2

NO2—NO+1/2O2

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢降NOx技術

NOx催化轉化器（SCR）：從外界噴入還原劑，如氨水或尿素或者柴油，將NOx還原，在柴油車使用過程中要不斷地噴入適量還原劑，噴入量由排氣中HC和NOx比例決定。該方法可靠性高，但需攜帶存儲還原劑的裝置。

NOx吸附器（LNT）：一般由吸附劑和三效催化器組成，因此，除了NOx外，它也能凈化HC、CO以及SOF。實際使用中需要一套發(fā)動機管理系統(tǒng)（如電控系統(tǒng)），以便及時探測吸附器飽和狀況，進而改變發(fā)動機工作狀況而產(chǎn)生富燃條件，從而將NOx還原。

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

選擇性催化還原器(SCR)SCR的作用是利用機外加入的還原劑，在催化劑的幫助下，把廢氣中的NOx還原成N2和H2O，SCR常用的還原劑是稱為AdBlue的水-尿素(water-urea)，常用的催化劑為V2O5-TiO2，整個系統(tǒng)稱為“釩/尿素-SCR系統(tǒng)”(vanadiumurea-SCR系統(tǒng))，其主要化學反應為：(NH2)2CO+H2O—2NH3+2CO2

4NH3+4NO+O2—4N2+6H2O2NH3+NO+NO2—2N2+3H2O4NH3+3NO2—3.5N2+6H2O4NH3+O2—4NO+6H2O研究表明，使用金屬基堇青石(Base-metal-zeolite)催化劑，特別是用Fe，Cu置換的γ2堇青石作為催化劑的“金屬基/尿素SCR系統(tǒng)”(Base-mentalurea-SCR系統(tǒng))，比“釩/尿素SCR系統(tǒng)”的性能要好。因此對γ-堇青石作為催化劑的SCR裝置的深入研究，是歐洲Ⅵ柴油機發(fā)展的一個重要課題。重型柴油車排放控制SCR技術排氣管

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

柴油機微粒過濾器(DPF)DPF的主要任務是把微粒中的炭粒氧化，在非催化式濾清器(Non-CatalyzedFilter)中，炭粒(soot)由O2和NO2進行氧化，主要化學反應式為：C+aO2—(a-0.5)CO2+2(1-a)COC+aNO2—aNO+(2-a)CO+(a-1)CO2柴油車排放控制技術發(fā)展柴油機后處理技術：1）降PM技術：DOC；DPF；C-DPF顆粒捕集器再生技術

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

后處理裝置的組合圖示為3種不同的DPF+SCR的組合方案。A方案DOC緊靠排氣出口，DOC出口是尿素計量和混合處，SCR放在DPF的前面，稱“DOC-SCR-DPF”方案。B方案為DOC之后緊連著DPF，在DPF后的連接管中引進尿素噴射、計量和混合，最后是SCR，稱為“DOC-DPF-SCR”方案。C方案是把SCR的催化劑集成在壁流式濾清器上(WSCR)，稱為“DOC-WSCR”方案。DOC，SCR，DPF的結構形式、催化劑種類、體積大小、連接管的直徑、長短及有無絕熱保護層等將影響后處理系統(tǒng)的熱狀態(tài)和熱響應時間，從而影響催化劑的起輝特性。針對有害成分的轉化效率以及對再生的要求，目前已有的分析程序可對上述各項進行模擬計算，并進行了各種后處理裝置組合方案的比較。C方案的結構最為簡單，但WSCR仍處于研發(fā)階段，下面主要對A方案和B方案進行比較。3種DPF+SCR組合方案

柴油機達歐洲Ⅵ排放法規(guī)的研發(fā)趨勢

后處理裝置的組合a)DOC本身的熱慣性(體積)既影響DOC自身起輝(light-off)時刻，也影響后續(xù)的后處理裝置的熱響應時間，適當選用熱慣性小的DOC，可縮短SCR(A方案)的加熱時間，使NOx的轉化效率提高2%;b)SCR放在DPF前面(A方案)的優(yōu)點是可以減少SCR的加熱時間，從而減少冷起動和低負荷工況下的NOx排放;此外，由于DPF放在后面，DPF有源(主動)再生時，降低了燃料燃燒峰值熱應力對SCR的影響;其缺點是排氣到達DPF時溫度低，產(chǎn)生的NO2減少，連續(xù)再生捕集(continuousregener-ationTrap，CRT)作用降低，從而增加了有源再生的次數(shù)，使燃油消耗率增加;c)DPF放在SCR前面(B方案)的優(yōu)點是有利于DPF再生，可以有效地利用NO2的無源(被動)再生作用，減少有源再生的次數(shù)，提高整機的經(jīng)濟性;缺點是DPF有源再生時的高溫與熱應力將影響SCR，要求SCR的催化劑既具有高溫穩(wěn)定性，又在低溫時有較高的NOx轉化效率;由于DPF熱慣性大，在冷起動時SCR進口排氣溫度很低，使NOx排放增加。歐洲Ⅵ柴油機要結合具體使用要求，合理地選擇后處理裝