滿足國六排放法規(guī)的重型車用柴油機(jī)開發(fā)

凌建群 熊津聯(lián)

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 前言

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2014年至今，國內(nèi)重型商用柴油車每年銷量都超過100萬輛，其中2019年全年重型商用柴油車銷量達(dá)117多萬輛。相對(duì)而言，重型柴油車排放是大氣中氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的主要來源之一。受商用柴油車產(chǎn)銷情況繼續(xù)保持良好態(tài)勢的影響，我國大氣污染的防治形勢越來越嚴(yán)峻，開發(fā)設(shè)計(jì)排放更低的柴油機(jī)勢在必行。與現(xiàn)行國五排放標(biāo)準(zhǔn)相比，在國六排放標(biāo)準(zhǔn)下的重型柴油機(jī)的NOx限值降低了77%，PM限值降低了67%(圖 1)?，F(xiàn)今，政府部門逐漸認(rèn)識(shí)到對(duì)人體有害的顆粒物主要是可吸入顆粒物直徑在10 μm以下的顆粒物PM10。國六排放標(biāo)準(zhǔn)新增了顆粒數(shù)(PN)限值，對(duì)柴油機(jī)的顆粒物排放有了更準(zhǔn)確的控制方向。因此，為了滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)必須選擇目前降低顆粒物排放的最優(yōu)技術(shù)，即顆粒捕集器(DPF)，同時(shí)采取降低NOx排放的最佳手段，即選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。

圖1 重型柴油機(jī)國五和國六排放限值的差異對(duì)比

1 重型車用柴油機(jī)國六排放技術(shù)措施

1.1 冷卻EGR技術(shù)

柴油機(jī)燃燒后排出的氣體中氧含量極低，排氣中的CO2可以增加混合氣體的比熱容值，因此EGR可降低氧濃度和最高燃燒溫度，可以顯著減少柴油機(jī)燃燒過程中NOx的產(chǎn)生。EGR可以分為內(nèi)部和外部2種類型。內(nèi)部EGR通過合理的設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)以便增加缸內(nèi)殘余廢氣，一般不帶冷卻系統(tǒng)。外部EGR有2種實(shí)現(xiàn)方案：將渦輪入口廢氣引到中冷器出口稱為“高壓回路EGR”；將渦輪的出口廢氣引到壓氣機(jī)進(jìn)口稱為“低壓回路EGR”。大量的研究試驗(yàn)結(jié)果證明，將再循環(huán)廢氣加以冷卻，即采用冷卻EGR降低最高燃燒溫度，可以提高降低NOx排放的效果[1-3]。為了滿足在更大運(yùn)行工況范圍內(nèi)的NOx限值排放，以及更為嚴(yán)苛的燃油耗目標(biāo)，國內(nèi)外部分滿足國六排放法規(guī)的柴油機(jī)采用了高低壓混合式EGR系統(tǒng)。圖2所示為1款滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)高低壓混合式EGR系統(tǒng)示意圖。

圖2 滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)高低壓混合式EGR系統(tǒng)示意圖

1.2 燃油系統(tǒng)

雖然采用EGR系統(tǒng)可以降低NOx排放，但會(huì)使新鮮空氣的進(jìn)氣量減少，從而引起燃油消耗率和PM排放的升高。為了解決這一問題，需對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。近年來，對(duì)于柴油共軌燃油系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)一直集中于改善機(jī)械效率和能力，以求獲得更高的噴油壓力和更好的噴油率。提高噴射壓力可降低燃油噴霧粒徑，改善燃油的霧化特性。新鮮空氣可以比較活躍地引入燃油噴霧束內(nèi)部，有助于在氣缸中形成均勻的混合氣，減小局部過濃的混合氣比例，從而降低碳煙并減少PM排放。圖3顯示出了柴油機(jī)燃油噴射壓力和PM排放的關(guān)系。關(guān)于燃油噴射對(duì)燃燒過程和柴油機(jī)性能排放影響的課題，國內(nèi)外很多專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的理論分析和大量的試驗(yàn)研究[4-6]。研究結(jié)果表明，導(dǎo)噴可以提高缸內(nèi)壓力和溫度，促進(jìn)油氣混合，降低PM排放；預(yù)噴可以縮短滯燃期，減小在預(yù)混合燃燒階段的放熱率，降低燃燒溫度進(jìn)而減少NOx排放；后噴是緊靠主噴之后的噴油，能促進(jìn)擴(kuò)散燃燒的進(jìn)行，可以降低主噴中產(chǎn)生的PM排放；遠(yuǎn)后噴是主噴結(jié)束之后較長間隔的噴油，一般發(fā)生在上止點(diǎn)后140 °CA的排氣行程，排出的碳?xì)?HC)在氧化催化器(DOC)中經(jīng)過氧化放熱后可以提高DPF的入口溫度，保證DPF能夠再生。各次燃油噴射的作用說明如表1所示。

