奧迪FSI發(fā)動機與TDI發(fā)動機尾氣凈化對比分析

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蔣浩豐，江東林

奧迪FSI發(fā)動機與TDI發(fā)動機尾氣凈化對比分析

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蔣浩豐，江東林

FSI是英文“Fuel Stratified Injection”的縮寫，意指燃油分層噴射，是直噴式汽油發(fā)動機領(lǐng)域的一項創(chuàng)新性技術(shù)。FSI發(fā)動機就是“缸內(nèi)直噴發(fā)動機”，采用的是燃油分層燃燒技術(shù)。FSI發(fā)動機在中低速時采用分層注油模式，此時的節(jié)氣門為半開狀態(tài)，當(dāng)壓縮行程接近尾聲的時候，少量燃油直接噴射到氣缸中，空燃比可達30左右，屬于稀薄燃燒。FSI發(fā)動機的優(yōu)點是：燃油消耗量低，HC和 CO的排放大大降低，但是NOx的排放量增加，因此奧迪設(shè)計出了NOx存儲式催化器來降低其在尾氣中的含量。本文以奧迪3.0 L FSI發(fā)動機和3. 0 L V6 TDI發(fā)動機為例，比較了NOx存儲式催化凈化器與微粒采集器的特點，分析了其工作原理。

1 奧迪F S I發(fā)動機的N Ox存儲式催化凈化器

奧迪FSI發(fā)動機的NOx存儲式催化凈化器位置如圖1所示。它位于傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)化器的后方，其結(jié)構(gòu)與三元催化轉(zhuǎn)化器相似，只是其中混合了氧化鋇，當(dāng)溫度處于 250 ℃ ～500 ℃時，可以通過形成硝酸鹽而存儲氮氧化物。

FSI發(fā)動機有3種充氣模式：分層充氣模式（空燃比約為30左右）、均質(zhì)稀混合氣模式（空燃比約為20左右）、均質(zhì)模式（空燃比約為14左右）。在分層充氣模式下，由于是稀薄燃燒，高溫富氧，氮氧化物（NOx）含量較高，普通的三元催化轉(zhuǎn)化器只能將一小部分NOx轉(zhuǎn)化成氮氣和氧氣。而有了NOx存儲式催化凈化器后，就可以將大部分的氮氧化物以硝酸鹽的形式加以存儲。如果存儲飽和了，發(fā)動機控制單元會通過該催化器后方的NOx傳感器識別到這種情況，并切換到再生模式。

1.1 再生模式

如果存儲式催化凈化器后方的氮氧化物濃度超過一個固定值，發(fā)動機控制單元就識別到尾氣催化凈化器不能再存儲氮氧化物，其存儲能力已經(jīng)用盡，就會啟動再生模式，此時由稀薄分層充氣模式切換到均質(zhì)運行模式（圖2），均質(zhì)模式的混合氣較濃（過量空氣系數(shù)小于1），就會使廢氣中碳氫化合物和一氧化碳的比例升高。在存儲式催化凈化器中，它們二者與硝酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其中的氮元素、氧元素還原成氮氣和氧氣，使NOx存儲式催化凈化器得以再生。

如圖2所示，再生模式每隔60 s～90 s啟動一次，均質(zhì)模式持續(xù)時間約為2 s。

1.2 硫再生

汽油中含有少量的硫，硫的燃燒產(chǎn)物也會在NOx存儲式催化凈化器中存儲，是以硫酸鹽的形式存在，因為硫酸鹽的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，所以不會在氮氧化物再生時分解。硫酸鹽也會占用存儲空間，當(dāng)其含量逐漸增加后，導(dǎo)致存儲式催化凈化器飽和的間隔時間越來越短。一旦超過固定值，發(fā)動機管理系統(tǒng)就會作出如下反應(yīng)：

（1）由分層充氣模式切換到均質(zhì)運行模式約2 min；

（2）將點火時間點調(diào)到“延遲”方向。

這樣就會將尾氣催化凈化器的運行溫度提高到650 ℃以上，這時存儲的硫酸鹽就會與HC、CO反應(yīng)成SO2、H20、CO2，并且仍然有氮氣生成，這是由于氮氧化物還原也同時在進行。

