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1 2020年柴油機(jī)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

自從1997年在Alfa Romeo 156上應(yīng)用了第一套共軌直噴系統(tǒng)，柴油機(jī)在歐洲市場(chǎng)獲得了巨大成功，因其良好的性能、駕駛樂趣，以及低燃油耗特性，其市場(chǎng)占有率已達(dá)50%以上。由于對(duì)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的連續(xù)開發(fā)，以及嚴(yán)格遵守持續(xù)降低排放限值的要求，數(shù)年來這些特性仍得以保持。

未來歐6d法規(guī)將要求控制車輛在實(shí)際道路循環(huán)和各種環(huán)境及駕駛條件下的尾氣排放。實(shí)際駕駛排放(RDE)限制主要指顆粒數(shù)(PN)和氮氧化物(NOx)排放。由于多年來幾乎所有的柴油車都配備了柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)，因此，PN和顆粒物(PM)都低于限值要求。

對(duì)于未來的柴油用途來說，有效控制幾乎所有甚至極端發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的NOx排放，同時(shí)使整機(jī)成本和復(fù)雜度最小化，且不影響燃油經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)-噪聲-平順性(NVH)性能、駕駛樂趣和可靠性，確實(shí)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)經(jīng)過驗(yàn)證新車型的歐6d/RDE法規(guī)將于2018年9月生效。

到2020年，NOx一致性系數(shù)(CF)、海拔和環(huán)境溫度范圍將進(jìn)一步減小，從2021年開始，所有的新型車輛必須達(dá)到最終法規(guī)的要求(圖1)。

圖1 RDE邊界條件，以及暫時(shí)和最終法規(guī)的一致性系數(shù)

在相同的時(shí)間框架內(nèi)，即2020～2021年，歐洲新CO2排放車隊(duì)平均目標(biāo)也將生效，需從當(dāng)前的130 g/km減少至95 g/km。

柴油機(jī)應(yīng)用已經(jīng)具備良好的CO2排放水平，是實(shí)現(xiàn)2020車CO2車隊(duì)排放目標(biāo)的最重要的措施(圖2)?？紤]到未來基于實(shí)際駕駛條件可能實(shí)施的CO2排放法規(guī)，柴油機(jī)面臨的挑戰(zhàn)將是以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本保持其技術(shù)的領(lǐng)先地位。

圖2 基于歐洲新駕駛循環(huán)(NEDC)的2014年柴油機(jī)和汽油機(jī)CO2差距(來源：BOSCH)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)綜合方法

盡管發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍廣，環(huán)境條件復(fù)雜，但是必須確保排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，為此，必須要達(dá)到以下要求：(1)中、高負(fù)荷(高度冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)、低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下高增壓)；(2)瞬態(tài)(快速增壓響應(yīng)、EGR精準(zhǔn)控制)；(3)低負(fù)荷/低環(huán)境溫度/預(yù)熱(熱EGR、熱管理、熱封裝)。

降低摩擦和減輕質(zhì)量在CO2減排方面起著重要作用。此外，柴油機(jī)電氣化，不僅能夠減少CO2排放，而且還能控制發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外排放，尤其在瞬態(tài)工況下，能優(yōu)化后處理熱管理及減少NOx排放。

在此條件下，需重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)領(lǐng)域：(1)高效清潔發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒；(2)NOx有效后處理。本文介紹了這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)所采用的方法以及相關(guān)研究。

3 燃燒系統(tǒng)開發(fā)方法

深入優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)是一項(xiàng)極為復(fù)雜的任務(wù)，因此，必須使試驗(yàn)數(shù)據(jù)最小化。因此開發(fā)了一種基于三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)燃燒模擬的新方法。在高效燃燒系統(tǒng)的開發(fā)過程中，噴霧和燃燒建模技術(shù)的不斷發(fā)展提高了CFD三維分析工具的預(yù)測(cè)能力，這些分析工具允許集成諸如試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)和多目標(biāo)優(yōu)化分析等不同的模擬技術(shù)。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

