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(dòng)機(jī)與TDI發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化對(duì)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)就是“缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)”，采用的是燃油分層燃燒技術(shù)。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速時(shí)采用分層注油模式，此時(shí)的節(jié)氣門為半開狀態(tài)，當(dāng)壓縮行程接近尾聲的時(shí)候，少量燃油直接噴射到氣缸中，空燃比可達(dá)30左右，屬于稀薄燃燒。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(jì)出了NOx存儲(chǔ)式催化器來(lái)降低其在尾氣中的含量。本文以?shī)W迪3.0 L FSI發(fā)動(dòng)機(jī)和3. 0 L V6 TDI發(fā)動(dòng)機(jī)為例，比較了NOx存儲(chǔ)式催化凈化器與微粒采集器的特點(diǎn)，分析了其工作原理。

1 奧迪F S I發(fā)動(dòng)機(jī)的N Ox存儲(chǔ)式催化凈化器

奧迪FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx存儲(chǔ)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(shí)，可以通過(guò)形成硝酸鹽而存儲(chǔ)氮氧化物。

FSI發(fā)動(dòng)機(jī)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?dú)夂脱鯕?。而有了NOx存儲(chǔ)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(chǔ)。如果存儲(chǔ)飽和了，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)通過(guò)該催化器后方的NOx傳感器識(shí)別到這種情況，并切換到再生模式。

1.1 再生模式

如果存儲(chǔ)式催化凈化器后方的氮氧化物濃度超過(guò)一個(gè)固定值，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就識(shí)別到尾氣催化凈化器不能再存儲(chǔ)氮氧化物，其存儲(chǔ)能力已經(jīng)用盡，就會(huì)啟動(dòng)再生模式，此時(shí)由稀薄分層充氣模式切換到均質(zhì)運(yùn)行模式（圖2），均質(zhì)模式的混合氣較濃（過(guò)量空氣系數(shù)小于1），就會(huì)使廢氣中碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉谋壤?。在存?chǔ)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?dú)夂脱鯕猓筃Ox存儲(chǔ)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(dòng)一次，均質(zhì)模式持續(xù)時(shí)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(huì)在NOx存儲(chǔ)式催化凈化器中存儲(chǔ)，是以硫酸鹽的形式存在，因?yàn)榱蛩猁}的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，所以不會(huì)在氮氧化物再生時(shí)分解。硫酸鹽也會(huì)占用存儲(chǔ)空間，當(dāng)其含量逐漸增加后，導(dǎo)致存儲(chǔ)式催化凈化器飽和的間隔時(shí)間越來(lái)越短。一旦超過(guò)固定值，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)就會(huì)作出如下反應(yīng)：

（1）由分層充氣模式切換到均質(zhì)運(yùn)行模式約2 min；

（2）將點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)調(diào)到“延遲”方向。

這樣就會(huì)將尾氣催化凈化器的運(yùn)行溫度提高到650 ℃以上，這時(shí)存儲(chǔ)的硫酸鹽就會(huì)與HC、CO反應(yīng)成SO2、H20、CO2，并且仍然有氮?dú)馍?，這是由于氮氧化物還原也同時(shí)在進(jìn)行。

圖1 NOx存儲(chǔ)式催化凈化器的位置

圖2 氮氧化物還原模式

對(duì)于含硫量少的燃油，脫硫周期會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，而含硫量高的燃油則會(huì)更頻繁地進(jìn)行再生。高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的駕駛會(huì)自動(dòng)進(jìn)行脫硫模式。

2 奧迪T D I發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒過(guò)濾器

2.1 結(jié)構(gòu)原理

奧迪3.0 V6 TDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用了共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴射壓力最高可達(dá)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(gè)微粒過(guò)濾器用以收集微粒。

微粒過(guò)濾器是個(gè)金剛砂制成的蜂房狀陶瓷體，該陶瓷體安裝在一個(gè)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(jìn)氣通道和排氣通道是由過(guò)濾隔層分開的。金剛砂制成的過(guò)濾隔層是多孔的，涂有氧化鋁和氧化鈰的涂層。這個(gè)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(guò)濾器中的氧化鈰涂層降低了炭煙的點(diǎn)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(jìn)氣通道的多孔過(guò)濾隔層，廢氣中的氣體能通過(guò)，但炭煙顆粒便被留到進(jìn)氣通道內(nèi)了。

2.2 還原反應(yīng)

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

（1）被動(dòng)式還原反應(yīng)。在被動(dòng)式還原反應(yīng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，例如在高速公路上行駛時(shí)、廢氣溫度在350 ℃～500 ℃時(shí)，炭煙顆粒在微粒過(guò)濾器中發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成二氧化碳了。

（2）主動(dòng)式還原反應(yīng)。在城市循環(huán)工況（也就是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較?。r(shí)，廢氣溫度比較低，無(wú)法進(jìn)行被動(dòng)式還原反應(yīng)。 由于無(wú)法處理掉炭煙顆粒，所以炭煙顆粒就聚集在微粒過(guò)濾器中。一旦炭煙顆粒達(dá)到一定量，那么發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)就會(huì)下令執(zhí)行主動(dòng)式還原反應(yīng)，這個(gè)過(guò)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(jī)的尾氣排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元有兩個(gè)預(yù)先編好的計(jì)算模型，用于計(jì)算微粒過(guò)濾器的炭煙負(fù)荷（炭煙的積累程度）。其中的一個(gè)計(jì)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(hào)來(lái)確定的。另一個(gè)計(jì)算模型是流動(dòng)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(jì)（G70）來(lái)確定的。

柴油微粒過(guò)濾器的控制原理如圖4所示。如果微粒過(guò)濾器中的炭煙負(fù)荷達(dá)到了極限值，那么柴油直噴控制單元（J248）就會(huì)下令執(zhí)行主動(dòng)式還原反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)節(jié)氣門和停止廢氣再循環(huán)來(lái)使得廢氣溫度快速升至600 ℃～650 ℃，在這個(gè)溫度范圍，微粒過(guò)濾器中積聚的炭煙顆粒就會(huì)氧化成二氧化碳。因?yàn)閷⒐?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(jī)尾氣排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4 微粒過(guò)濾器的控制原理

3 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可知，由于FSI發(fā)動(dòng)機(jī)是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其最佳燃油經(jīng)濟(jì)性是在分層充氣模式時(shí)實(shí)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(chǔ)式催化凈化器，大大降低了NOx排放。而TDI是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guò)濾器，大大減少了炭煙的排放。

2017-01-06）