圖3 燃油噴射壓力和碳煙排放

1.3 排氣熱管理控制技術(shù)

由于國六排放標(biāo)準(zhǔn)加大了對(duì)低速、低負(fù)荷工作區(qū)域的排放控制要求，此區(qū)域的排氣溫度通常比較低，需要進(jìn)行特殊的熱管理控制，才能提高后處理系統(tǒng)的溫度，以使其在各種行駛工況下都能高效工作，并減少污染物排放。一般而言，先采用進(jìn)氣節(jié)流、推遲主噴正時(shí)等措施提高渦輪出口溫度，實(shí)現(xiàn)DOC起燃，然后再通過DOC將缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴或者尾管噴入的柴油氧化并放熱，提高排氣溫度，以實(shí)現(xiàn)DPF再生。因此，熱管理控制技術(shù)成為滿足國六排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高效SCR和DPF再生的基礎(chǔ)。

表1 各次燃油噴射的作用說明

1.4 合理集成和匹配后處理裝置

僅靠柴油機(jī)內(nèi)部凈化措施是無法滿足國六排放限值的，所以必須合理集成和匹配DOC、SCR和DPF等系統(tǒng)，從而降低NOx、 PM和PN排放。DOC系統(tǒng)以鉑、鈀等貴金屬作為催化劑而涂覆在部件表面，可以將排氣中的CO、HC及PM中部分可溶有機(jī)物氧化成水和CO2，從而達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的目的。DOC的另一作用是將排氣中的NO氧化成NO2，NO2是DPF被動(dòng)連續(xù)再生和SCR高轉(zhuǎn)化效率所需的重要反應(yīng)物。DOC還有1個(gè)功能是將后噴或尾管噴射系統(tǒng)(HCI)噴射出的HC氧化并放熱，以提高DPF入口溫度，實(shí)現(xiàn)DPF的主動(dòng)再生。DPF主要組成部分為DPF載體，一般由多孔介質(zhì)材料制成，包含若干個(gè)沿軸向的平行通道，為非直通結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)排氣中的顆粒物主要成分為碳煙。排氣由入口進(jìn)入通道，通過介質(zhì)孔壁進(jìn)入相鄰的出口通道，其中的碳煙顆粒則通過大顆粒攔截、重顆粒慣性碰撞、小顆粒擴(kuò)散等方式，被過濾堆積在通道中。DPF也將鉑、鈀等貴金屬作為催化劑，其主要作用是降低再生反應(yīng)所需的溫度。尿素SCR系統(tǒng)通過將濃度為32.5%的尿素水溶液噴入210 ℃以上的尾氣中，在炙熱的尾氣作用下，由尿素轉(zhuǎn)化的氨氣在催化劑的作用下將NOx還原成N2和水，從而降低NOx排放。

國六排放法規(guī)大幅收緊了NOx及PM排放限值，對(duì)柴油機(jī)本體及后處理技術(shù)要求越來越高，現(xiàn)今主流的排放控制技術(shù)如圖4所示，并涌現(xiàn)了諸如高效SCR(HiSCR)、氨氣捕捉器(ASC)、高壓共軌(CRS)等最新技術(shù)。

圖4 國六排放法規(guī)下的柴油機(jī)主流技術(shù)路線

2 排放臺(tái)架的開發(fā)

以SC4H180Q6型柴油機(jī)的性能排放開發(fā)為例，在現(xiàn)有的SC4H180Q5型柴油機(jī)基礎(chǔ)上，采用冷氣EGR技術(shù)作為降低發(fā)動(dòng)機(jī)本體NOx排放的最有效措施，有效的節(jié)氣門熱管理手段，并將最大噴射壓力提升至200 MPa，以便降低EGR系統(tǒng)帶來的高PM排放，同時(shí)進(jìn)行增壓器、噴油嘴、燃燒室的燃燒開發(fā)和DOC、DPF、SCR等系統(tǒng)的集成匹配，使SC4H180Q6型柴油機(jī)滿足GB 17691—2018排放法規(guī)限值要求。滿足國六排放法規(guī)柴油機(jī)系統(tǒng)配置如圖5所示，具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖5 滿足國六排放法規(guī)的柴油機(jī)系統(tǒng)配置

