【德】 Klauer N Zülch C Schwarz C Schünemann E

1 特超低排放車用渦輪增壓汽油機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

隨著低排放車Ⅱ（LEVⅡ）標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，美國加利福尼亞州大氣資源局（CARB）已推出全球最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，即特超低排放車（SULEV）標(biāo)準(zhǔn)（圖1），CARB排放法規(guī)不僅適用于加利福尼亞州，而且適用于美國其他各州。對于近零排放車許可證來說，SULEV限值必須保持15年或150 000 mile①為了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。以上。此外，汽車不允許出現(xiàn)任何燃油蒸發(fā)排放，且必須滿足兩級車載診斷法規(guī)的規(guī)定。計(jì)劃從2015年開始引人LEVⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，排放限值將進(jìn)一步收緊。已執(zhí)行和計(jì)劃中的車隊(duì)有害物排放限值要求達(dá)到SULEV限值的汽車比例越來越大。因此，SULEV將成為美國的標(biāo)準(zhǔn)車型。

達(dá)到SULEV排放限值的關(guān)鍵在于冷起動和接著的催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行階段，即在排放測試的初始30 s內(nèi)將排出絕大部分的有害污染物。其原因是冷態(tài)發(fā)動機(jī)原始排放水平較高，而催化轉(zhuǎn)化器在達(dá)到起燃溫度前轉(zhuǎn)化率為零或很低。排放測試開始時，催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行的目的是，在原始排放盡可能少且運(yùn)行平衡的條件下，利用排氣盡可能快地把它加熱到起燃溫度。在此背景下，渦輪增壓發(fā)動機(jī)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)閺U氣渦輪增壓器對于流向催化轉(zhuǎn)化器的排氣來說將產(chǎn)生附加熱損失，會相應(yīng)推遲達(dá)到起燃溫度的時間。本文介紹BMW公司采用創(chuàng)新的方法來解決廢氣排放問題，同時滿足了用戶其他要求，諸如駕車樂趣多與燃油耗少之間的目標(biāo)沖突。

2 實(shí)現(xiàn)低排放理念的燃燒系統(tǒng)

為了獲得高動力性、低燃油耗，并具有更多的駕車樂趣，目前和將來的BMW轎車汽油機(jī)和柴油機(jī)都將應(yīng)用雙渦輪技術(shù)。汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)利用所謂的“渦輪增壓可變氣門直接噴射”（TVDI）實(shí)現(xiàn)低排放（圖2）。這種燃燒系統(tǒng)自2009年起就被用于BMWTVDI 6缸汽油機(jī)中，現(xiàn)將推廣到BMW公司的所有汽油機(jī)上。這種新型SULEV渦輪增壓汽油機(jī)的基本型是2011年推出的BMW 2.0 L 4缸汽油機(jī)。采用TVDI燃燒系統(tǒng)，可降低全球BMW公司發(fā)動機(jī)的燃油耗，同時獲得BMW標(biāo)識的駕車動力性，而不依賴于當(dāng)?shù)氐娜加推焚|(zhì)。此外，用TVDI獲得的自由度進(jìn)一步為低排放理念提供了有利的前提條件。

與進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比，采用中央布置噴油器的直接噴射由于每個工作循環(huán)的噴油脈沖數(shù)和持續(xù)時間十分靈活，可以明顯推遲點(diǎn)火時刻，從而使催化轉(zhuǎn)化器更快加熱。這里采用了2次噴油的稀燃加熱催化轉(zhuǎn)化器。第1次噴油在進(jìn)氣階段進(jìn)行，是主噴油，產(chǎn)生基本的均質(zhì)稀混合氣。噴油量較少的第2次噴油緊跟著點(diǎn)火時刻，以提高已燃的較稀基本混合氣紊流強(qiáng)度，加速或穩(wěn)定燃燒，從而可以應(yīng)用很晚的點(diǎn)火時刻。稀燃運(yùn)行有可能與廢氣中過量的氧發(fā)生過后反應(yīng)，從而提高排氣溫度，降低原始的一氧化碳和碳?xì)浠衔铮℉C）排放。

除了為實(shí)施ULEV標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對催化轉(zhuǎn)化器加熱之外，通過把噴油壓力從12 MPa提高到20 MPa，并利用優(yōu)化換氣過程進(jìn)一步改善性能。圖3表示穩(wěn)態(tài)冷卻催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行時實(shí)測的催化轉(zhuǎn)化器前原始排放量和排氣溫度。提高噴油壓力及改善燃油霧化，明顯減少了顆粒（PM）排放。當(dāng)然，較高的噴油壓力使燃油射束沖量加大，造成噴注貴穿度增加，從而加劇濕壁效應(yīng)，導(dǎo)致HC排放增加。通過利用TVDI燃燒系統(tǒng)的氣門可變性，提高燃燒室中殘余廢氣含量，可補(bǔ)償由于噴油壓力提高造成的HC增加。燃燒室中殘余廢氣含量非常高，以至充量溫度提高，這有利于燃油的汽化和混合氣形成，使HC和PM排放較低。NOx排放的優(yōu)勢主要在于燃燒較慢和最高燃燒溫度較低。較后的燃燒放熱率圖形心位置使排氣溫度提高，這在不影響運(yùn)行平順性的前提下，使所有的原始排放得到改善，同時加速了催化轉(zhuǎn)化器起燃。