3.1 流程介紹

圖3示出了工作大致流程的結(jié)構(gòu)圖。在基準(zhǔn)燃燒系統(tǒng)性能發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)?！跋到y(tǒng)模擬優(yōu)化”是后續(xù)過程的核心，采用數(shù)值模擬工具通過將不同的燃燒系統(tǒng)方案與基準(zhǔn)燃燒系統(tǒng)比較得出最佳方案。最后建立不同的模擬優(yōu)化方案，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖3 燃燒系統(tǒng)定義方法

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為案例研究，選擇了意大利FCA公司的1.6 L 4缸120 HP①柴油機(jī)。當(dāng)前的產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)配備了160 MPa的具有電磁閥噴油器和噴油速率(IRS)成形能力的共軌系統(tǒng)、可變截面渦輪增壓器(VGT)、固定渦流氣缸蓋，以及冷卻低壓(LP)和高壓(HP)EGR系統(tǒng)。噴油器噴嘴具有8個(gè)噴孔，靜態(tài)液壓流量(HFR)為735 mm3/min。燃燒室形狀采用的是傳統(tǒng)“墨西哥帽”設(shè)計(jì)。

比較了在部分負(fù)荷和全負(fù)荷工況點(diǎn)下基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)燃燒壓力軌跡和放熱率(ROHR)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD模擬結(jié)果(采用StarCD商業(yè)軟件)，結(jié)果表明，兩者具有良好的關(guān)聯(lián)性(圖4)。

圖4 試驗(yàn)與CFD模擬中氣缸壓力與放熱率的關(guān)聯(lián)性：(轉(zhuǎn)速 2 000 r/min，平均制動(dòng)有效壓力(BMEP)0.5 MPa)

確定新型燃燒系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)是改善空氣與燃?xì)獾幕旌?，從而減弱燃燒室內(nèi)的燃?xì)饣蚩諝膺\(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減少換熱以及最終的熱損失。

比較并確定了3種主要的燃燒室類型：(1)燃燒室1具有比基準(zhǔn)燃燒室更小的徑深比(hb/Db)，旨在減弱渦流運(yùn)動(dòng)的起轉(zhuǎn)效應(yīng)。(2)燃燒室2具有相同的結(jié)構(gòu)，但是縮口率更大，中央鼻梁區(qū)更加圓滑，從而影響燃燒室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，最終改善空燃混合過程。(3)燃燒室3采用非傳統(tǒng)燃燒室形狀(漸縮型或階梯唇形)，可減小燃燒室表面積(壓縮比保持不變)，從而減少熱損失。此外，當(dāng)噴霧噴射到燃燒室唇部時(shí)，部分噴霧被直接分離到活塞頂上方，噴霧動(dòng)量被直接用于提高整個(gè)燃燒室內(nèi)的空氣利用率(圖5)。對(duì)于更寬的燃燒室(燃燒室1和燃燒室2)而言，為獲得適當(dāng)?shù)膰婌F靶點(diǎn)需要更大的噴霧錐角。

圖5 燃燒室形狀實(shí)例

針對(duì)每一種燃燒室類型生成了幾種變體，選擇其中的6個(gè)用于完整的CFD模擬。為了改善空燃混合過程，還引入了一種新型噴油裝置(FIE)，其主要特點(diǎn)為：(1)減小噴嘴液壓流量以改善燃燒室內(nèi)的燃油霧化和混合。低液壓流量噴嘴的主要缺點(diǎn)是噴油時(shí)間增加，從而降低最大功率。(2)通過提高最高噴油壓力可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

最后，由于新型燃燒室和噴油裝置對(duì)初始進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)的要求不同，因此，通過每個(gè)氣缸進(jìn)氣道上的節(jié)流閥可對(duì)產(chǎn)生的渦流進(jìn)行調(diào)節(jié)(表1)。

表1 噴油裝置的技術(shù)規(guī)格

3.3 模擬工具

集成了幾種模擬工具以對(duì)備選燃燒系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析。采用商業(yè)軟件StarCD(CD Adapco)對(duì)從進(jìn)氣門關(guān)閉(IVC)到排氣門打開(EVO)過程進(jìn)行三維CFD分析。采用雷諾平均N-S(RANS)法計(jì)算柴油燃料噴射、混合過程、燃燒相位和污染物形成。利用Huh和Reitz-Diwakar模型模擬初級(jí)和二次液滴的分解，利用ECFM-CLEH模型模擬燃燒。模擬采用的是具有精度和運(yùn)行時(shí)間良好折中關(guān)系的扇區(qū)網(wǎng)格。由一維GT-Power軟件提供必要的初始和邊界條件。采用三維CFD分析評(píng)價(jià)輸入?yún)?shù)對(duì)燃燒系統(tǒng)性能的影響。

