【德】 Busch H Henning L K?rfer T Severin C

0 前言

近年來，全球越來越多的轎車銷售從傳統(tǒng)的歐洲市場(chǎng)和北美市場(chǎng)轉(zhuǎn)向新興市場(chǎng)。其中，特別是所謂的“金磚四國(guó)”（巴西、俄羅斯、印度和中國(guó)）市場(chǎng)份額明顯增長(zhǎng)。最初，這些國(guó)家以銷售汽油車為主，后來，柴油車的銷量也逐年增大。本文介紹了柴油轎車及柴油輕型貨車在這些國(guó)家所面臨的挑戰(zhàn)和必須作出的努力?？紤]到這些國(guó)家與歐洲市場(chǎng)法規(guī)間存在重大差異，首先，探討了原始排放滿足未來排放限值要求的潛力。隨后，針對(duì)上述新興市場(chǎng)，特別是以當(dāng)?shù)厝加推焚|(zhì)為背景，對(duì)排氣后處理技術(shù)進(jìn)行了討論。

1 “金磚四國(guó)”的特殊邊界條件

圖1為“金磚四國(guó)”采用新廢氣排放法規(guī)的時(shí)間表。由此得出以下結(jié)論：所有國(guó)家都緊跟歐洲排放法規(guī)，但至少滯后1個(gè)階段。當(dāng)前歐洲實(shí)施歐5排放標(biāo)準(zhǔn)，而大多數(shù)“金磚國(guó)家”則實(shí)施歐4排放標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，至少在印度和中國(guó)的大城市（印度的11個(gè)大都會(huì)，中國(guó)的上海和北京）與其國(guó)內(nèi)其他地區(qū)實(shí)施的排放法規(guī)有所不同。據(jù)估計(jì)，這些人口密集的大城市會(huì)取消更嚴(yán)格的排放法規(guī)，而在城市以外的區(qū)域?qū)嵤┑呐欧欧ㄒ?guī)則會(huì)提前。以歐5排放標(biāo)準(zhǔn)為例，中國(guó)打算取消排放標(biāo)準(zhǔn)的地域?qū)嵤┎町悾珖?guó)在2012年統(tǒng)一實(shí)施歐5排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)，提出了柴油轎車要滿足歐5排放法規(guī)的問題。本文介紹了尚待討論的邊界條件，且提出了可能的解決方案。

除了排放限值之外，“金磚四國(guó)”的測(cè)試循環(huán)也有所不同。俄羅斯和中國(guó)采用新歐洲行駛循環(huán)（NEDC），巴西輕型貨車用FTP75測(cè)試循環(huán)，而印度定義了一種限速90 km/h的NEDC。此外，還有一些國(guó)家特有的廢氣排放專門測(cè)試方法，比如在一定的海拔高度下，發(fā)動(dòng)機(jī)自由加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的煙度測(cè)定。

與歐洲轎車市場(chǎng)相比，第2個(gè)重要差異是得到保障的氣候邊界條件。對(duì)于歐洲轎車市場(chǎng)而言，典型的環(huán)境溫度為-25～40℃，海拔高度均低于2 500 m。而在俄羅斯市場(chǎng)卻可能出現(xiàn)明顯低于-25℃的溫度，這種氣候條件對(duì)冷起動(dòng)和實(shí)際行駛特性都產(chǎn)生巨大的影響。隨之而來的挑戰(zhàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)或特定汽車部件的結(jié)冰問題。同時(shí)，對(duì)于南美市場(chǎng)而言，必須確保適應(yīng)約4 000 m的海拔高度。對(duì)增壓器保護(hù)、高海拔冷起動(dòng)性能、再生，以及拖動(dòng)行駛等都必須予以相應(yīng)的考慮及處理。

第3個(gè)差異是燃油品質(zhì)和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的分散度也與歐洲市場(chǎng)有所不同。這里最關(guān)鍵的是燃油含水量和催化劑毒素，特別是硫含量。含水量較高，可借助于燃油濾清器將其分離，而且相對(duì)較容易發(fā)現(xiàn)，而硫含量則非常討厭。在“金磚四國(guó)”，可能不得不使用含硫量5 000×10-6的燃油，而歐洲規(guī)定的燃油含硫量為10×10-6，這一嚴(yán)重差異對(duì)車輛排氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大壓力。