2.1 燃燒開發(fā)

柴油機(jī)的燃燒開發(fā)可以分為3個(gè)部分：(1)基于熱力學(xué)分析計(jì)算給出油嘴、燃燒室、增壓器、渦流比等性能部件選型矩陣；(2)在臺(tái)架上進(jìn)行選型試驗(yàn)，鎖定性能件規(guī)格；(3)通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)的方法標(biāo)定噴射壓力、噴油正時(shí)、多次噴射的油量和間隔、EGR率等邁譜圖，進(jìn)而完成柴油機(jī)的燃燒開發(fā)。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

為了避免相互干擾，每個(gè)零部件的優(yōu)化選型都是基于保持其余零部件相同的條件下進(jìn)行的。4HQ6柴油機(jī)硬件選型方案如表3所示。

表3 性能零件選型矩陣方案

燃燒室采用雙擠壓縮口設(shè)計(jì)，使其更利于對(duì)NOx排放進(jìn)行控制。為了降低柴油機(jī)PM排放，采用噴射壓力高達(dá)200 MPa的電裝第3代燃油共軌系統(tǒng)。從圖6試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果可以看出，在NOx排放相近的情況下，選用9孔、152°錐角、噴油流量為1 260 mL/min的噴油器能獲得更低的燃油消耗率和PM排放。

圖6 不同噴油器方案性能對(duì)比

共軌柴油機(jī)的高壓柴油束噴射到缸內(nèi)時(shí)需要一定強(qiáng)度的渦流來打散燃油顆粒，渦流過低，不利于混合氣的形成和燃燒；渦流過高，一方面會(huì)增加熱損失，另一方面會(huì)使相鄰油束之間發(fā)生干擾，即從渦流上游方向吹來的燃燒產(chǎn)物會(huì)妨礙下游油束的充分燃燒，使得性能下降。從圖7中不同渦流比方案的性能對(duì)比可以看出，選用進(jìn)氣渦流比為1.1設(shè)計(jì)方案的缸蓋可以得到更低的燃油耗和PM排放。

圖7 不同渦流比方案的性能對(duì)比

油嘴凸出量也會(huì)影響油束和燃燒室及氣流的配合，從而對(duì)性能有明顯的影響。油嘴凸出量過小，則燃油噴在燃燒室上方，油束可能落在活塞頂面上，混合較差導(dǎo)致性能下降；油嘴凸出量過大，則油束落在燃燒室底部，并且噴油嘴在喉口處受炙熱燃?xì)獾臎_刷，熱負(fù)荷較高，影響油嘴的可靠性。從圖8的性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，油嘴凸出量為3.0 mm時(shí)能獲得最佳的油耗和較低的顆粒排放。

圖8 不同油嘴凸出量方案性能對(duì)比

對(duì)于二級(jí)渦輪增壓器(FGT)來說，選擇較小的渦輪端截面積可提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦前壓力，可提高在最大扭矩轉(zhuǎn)速以下的中低轉(zhuǎn)速工況附近驅(qū)動(dòng)所需的廢氣再循環(huán)率，但是過小的渦輪端截面積又會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況的泵氣損失。從圖9可以看出，選用渦輪端截面積為4.5 cm2的增壓器能獲得最佳的燃油耗和較低的PM排放。

圖9 不同渦輪端截面積方案的性能對(duì)比

DOE工況點(diǎn)的選擇主要包含世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC)、發(fā)動(dòng)機(jī)非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放試驗(yàn)(WNTE)，以及外特性試驗(yàn)工況點(diǎn)。如圖10所示，選取13個(gè)工況點(diǎn)，并借助AVL CAMEO軟件對(duì)DOE工況點(diǎn)進(jìn)行基于噴射壓力、噴油正時(shí)、多次噴射的油量和間隔、EGR率等組成的矩陣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的邊界范圍遵循以下限值要求：(1)增壓器轉(zhuǎn)速不能超限值140 000 r/min；(2)渦輪前的排溫不能超限值700 ℃；(3)爆發(fā)壓力不能超過限值17.5 MPa；(4)采用AVL415煙度計(jì)測得煙度需小于2.0 FSN。最終可借助CAMEO軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模分析。NOx排放、燃油耗、煙度之間的折中模型如圖11所示。