通過采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)高效開發(fā)各種設(shè)計(jì)方案。最后，為了快速進(jìn)行優(yōu)化分析，針對(duì)每一種燃燒系統(tǒng)都建立了1個(gè)近似模型。一旦監(jiān)測(cè)到某個(gè)燃燒系統(tǒng)的最優(yōu)點(diǎn)，就會(huì)通過加權(quán)系數(shù)公式“品質(zhì)因子(FOM)”建立總排序。

3.4 系統(tǒng)模擬優(yōu)化

在部分負(fù)荷工況下進(jìn)行了CFD燃燒分析。典型輸出量包括總指示燃油消耗率(GISFC)、NOx和碳煙排放，以及峰值燃燒壓力，其中GISFC采用的僅是IVC與EVO之間的計(jì)算結(jié)果。

如上所述，試驗(yàn)設(shè)計(jì)程序能夠生成用于各類優(yōu)化分析的代理模型，并且有助于確定輸入和輸出參數(shù)之間的定性互動(dòng)關(guān)系。每一種分析所采用燃燒系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)各不相同，包括噴嘴伸出長(zhǎng)度、IVC處的初始渦流強(qiáng)度、總EGR率和噴油正時(shí)。為了限制CFD分析的總數(shù)，噴油形式保持不變，僅改變預(yù)噴射噴油始點(diǎn)(SOI)。例如，圖6所示為在噴油器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量轉(zhuǎn)速2 000 r/min、BMEP 0.5 MPa工況點(diǎn)下采用的噴油流量。所有燃燒系統(tǒng)采用的進(jìn)氣熱力學(xué)初始條件相同，此外，噴霧和燃燒建模裝置及網(wǎng)格離散化也保持不變。

圖6 噴油器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的噴油流量(轉(zhuǎn)速2 000 r/min、BMEP 0.5 MPa)

通過代理模型進(jìn)行優(yōu)化分析，能夠近似模擬自變量(輸入因子)與系統(tǒng)響應(yīng)(輸出)之間的關(guān)系。經(jīng)典多目標(biāo)優(yōu)化分析能夠同時(shí)使燃油耗、NOx和碳煙排放最小化。由于目標(biāo)NOx排放水平固定，因此與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的常規(guī)研究一樣，需要尋求碳煙和燃油耗的最小化。在優(yōu)化過程中設(shè)置了峰值壓力上限和總指示功率下限。

通過對(duì)每個(gè)輸出量進(jìn)行加權(quán)處理選擇最優(yōu)方案。在該實(shí)例中，對(duì)燃油耗采用較高的加權(quán)，對(duì)碳煙排放采用較低的加權(quán)。

根據(jù)上述程序，通過品質(zhì)因子匯總6種燃燒室形狀變體的燃燒分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各燃燒系統(tǒng)的排序(圖7)。與基準(zhǔn)燃燒室相比，所有的整體模擬燃燒室都具有更佳的品質(zhì)因子。

圖7 不同燃燒室根據(jù)FOM值的排序(越高越好)

新型燃燒系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要?dú)w因于對(duì)燃燒室內(nèi)空氣的充分利用。圖8中等值面φ=1的可視化圖像清晰表明，新型燃燒室噴油霧束擴(kuò)散面比基準(zhǔn)燃燒室更寬。

圖8 噴油霧束等值面可視化圖像(φ=1，上止點(diǎn)后4°CA)： 變體3和變體5的噴油霧束擴(kuò)散面比基準(zhǔn)燃燒室寬

此外，變體3和變體5燃燒系統(tǒng)比基準(zhǔn)燃燒系統(tǒng)具有更快的燃燒速度，因此，指示效率更高(圖9)。

最后，與基準(zhǔn)燃燒室相比，變體5燃燒室內(nèi)部下端表面區(qū)域的熱損失減少(圖10)，活塞頂?shù)臒釗p失有小幅增加，表明該變體的燃燒室對(duì)空氣的利用率更高。

