符合新興市場廢氣排放法規要求的柴油機開發

【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的歐洲市場和北美市場轉向新興市場。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和必須作出的努力。考慮到這些國家與歐洲市場法規間存在重大差異，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，特別是以當地燃油品質為背景，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，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“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）與其國內其他地區實施的排放法規有所不同。據估計，這些人口密集的大城市會取消更嚴格的排放法規，而在城市以外的區域實施的排放法規則會提前。以歐5排放標準為例，中國打算取消排放標準的地域實施差異，全國在2012年統一實施歐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”的測試循環也有所不同。俄羅斯和中國采用新歐洲行駛循環（NEDC），巴西輕型貨車用FTP75測試循環，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，發動機自由加速運轉時的煙度測定。

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生巨大的影響。隨之而來的挑戰是發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個差異是燃油品質和發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，而且相對較容易發現，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產生了巨大壓力。

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發動機都運用冷卻的高壓廢氣再循環（EGR）與高壓噴油系統相結合的技術。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。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，不僅燃油品質參差不齊，而且在市內人口密集區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發動機方案，進行了進一步降低機內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、高發動機運行負荷。為了在這一運行范圍內降低PM排放，采取了以下措施：（1）改善噴油系統，亦即提高噴油壓力；（2）提高增壓度；（3）采用均質充量燃燒方法；（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噴油系統的傳統單級增壓發動機與采用改良的增壓系統和200 MPa噴油系統的發動機在部分負荷運行工況點（發動機轉速為1 500 r/min，平均有效壓力為0.6 MPa）進行的對比。在相似的噪聲激發水平下，采用較小噴油孔的噴嘴時，較高的過量空氣系數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，測試循環中的PM排放減少了約50%。

觀察PM特性曲線圖發現，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。為實現濃預混合燃燒，在這一運行范圍內，采用均質充量燃燒方式是有利的。不過，值得一提的是，在“金磚四國”經常會出現參差不齊的燃油品質，因此，也許只有裝用氣缸壓力引導的發動機控制系統后，采用濃均質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措施之外，還可通過改變變速器速比移動測試循環中的發動機運行工況點，使其移向較高轉速和較低負荷（提升速度），或者采用較大排量的發動機（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-停車系統與發電機管理相結合，可彌補減小變速器速比和/或采用較大排量發動機的缺陷。不過，這里無法期待有進一步減排的優勢。不斷減小基本型發動機的摩擦對降低燃油耗十分有益，但對降低PM排放的優勢很小。經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，高性能噴油系統的穩定性會因低劣的燃油品質而受到損害。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，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。

3 排氣后處理

綜上所述，“金磚四國”的特點是不僅行駛循環負荷低，而且燃油品質低劣。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化器，其中一部分被催化轉化器吸附。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化器的活性中心，從而減小有效轉化率[4]。這里，不僅涉及HC和CO的轉化，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化器（DOC）技術在硫化和脫硫狀態下NO2的生成與溫度的關系。在HC起燃范圍內，首先降低機內形成的NO2，然后才在較高溫度下生成NO2。硫引起的催化轉化器失活作用不僅影響較高溫度范圍內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定性和活性作出妥協。

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量，不僅因NO2/碳煙比較低，而且因PM的密度較高，根據開放式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中產生的溫度被優化到均勻釋放硫，并與排氣裝置的最低溫度相協調。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進行設計。根據動力系統邊界條件的不同，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，封閉式DPF可能是必需的。雖然結合采用機內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，仍應盡可能實現低的機內PM排放，以在低燃油品質和低負荷行駛循環的特殊挑戰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，催化轉化器的催化涂層要對其抗硫性進行優化。為此，必須適當標定脫硫策略。根據車用發動機不同的組合，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。