【美】 R.Judge D. Needham K.L. Smith

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用于中國(guó)和印度未來(lái)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的載貨車低成本廢氣凈化技術(shù)

【美】 R.Judge D. Needham K.L. Smith

Delphi公司專門為中國(guó)和印度載貨車市場(chǎng)開發(fā)了一種產(chǎn)品系列。作為廢氣凈化領(lǐng)域的實(shí)例，Delphi公司的產(chǎn)品能滿足汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的不同要求，并能以不同策略降低廢氣排放。

廢氣排放 凈化技術(shù) 排氣后處理

1 準(zhǔn)備實(shí)施的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)

從2006年起，量產(chǎn)載貨車采用選擇性催化還原(SCR)或廢氣再循環(huán)(EGR)加柴油機(jī)氧化催化器(DOC)和顆粒捕集器(DPF)來(lái)滿足歐4廢氣排放限值標(biāo)準(zhǔn)。這兩種減排方案目前都應(yīng)用于批量生產(chǎn)，且各具有優(yōu)缺點(diǎn)。

目前，許多發(fā)展中國(guó)家都準(zhǔn)備實(shí)施類似于歐4的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，為此燃油品質(zhì)也必須適應(yīng)排放要求。例如，在實(shí)施相當(dāng)于歐3廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，柴油中的含硫量容許350×10-6，而實(shí)施歐4標(biāo)準(zhǔn)時(shí)只容許50×10-6。按照排放法規(guī)的要求，柴油品質(zhì)的提升還是相當(dāng)緩慢，但在中國(guó)和印度取得了可喜的進(jìn)步。從2014年底開始，中國(guó)各地區(qū)開始供應(yīng)最大含硫量為50×10-6的柴油，不久的未來(lái)將實(shí)施相應(yīng)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，在為降低廢氣排放選擇合適的技術(shù)時(shí)，還應(yīng)注意到當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)要求和實(shí)際的運(yùn)行條件，因此廢氣凈化技術(shù)必須保證一定的運(yùn)行溫度，而這又取決于發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)優(yōu)先以中等直至高負(fù)荷運(yùn)行。Delphi公司已考慮到各方面的情況，其廢氣凈化技術(shù)用于載貨車并能滿足中國(guó)國(guó)4(CN4)和印度4級(jí)(BS4)廢氣排放的要求。

2 局部地區(qū)的廢氣排放法規(guī)

中國(guó)和印度的廢氣排放限值法規(guī)基本上參考?xì)W洲發(fā)展路線制定，從2008年起，在中國(guó)人口稠密的大城市就已實(shí)施了CN4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了廢氣排放限值，而印度從2010年起也在大城市實(shí)施了類似的BS4廢氣排放限值法規(guī)。當(dāng)然，在個(gè)別地區(qū)實(shí)施這種廢氣排放限值法規(guī)，從國(guó)家層面上全面減輕了對(duì)環(huán)境的壓力。從2015年1月1日起，CN4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)生效，而印度則規(guī)定BS4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)也將于2015年底在70多個(gè)大城市生效，從而CN4和BS4將成為事實(shí)上的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。隨著新的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的生效,容許的最大氮氧化物(NOx)排放從5.0g/(kW·h)降低到3.5g/(kW·h)，而容許的顆粒物(PM)排放最大為0.02g/ (kW·h)，這就必須顯著地改善廢氣凈化及其調(diào)節(jié)技術(shù)(圖1)。

3 車載診斷

如果要持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)所有重要的廢氣排放數(shù)據(jù)，以便確保在汽車的整個(gè)使用壽命期間(典型的為200000～500000km)在車載診斷(OBD)范圍內(nèi)滿足嚴(yán)厲的廢氣排放限值要求。與轎車相比，載貨車廢氣排放法規(guī)規(guī)定必須具有2套故障診斷系統(tǒng)，若診斷功能監(jiān)測(cè)到顆粒物排放值即將超過(guò)0.10g/(kW·h)或NOx排放值即將超過(guò)5.0g/(kW·h)，那么控制系統(tǒng)就必須通過(guò)點(diǎn)亮警報(bào)燈告知駕車人。

如果NOx排放值超過(guò)7.0g/(kW·h)限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)就必須設(shè)置到“應(yīng)急行駛模式”以降低扭矩行駛。這些要求僅通過(guò)診斷策略、標(biāo)定算法和驗(yàn)證算法來(lái)滿足，能精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)故障，而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤診斷現(xiàn)象。

