【日】 池田護(hù) 中井洋明

0 前言

近年來，全球氣候變暖及大氣污染等問題引起了全世界的關(guān)注。汽車行業(yè)在能源消耗及內(nèi)燃機(jī)排放方面負(fù)有重大責(zé)任。就這一問題而言，長遠(yuǎn)的目標(biāo)是必須普及電動(dòng)車及燃料電池車之類的零排放車，但在現(xiàn)階段，仍需致力于提高內(nèi)燃機(jī)的效率，同時(shí)降低車輛的排放。其中，作為一項(xiàng)環(huán)保技術(shù)，熱效率高且二氧化碳（CO2）排放低的柴油機(jī)發(fā)揮著重要的作用。

日產(chǎn)汽車公司根據(jù)長期積累的柴油機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，于1996年公布了調(diào)制動(dòng)力學(xué)燃燒理念[1]，1998年將該技術(shù)應(yīng)用于YD系列發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)[2]。之后，分別在2001年和2005年，將采用共軌燃油噴射系統(tǒng)的YD系列發(fā)動(dòng)機(jī)，以及采用柴油顆粒濾清器（DPF）的YD系列發(fā)動(dòng)機(jī)投放市場(chǎng)。與此同時(shí)，該公司的柴油機(jī)在2003年達(dá)到了美國排放法規(guī)第2階段第5級(jí)的水平[4]，在2007年滿足了美國加州的特超低排放車標(biāo)準(zhǔn)[5]。

隨著燃油噴射技術(shù)及排氣后處理技術(shù)的發(fā)展，配裝柴油機(jī)的乘用車在保持低CO2排放這一優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還大幅提高了其排放性能和駕駛性能，所以，近年來在歐洲乘用車市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額。但是，滿足被階段性收緊的排放法規(guī)限值要求，以及進(jìn)一步降低燃油耗，同時(shí)確保優(yōu)異的動(dòng)力性能仍是今后持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

為適應(yīng)上述市場(chǎng)需求，日產(chǎn)汽車公司針對(duì)歐洲高級(jí)跨界車的動(dòng)力需求，開發(fā)了既能滿足歐5排放法規(guī)限值要求，又具有良好燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性能的新型YD系列2.5 L直列4缸直噴式柴油機(jī)。為了能同時(shí)降低CO2排放及各種有害物排放，采用了全新的排氣后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合了經(jīng)改進(jìn)的稀氮氧化物捕集（LNT）催化轉(zhuǎn)化器[6]，以及堇青石柴油顆粒濾清器（Cd-DPF），前者是在日產(chǎn)汽車公司2008年為滿足日本后新長期排放法規(guī)限值要求而在多功能運(yùn)動(dòng)型（SUV）車上采用過的LNT催化轉(zhuǎn)化器基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的。

1 開發(fā)目標(biāo)

新型柴油機(jī)以歐4輕型商用車柴油機(jī)為基礎(chǔ)，如圖1所示，改善了排放性能，降低了CO2排放，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的環(huán)保性能，同時(shí)也提高了自身動(dòng)力性能。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)概況和基本性能

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)概況及主要技術(shù)規(guī)格

圖2為柴油機(jī)的外觀，表1列出了新型柴油機(jī)和基本型柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。新型柴油機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了低壓縮比（15.0），采用了噴油壓力高達(dá)200 MPa的共軌燃油噴射系統(tǒng)，同時(shí)，優(yōu)化了進(jìn)氣道及燃燒室形狀，從而獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能、高功率、高扭矩性能。此外，由于采用了新型電控可變?nèi)萘繙u輪增壓器和渦輪人口的排氣能量控制技術(shù)，大幅提高了增壓壓力的控制能力，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力性能的提高。將新開發(fā)的高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器與Cd-DPF組合，構(gòu)成一種新排氣后處理系統(tǒng)。由于采用了LNT催化轉(zhuǎn)化器，在實(shí)現(xiàn)低排放的同時(shí)，大幅降低了CO2排放。

表1 柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

2.2 功率和扭矩曲線

圖3為柴油機(jī)的性能曲線。與基本型柴油機(jī)相比，新型柴油機(jī)功率提高了11%，最高功率達(dá)到140 k W，最大扭矩為450 N·m。如圖4所示，這在單級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)中已是最高升功率和升扭矩。從低轉(zhuǎn)速區(qū)域到高轉(zhuǎn)速區(qū)域，均能獲得良好的加速性能。

3 改善燃燒的技術(shù)

