【美】 R.Judge D. Needham K.L. Smith

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用于中國和印度未來廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的載貨車低成本廢氣凈化技術(shù)

【美】 R.Judge D. Needham K.L. Smith

Delphi公司專門為中國和印度載貨車市場開發(fā)了一種產(chǎn)品系列。作為廢氣凈化領(lǐng)域的實例，Delphi公司的產(chǎn)品能滿足汽車和發(fā)動機制造商的不同要求，并能以不同策略降低廢氣排放。

廢氣排放 凈化技術(shù) 排氣后處理

1 準(zhǔn)備實施的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)

從2006年起，量產(chǎn)載貨車采用選擇性催化還原(SCR)或廢氣再循環(huán)(EGR)加柴油機氧化催化器(DOC)和顆粒捕集器(DPF)來滿足歐4廢氣排放限值標(biāo)準(zhǔn)。這兩種減排方案目前都應(yīng)用于批量生產(chǎn)，且各具有優(yōu)缺點。

目前，許多發(fā)展中國家都準(zhǔn)備實施類似于歐4的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，為此燃油品質(zhì)也必須適應(yīng)排放要求。例如，在實施相當(dāng)于歐3廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)時，柴油中的含硫量容許350×10-6，而實施歐4標(biāo)準(zhǔn)時只容許50×10-6。按照排放法規(guī)的要求，柴油品質(zhì)的提升還是相當(dāng)緩慢，但在中國和印度取得了可喜的進(jìn)步。從2014年底開始，中國各地區(qū)開始供應(yīng)最大含硫量為50×10-6的柴油，不久的未來將實施相應(yīng)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，在為降低廢氣排放選擇合適的技術(shù)時，還應(yīng)注意到當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)要求和實際的運行條件，因此廢氣凈化技術(shù)必須保證一定的運行溫度，而這又取決于發(fā)動機應(yīng)優(yōu)先以中等直至高負(fù)荷運行。Delphi公司已考慮到各方面的情況，其廢氣凈化技術(shù)用于載貨車并能滿足中國國4(CN4)和印度4級(BS4)廢氣排放的要求。

2 局部地區(qū)的廢氣排放法規(guī)

中國和印度的廢氣排放限值法規(guī)基本上參考?xì)W洲發(fā)展路線制定，從2008年起，在中國人口稠密的大城市就已實施了CN4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了廢氣排放限值，而印度從2010年起也在大城市實施了類似的BS4廢氣排放限值法規(guī)。當(dāng)然，在個別地區(qū)實施這種廢氣排放限值法規(guī)，從國家層面上全面減輕了對環(huán)境的壓力。從2015年1月1日起，CN4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)在中國全國范圍內(nèi)生效，而印度則規(guī)定BS4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)也將于2015年底在70多個大城市生效，從而CN4和BS4將成為事實上的國家標(biāo)準(zhǔn)。隨著新的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的生效,容許的最大氮氧化物(NOx)排放從5.0g/(kW·h)降低到3.5g/(kW·h)，而容許的顆粒物(PM)排放最大為0.02g/ (kW·h)，這就必須顯著地改善廢氣凈化及其調(diào)節(jié)技術(shù)(圖1)。

3 車載診斷

如果要持續(xù)不斷地監(jiān)測所有重要的廢氣排放數(shù)據(jù)，以便確保在汽車的整個使用壽命期間(典型的為200000～500000km)在車載診斷(OBD)范圍內(nèi)滿足嚴(yán)厲的廢氣排放限值要求。與轎車相比，載貨車廢氣排放法規(guī)規(guī)定必須具有2套故障診斷系統(tǒng)，若診斷功能監(jiān)測到顆粒物排放值即將超過0.10g/(kW·h)或NOx排放值即將超過5.0g/(kW·h)，那么控制系統(tǒng)就必須通過點亮警報燈告知駕車人。

如果NOx排放值超過7.0g/(kW·h)限值時，發(fā)動機控制系統(tǒng)就必須設(shè)置到“應(yīng)急行駛模式”以降低扭矩行駛。這些要求僅通過診斷策略、標(biāo)定算法和驗證算法來滿足，能精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)故障，而不會出現(xiàn)錯誤診斷現(xiàn)象。