4 未來(lái)廢氣排放限值的降低

中國(guó)政府已宣布將進(jìn)一步降低載貨車廢氣排放限值(圖2)。隨著在所有重要的大城市實(shí)施CN5廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放值最大只容許2.0g/(kW·h)。除此之外，中國(guó)已計(jì)劃從2016年起實(shí)施CN6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。同樣，印度也順利地實(shí)施了BS5廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，以滿足更為嚴(yán)厲的廢氣排放限值，印度雖然尚未制定新的限值，但仍約在2020年實(shí)施新的廢氣排放法規(guī)。

5 燃油

除了上述因素之外,發(fā)動(dòng)機(jī)能否滿足當(dāng)前廢氣排放限值的要求取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)，以及可供使用的燃料，在采用EGR或SCR廢氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，柴油中的含硫量起著重要的作用。含硫量高的燃油通過(guò)燃燒會(huì)產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的廢氣，會(huì)使催化轉(zhuǎn)化器涂層中毒并逐漸損壞。在中國(guó)進(jìn)行的調(diào)查得知，在人口稠密的市中心將提前使用含硫量低于50×10-6的低硫柴油。在中國(guó)所檢測(cè)的燃油樣品幾乎三分之一已達(dá)到了這樣的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，北京甚至三分之一的燃油的含硫量低于10×10-6，但因燃油品質(zhì)的差異使得市中心之外的空氣變得渾濁，市中心以外區(qū)域直到2015年仍在出售含硫量高于500×10-6的柴油。與此相反，在印度全國(guó)出售的柴油三分之一的含硫量已低于50×10-6[1]。

雖然，可預(yù)見(jiàn)的含硫量會(huì)降低，但柴油中的其他固體污染物和水分將是減排的關(guān)鍵因素，而用其他不合適的燃料，如煤油或供暖用柴油混和柴油機(jī)燃油的現(xiàn)象仍然非常普遍，這種行為充滿風(fēng)險(xiǎn)，由于這些燃油與柴油機(jī)性能不同，如煤油的潤(rùn)滑性能明顯比柴油差，可能會(huì)損害噴油系統(tǒng)或燃油濾清器，并引起嚴(yán)重的損壞。

減排的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是劣質(zhì)的燃油濾清器，它們不具備所必需的濾清能力。特別是在燃油品質(zhì)強(qiáng)烈波動(dòng)的地區(qū)，噴油系統(tǒng)必須具有毫無(wú)瑕疵的燃油濾清效果，從而不會(huì)因燃油污染而引起系統(tǒng)故障。

6 AdBlue催化還原劑的供應(yīng)

SCR廢氣凈化受系統(tǒng)制約的缺點(diǎn)是要使用AdBlue催化還原劑，并且必須定期加注。無(wú)論是中國(guó)還是印度，目前尚不能確保能供應(yīng)覆蓋全國(guó)AdBlue催化還原劑，而且達(dá)到全國(guó)供應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)也無(wú)法具體預(yù)測(cè)。但是，中國(guó)政府要采取統(tǒng)一行動(dòng)，在全國(guó)范圍內(nèi)為通過(guò)CN4標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的載貨車供應(yīng)AdBlue催化還原劑。因此，決定使用EGR還是SCR在很大程度上取決于是否能保障供應(yīng)AdBlue催化還原劑，但是也受到這兩種方案的系統(tǒng)和運(yùn)行成本，以及在給定的環(huán)境條件下的效率和國(guó)家的供應(yīng)措施的影響。

7 成本

采用新的廢氣凈化系統(tǒng)會(huì)增加開發(fā)和生產(chǎn)的成本，會(huì)導(dǎo)致與用戶要求的目標(biāo)沖突，會(huì)使載貨車運(yùn)營(yíng)總成本(所有權(quán)總成本)上升。圖3示出了在中國(guó)市場(chǎng)上采用EGR和SCR的載貨車總運(yùn)營(yíng)成本的對(duì)比，其比較的基礎(chǔ)是裝備EGR的汽車燃油耗為百公里油耗19L，而裝備SCR的汽車燃油耗低5%，系統(tǒng)成本為1000歐元，AdBlue催化還原劑成本為0.33歐元，消耗量為3%，燃油價(jià)格為0.66歐元。

另外，2種技術(shù)方案主張者之間會(huì)存在爭(zhēng)論，而實(shí)際在汽車整個(gè)使用壽命期內(nèi)兩者的總運(yùn)營(yíng)成本相差非常小，如果AdBlue催化還原劑成本與燃油成本相比有很大變化的話，那么這兩條非常相似的曲線會(huì)分開角度會(huì)大些。

8 行駛循環(huán)