圖9 已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和燃燒速度：不同燃燒室形狀的比較(每種燃燒室的噴油正時(shí)都已優(yōu)化)

圖10 壁面換熱示意圖

3.5 全功率工況下對(duì)燃燒進(jìn)展與分布的深入分析

為了選擇兩種最具潛力的方案，在CFD模擬過程中需要在標(biāo)定功率下評(píng)價(jià)這些燃燒系統(tǒng)。變體5方案具有更好的總體性能，在部分負(fù)荷下能夠達(dá)到功率目標(biāo)且獲得最佳FOM值。這種燃燒室具有圖5中介紹的燃燒室3漸縮型型線。

進(jìn)一步的CFD研究給出了與最后燃燒相位有關(guān)的潛在問題(圖11)。部分混合氣在活塞頂部燃盡，燃燒會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到達(dá)氣缸壁。此外，部分碳煙煙霧在相同的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，該區(qū)域溫度較低，能夠阻止氧化過程，產(chǎn)生影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的潛在問題。

變體6采用的也是燃燒室3結(jié)構(gòu)，在最大功率和FOM結(jié)果方面具有極為類似的結(jié)果，但是，在氣缸壁附近未出現(xiàn)任何與碳煙濃度有關(guān)的問題，因?yàn)樵撟凅w采用的漸縮型活塞頂型線有助于抑制碳煙出現(xiàn)。因此，選擇變體6在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

如圖7所示，在變體1至變體3的3種傳統(tǒng)燃燒室型線中又選擇了一種結(jié)構(gòu)。盡管變體1具有略好的FOM值，但是其在標(biāo)定功率下的碳煙排放更多，約比變體3多20%。基于這個(gè)原因，選擇變體3用于測(cè)試，其燃燒室更大更深且縮口率更大，中央鼻梁區(qū)更圓滑，與圖5中的燃燒室2實(shí)例類似。

4 試驗(yàn)研究與結(jié)果

采用先前介紹的FCA公司1.6 L 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要分為兩個(gè)階段：第一階段，為了獨(dú)立評(píng)價(jià)新型噴油系統(tǒng)的影響，利用基準(zhǔn)燃燒室對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試；第二階段，分析全新定義的燃燒系統(tǒng)。在全負(fù)荷和部分負(fù)荷條件下對(duì)每一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。保持基準(zhǔn)邊界條件不變，通過測(cè)量最大功率進(jìn)行全負(fù)荷工況下的評(píng)價(jià)。

選擇了能夠覆蓋驗(yàn)證和實(shí)際駕駛排放循環(huán)大多數(shù)相關(guān)工況點(diǎn)的12個(gè)排放關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了部分負(fù)荷試驗(yàn)(圖12)。

圖12 部分負(fù)荷下的關(guān)鍵點(diǎn)

首先，在設(shè)計(jì)階段對(duì)定義值附近的關(guān)鍵點(diǎn)上優(yōu)化噴嘴伸出量，最后選擇具有最佳煙度和燃油耗的工況點(diǎn)，同時(shí)對(duì)渦流強(qiáng)度也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。

選出最佳伸出量和渦流強(qiáng)度值后，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)程序優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定。標(biāo)定優(yōu)化過程中設(shè)定的限制包括：燃燒噪聲不高于基準(zhǔn)值；煙度水平低于標(biāo)定階段所接受的最大值；每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的NOx排放不變(與基準(zhǔn)相同)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)程序定義的“Pareto曲線”可使每個(gè)試驗(yàn)中作為NOx排放函數(shù)的比油耗(BSFC)最小化(圖13)。這些曲線能夠確定上述限制條件下每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的最小BSFC值。

圖13 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型輸出量(藍(lán)色Pareto曲線)

4.1 全負(fù)荷結(jié)果

首先在全負(fù)荷下評(píng)價(jià)了采用當(dāng)前燃燒室結(jié)構(gòu)的新型噴油裝置，結(jié)果見圖14。低液壓流量噴嘴會(huì)導(dǎo)致功率大量損失，這是因?yàn)閲娪蜁r(shí)間增加導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致排氣溫度升高。盡管如此，通過將最高噴油壓力增大至200 MPa，在保持與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相同的限制條件下，不僅可以完全回收能量，而且還能進(jìn)一步提高功率。