圖10 DOE工況點(diǎn)的選擇

圖11 NOx、燃油耗、煙度之間的折中模型

2.2 DOC及DPF的開發(fā)

2.2.1 DOC硬件選型

DOC的選型主要是確認(rèn)NO2生成能力、HC及CO轉(zhuǎn)化效率和升溫能力。主要測試設(shè)備有進(jìn)氣空調(diào)、環(huán)境空調(diào)、電力測功機(jī)、氣體分析儀(AMAi60)、煙度計(jì)(AVL415)、油耗儀(AVL735)等試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)設(shè)備的布置圖示如圖12所示。試驗(yàn)所用的后處理系統(tǒng)主要參數(shù)見表4。

圖12 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備及后處理布置圖示

在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中，NOx的主要成分是NO，而NO2占比很小。NO2與DPF中的碳粒在250 ℃以上的條件下就可以發(fā)生氧化反應(yīng)。從被動(dòng)再生角度考慮，排氣成分中NOx所含的NO2越多越好。此外，NO濃度較高時(shí)，NO在催化劑表面吸附受到抑制從而降低了NO的反應(yīng)速率。在SCR的化學(xué)反應(yīng)中，由NO、NO2和NH3共同參與發(fā)生反應(yīng)所需的活化能低，反應(yīng)速率快，SCR轉(zhuǎn)化效率越高，提高NO2比例并盡量保持NO與NO2比例在50%左右將有助于提高SCR轉(zhuǎn)化效率。圖13為DOC入口與出口處NO2與NO的比例。從圖中可以看出，DOC入口的NO2含量很低，經(jīng)過DOC的催化反應(yīng)后，DOC出口的NO2含量有了很大提高，滿足設(shè)計(jì)需求。HC及CO均為燃燒產(chǎn)生的污染物，在DOC內(nèi)部催化劑的作用下，將其轉(zhuǎn)換為CO2和H2O。圖14為試驗(yàn)測得的DOC內(nèi)HC及CO轉(zhuǎn)化效率。從圖13可以看出，HC及CO轉(zhuǎn)化效率較高，全域均在95%以上，滿足排放控制需求。選取低中高空速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速扭矩工況，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門等熱管理措施來提升DOC入口排溫，并通過后噴噴射出的HC氧化并放熱來提升DOC出口排溫，通過測量DOC前后溫度和DOC出口的HC逸出量，來確定DOC的升溫能力。如圖15所示，通過熱管理，選取工況點(diǎn)的DOC出口HC逸出量都能滿足限值要求(限值要求小于800×10-6)。

表4 后處理系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖13 DOC入口和出口NO2/NO比例

圖14 DOC內(nèi)HC及CO轉(zhuǎn)化效率

圖15 DOC升溫能力測試

2.2.2 DPF控制標(biāo)定

DPF的非直通結(jié)構(gòu)決定了排氣中的碳煙會(huì)積聚在DPF內(nèi)部。隨著碳煙的累積，必會(huì)造成排氣背壓的進(jìn)一步升高，導(dǎo)致動(dòng)力性差和燃油耗高等一系列問題。因此，DPF需要1個(gè)清理積炭的過程，此過程稱為“DPF再生”。DPF再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生2種，主動(dòng)再生通過電加熱、燃油后噴燃燒等方法來提高排氣溫度，使得DPF內(nèi)的積炭可以快速起燃，從而達(dá)到清理積炭的目的。一般主動(dòng)再生的最佳溫度約為550～650 ℃。被動(dòng)再生主要是通過催化劑等來降低反應(yīng)所需的溫度，一般是1個(gè)連續(xù)緩慢反應(yīng)的過程，所需溫度較低，一般溫度約為250～350 ℃。其中，主動(dòng)再生具有熱效率高，反應(yīng)迅速，時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)，常作為主要的DPF再生方案。

根據(jù)DOC及DPF的理化特性，如要滿足再生所需溫度，一般需要采用熱管理手段，如減少進(jìn)氣量，推遲提前角，增加后噴油量等措施。臺(tái)架試驗(yàn)據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定，得到如圖16所示的試驗(yàn)結(jié)果，使得在穩(wěn)態(tài)條件下的升溫滿足再生需求。