2 原始排放潛力

在成熟的西歐柴油機(jī)市場(chǎng)，所有原主機(jī)制造商為達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)成一致。典型的歐5發(fā)動(dòng)機(jī)都運(yùn)用冷卻的高壓廢氣再循環(huán)（EGR）與高壓噴油系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)。采取這種技術(shù)組合的柴油車按NEDC運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的汽車類型及汽車聲學(xué)要求，典型的顆粒（PM）原始排放量被控制在20～40 mg/km以內(nèi)。采用封閉式柴油顆粒捕集器（DPF），在可接受的再生間隔下能夠確保車輛達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PM排放限值，即5 mg/km。在歐洲以外的一些市場(chǎng)，這一技術(shù)組合具有一定的風(fēng)險(xiǎn)及缺陷，不僅燃油品質(zhì)參差不齊，而且在市內(nèi)人口密集區(qū)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致再生困難。因此，按NEDC運(yùn)行時(shí)，將PM原始排放降至10 mg/km以下，原則上是值得追求的，這使采用開放式DPF的后處理方案成為可能。因?yàn)樘岣唛_放式DPF的凈化效率，有可能提高PM原始排放。改進(jìn)結(jié)構(gòu)有可能提高凈化效率，但往往受可支配空間的限制。特別是存在DPF過載的危險(xiǎn)，由于使用劣質(zhì)燃油，這一危險(xiǎn)性被進(jìn)一步增大。

針對(duì)采用DPF的標(biāo)準(zhǔn)型歐5發(fā)動(dòng)機(jī)方案，進(jìn)行了進(jìn)一步降低機(jī)內(nèi)PM排放潛力的分析。為了評(píng)估達(dá)到低原始排放水平的可能性，首先必須找出降低PM排放的運(yùn)行條件，從而挖掘出降低測(cè)試循環(huán)中PM排放的潛力。NEDC中的排放測(cè)試分析顯示，不同等級(jí)的汽車，其PM排放大多來自于平均有效壓力為0.5～1.5 MPa的中、高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷。為了在這一運(yùn)行范圍內(nèi)降低PM排放，采取了以下措施：（1）改善噴油系統(tǒng)，亦即提高噴油壓力；（2）提高增壓度；（3）采用均質(zhì)充量燃燒方法；（4）采用低壓EGR；（5）提高EGR冷卻器性能。出于耐久性考慮，低壓EGR不采用封閉式DPF方案。在所討論的情況下，進(jìn)一步提高EGR冷卻器性能是不切實(shí)際的，因?yàn)樵诨驮O(shè)計(jì)時(shí)，EGR冷卻器的出口溫度在暖機(jī)運(yùn)行時(shí)只略微高于120℃，而EGR溫度的進(jìn)一步降低將導(dǎo)致EGR管路的積炭風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，為了顯著降低原始排放，首先采取了提高增壓度和噴油壓力的措施。圖2表示采用180 MPa噴油系統(tǒng)的傳統(tǒng)單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與采用改良的增壓系統(tǒng)和200 MPa噴油系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，平均有效壓力為0.6 MPa）進(jìn)行的對(duì)比。在相似的噪聲激發(fā)水平下，采用較小噴油孔的噴嘴時(shí)，較高的過量空氣系數(shù)和改善的混合氣形成顯著減少了PM排放。通過這些措施組合，測(cè)試循環(huán)中的PM排放減少了約50%。

觀察PM特性曲線圖發(fā)現(xiàn)，平均有效壓力低于0.4 MPa時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行為降低總PM排放作出了重要貢獻(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)濃預(yù)混合燃燒，在這一運(yùn)行范圍內(nèi)，采用均質(zhì)充量燃燒方式是有利的。不過，值得一提的是，在“金磚四國(guó)”經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)參差不齊的燃油品質(zhì)，因此，也許只有裝用氣缸壓力引導(dǎo)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)后，采用濃均質(zhì)充量燃燒方式才是可行的[1]。考慮到上述措施，運(yùn)動(dòng)型多功能車（SUV）配裝2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，能使其PM排放量達(dá)到約12 mg/km。新的技術(shù)措施能進(jìn)一步降低PM排放，但對(duì)于采用開放式DPF而言，目標(biāo)窗口還不夠大（圖3）。