4 未來廢氣排放限值的降低

中國政府已宣布將進(jìn)一步降低載貨車廢氣排放限值(圖2)。隨著在所有重要的大城市實施CN5廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放值最大只容許2.0g/(kW·h)。除此之外，中國已計劃從2016年起實施CN6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。同樣，印度也順利地實施了BS5廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，以滿足更為嚴(yán)厲的廢氣排放限值，印度雖然尚未制定新的限值，但仍約在2020年實施新的廢氣排放法規(guī)。

5 燃油

除了上述因素之外,發(fā)動機能否滿足當(dāng)前廢氣排放限值的要求取決于發(fā)動機的基本設(shè)計，以及可供使用的燃料，在采用EGR或SCR廢氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機上，柴油中的含硫量起著重要的作用。含硫量高的燃油通過燃燒會產(chǎn)生腐蝕性很強的廢氣，會使催化轉(zhuǎn)化器涂層中毒并逐漸損壞。在中國進(jìn)行的調(diào)查得知，在人口稠密的市中心將提前使用含硫量低于50×10-6的低硫柴油。在中國所檢測的燃油樣品幾乎三分之一已達(dá)到了這樣的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，北京甚至三分之一的燃油的含硫量低于10×10-6，但因燃油品質(zhì)的差異使得市中心之外的空氣變得渾濁，市中心以外區(qū)域直到2015年仍在出售含硫量高于500×10-6的柴油。與此相反，在印度全國出售的柴油三分之一的含硫量已低于50×10-6[1]。

雖然，可預(yù)見的含硫量會降低，但柴油中的其他固體污染物和水分將是減排的關(guān)鍵因素，而用其他不合適的燃料，如煤油或供暖用柴油混和柴油機燃油的現(xiàn)象仍然非常普遍，這種行為充滿風(fēng)險，由于這些燃油與柴油機性能不同，如煤油的潤滑性能明顯比柴油差，可能會損害噴油系統(tǒng)或燃油濾清器，并引起嚴(yán)重的損壞。

減排的另一個風(fēng)險是劣質(zhì)的燃油濾清器，它們不具備所必需的濾清能力。特別是在燃油品質(zhì)強烈波動的地區(qū)，噴油系統(tǒng)必須具有毫無瑕疵的燃油濾清效果，從而不會因燃油污染而引起系統(tǒng)故障。

6 AdBlue催化還原劑的供應(yīng)

SCR廢氣凈化受系統(tǒng)制約的缺點是要使用AdBlue催化還原劑，并且必須定期加注。無論是中國還是印度，目前尚不能確保能供應(yīng)覆蓋全國AdBlue催化還原劑，而且達(dá)到全國供應(yīng)的時間點也無法具體預(yù)測。但是，中國政府要采取統(tǒng)一行動，在全國范圍內(nèi)為通過CN4標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的載貨車供應(yīng)AdBlue催化還原劑。因此，決定使用EGR還是SCR在很大程度上取決于是否能保障供應(yīng)AdBlue催化還原劑，但是也受到這兩種方案的系統(tǒng)和運行成本，以及在給定的環(huán)境條件下的效率和國家的供應(yīng)措施的影響。

7 成本

采用新的廢氣凈化系統(tǒng)會增加開發(fā)和生產(chǎn)的成本，會導(dǎo)致與用戶要求的目標(biāo)沖突，會使載貨車運營總成本(所有權(quán)總成本)上升。圖3示出了在中國市場上采用EGR和SCR的載貨車總運營成本的對比，其比較的基礎(chǔ)是裝備EGR的汽車燃油耗為百公里油耗19L，而裝備SCR的汽車燃油耗低5%，系統(tǒng)成本為1000歐元，AdBlue催化還原劑成本為0.33歐元，消耗量為3%，燃油價格為0.66歐元。

另外，2種技術(shù)方案主張者之間會存在爭論，而實際在汽車整個使用壽命期內(nèi)兩者的總運營成本相差非常小，如果AdBlue催化還原劑成本與燃油成本相比有很大變化的話，那么這兩條非常相似的曲線會分開角度會大些。

8 行駛循環(huán)

局部行駛狀況和運行條件對選擇合適的廢氣凈化系統(tǒng)具有重要的影響，例如高效的廢氣后處理系統(tǒng)必須保證最低的廢氣溫度，這只有通過發(fā)動機長時間處于中等和高負(fù)荷運行時才能保障，但是在諸如北京、上海和孟買這樣的人口快速增長的大都市，由于城市交通擁堵經(jīng)常發(fā)生，所以要達(dá)到這樣的行駛狀況幾乎是不可能的。因此這種情況適合優(yōu)先采用EGR系統(tǒng)來降低NOx，因為它對溫度的敏感性要比SCR系統(tǒng)小，也可以采用特殊加熱策略的SCR系統(tǒng)作為替代方案。