3.1 提高功率與降低氮氧化物（NOx）排放的技術(shù)方案

圖5為在提高功率的同時(shí)降低NOx排放所需采用的技術(shù)方案。如下文所述，通過改善燃燒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了提高功率和降低NOx排放的目標(biāo)。此外，從降低燃油耗的觀點(diǎn)出發(fā)，為進(jìn)一步降低NOx排放，采用LNT催化轉(zhuǎn)化器替代了延遲噴油定時(shí)的策略，與基本型柴油機(jī)相比，CO2排放量降低約10%。相比利用延遲噴油的策略來降低NOx的方案，新方案能獲得減少CO2排放量約6%的效果。

3.2 降低壓縮比

為了能同時(shí)降低碳煙和NOx排放，采取了降低壓縮比的技術(shù)措施。此外，降低壓縮比還能為缸內(nèi)最大燃燒壓力的制約帶來余量，可因此而提高增壓壓力，故能同時(shí)兼顧減排與提高功率的目標(biāo)。另外，考慮到降低壓縮比所帶來的負(fù)面影響，即在超低溫條件下的起動(dòng)性，以及高海拔及寒冷地區(qū)的燃燒穩(wěn)定性，將壓縮比設(shè)定為15.0。

對(duì)燃燒室形狀進(jìn)行了優(yōu)化，在最大限度發(fā)揮低壓縮比優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，抑制了相應(yīng)的負(fù)面影響。具體做法是，擴(kuò)大活塞頂部燃燒室凹坑的直徑，提高噴霧的空氣利用率。同時(shí)，強(qiáng)化凹坑人口的斷面收縮，改善了渦流的穩(wěn)定性，由此減少了碳煙和碳?xì)浠衔铮℉C）的生成，確保了燃燒穩(wěn)定性。

3.3 改進(jìn)氣缸蓋氣道結(jié)構(gòu)

為降低排放和燃油耗，同時(shí)提高功率，必須要確保最佳的渦流比和流量系數(shù)。另外，隨著功率的提高，為有效冷卻苛刻環(huán)境下的氣缸蓋氣門，如圖6所示，將氣缸蓋的氣道布置方式由串聯(lián)式改為并聯(lián)式。

利用流動(dòng)分析技術(shù)及空氣流動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)氣道形狀進(jìn)行了分析研究，結(jié)果同時(shí)提高了渦流比和流量系數(shù)?？s小了螺旋氣道螺旋部分前的通路，提高了螺旋部分的氣體流速，強(qiáng)化了旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。另一方面，切向氣道的形狀設(shè)計(jì)能抑制來自于螺旋氣道的流動(dòng)干擾。結(jié)果表明，高流量系數(shù)使充氣效率得以提高，同時(shí)，提高渦流比也抑制了碳煙的生成，從而可設(shè)定較高的EGR率，在提高功率的同時(shí)，減少了廢氣排放，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

另外，在改進(jìn)氣道布置的同時(shí)，優(yōu)化了水套內(nèi)的冷卻水流動(dòng)，強(qiáng)化了燃燒室的冷卻。因此，新型柴油機(jī)比基本型柴油機(jī)能輸出更高的功率，并且如圖7所示，氣缸蓋燃燒室內(nèi)的最高溫度降低了約25℃，確保了極高的可靠性。

3.4 燃油噴射系統(tǒng)

新型柴油機(jī)配裝燃油噴射壓力高達(dá)200 MPa的第3代共軌燃油噴射系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)基于高壓燃油噴射，使噴油霧化性能得到提高，并且由于采用了高速電磁閥，提高了響應(yīng)性。結(jié)果表明，不僅提高了燃油噴射率，而且噴油持續(xù)期相比基本型柴油機(jī)約縮短8%，大幅提高了功率。此外，利用微小噴射量學(xué)習(xí)功能及氣缸間的修正控制功能，抑制了噴射初期及時(shí)效老化后的噴油波動(dòng)，減少了廢氣排放，降低了燃燒噪聲。

3.5 EGR冷卻系統(tǒng)

為改善排放性能，新型柴油機(jī)使用帶旁通的高效大容量EGR冷卻器。由于提高了EGR冷卻器的效率，增大了容量，實(shí)現(xiàn)了降低NOx排放的目標(biāo)。此外，在冷機(jī)及低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于對(duì)EGR冷卻器實(shí)施旁通，抑制了因過度冷卻而導(dǎo)致的HC排放增加。并且，因降低壓縮比所導(dǎo)致的對(duì)燃燒穩(wěn)定性的不良影響也被控制到最低程度。

4 排氣后處理技術(shù)

4.1 新開發(fā)的排氣后處理系統(tǒng)

為了滿足歐5排放法規(guī)的要求，同時(shí)降低CO2排放，開發(fā)了一種高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器與Cd-DPF相結(jié)合的新型排氣后處理系統(tǒng)。