圖1 NOx存儲式催化凈化器的位置

圖2 氮氧化物還原模式

對于含硫量少的燃油，脫硫周期會相應(yīng)延長，而含硫量高的燃油則會更頻繁地進行再生。高轉(zhuǎn)速、高負荷的駕駛會自動進行脫硫模式。

2 奧迪T D I發(fā)動機的微粒過濾器

2.1 結(jié)構(gòu)原理

奧迪3.0 V6 TDI發(fā)動機采用了共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴射壓力最高可達1 600 bar（1 bar=100 kPa），燃燒充分，尾氣排放中的HC、CO和NOx較少，主要污染物是微粒（PM），因此在排氣系統(tǒng)中增加了一個微粒過濾器用以收集微粒。

微粒過濾器是個金剛砂制成的蜂房狀陶瓷體，該陶瓷體安裝在一個金屬殼體內(nèi)。陶瓷體分割成很多小的通道，這些通道相互間是封閉的。因此，進氣通道和排氣通道是由過濾隔層分開的。金剛砂制成的過濾隔層是多孔的，涂有氧化鋁和氧化鈰的涂層。這個涂層上采用氣化滲鍍的方法鍍上了貴重金屬鉑，鉑用做催化劑。微粒過濾器中的氧化鈰涂層降低了炭煙的點火溫度，加速了其與氧氣的熱反應(yīng)。

含有炭煙的廢氣流經(jīng)進氣通道的多孔過濾隔層，廢氣中的氣體能通過，但炭煙顆粒便被留到進氣通道內(nèi)了。

2.2 還原反應(yīng)

為了防止微粒過濾器被炭煙顆粒堵塞，必須定期進行還原反應(yīng)。在還原反應(yīng)過程中，微粒過濾器中積累的炭煙顆粒將會被燒掉即氧化掉。微粒過濾器是有觸媒涂層的，它的還原反應(yīng)分為被動式還原反應(yīng)和主動式還原反應(yīng)。

（1）被動式還原反應(yīng)。在被動式還原反應(yīng)過程中，發(fā)動機管理系統(tǒng)并不介入，但炭煙顆粒一直在被燒掉。這種情況主要發(fā)生在發(fā)動機負荷較高時，例如在高速公路上行駛時、廢氣溫度在350 ℃～500 ℃時，炭煙顆粒在微粒過濾器中發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成二氧化碳了。

（2）主動式還原反應(yīng)。在城市循環(huán)工況（也就是發(fā)動機負荷較?。r，廢氣溫度比較低，無法進行被動式還原反應(yīng)。 由于無法處理掉炭煙顆粒，所以炭煙顆粒就聚集在微粒過濾器中。一旦炭煙顆粒達到一定量，那么發(fā)動機管理系統(tǒng)就會下令執(zhí)行主動式還原反應(yīng)，這個過程要持續(xù)約10 min～15 min，炭煙顆粒在600 ℃～650 ℃的廢氣溫度下反應(yīng)變成二氧化碳。

TDI柴油機的尾氣排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，發(fā)動機控制單元有兩個預(yù)先編好的計算模型，用于計算微粒過濾器的炭煙負荷（炭煙的積累程度）。其中的一個計算模型是根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)格、廢氣溫度傳感器和λ傳感器信號來確定的。另一個計算模型是流動阻力，是根據(jù)廢氣壓力傳感器（G450）、右側(cè)廢氣溫度傳感器（G448）和空氣流量計（G70）來確定的。

柴油微粒過濾器的控制原理如圖4所示。如果微粒過濾器中的炭煙負荷達到了極限值，那么柴油直噴控制單元（J248）就會下令執(zhí)行主動式還原反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)電動節(jié)氣門和停止廢氣再循環(huán)來使得廢氣溫度快速升至600 ℃～650 ℃，在這個溫度范圍，微粒過濾器中積聚的炭煙顆粒就會氧化成二氧化碳。因為將節(jié)氣門開大和廢氣再循環(huán)停止工作，可以提高燃燒溫度和燃燒室中氧氣含量。

圖3 TDI柴油機尾氣排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4 微粒過濾器的控制原理

3 結(jié)語

由以上分析可知，由于FSI發(fā)動機是缸內(nèi)直噴汽油機，其最佳燃油經(jīng)濟性是在分層充氣模式時實現(xiàn)的，但此工況NOx含量較高，所以在三元催化轉(zhuǎn)化器的后方增加了NOx存儲式催化凈化器，大大降低了NOx排放。而TDI是柴油發(fā)動機，排放中主要污染物是微粒，因此在三元催化轉(zhuǎn)化器后方增加了微粒過濾器，大大減少了炭煙的排放。

2017-01-06）