9 廢氣排放調(diào)節(jié)的技術(shù)方案

EGR和SCR是2種實用有效的達(dá)到歐4和類似廢氣排放限值的解決方案。在上述中國和印度的交通狀況下，冷卻EGR有更多優(yōu)點。圖4示出了滿足CN4和BS4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的EGR和SCR系統(tǒng)。

其中，有1種解決方案是利用共軌噴油系統(tǒng)的可能性，用更高的噴油壓力盡可能避免燃燒室中的原始排放。在這樣的前提下，EGR系統(tǒng)后面不串聯(lián)顆粒捕集器。為了達(dá)到這樣的目的，就必須在整個發(fā)動機使用壽命期間非常精確地監(jiān)控和調(diào)節(jié)NOx和碳煙排放及發(fā)動機機油耗。

最佳碳煙調(diào)節(jié)的前提條件是有專門的燃燒室形狀，并且噴油壓力至少高達(dá)180MPa或更高,同時在最大扭矩時的空燃比為22～24。為了達(dá)到這樣的空燃比，空氣就必須以高的壓力進(jìn)入燃燒室，這樣又會導(dǎo)致非常高的氣缸壓力，在中重型載貨車發(fā)動機上約為18MPa。

如果燃燒過程被優(yōu)化到產(chǎn)生盡可能少的碳煙，那么就必須提高EGR率，以便保持盡可能少形成NOx，典型的EGR率為10%～20%，必要的時候需要應(yīng)用小的渦輪或節(jié)流閥，有時也可采用止回閥，以便阻止EGR廢氣回流。

為了減少機油耗，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須盡可能減少曲軸箱通風(fēng)，防止氣體流入燃燒室，通過仔細(xì)選擇渦輪增壓器和氣門上的機油密封圈、最佳的刮油環(huán)，以及氣缸壁面與活塞之間縮小的間隙尺寸等方法能夠有效的降低機油耗。

10 共軌噴油系統(tǒng)

Delphi公司用于排量10L、功率300kW的中重型載貨車的共軌噴油系統(tǒng)，其模塊化結(jié)構(gòu)能非常靈活地變化(圖5)，能夠為滿足各種不同發(fā)動機結(jié)構(gòu)、行駛狀況和局部框架條件的不同需求提供量身定做的解決方案。

共軌噴油系統(tǒng)的特點是燃油經(jīng)過2次濾清，一次在燃油泵前，另一次在燃油泵中。因為集成在燃油泵中的濾清器已處于壓力沖擊的環(huán)境中，因而能使用非常細(xì)密的濾清元件，確保了極佳的濾清效果。在這種型式中可取消附加的初級輸油泵。

11 結(jié)論

類似于歐4標(biāo)準(zhǔn)的廢氣排放限值即將在一些發(fā)展中國家實施，但必須考慮到這些國家的市場面臨的特殊情況。對運營成本、清潔燃油和AdBlue催化還原劑的供給并結(jié)合局部的行駛狀況進(jìn)行了考量，多方面的試驗已證實，SCR的應(yīng)用受到限制，只能有限地作為最佳的解決方案，而采用不使用顆粒捕集器的EGR系統(tǒng)可能是滿足中國CN 4和印度BS 4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求的最佳解決方案。

Delphi公司靈活的共軌噴油系統(tǒng)適于應(yīng)用EGR與簡單的廢氣后處理策略相結(jié)合，并獲得非常低的燃油耗，但是Delphi公司的共軌噴油系統(tǒng)連同軟件策略也能用于SCR系統(tǒng)，而局部的框架條件能支持應(yīng)用這種類型的廢氣后處理系統(tǒng)，甚至Delphi公司能根據(jù)用戶的意愿開發(fā)特殊的符合用戶要求的解決方案，為此無論是中國還是印度都必須提供必要的開發(fā)和生產(chǎn)數(shù)量，首批量訂單將在不久后開始啟動。

[1] N N. Dieselnet report on integer research[C]. konferenz dieselemissionen, Pune/India, 2003.

范明強 譯自 MTZ，2015，76(1)

何丹妮 編輯

2015-04-01)