圖4表示TVDI燃燒系統(tǒng)與競爭對手兩者的催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行比較，并以相對氣缸工作容積歸一化的形式表示HC排放質(zhì)量流與排氣焓流的關(guān)系。催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行的優(yōu)化目標(biāo)是在盡可能少的HC原始排放下實(shí)現(xiàn)最大的排氣焓流。顯然，采用中央布置多孔噴油器的TVDI燃燒系統(tǒng)獲得了壓電直噴燃燒系統(tǒng)的最好結(jié)果。在新型2.0 L TVDI 4缸汽油機(jī)中，催化轉(zhuǎn)化器被功率22 k W的排氣加熱。

3 點(diǎn)火噴油的最小油量功能和優(yōu)化潛力

為能在整個汽車壽命期內(nèi)可靠地得出點(diǎn)火噴油所需的小油量，要引人一種功能，即通過調(diào)節(jié)算法和自適應(yīng)算法控制多孔噴油器特性曲線沖擊區(qū)中的針閥開啟持續(xù)期，以及決定噴油量的參數(shù)（圖5）。從噴油器的電控特性決定針閥的開啟和關(guān)閉時刻，從而求出其開啟持續(xù)期。如果這個持續(xù)期與預(yù)定值有偏差，則用電控修正。由此能夠在汽車整個壽命期內(nèi)十分精確地提供TVDI催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行所需的最小油量。

要降低催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行時的PM排放，特別是在歐6排放法規(guī)的背景下，優(yōu)化點(diǎn)火噴油量起著決定性的作用。這里提及的最小油量功能具有很大優(yōu)勢，因?yàn)樗軌蛑貜?fù)給出極小的噴油量。圖6（a）和圖6（b）表示未經(jīng)優(yōu)化的點(diǎn)火噴油量，以及緊接著的擴(kuò)散燃燒很多的燃燒情況?？梢钥闯?，燃油噴注貴穿度比較大，導(dǎo)致活塞濕壁，并造成碳煙較多的燃燒。經(jīng)優(yōu)化后大大縮短的點(diǎn)火噴油避免了活塞濕壁。在燃燒室中央富油區(qū)產(chǎn)生的擴(kuò)散火焰明顯減弱。這一比較表明，經(jīng)對點(diǎn)火噴油量優(yōu)化后，PM排放大大減少。通過優(yōu)化布置噴油器噴孔，能夠進(jìn)一步改善促使原始排放顯著減少的混合氣均質(zhì)化。

4 催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行期間排氣熱損失的最小化

除了優(yōu)化燃燒系統(tǒng)外，催化轉(zhuǎn)化器前排氣熱損失的最小化對于實(shí)現(xiàn)SULEV排放限值來說是重要的前提。如上所述，渦輪增壓器作為催化轉(zhuǎn)化器前的附加熱流出口面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘@著延遲催化轉(zhuǎn)化器的起燃。從圖7可見，排氣經(jīng)過渦輪增壓器之后溫度會降低300 K。大量的熱損失主要是由從排氣向渦輪增壓器渦殼和葉輪大表面?zhèn)鳠嵩斐傻摹?/p>

在催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行期間，如果能有盡可能多的排氣直接流經(jīng)放氣閥（繞過渦輪），那么，就可減少熱損失。此外，從放氣閥流道流出的排氣流要盡可能不與壁面直接接觸地流到催化轉(zhuǎn)化器。通過利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）進(jìn)行仔細(xì)優(yōu)化，首先盡量使放氣閥流道的人流和通流最大化。放氣閥的最大開啟角從25°增大到45°。為此，應(yīng)用了電控器，它還具有其他功能優(yōu)勢。上述措施使通過放氣閥的排氣質(zhì)量流量比例從40%大幅提高到70%。將放氣閥在渦輪殼體上合理定向，把催化轉(zhuǎn)化器布置在渦輪附近，以大大減小從放氣閥通道到催化轉(zhuǎn)化器前面的排氣流動熱損失。