圖14 最大功率結(jié)果(轉(zhuǎn)速3 750 r/min)

最后，采用新開發(fā)的完整燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了全負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有這三種新系統(tǒng)獲得了類似的最大功率(圖15)，與模擬結(jié)果一致。

圖15 不同燃燒系統(tǒng)的最大功率圖

4.2 部分負(fù)荷結(jié)果

采用與全負(fù)荷試驗(yàn)中類似的程序，對(duì)采用基準(zhǔn)燃燒室的新型噴油裝置進(jìn)行了部分負(fù)荷試驗(yàn)，之后，在全新的燃燒系統(tǒng)上進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果在12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上測(cè)得的平均BSFC和碳煙排放值優(yōu)于基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，見圖16。

圖16 部分負(fù)荷結(jié)果

沿用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定方法，由于空燃混合效果更好且燃燒持續(xù)期縮短，因此，該新型噴油裝置的碳煙排放減少且燃燒噪聲降低。通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，主要針對(duì)噴油驅(qū)動(dòng)形式，可將燃燒噪聲改善轉(zhuǎn)化成BSFC降低。改善燃油耗的主要方法是采用早燃措施。通過提高最高噴油壓力和減小噴嘴液壓流量，BSFC平均改善1.4%，碳煙排放減少0.35 FSN。

在基本保持碳煙排放同等優(yōu)勢(shì)的前提下，新型燃燒室還能夠進(jìn)一步改善BSFC。采用傳統(tǒng)的縮口型燃燒室(燃燒室2變體3)，BSFC平均改善量超過2%。采用非傳統(tǒng)燃燒室形狀(燃燒室3“漸縮型”變體6)，總BSFC改善超過3%。這些結(jié)果與三維CFD模擬結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步開發(fā)新型燃燒系統(tǒng)，需要進(jìn)行包括耐久性試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，以全面評(píng)估在更寬廣發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)以及各種環(huán)境條件下的性能，尤其是非傳統(tǒng)燃燒室形狀的性能。

5 后處理系統(tǒng)定義

柴油機(jī)后處理系統(tǒng)(ATS)的重要性和復(fù)雜度在過去的幾年里持續(xù)增長(zhǎng)(圖17)。CO和碳?xì)浠衔?HC)排放通常由布置在渦輪下游的柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)處理。

圖17 FCA柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的發(fā)展

直至2010年初，柴油機(jī)的關(guān)鍵問題之一是在一些瞬態(tài)條件下排氣管冒黑煙使得PM排放。從歐5排放標(biāo)準(zhǔn)開始，所有的FCA柴油乘用車都配備了DPF，DPF是在排氣管內(nèi)安裝的一種機(jī)械過濾器，能夠極大減少PM和PN，減少量達(dá)95%以上，解決了柴油車冒黑煙的問題(表2)。

為應(yīng)對(duì)即將到來的歐6d法規(guī)，必須在大范圍工況條件下減少NOx排放，這就需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，以使后處理效率最大化。模擬了基于NSC的各種先進(jìn)方案，并在驗(yàn)證和實(shí)際駕駛排放循環(huán)上進(jìn)行測(cè)試。

表2 配備DPF的FCA柴油機(jī)測(cè)得的PN減少效率

在極端實(shí)際駕駛排放條件下(高速或爬坡狀態(tài))及在采用全有用壽命(FUL)老化催化劑的高“負(fù)荷系數(shù)”用途中，大多數(shù)基于NSC的方案都無法保證達(dá)到嚴(yán)格的歐6d排放標(biāo)準(zhǔn)。圖18所示為試驗(yàn)采用的不同后處理系統(tǒng)方案及針對(duì)老化催化劑極高負(fù)荷系數(shù)用途在NEDC和全球統(tǒng)一輕型車駕駛循環(huán)(WLTC)上測(cè)得的NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖18 測(cè)試采用的基于NSC的不同方案(極高負(fù)荷系數(shù)用途及老化)

