符合新興市場廢氣排放法規(guī)要求的柴油機開發(fā)

【德】 Busch H Henning L K?rfer T Severin C

0 前言

近年來，全球越來越多的轎車銷售從傳統(tǒng)的歐洲市場和北美市場轉(zhuǎn)向新興市場。其中，特別是所謂的“金磚四國”（巴西、俄羅斯、印度和中國）市場份額明顯增長。最初，這些國家以銷售汽油車為主，后來，柴油車的銷量也逐年增大。本文介紹了柴油轎車及柴油輕型貨車在這些國家所面臨的挑戰(zhàn)和必須作出的努力?？紤]到這些國家與歐洲市場法規(guī)間存在重大差異，首先，探討了原始排放滿足未來排放限值要求的潛力。隨后，針對上述新興市場，特別是以當?shù)厝加推焚|(zhì)為背景，對排氣后處理技術進行了討論。

1 “金磚四國”的特殊邊界條件

圖1為“金磚四國”采用新廢氣排放法規(guī)的時間表。由此得出以下結論：所有國家都緊跟歐洲排放法規(guī)，但至少滯后1個階段。當前歐洲實施歐5排放標準，而大多數(shù)“金磚國家”則實施歐4排放標準。值得一提的是，至少在印度和中國的大城市（印度的11個大都會，中國的上海和北京）與其國內(nèi)其他地區(qū)實施的排放法規(guī)有所不同。據(jù)估計，這些人口密集的大城市會取消更嚴格的排放法規(guī)，而在城市以外的區(qū)域?qū)嵤┑呐欧欧ㄒ?guī)則會提前。以歐5排放標準為例，中國打算取消排放標準的地域?qū)嵤┎町?，全國?012年統(tǒng)一實施歐5排放標準。因此，針對中國市場，提出了柴油轎車要滿足歐5排放法規(guī)的問題。本文介紹了尚待討論的邊界條件，且提出了可能的解決方案。

除了排放限值之外，“金磚四國”的測試循環(huán)也有所不同。俄羅斯和中國采用新歐洲行駛循環(huán)（NEDC），巴西輕型貨車用FTP75測試循環(huán)，而印度定義了一種限速90 km/h的NEDC。此外，還有一些國家特有的廢氣排放專門測試方法，比如在一定的海拔高度下，發(fā)動機自由加速運轉(zhuǎn)時的煙度測定。

與歐洲轎車市場相比，第2個重要差異是得到保障的氣候邊界條件。對于歐洲轎車市場而言，典型的環(huán)境溫度為-25～40℃，海拔高度均低于2 500 m。而在俄羅斯市場卻可能出現(xiàn)明顯低于-25℃的溫度，這種氣候條件對冷起動和實際行駛特性都產(chǎn)生巨大的影響。隨之而來的挑戰(zhàn)是發(fā)動機或特定汽車部件的結冰問題。同時，對于南美市場而言，必須確保適應約4 000 m的海拔高度。對增壓器保護、高海拔冷起動性能、再生，以及拖動行駛等都必須予以相應的考慮及處理。

第3個差異是燃油品質(zhì)和發(fā)動機關鍵部件的分散度也與歐洲市場有所不同。這里最關鍵的是燃油含水量和催化劑毒素，特別是硫含量。含水量較高，可借助于燃油濾清器將其分離，而且相對較容易發(fā)現(xiàn)，而硫含量則非常討厭。在“金磚四國”，可能不得不使用含硫量5 000×10-6的燃油，而歐洲規(guī)定的燃油含硫量為10×10-6，這一嚴重差異對車輛排氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大壓力。

2 原始排放潛力

在成熟的西歐柴油機市場，所有原主機制造商為達到歐5排放標準已達成一致。典型的歐5發(fā)動機都運用冷卻的高壓廢氣再循環(huán)（EGR）與高壓噴油系統(tǒng)相結合的技術。采取這種技術組合的柴油車按NEDC運行時，根據(jù)不同的汽車類型及汽車聲學要求，典型的顆粒（PM）原始排放量被控制在20～40 mg/km以內(nèi)。采用封閉式柴油顆粒捕集器（DPF），在可接受的再生間隔下能夠確保車輛達到歐5排放標準規(guī)定的PM排放限值，即5 mg/km。在歐洲以外的一些市場，這一技術組合具有一定的風險及缺陷，不僅燃油品質(zhì)參差不齊，而且在市內(nèi)人口密集區(qū)低負荷運行時會導致再生困難。因此，按NEDC運行時，將PM原始排放降至10 mg/km以下，原則上是值得追求的，這使采用開放式DPF的后處理方案成為可能。因為提高開放式DPF的凈化效率，有可能提高PM原始排放。改進結構有可能提高凈化效率，但往往受可支配空間的限制。特別是存在DPF過載的危險，由于使用劣質(zhì)燃油，這一危險性被進一步增大。