這一措施的實(shí)施，使催化轉(zhuǎn)化器前的排氣溫度（按CFD仿真）提高200 K以上。所進(jìn)行的優(yōu)化被汽車試驗(yàn)所證實(shí)。經(jīng)優(yōu)化的方案在冷起動后的排氣溫度要比基本型高220 K。

5 廢氣渦輪增壓器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型SULEV汽油機(jī)采用整體結(jié)構(gòu)的廢氣渦輪增壓器模塊（圖8），除了已提及的電控放氣閥調(diào)節(jié)器外，結(jié)構(gòu)上與符合歐洲經(jīng)濟(jì)委員會排放法規(guī)和ULEV方案的模塊相同。4支排氣歧管匯流到2支排氣歧管，它們由金屬板制成，而且，用內(nèi)高壓成形法制成的內(nèi)管材料為奧氏體不銹鋼。針對換氣過程優(yōu)化的分流方案，將第1缸與第4缸、第2與第3缸合并。利用2個圓形斷面，排氣流人雙渦殼渦輪的進(jìn)口經(jīng)流動優(yōu)化。結(jié)構(gòu)緊湊的渦輪殼體是奧氏體鋼鑄件，2個渦殼沿圓周相互錯開30°。近發(fā)動機(jī)安裝的催化轉(zhuǎn)化器分成兩級（第1級整體載體孔密度為900 cell/in2，第2級為600 cell/in2）。合理選擇調(diào)節(jié)探針，使發(fā)動機(jī)用過量空氣系數(shù)調(diào)節(jié)幾秒鐘后即可運(yùn)行。監(jiān)控探針布置在兩級整體式載體之間。電控旁通閥被集成在壓氣機(jī)中。廢氣渦輪增壓器模塊的安裝代表了量產(chǎn)中最高的自動化程度。上述廢氣渦輪增壓器模塊適用于所有BMW公司新型汽油機(jī)及其汽車結(jié)構(gòu)系列。

6 實(shí)車達(dá)到SULEV目標(biāo)

圖9以HC排放為例，示出各項(xiàng)措施的有效性及其對達(dá)到SULEV目標(biāo)的貢獻(xiàn)?？疾焓墙⒃诂F(xiàn)已投放市場的ULEV汽油機(jī)變型基礎(chǔ)上的。目標(biāo)是以足夠的裕量達(dá)到SULEV限值，以確保耐久性。數(shù)值是在1臺新型催化轉(zhuǎn)化器上測定的。

優(yōu)化廢氣渦輪增壓器和相應(yīng)縮短催化轉(zhuǎn)化器起燃時間，使排放減少40%。在近發(fā)動機(jī)的催化轉(zhuǎn)化器上，提高其載體孔密度和貴金屬涂敷量。此外，布置地板下催化轉(zhuǎn)化器。這些措施使排放減少60%。利用最小油量功能，并與車輛匹配（例如起動和催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行），使排放進(jìn)一步減少50%。綜上所述，這些措施可在催化轉(zhuǎn)化器新鮮狀態(tài)下達(dá)到SULEV限值的50%，而無需采用二次空氣系統(tǒng)。

今后，將使用一種冷卻空氣側(cè)表面涂覆特殊涂層的抗臭氧空氣冷卻液冷卻器。環(huán)境空氣中含有對健康有害的臭氧會在這個表面上發(fā)生反應(yīng)，并變成分子態(tài)氧。在法規(guī)中，對于采用這種減少臭氧的抗臭氧空氣冷卻器提高生成臭氧排氣成分限值的技術(shù)予以充分肯定。

7 行駛功率和燃油耗

新型BMW 2.0 L 4缸汽油機(jī)的SULEV方案也能確保BMW轎車的行駛動力性能及低燃油耗，同時達(dá)到最大扭矩350 N·m，額定功率180 k W。與以往的發(fā)動機(jī)相比，動力性提高了30%，燃油耗降低4%，而且可用的扭矩范圍明顯拓寬。這種新款328i近零排放車與以往的車型相比，行駛功率大為提高，燃油耗明顯降低（圖10），能夠滿足世界上最嚴(yán)格的排放法規(guī)，而不需在動力性與效率之間進(jìn)行折中。

8 結(jié)語

利用TVDI燃燒系統(tǒng)的自由度，能夠在整個汽車壽命期內(nèi)具有很高的排氣焓，足以對催化轉(zhuǎn)化器加熱。新型汽油機(jī)的原始排放十分低且運(yùn)行平順性好。努力降低排氣熱損失確保催化轉(zhuǎn)化器盡快起燃，使廢氣渦輪增壓器的熱損失減至最小。新型BMW 2.0 L 4缸汽油機(jī)是全球首款不用二次空氣系統(tǒng)的SULEV用渦輪增壓汽油機(jī)，而且被配裝在新款BMW 328i近零排放車上投放美國市場。