圖8示出了此次開發(fā)的排氣后處理系統(tǒng)在車輛上的安裝部位。為了使三效催化轉(zhuǎn)化器和高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器在催化劑性能最佳的溫度區(qū)域工作，將其安裝在增壓器下方的同一殼體內(nèi)。在LNT催化轉(zhuǎn)化器的前段布置三效催化轉(zhuǎn)化器，其目的是在稀氣條件下，尤其是在冷機(jī)狀態(tài)下，有效地氧化HC及一氧化碳（CO），同時(shí)在濃氣條件下生成作為還原劑的氫（H2）。將DPF布置在距離渦輪增壓器出口較遠(yuǎn)的位置，并采用了因熱容量低而升溫特性優(yōu)異的堇青石載體。

4.2 高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器

此次開發(fā)的目標(biāo)是即便在老化狀態(tài)下也可維持較高的NOx凈化率，為此，新開發(fā)了高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器。

圖9為LNT催化轉(zhuǎn)化器凈化NOx的機(jī)理。LNT催化轉(zhuǎn)化器在稀氣條件下捕集NOx，在濃氣條件下，利用與H2、CO和HC等的還原反應(yīng)，將捕集的NOx還原成氮（N2）。

但是，傳統(tǒng)的LNT催化轉(zhuǎn)化器在高溫條件下會(huì)引起貴金屬的燒結(jié)，當(dāng)發(fā)生熱老化之后，由于貴金屬的比表面積縮小，催化劑與排氣的接觸面積就會(huì)減少，導(dǎo)致凈化性能降低。因此，必須事先預(yù)測(cè)因貴金屬燒結(jié)引起老化的程度，并在催化劑中添加足量的貴金屬，以便保持足夠的凈化性能。

在汽油機(jī)上采用的超低貴金屬催化劑[8]，是在附著貴金屬的基材周圍設(shè)置物理分隔，由此抑制貴金屬的燒結(jié)，這一措施可使貴金屬的使用量減少50%。但是，在柴油機(jī)上卻無法采用這一措施，因?yàn)槭且淮涡詫Ox儲(chǔ)存在催化轉(zhuǎn)化器中再予以凈化，如果設(shè)置物理分隔，就會(huì)因?yàn)闅怏w擴(kuò)散性惡化而使NOx凈化能力下降。因此，新開發(fā)了高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器，如圖10所示，不設(shè)置物理分隔，以求不阻礙氣體的擴(kuò)散，將超低貴金屬催化劑的基材與分隔材料一體化，由于增強(qiáng)了基材（固定材料）與貴金屬之間的結(jié)合力，從而也抑制了貴金屬的燒結(jié)。

使用特定尺寸的試樣實(shí)施了模型氣體的評(píng)價(jià)，假設(shè)新鮮LNT的凈化性能為100，熱老化之后的NOx凈化性能示于圖11。與傳統(tǒng)的LNT催化轉(zhuǎn)化器相比，高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器在熱老化后的NOx凈化率提高了約20%。

4.3 柴油機(jī)系統(tǒng)概況與加濃脈沖控制

為了有效發(fā)揮排氣后處理系統(tǒng)的功能，在增壓器上游和DPF前后均布置了排氣溫度傳感器，在三效催化轉(zhuǎn)化器上游和DPF下游設(shè)置了空燃比傳感器，并根據(jù)模型推定各種催化轉(zhuǎn)化器的溫度及LNT催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的NOx捕集量。并且，利用DPF壓差傳感器獲得的數(shù)據(jù)，推斷DPF中的顆粒（PM）堆積量及DPF溫度，根據(jù)各種催化轉(zhuǎn)化器的狀態(tài)，對(duì)NOx凈化（加濃脈沖）、硫中毒消除，以及DPF再生等后處理控制要求進(jìn)行判斷。然后，利用可變?nèi)萘繙u輪增壓器、EGR閥及進(jìn)氣節(jié)流閥，按各項(xiàng)后處理控制要求實(shí)施過量空氣系數(shù)及溫度的控制。

如果為了提高濃氣條件下的NOx還原率而增加作為還原劑的H2、CO和HC，則由于HC與NOx的反應(yīng)性比H2、CO與NOx的反應(yīng)性低，會(huì)引起HC排放增加。然而，如果在提供還原劑的同時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)微量供給約1%的氧，就可在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)更有效地生成作為NOx還原劑的H2及CO[9]，這樣，就能夠在提高NOx還原率的同時(shí)，抑制HC的排放。

圖12為在實(shí)際車輛上的排放測(cè)試結(jié)果。通過將高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器與高精度的加濃脈沖控制技術(shù)相結(jié)合，大幅降低了NOx排放。