除了上述討論的機(jī)內(nèi)措施之外，還可通過改變變速器速比移動(dòng)測(cè)試循環(huán)中的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，使其移向較高轉(zhuǎn)速和較低負(fù)荷（提升速度），或者采用較大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)（加大排量），以在氮氧化物（NOx）排放不變的前提下降低PM排放。在不附加采取降低燃油耗技術(shù)措施的情況下，上述措施都會(huì)影響燃油耗，這在對(duì)燃油耗極其敏感的印度市場(chǎng)尤為不利。采用起動(dòng)-停車系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)管理相結(jié)合，可彌補(bǔ)減小變速器速比和/或采用較大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷。不過，這里無法期待有進(jìn)一步減排的優(yōu)勢(shì)。不斷減小基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦對(duì)降低燃油耗十分有益，但對(duì)降低PM排放的優(yōu)勢(shì)很小。經(jīng)過對(duì)提升速度和加大排量，以及上述降低原始排放措施的評(píng)估，再次表明其具有明顯改善PM原始排放的潛力（圖4）。中級(jí)轎車的PM原始排放值降至7～8 mg/km，使開放式DPF方案有可能滿足歐5排放法規(guī)要求。但就SUV這類大型乘用車上討論運(yùn)用的技術(shù)組合而言，只能達(dá)到約10 mg/km的最低原始排放水平。

為了進(jìn)一步降低排放，雖然各種車輛都有可能不采用封閉式DPF的排氣后處理方案，但必須實(shí)施進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)。這時(shí)，噴油系統(tǒng)通過進(jìn)一步提高最大噴油壓力[2]和噴油率自由度[3]獲得了更大的潛能。但這種技術(shù)組合的成本較高，與“金磚四國(guó)”柴油機(jī)化的要求相對(duì)立。此外，高性能噴油系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)因低劣的燃油品質(zhì)而受到損害。對(duì)于大型和重型汽車而言，不采用封閉式DPF的歐5排放方案是非主流方案。因此，采用封閉式DPF是一種挑戰(zhàn)，在柴油轎車的特殊運(yùn)行條件下，“金磚四國(guó)”必須接受這一挑戰(zhàn)。

3 排氣后處理

綜上所述，“金磚四國(guó)”的特點(diǎn)是不僅行駛循環(huán)負(fù)荷低，而且燃油品質(zhì)低劣。特別是其燃油中含硫量高，限制了排氣后處理的性能。燃油中的硫幾乎全部以二氧化硫（SO2）的形式供給排氣催化轉(zhuǎn)化器，其中一部分被催化轉(zhuǎn)化器吸附。這里，最重要的機(jī)理是SO2直接積聚或是SO2氧化生成的三氧化硫（SO3）的吸附，而積聚效率隨溫度、空速，以及廢氣中的SO2濃度而變化。一部分硫堵塞催化轉(zhuǎn)化器的活性中心，從而減小有效轉(zhuǎn)化率[4]。這里，不僅涉及HC和CO的轉(zhuǎn)化，而且關(guān)系到二氧化氮（NO2）的生成。這時(shí)，NO2的生成對(duì)硫化最敏感，因?yàn)樗鼛缀踉贖C和CO氧化完全結(jié)束后才進(jìn)行。

圖5表示2種不同的柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）技術(shù)在硫化和脫硫狀態(tài)下NO2的生成與溫度的關(guān)系。在HC起燃范圍內(nèi)，首先降低機(jī)內(nèi)形成的NO2，然后才在較高溫度下生成NO2。硫引起的催化轉(zhuǎn)化器失活作用不僅影響較高溫度范圍內(nèi)CO的氧化，而且在較低溫度下以較弱的形式影響NO2的下降。催化涂層抗硫優(yōu)化不僅減小了硫的積聚量，而且降低了NO2的生成活性。實(shí)例中，提高抗硫性都會(huì)伴隨基礎(chǔ)活性的降低，從而必須對(duì)不同用途時(shí)的穩(wěn)定性和活性作出妥協(xié)。

