轿车柴油机达到欧V排放标准的新技术

jesseliang

柴油机欧V排放标准欧洲将于2010年生效，其最大挑战在于要同时大大降低NOx和微粒排放（PM）。为了以汽车工业可接受的价格开发出达到未来排放标准的系统，欧洲IFP公司和法雷奥公司共同合作开发出了一种新型的NADI燃烧方式。这种被称为“窄油束锥角直接喷射”（Narrow Angle Direct Injection）的燃烧方式采用了油束锥角非常小的直接喷射，并应用创新的进气/EGR系统组合模块及其合理的调节策略降低燃烧温度，显著降低了NOx排放，而且并没有因此使燃油耗增加。欧V排放标准的要求
    根据欧V排放标准的要求，柴油机的NOx和微粒排放限值几乎只有欧IV排放标准的一半，确实是一个比较棘手的难题。
    由于柴油机的热效率高，而且CO2排放量较少，因此只要能进一步降低其NOx和微粒排放，轿车柴油机的市场份额还能进一步增长。虽然这些废气中的有害成分通过NOx和微粒排放后处理装置能有所减少，但是即使如此，后处理装置仍存在着一些需要进一步解决的重要问题，诸如负载能力尚不令人满意，对硫很敏感，并且成本又较高等。
    为此，最近几年来欧洲研究出了一些新的燃烧方式，例如均质充量压缩点火（HCCI）和高预混合燃烧（HPC）。但是，这两种燃烧方式在全负荷工况时的日C和CO排放量太高，因此无论是应用范围还是输出功率都受到限制。于是，IFP公司开发了一种新型的NADI燃烧方法，将部分负荷运行工况采用HPC燃烧方式与高负荷或全负荷运行工况采用传统柴油机的燃烧方式结合起来。这种NADI燃烧方式采用特定的喷射角和一种新型的活塞顶燃烧室凹腔几何形状，实现多次喷射的策略。
     