僅采用被動(dòng)SCR的雙NSC系統(tǒng)能在多數(shù)不同條件下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率，但是，對(duì)于這種方案還需要考慮幾個(gè)問題：(1)由于體積及鉑族金屬(PGM)增加，導(dǎo)致成本增加；(2)由于長(zhǎng)期頻繁進(jìn)行除氮處理，導(dǎo)致燃油耗增加；(3)下置式NSC組件脫硫困難；(4)后處理系統(tǒng)管理復(fù)雜性增大；(5)需要驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和后處理系統(tǒng)耐久性。

因此，為確保實(shí)現(xiàn)高NOx轉(zhuǎn)化效率，必須采用在寬廣排氣溫度范圍內(nèi)都具有高效率的SCR技術(shù)(圖19)。

自21世紀(jì)中期開始，重型卡車和大客車柴油機(jī)就廣泛采用基于尿素的SCR技術(shù)。目前，美國(guó)和歐洲市場(chǎng)的一些乘用車也采用該技術(shù)。帶SCR的經(jīng)典后處理系統(tǒng)由緊耦合DOC+DPF以及帶有尿素計(jì)量和混合裝置的下置式SCR催化轉(zhuǎn)化器組成。

圖19 經(jīng)典NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系(SCR/SCRF和NSC催化轉(zhuǎn)化器)

但是，在預(yù)熱階段及寒冷條件和(或)低車速工況(中心市區(qū))下，由于排氣溫度低，導(dǎo)致下置式SCR的效率極大降低。

將DPF與SCR集成到一個(gè)獨(dú)立組件中是一種創(chuàng)新方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)SCR暴露在更高的燃?xì)鉁囟戎?圖20)；(2)減少了對(duì)強(qiáng)制排氣溫度升高的需求；(3)降低燃油耗；(4)簡(jiǎn)化了下置式排氣設(shè)計(jì)(避免采用計(jì)量系統(tǒng)和混合裝置，減小了下置式催化轉(zhuǎn)化器的體積)；(5)SCR總體積具有增大的可能性(考慮SCRF和下置式SCR)。

圖20 C級(jí)車輛WLTC循環(huán)上緊耦合SCRF和下置式SCR溫度的比較

在不采用后處理加熱策略的前提下，通過比較不同循環(huán)上的緊耦合SCRF和下置式SCR上的NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)提高燃?xì)鉁囟鹊姆e極影響。如圖21所示，由于暴露在較高的溫度中，SCRF能夠保證在冷態(tài)循環(huán)(NEDC、WLTP、FTP75)中獲得更高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖21 不同循環(huán)上SCRF和SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率

盡管如此，為了獲得理想的結(jié)果，需要解決SCR與DPF緊耦合集成帶來的一些挑戰(zhàn)：(1)對(duì)AdBlue蒸發(fā)、混合與背壓之間的折中研究了幾種混合結(jié)構(gòu)，找出了一種對(duì)背壓升高影響最小且能使氨均勻性指數(shù)最大化的可靠性設(shè)計(jì)。(2)在DPF基體上噴涂SCR催化劑涂層，這需要一種專門的高孔度DPF基體，以及與基體和涂層供應(yīng)商的合作，確保嚴(yán)格按照產(chǎn)品規(guī)范和穩(wěn)定性生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，使壓降最小化，NOx轉(zhuǎn)化效率最大化，保持所需的PM/PN過濾效率。(3)在PM/PN過濾能力和SCR催化劑老化方面確保零部件的耐久性。

將所選擇的最佳系統(tǒng)安裝在驗(yàn)證樣車上，并在低負(fù)荷系數(shù)條件下進(jìn)行了標(biāo)定。在不同駕駛循環(huán)上的道路里程累積試驗(yàn)驗(yàn)證了所定義SCRF系統(tǒng)在DPF過濾和NOx轉(zhuǎn)化效率方面的穩(wěn)定性(圖22)。

圖22 隨里程累積在驗(yàn)證循環(huán)上測(cè)得的PM/PN排放和NOx轉(zhuǎn)化效率

為了在實(shí)際駕駛條件下測(cè)試該系統(tǒng)，在車輛上安裝了燃?xì)釶EMS并在都靈地區(qū)遵照歐盟的總體要求進(jìn)行了道路循環(huán)測(cè)試(圖23)。