針對采用DPF的標準型歐5發(fā)動機方案，進行了進一步降低機內(nèi)PM排放潛力的分析。為了評估達到低原始排放水平的可能性，首先必須找出降低PM排放的運行條件，從而挖掘出降低測試循環(huán)中PM排放的潛力。NEDC中的排放測試分析顯示，不同等級的汽車，其PM排放大多來自于平均有效壓力為0.5～1.5 MPa的中、高發(fā)動機運行負荷。為了在這一運行范圍內(nèi)降低PM排放，采取了以下措施：（1）改善噴油系統(tǒng)，亦即提高噴油壓力；（2）提高增壓度；（3）采用均質(zhì)充量燃燒方法；（4）采用低壓EGR；（5）提高EGR冷卻器性能。出于耐久性考慮，低壓EGR不采用封閉式DPF方案。在所討論的情況下，進一步提高EGR冷卻器性能是不切實際的，因為在基型設計時，EGR冷卻器的出口溫度在暖機運行時只略微高于120℃，而EGR溫度的進一步降低將導致EGR管路的積炭風險增加。因此，為了顯著降低原始排放，首先采取了提高增壓度和噴油壓力的措施。圖2表示采用180 MPa噴油系統(tǒng)的傳統(tǒng)單級增壓發(fā)動機與采用改良的增壓系統(tǒng)和200 MPa噴油系統(tǒng)的發(fā)動機在部分負荷運行工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，平均有效壓力為0.6 MPa）進行的對比。在相似的噪聲激發(fā)水平下，采用較小噴油孔的噴嘴時，較高的過量空氣系數(shù)和改善的混合氣形成顯著減少了PM排放。通過這些措施組合，測試循環(huán)中的PM排放減少了約50%。

觀察PM特性曲線圖發(fā)現(xiàn)，平均有效壓力低于0.4 MPa時，低負荷運行為降低總PM排放作出了重要貢獻。為實現(xiàn)濃預混合燃燒，在這一運行范圍內(nèi)，采用均質(zhì)充量燃燒方式是有利的。不過，值得一提的是，在“金磚四國”經(jīng)常會出現(xiàn)參差不齊的燃油品質(zhì)，因此，也許只有裝用氣缸壓力引導的發(fā)動機控制系統(tǒng)后，采用濃均質(zhì)充量燃燒方式才是可行的[1]。考慮到上述措施，運動型多功能車（SUV）配裝2.0 L發(fā)動機，能使其PM排放量達到約12 mg/km。新的技術措施能進一步降低PM排放，但對于采用開放式DPF而言，目標窗口還不夠大（圖3）。

除了上述討論的機內(nèi)措施之外，還可通過改變變速器速比移動測試循環(huán)中的發(fā)動機運行工況點，使其移向較高轉(zhuǎn)速和較低負荷（提升速度），或者采用較大排量的發(fā)動機（加大排量），以在氮氧化物（NOx）排放不變的前提下降低PM排放。在不附加采取降低燃油耗技術措施的情況下，上述措施都會影響燃油耗，這在對燃油耗極其敏感的印度市場尤為不利。采用起動-停車系統(tǒng)與發(fā)電機管理相結合，可彌補減小變速器速比和/或采用較大排量發(fā)動機的缺陷。不過，這里無法期待有進一步減排的優(yōu)勢。不斷減小基本型發(fā)動機的摩擦對降低燃油耗十分有益，但對降低PM排放的優(yōu)勢很小。經(jīng)過對提升速度和加大排量，以及上述降低原始排放措施的評估，再次表明其具有明顯改善PM原始排放的潛力（圖4）。中級轎車的PM原始排放值降至7～8 mg/km，使開放式DPF方案有可能滿足歐5排放法規(guī)要求。但就SUV這類大型乘用車上討論運用的技術組合而言，只能達到約10 mg/km的最低原始排放水平。

為了進一步降低排放，雖然各種車輛都有可能不采用封閉式DPF的排氣后處理方案，但必須實施進一步的技術改進。這時，噴油系統(tǒng)通過進一步提高最大噴油壓力[2]和噴油率自由度[3]獲得了更大的潛能。但這種技術組合的成本較高，與“金磚四國”柴油機化的要求相對立。此外，高性能噴油系統(tǒng)的穩(wěn)定性會因低劣的燃油品質(zhì)而受到損害。對于大型和重型汽車而言，不采用封閉式DPF的歐5排放方案是非主流方案。因此，采用封閉式DPF是一種挑戰(zhàn)，在柴油轎車的特殊運行條件下，“金磚四國”必須接受這一挑戰(zhàn)。