     
    然而，如果没有有效的进气和EGR冷却功能管理，欧V排放限值的要求还是达不到的。为此，法国法雷奥公司开发了一种创新的液体低温冷却进气/EGR系统组合模块，其冷却效果即使在应用旁通道的情况下几乎没有什么变化，达到了欧V排放标准所要求的高水平。低温冷却回路包括一个EGR冷却器和一个靠近发动机安装的液冷式增压空气冷却器。其最直接的优点是增压空气管路中的压力降较小，经过的管路大大缩短，热损失也较少，因此有效地降低了进气温度，提高了进气空气的密度。这种冷却进气/EGR组合系统由液冷式增压空气冷却器、EGR冷却器及其包括阀和旁通道在内的调节装置组合而成，并以较小的结构空间达到了很高的冷却能力，可直接安装在发动机上，从而节省了汽车前端宝贵的结构空间。NADI燃烧方式的开发为了获得最佳的发动机功率，IFP公司开发了一种能以两种运行方式工作的柴油机。在中低负荷时，为了达到低的Nox和微粒排放，发动机进行HPC燃烧；而在高负荷时，为了获得与现代柴油机技术相应的功率和扭矩值，发动机以传统的柴油机燃烧方式工作。这就意味着这种燃烧系统必须在两种燃烧方式之间转换。
    在进行HPC燃烧时，在燃烧开始前燃油和空气要达到最佳的混合，因此首先要寻找到合适的燃烧方式，采用能多次喷射的共轨燃油喷油系统和传统的喷油器来实现HPC燃烧过程。此时，应采用窄锥角油束，通过提前或延迟喷射来改善燃油和空气的均匀混合，特别是要避免燃油凝聚在气缸壁上。传统柴油机燃烧系统的油束锥角为145°-155°，而典型的NADI油束锥角在50°～100°之间。同样，延迟燃烧过程的自行着火时间也是十分重要的，对此降低进气空气温度和减少氧含量是非常有效的方法，因此在开发这种燃烧系统时，采用了高的EGR率、较低的压缩比（16：1和14：1之间）以及EGR冷却器，使燃烧温度得以降低。
    而高质量的传统柴油机燃烧过程，则主要是靠燃油喷束和活塞顶燃烧室凹腔的共同作用来实现的，因此NADI面临的挑战在于，如何用窄油束锥角来确保喷入活塞顶燃烧室凹腔中燃油的合适运动及其与空气的最佳混合。为此，活塞顶燃烧室凹腔几何形状的设计应尽可能改善燃油和空气的均匀混合，由此来减少碳烟的形成。因此，在开发过程中进行了计算流体力学（CFD）模拟，并在实际运转的发动机上进行试验验证。通过活塞顶燃烧室凹腔与锥形油束的匹配试验，获得了最重要的技术参数，从而确定了燃烧室凹腔的几何形状及其相应的窄锥角油束喷油嘴和进气涡流运动特性。
    为了证实这种新型燃烧方式改善柴油机性能和排放的可能性，并加快确定用于多缸机的硬件规格，先在单缸试验机上进行试验研究。由于喷油策略、压缩比和换气特性（进气压力和温度、EGR率等）对改善HPC燃烧方式的运行结果起着重要作用，因此采用14：1压缩比和第3代博世共轨燃油喷油系统，并对进气管理（进气温度和压力）进行试验。试验结果表明，与传统柴油机相比，在1500r/min转速下，直到平均有效压力达到0.9MPa时，NOx的排放量几乎为零（＜0.08g/kWh），而燃油消耗率（225g/kWh）却并没有提高。在发动机小负荷工况，由于喷油策略的改善和高的EGR废气温度，降低HC和CO的排放量。而在中高负荷工况，由于采用了新的与众不同的喷油策略（与众不同的上止点喷油）和非常良好的油束与燃烧室凹腔的匹配，降低了微粒排放量和燃烧噪声。在高负荷工况，则由于在法雷奥公司的EGR冷却技术和带有低压EGR装置的进气系统硬件的基础上，实施了进气空气（进气温度和压力）管理，从而获得了期望的结果。
    然后，在一台批量生产的2.2L四缸直喷式柴油机（缸径x行程=87x92mm）上进行试验验证。将活塞顶燃烧室凹腔设计成相应的NADI凹腔形状，其容积与压缩比14：1相配，气缸盖上的进气道能产生1.3涡流比（在下止点时）。博世公司CR12共轨燃油喷射系统的最高喷油压力可达到160MPa。增压系统采用霍尼韦尔公司盖瑞特可变喷嘴截面涡轮增压器，并在进气系统中有一个增压空气冷却器，可使全负荷时进气空气保持在50℃。EGR废气在涡轮前从排气歧管中引出，并在压气机后进气歧管前不远处通过一个节流孔进入进气管，该节流孔有助于改善EGR废气与新鲜空气的均匀混合。EGR回路中有一个经试验匹配好的EGR冷却器，为其提供专用的低温冷却液循环，并可通过一个旁通道旁通，以便在发动机低负荷时EGR废气不经冷却，从而提高进气空气温度，降低HC和CO的排放量。由IFP公司专门开发的发动机电子控制装置能够调节不同的发动机参数。发动机使用含硫量为50ppm的普通商用柴油运行。
    由于通过单缸机试验已查清了进气温度对燃烧的影响，因此在多缸机上只要查明EGR废气温度的影响。为此，选择了两种典型的部分负荷工况：平均有效压力为0.6MPa时的1500r/min和2500r/min。当EGR冷却器后的废气温度在50℃～120℃之间变化时，在这两种转速下所需的EGR冷却功率分别在4～3kW和13.8～10.5kW之间几乎呈线性变化，并且要比通常达到欧IV排放标准所需的冷却功率高得多，因此必须对EGR冷却功率进行相应的匹配。试验结果表明，在EGR冷却器出口温度为50℃～120℃之间的情况下，EGR对燃油耗、CO、HC和NOx的影响并不明显，但在此温度范围内随着EGR冷却器出口温度的降低，燃烧噪声从90dB（A）降低到86dB（A），烟度从4.5（FSN）降低到2（FSN），改善效果＋分明显。
    在上述两种转速的部分负荷工况下对NADI燃烧方式进行评价，并与在压缩比为181和采用相应于欧IV排放标准运行参数的批量生产发动机上得到的试验结果进行比较。试验结果表明，在这两种转速下，以HPC方式运行能在平均有效压力达到0.6MPa之前，NOx排放几乎为零，并仍能保持较低的比油耗。
    与NOx排放情况相似，在这两种转速下，以HPC方式运行能在平均有效压力达到0.6MPa之前，使碳烟排放保持在非常低的水平（＜1FSN）.这些试验结果都是通过延长喷油结束到燃烧开始之间的着火延迟间隔来达到的。与众不同的上止点喷油策略能够加长这种延迟，而采取推迟喷油策略并不会使燃油耗有过多的增加。
    同样，在这两种转速下燃烧噪声【77～84dB（A）】，也要比常规的燃烧方式低得多【低2－3.8dB（A）】，其中EGR起到了部分作用，但主要是所采用的推迟喷油策略延缓了燃烧的放热速率。
    在多缸机上应用时，由于进气系统中使用的硬件（限于废气涡轮增压器和EGR冷却器）的限制，HPC燃烧方式的运行范围被限制在平均有效压力0.6MPa以下。若要进一步扩大HPC燃烧方式的运行范围，还必需要有进一步优化进气空气的措施。为了提高效率（温度降低幅度和流动压力降），首先应在规定的EGR冷却功率下，开发出能满足汽车现有限制条件的新的冷却技术。
     