局部行駛狀況和運(yùn)行條件對(duì)選擇合適的廢氣凈化系統(tǒng)具有重要的影響，例如高效的廢氣后處理系統(tǒng)必須保證最低的廢氣溫度，這只有通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于中等和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)才能保障，但是在諸如北京、上海和孟買這樣的人口快速增長(zhǎng)的大都市，由于城市交通擁堵經(jīng)常發(fā)生，所以要達(dá)到這樣的行駛狀況幾乎是不可能的。因此這種情況適合優(yōu)先采用EGR系統(tǒng)來(lái)降低NOx，因?yàn)樗鼘?duì)溫度的敏感性要比SCR系統(tǒng)小，也可以采用特殊加熱策略的SCR系統(tǒng)作為替代方案。

9 廢氣排放調(diào)節(jié)的技術(shù)方案

EGR和SCR是2種實(shí)用有效的達(dá)到歐4和類似廢氣排放限值的解決方案。在上述中國(guó)和印度的交通狀況下，冷卻EGR有更多優(yōu)點(diǎn)。圖4示出了滿足CN4和BS4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的EGR和SCR系統(tǒng)。

其中，有1種解決方案是利用共軌噴油系統(tǒng)的可能性，用更高的噴油壓力盡可能避免燃燒室中的原始排放。在這樣的前提下，EGR系統(tǒng)后面不串聯(lián)顆粒捕集器。為了達(dá)到這樣的目的，就必須在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命期間非常精確地監(jiān)控和調(diào)節(jié)NOx和碳煙排放及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗。

最佳碳煙調(diào)節(jié)的前提條件是有專門的燃燒室形狀，并且噴油壓力至少高達(dá)180MPa或更高,同時(shí)在最大扭矩時(shí)的空燃比為22～24。為了達(dá)到這樣的空燃比，空氣就必須以高的壓力進(jìn)入燃燒室，這樣又會(huì)導(dǎo)致非常高的氣缸壓力，在中重型載貨車發(fā)動(dòng)機(jī)上約為18MPa。

如果燃燒過(guò)程被優(yōu)化到產(chǎn)生盡可能少的碳煙，那么就必須提高EGR率，以便保持盡可能少形成NOx，典型的EGR率為10%～20%，必要的時(shí)候需要應(yīng)用小的渦輪或節(jié)流閥，有時(shí)也可采用止回閥，以便阻止EGR廢氣回流。

為了減少機(jī)油耗，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須盡可能減少曲軸箱通風(fēng)，防止氣體流入燃燒室，通過(guò)仔細(xì)選擇渦輪增壓器和氣門上的機(jī)油密封圈、最佳的刮油環(huán)，以及氣缸壁面與活塞之間縮小的間隙尺寸等方法能夠有效的降低機(jī)油耗。

10 共軌噴油系統(tǒng)

Delphi公司用于排量10L、功率300kW的中重型載貨車的共軌噴油系統(tǒng)，其模塊化結(jié)構(gòu)能非常靈活地變化(圖5)，能夠?yàn)闈M足各種不同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、行駛狀況和局部框架條件的不同需求提供量身定做的解決方案。

共軌噴油系統(tǒng)的特點(diǎn)是燃油經(jīng)過(guò)2次濾清，一次在燃油泵前，另一次在燃油泵中。因?yàn)榧稍谌加捅弥械臑V清器已處于壓力沖擊的環(huán)境中，因而能使用非常細(xì)密的濾清元件，確保了極佳的濾清效果。在這種型式中可取消附加的初級(jí)輸油泵。

11 結(jié)論

類似于歐4標(biāo)準(zhǔn)的廢氣排放限值即將在一些發(fā)展中國(guó)家實(shí)施，但必須考慮到這些國(guó)家的市場(chǎng)面臨的特殊情況。對(duì)運(yùn)營(yíng)成本、清潔燃油和AdBlue催化還原劑的供給并結(jié)合局部的行駛狀況進(jìn)行了考量，多方面的試驗(yàn)已證實(shí)，SCR的應(yīng)用受到限制，只能有限地作為最佳的解決方案，而采用不使用顆粒捕集器的EGR系統(tǒng)可能是滿足中國(guó)CN 4和印度BS 4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求的最佳解決方案。

Delphi公司靈活的共軌噴油系統(tǒng)適于應(yīng)用EGR與簡(jiǎn)單的廢氣后處理策略相結(jié)合，并獲得非常低的燃油耗，但是Delphi公司的共軌噴油系統(tǒng)連同軟件策略也能用于SCR系統(tǒng)，而局部的框架條件能支持應(yīng)用這種類型的廢氣后處理系統(tǒng)，甚至Delphi公司能根據(jù)用戶的意愿開發(fā)特殊的符合用戶要求的解決方案，為此無(wú)論是中國(guó)還是印度都必須提供必要的開發(fā)和生產(chǎn)數(shù)量，首批量訂單將在不久后開始啟動(dòng)。

[1] N N. Dieselnet report on integer research[C]. konferenz dieselemissionen, Pune/India, 2003.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2015，76(1)

何丹妮 編輯

2015-04-01)