郊區(qū)和高速型線上的NOx均勻性系數(shù)恰好低于1，但是，在市區(qū)條件下測(cè)得的CF約為1.6。中心市區(qū)循環(huán)的狀態(tài)則更糟(平均車速低于20 km/h)。如圖24所示，在這些條件下，由于SCRF進(jìn)口處的燃?xì)鉁囟榷鄶?shù)時(shí)間低于AdBlue計(jì)量裝置的最低溫度，因此，NOx轉(zhuǎn)化效率非常低。

圖23 都靈地區(qū)的實(shí)際駕駛排放循環(huán)

圖24 不同型線上SCRF的轉(zhuǎn)化效率(未采用熱管理策略)

因此驗(yàn)證樣車因其負(fù)荷系數(shù)極低導(dǎo)致排氣溫度低。盡管采用了緊耦合SCRF，為了同時(shí)滿足實(shí)際駕駛排放循環(huán)(冷起動(dòng)階段、市區(qū))和驗(yàn)證循環(huán)限值要求，需要采用后處理熱管理。

為了在良好的SCRF效率范圍(200 ℃以上)內(nèi)使排氣溫度高于AdBlue計(jì)量裝置活化閾值，開發(fā)了主要基于燃油后噴的排氣加熱標(biāo)定方法(圖25)。

圖25 熱管理對(duì)WLTC的影響

采用這種標(biāo)定方法，循環(huán)上的總NOx轉(zhuǎn)化效率由75%提高到約90%，但是在WLTP循環(huán)上測(cè)得的燃油耗惡化超過3%。這種情況與中等負(fù)荷系數(shù)車輛用途完全不同，中等負(fù)荷系數(shù)用途中的平均排氣溫度更高，采用輕度加熱策略就可以在中心市區(qū)達(dá)到極高的效率(圖26)。

圖26 中等負(fù)荷系數(shù)用途中SCRF系統(tǒng)效率(市區(qū)駕駛條件、未采用加熱策略)

對(duì)于需要對(duì)后處理頻繁加熱的低負(fù)荷系數(shù)用途，仍保留SCRF系統(tǒng)，采用NSC替代DOC將是一項(xiàng)有益方案，可使加熱需求最小化，從而降低燃油耗。此外，該方案還允許減少噴入SCRF的AdBlue量。

盡管如此，NSC技術(shù)的引入也帶來了一些需要評(píng)價(jià)的問題：(1)在中心市區(qū)條件下實(shí)現(xiàn)DeNOx/DeSOx的可行性；(2)低NO2/NOx比對(duì)SCRF效率的影響；(3)實(shí)現(xiàn)DeNOx/DeSOx對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)耐久性的影響。

最后，為了優(yōu)化總轉(zhuǎn)化效率和燃油耗，需要完全重新修訂后處理系統(tǒng)管理策略。

6 總結(jié)

考慮到未來的歐洲排放法規(guī)，CO2和NOx減排被認(rèn)為是未來柴油機(jī)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。在這種背景下，排氣后處理系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)被確定為未來開發(fā)的兩個(gè)主要領(lǐng)域。

為預(yù)測(cè)燃燒發(fā)展及其主要性能特性，開發(fā)了一種新型三維CFD模擬方法。利用這種方法比較了幾種備選燃燒系統(tǒng)，優(yōu)先選擇那些最具潛力的系統(tǒng)，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過驗(yàn)證，模擬與試驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)性良好。與三維CFD模擬結(jié)果一致，發(fā)動(dòng)機(jī)外排放與燃油耗極大改善，且最大功率增加。

通過增大最高噴油壓力及減小噴嘴液壓流量會(huì)進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。盡管如此，極小噴孔直徑通常會(huì)對(duì)噴嘴積碳現(xiàn)象產(chǎn)生不利影響，從而惡化燃燒系統(tǒng)性能。因其能提高低溫條件下的轉(zhuǎn)化效率，因此，緊耦合SCRF被認(rèn)為是未來柴油機(jī)后處理系統(tǒng)最具潛力的技術(shù)。驗(yàn)證了這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。但是，對(duì)于極“輕型”車輛，因其排氣溫度低，盡管采用了緊耦合，但在預(yù)熱狀態(tài)和中心市區(qū)條件下仍具挑戰(zhàn)性。因此，在這些條件下需要采用加熱策略?；谶@種背景，綜合采用NSC和SCRF是一種有待評(píng)價(jià)的重要選擇。