    低温回路的热量管理
    由于对发动机冷却的要求越来越高，需要开发新的热交换器和冷却回路，因此新开发的这种冷却系统包含有一个高效的EGR冷却器，它能满足增大的EGR率的需要，并由冷却系统的控制来协调。
    EGR冷却器被接入低温液体冷却回路中，并且具有比传统的高温液体冷却回路更高的冷却能力。低温冷却回路循环中的液冷式增压空气冷却器布置在进气歧管附近，它也能够集成到进气歧管中去，以便进一步缩小已经非常紧凑的整个低温冷却回路的外形尺寸。液冷式增压空气冷却器和EGR冷却器可以用相应的内部管路系统（旁通道和阀）集成为一个极限冷却进气模块。低温冷却回路按照增压空气的极限要求来设计，因此能经受所有的运行条件，甚至增压空气冷却器和EGR冷却器可同时运行。低温EGR冷却器
    为了达到欧V排放标准的要求，EGR流量必须比欧IV所要求的流量大2～3倍，因此EGR冷却器的冷却能力就必须提高3～4倍，而当今结构型式的EGR冷却器的热效率只有70～80％，这对欧V排放标准的要求来说是太低了。图4表示目前汽车工业所用的各种EGR冷却器冷却能力与欧V排放标准要求的比较。
    由法雷奥公司开发的低温EGR冷却器，不但具有高的冷却能力，而且热效率超过了90％。这样的冷却效果就是采用低温冷却回路才达到的，而且能大大缩小结构空间。这种低温冷却回路循环能在20℃的环境温度下，在欧洲MVEG（机动车排放组合）行驶循环中冷却液温度只达到30℃，而在传统的冷却回路中在相似的条件下冷却液温度要达到90℃。这种EGR冷却器具有明显高的热效率，而且结构非常紧凑，这在对发动机舱内布置要求越来越高的形势下更显示出其优势。
    EGR温度能在所有的运行条件下都被调节到50℃～100℃间，因为温度低的EGR废气是必需的。但是，EGR冷却器非常高的效率并非在所有的负荷和转速下都是必需，例如冷起动后的第一分钟就无需冷却，因此EGR冷却器具有一个绝热的旁通道，并带有一个调节阀，这样就能调节EGR的冷却效果。其调节策略设计得能降低MVEG行驶循环开始时的CO和HC排放量，但并不会给NOx和碳烟排放带来不利的影响。
    传统的EGR冷却器用大约90℃的高冷却液温度来冷却，因此在最初的30s内，因污染而使冷却效率．降低大约20％～30％，此后运行状态逐渐稳定，呈现出一条渐近曲线。为了补偿这样的缺点，当今的EGR冷却器的尺寸都做得较大。由于使用了新一代的冷却管，冷却效果能有所改善，效率的损失减少到20％以下。当然，低温EGR冷却器也可能会有一定的效率损失，因为较低的EGR冷却液温度有利于废气的冷凝，然而实际情况并非如此，并没有发现因污染而使效率降低。
增压空气低温冷却器为了提高增压空气的冷却效果，法雷奥公司开发出了一种液冷式增压空气冷却器，其突出的特点是内部压降非常小，并且是专门为低温冷却设计的。它能靠近发动机安装，缩短增压器和进气歧管之间的空气管路，从而可限制进入发动机之前对增压空气的加热。而目前在使用传统增压空气冷却器的情况下，在增压空气冷却器和发动机之间增压空气的温度会升高5℃。
    用一台2.2L柴油机来进行试验，并在全负荷模拟中评价空冷式增压空气冷却器和液冷式增压空气冷却器在30km/h和120km/h车速时的性能。这种液冷式增压空气冷却器在这样情况下所测得的内部总压降只有前者的1/4，而在120km/h时发动机的扭矩比前者增加了4.4％。
    为了充分利用减少的压降，并确保涡轮的运行点不变，调节涡轮增压器以调整增压空气冷却器前的压力，同时修改喷油脉谱图，保持空燃比不变，以充分利用在冒烟极限内可增加空气质量流量的优势。
    在发动机热机运行和微粒捕集器再生期间，或至少在通过增压空气旁通道期间，增压空气必然会被加热，因此液冷式增压空气冷却器中装有调节阀，用来控制增压空气部分或全部绕过液冷式增压空气冷却器，以精确调节进气空气的温度和密度。
    传统进气系统结构的最大缺点是所需的结构空间大，并且需要大量的昂贵的连接管路，而这些管路仅仅只是用来输送气体，因此增加了系统的总体成本。为满足欧V排放标准的要求而开发的这种新的进气系统结构，不仅改善了发动机舱盖下的热交换，而且在相同的总体成本下，总体结构空间减少了约10％。

    综上所述，为了达到欧V排放标准的要求，对目前柴油机的燃烧系统必须拓宽思路进行重大的创新变革，而相应地对进气系统和EGR系统的冷却功能管理要求也在不断地提高。
    为了满足这些要求，高效的热交换器以及非常精确的EGR率和空气混合气的调节是必需的，因此需要电子控制的进气空气热管理系统，同时对减小发动机舱盖下结构空间的要求也在不断提高，极限冷却进气系统为此提供了一个相当完善和圆满的解决方案。

问道

太深奥了，看不懂

caifaweiqi

回复 1# jesseliang


    文中第9自然段结尾提到——“发动机使用含硫量为50ppm的普通商用柴油运行。”
目前北京的所谓京标油，含硫量都不止那么点吧？一般的城市加油站的油，含硫量更是高到300~500ppm
其他的数据暂且信了，单说这样的实验油品与现实中的油品差距，不知道会否造成很大的排放数据偏差？