圖16 再生模式溫升邁譜圖

通過標(biāo)定溫度反饋控制模塊、進(jìn)氣量反饋控制模塊、模型溫度響應(yīng)模塊和再生速率計(jì)算模塊等，來達(dá)到滿足瞬態(tài)循環(huán)下正常再生的要求，再生瞬態(tài)循環(huán)結(jié)果如圖17所示。

圖17 再生WHTC循環(huán)數(shù)據(jù)

從圖17中可以看出，DPF初始積碳量為21 g，在1個(gè)完整的WHTC循環(huán)內(nèi)，自動(dòng)觸發(fā)再生，基于溫控模型控制DPF內(nèi)部平均溫度維持在550～650 ℃之間，經(jīng)過1 317 s的再生時(shí)間，經(jīng)過再生速率累減運(yùn)算后的DPF內(nèi)部碳載量達(dá)到設(shè)定的再生結(jié)束碳載量(6 g，內(nèi)部有少量的碳可以提高排氣顆粒的捕集效率，且低碳載量時(shí)反應(yīng)速率慢，會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性差)，自動(dòng)退出再生。

2.3 SCR開發(fā)

為了達(dá)到國六柴油機(jī)95%以上的NOx轉(zhuǎn)化效率，要求在以下幾方面優(yōu)化設(shè)計(jì)或標(biāo)定：①增強(qiáng)氨氣與排氣之間的混合，氨分布均勻性在95%以上；②減少或消除來自尿素的沉積物，確保尿素到氨氣98%的轉(zhuǎn)換效率；③在選擇性催化還原部件中使用較高的網(wǎng)絡(luò)密度，同時(shí)保持或甚至降低流動(dòng)阻力壓降；④采用高效節(jié)油的后處理熱管理技術(shù)，以獲取滿意的冷熱態(tài)WHTC循環(huán)排放值。從圖18的萬有特性數(shù)據(jù)來看，通過進(jìn)氣節(jié)流、多次噴射、推遲主噴正時(shí)等熱管理措施，可以提升低負(fù)荷工況區(qū)域SCR入口溫度30～50 ℃，提高SCR轉(zhuǎn)化效率，降低NOx排放。

圖18 有無熱管理措施的SCR入口溫度對(duì)比

3 重型車用柴油機(jī)國六排放整車開發(fā)

為了評(píng)判車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，并保證車輛在極端苛刻、嚴(yán)格的環(huán)境中能夠正?？煽康剡\(yùn)行，需進(jìn)行整車高溫、高原、高寒的標(biāo)定試驗(yàn)，即需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使整車能適應(yīng)環(huán)境變化的要求，并在保證安全可靠的前提下，具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，以及排放性。以SC4H180Q6型柴油機(jī)匹配上汽躍進(jìn)C500-D10整車國六排放開發(fā)工作為例，高溫試驗(yàn)包括熱保護(hù)、空氣系統(tǒng)、零部件環(huán)境場、DPF、SCR、碳載及OBD；高原試驗(yàn)包括進(jìn)氣系統(tǒng)控制、增壓器保護(hù)、DPF、SCR、碳載及OBD；高寒試驗(yàn)包括冷起動(dòng)、空氣系統(tǒng)、DPF、SCR、碳載及OBD等項(xiàng)目。

4 結(jié)語

本文介紹了重型車用柴油機(jī)從國五排放升級(jí)到國六排放的技術(shù)措施，并以匹配7～16 t載貨車的4.3 L柴油機(jī)為例，通過機(jī)內(nèi)冷卻EGR、200 MPa高壓共軌系統(tǒng)、進(jìn)氣節(jié)流的熱管理等技術(shù)措施，機(jī)外措施采用DOC、SCR、DPF等后處理措施，進(jìn)行國六排放機(jī)型的開發(fā)。開發(fā)結(jié)果表明，EGR可以顯著降低柴油機(jī)NOx原始排放，但同時(shí)會(huì)增加PM原始排放，而高壓噴射可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)PM原始排放。進(jìn)氣節(jié)流可明顯提高柴油機(jī)小負(fù)荷的排氣溫度，確保柴油機(jī)高效SCR的運(yùn)行，有效降低NOx尾管排放。DPF是目前降低柴油機(jī)PM尾管排放和減少PN排放的最有效措施。采用“CRS+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC”后處理技術(shù)可以使柴油機(jī)滿足GB 17691—2018國六排放限值，是1種非?？尚械募夹g(shù)路線。