4.4 Cd-DPF系統(tǒng)

堇青石材料具有熱容量低、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的堇青石載體因?yàn)闅饪字睆椒植驾^廣，導(dǎo)致PM捕集率較低，壓力損失較大。在粗大氣孔較多的區(qū)域，PM容易逃逸，這樣在PM堆積量較少的部分，捕集效率就會(huì)變差。此外，在微小氣孔較多的區(qū)域，氣體通路容易被堵塞，導(dǎo)致壓力損失增大。如圖13所示，新開發(fā)的堇青石載體設(shè)定了適當(dāng)?shù)臍饪字睆街虚g值，氣孔直徑分布曲線呈尖銳而陡峭的形狀，同時(shí)兼顧了高NOx捕集效率與低壓力損失的目標(biāo)。

另外，由于Cd-DPF熱容量低，容易出現(xiàn)過度升溫的現(xiàn)象，故采用后文所述新型DPF再生控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可靠的DPF再生。結(jié)果表明，有效利用Cd-DPF熱容量低的特性后，如圖14所示，與碳化硅載體相比，提高了柴油機(jī)瞬態(tài)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的DPF溫度，縮短再生所需時(shí)間約12%。為此，能降低燃油后噴射量，并抑制潤滑油對(duì)燃油的稀釋。

4.5 DPF再生控制

DPF控制系統(tǒng)由PM堆積量推斷、DPF再生溫度控制及防止過度升溫控制3項(xiàng)控制技術(shù)構(gòu)成，故能實(shí)現(xiàn)可靠的DPF再生。

在推斷DPF中的PM堆積量時(shí)，結(jié)合應(yīng)用運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)隨時(shí)間變化的公式及壓差公式，提高了推斷的精度。

在DPF再生溫度控制方面，結(jié)合應(yīng)用進(jìn)氣節(jié)流與燃油噴射（主要是后噴射）進(jìn)行相關(guān)控制。要可靠且安全地對(duì)低熱容量的Cd-DPF實(shí)施再生，就必須兼顧控制精度和響應(yīng)性。但是，從開始控制燃油噴射量到DPF溫度發(fā)生變化的時(shí)間滯后較大，利用傳統(tǒng)的比例-積分控制較難同時(shí)兼顧上述目標(biāo)。因此，采用了基于現(xiàn)代控制理論之一的狀態(tài)反饋控制來控制后噴射量。根據(jù)排氣流量，建立從開始控制后噴射到DPF人口氣體溫度發(fā)生變化的時(shí)間滯后模型，以依次記憶的后噴射量為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)隨后的DPF人口氣體溫度變化，以獲得最佳的后噴射量。結(jié)果表明，這一方法能同時(shí)兼顧控制精度和響應(yīng)性。

DPF再生時(shí)，在PM過度堆積的狀態(tài)下，因急減速等原因會(huì)導(dǎo)致排氣流量減少，這樣，被排氣所帶走的熱量會(huì)減少，有可能發(fā)生PM快速燃燒并出現(xiàn)DPF過度升溫的現(xiàn)象。因此，為抑制DPF內(nèi)部的劇烈升溫，采用了防止過度升溫的控制技術(shù)。Cd-DPF的導(dǎo)熱系數(shù)較小，其內(nèi)部溫度分布容易不均勻。新開發(fā)的系統(tǒng)利用溫度模型推斷Cd-DPF的內(nèi)部溫度分布，并與推斷的高精度PM堆積量數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)判定過度升溫現(xiàn)象發(fā)生的危險(xiǎn)程度。當(dāng)判定為危險(xiǎn)時(shí)，有效利用Cd-DPF熱容量低的特征，通過提高排氣流量來增加帶走DPF的熱量，防止過度升溫，對(duì)DPF實(shí)施可靠的保護(hù)。

5 結(jié)語

利用低壓縮比等技術(shù)提高柴油機(jī)的功率性能，同時(shí)，采用結(jié)合了高分散型LNT催化轉(zhuǎn)化器與Cd-DPF的新型排氣后處理系統(tǒng)，開發(fā)了2.5 L直列4缸柴油機(jī)，該新型柴油機(jī)在滿足歐5排放法規(guī)限值要求的同時(shí)，也減少了CO2排放。

今后，仍要進(jìn)一步研究降低CO2排放，以及資源循環(huán)利用等重要課題，將確實(shí)具有實(shí)效性的技術(shù)和產(chǎn)品投放市場(chǎng)。在技術(shù)不斷高端化、復(fù)雜化的發(fā)展過程中，要提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，控制成本，同時(shí)確保功能的可靠性等。