3 排氣后處理

綜上所述，“金磚四國”的特點是不僅行駛循環(huán)負荷低，而且燃油品質(zhì)低劣。特別是其燃油中含硫量高，限制了排氣后處理的性能。燃油中的硫幾乎全部以二氧化硫（SO2）的形式供給排氣催化轉(zhuǎn)化器，其中一部分被催化轉(zhuǎn)化器吸附。這里，最重要的機理是SO2直接積聚或是SO2氧化生成的三氧化硫（SO3）的吸附，而積聚效率隨溫度、空速，以及廢氣中的SO2濃度而變化。一部分硫堵塞催化轉(zhuǎn)化器的活性中心，從而減小有效轉(zhuǎn)化率[4]。這里，不僅涉及HC和CO的轉(zhuǎn)化，而且關系到二氧化氮（NO2）的生成。這時，NO2的生成對硫化最敏感，因為它幾乎在HC和CO氧化完全結束后才進行。

圖5表示2種不同的柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）技術在硫化和脫硫狀態(tài)下NO2的生成與溫度的關系。在HC起燃范圍內(nèi)，首先降低機內(nèi)形成的NO2，然后才在較高溫度下生成NO2。硫引起的催化轉(zhuǎn)化器失活作用不僅影響較高溫度范圍內(nèi)CO的氧化，而且在較低溫度下以較弱的形式影響NO2的下降。催化涂層抗硫優(yōu)化不僅減小了硫的積聚量，而且降低了NO2的生成活性。實例中，提高抗硫性都會伴隨基礎活性的降低，從而必須對不同用途時的穩(wěn)定性和活性作出妥協(xié)。

NO2濃度的降低使PM被動再生減弱。對于封閉式DPF來說，必須相應縮短再生間隔，以防止DPF過載。對開放式DPF而言，平衡點移向較高的碳煙質(zhì)量，不僅因NO2/碳煙比較低，而且因PM的密度較高，根據(jù)開放式DPF的種類不同，或多或少可提高凈化效果。一旦平衡點超過開放式DPF所允許的最大碳煙質(zhì)量，需實施相應的主動再生策略。

除了催化劑失活作用的后果及與此相關的被動再生方面的缺陷之外，硫的積聚量也令人關注。在高溫下，例如在DPF主動再生或在全負荷運行工況下，有時會出現(xiàn)快速的硫解吸。大量SO3生成（具體取決于運行條件）會導致在排氣裝置較冷的區(qū)域排出硫酸鹽，從而形成大量白煙。圖6表示這種白煙的形成出現(xiàn)在按NEDC運行的DPF再生時。白煙借助于不透光度測定。很明顯，最大排放量出現(xiàn)在空速較小時，且與SO2釋出量呈相反關系。為了避免高煙度排放，采用了一種特殊的脫硫策略。這時，在DOC中產(chǎn)生的溫度被優(yōu)化到均勻釋放硫，并與排氣裝置的最低溫度相協(xié)調(diào)。脫硫與DPF再生相結合，使燃油耗降至最低。如圖6中曲線所示，優(yōu)化的策略能抑制由嚴重白煙造成的不透光度值。

除了燃油中含硫量高的不良影響外，新興市場的另一特點是實際行駛循環(huán)的負荷度很低，從而提高了對DPF再生安全性的要求。最好，再生策略應針對低負荷和怠速運轉(zhuǎn)進行設計。根據(jù)動力系統(tǒng)邊界條件的不同，有時不得不承受機油稀釋的問題。這里，采用燃油添加劑或從外界供給燃油等再生措施可能是有益的。采用缸內(nèi)后噴策略時，可通過更多次噴射，并結合合理分配早后噴和晚后噴，有效地減輕機油稀釋問題，但對噴油系統(tǒng)的要求也相應提高了。

4 結語

“金磚四國”在選擇原始排放措施和排氣后處理方案時，不僅需要考慮賈用問題，更重要的是要顧及到可靠性。出于這一原因，歐4車型應放棄封閉式DPF，而歐5車型，至少在短期內(nèi)，封閉式DPF可能是必需的。雖然結合采用機內(nèi)技術能進一步提高增壓度和噴油壓力，以及噴油率的靈活性，此外，還蘊藏著降低排放的巨大潛力，但它仍達不到與凈化率較低的開放式DPF相配的低原始排放水平（＜10 mg/km）。然而，在運用封閉式DPF時，仍應盡可能實現(xiàn)低的機內(nèi)PM排放，以在低燃油品質(zhì)和低負荷行駛循環(huán)的特殊挑戰(zhàn)下使再生間隔最大化。為了避免燃油含硫量對排氣后處理造成不利影響，催化轉(zhuǎn)化器的催化涂層要對其抗硫性進行優(yōu)化。為此，必須適當標定脫硫策略。根據(jù)車用發(fā)動機不同的組合，可采用各種不同的再生方法，如多次早、晚后噴或外部燃油供應，以提高再生安全性和減少機油稀釋。