NO2濃度的降低使PM被動(dòng)再生減弱。對(duì)于封閉式DPF來說，必須相應(yīng)縮短再生間隔，以防止DPF過載。對(duì)開放式DPF而言，平衡點(diǎn)移向較高的碳煙質(zhì)量，不僅因NO2/碳煙比較低，而且因PM的密度較高，根據(jù)開放式DPF的種類不同，或多或少可提高凈化效果。一旦平衡點(diǎn)超過開放式DPF所允許的最大碳煙質(zhì)量，需實(shí)施相應(yīng)的主動(dòng)再生策略。

除了催化劑失活作用的后果及與此相關(guān)的被動(dòng)再生方面的缺陷之外，硫的積聚量也令人關(guān)注。在高溫下，例如在DPF主動(dòng)再生或在全負(fù)荷運(yùn)行工況下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)快速的硫解吸。大量SO3生成（具體取決于運(yùn)行條件）會(huì)導(dǎo)致在排氣裝置較冷的區(qū)域排出硫酸鹽，從而形成大量白煙。圖6表示這種白煙的形成出現(xiàn)在按NEDC運(yùn)行的DPF再生時(shí)。白煙借助于不透光度測(cè)定。很明顯，最大排放量出現(xiàn)在空速較小時(shí)，且與SO2釋出量呈相反關(guān)系。為了避免高煙度排放，采用了一種特殊的脫硫策略。這時(shí)，在DOC中產(chǎn)生的溫度被優(yōu)化到均勻釋放硫，并與排氣裝置的最低溫度相協(xié)調(diào)。脫硫與DPF再生相結(jié)合，使燃油耗降至最低。如圖6中曲線所示，優(yōu)化的策略能抑制由嚴(yán)重白煙造成的不透光度值。

除了燃油中含硫量高的不良影響外，新興市場(chǎng)的另一特點(diǎn)是實(shí)際行駛循環(huán)的負(fù)荷度很低，從而提高了對(duì)DPF再生安全性的要求。最好，再生策略應(yīng)針對(duì)低負(fù)荷和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)邊界條件的不同，有時(shí)不得不承受機(jī)油稀釋的問題。這里，采用燃油添加劑或從外界供給燃油等再生措施可能是有益的。采用缸內(nèi)后噴策略時(shí)，可通過更多次噴射，并結(jié)合合理分配早后噴和晚后噴，有效地減輕機(jī)油稀釋問題，但對(duì)噴油系統(tǒng)的要求也相應(yīng)提高了。

4 結(jié)語

“金磚四國(guó)”在選擇原始排放措施和排氣后處理方案時(shí)，不僅需要考慮賈用問題，更重要的是要顧及到可靠性。出于這一原因，歐4車型應(yīng)放棄封閉式DPF，而歐5車型，至少在短期內(nèi)，封閉式DPF可能是必需的。雖然結(jié)合采用機(jī)內(nèi)技術(shù)能進(jìn)一步提高增壓度和噴油壓力，以及噴油率的靈活性，此外，還蘊(yùn)藏著降低排放的巨大潛力，但它仍達(dá)不到與凈化率較低的開放式DPF相配的低原始排放水平（＜10 mg/km）。然而，在運(yùn)用封閉式DPF時(shí)，仍應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)低的機(jī)內(nèi)PM排放，以在低燃油品質(zhì)和低負(fù)荷行駛循環(huán)的特殊挑戰(zhàn)下使再生間隔最大化。為了避免燃油含硫量對(duì)排氣后處理造成不利影響，催化轉(zhuǎn)化器的催化涂層要對(duì)其抗硫性進(jìn)行優(yōu)化。為此，必須適當(dāng)標(biāo)定脫硫策略。根據(jù)車用發(fā)動(dòng)機(jī)不同的組合，可采用各種不同的再生方法，如多次早、晚后噴或外部燃油供應(yīng)，以提高再生安全性和減少機(jī)油稀釋。