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0 前言

近年來(lái)，全球不斷努力改善當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，同時(shí)降低燃油消耗量來(lái)限制運(yùn)輸領(lǐng)域的溫室氣體(GHG)排放。柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)擁有著最高的熱力學(xué)效率，因此成為低CO2排放動(dòng)力系統(tǒng)的首選。此外，經(jīng)過(guò)近二十年的研究，目前的柴油機(jī)技術(shù)也是一種超低排放和清潔燃燒的技術(shù)方案。

圖1 北美自由貿(mào)易協(xié)定(NAFTA)市場(chǎng)區(qū)域輕型卡車(chē)(LDT)/輕型商用車(chē)(LCV)柴油機(jī)系統(tǒng)的代表性概況和市場(chǎng)應(yīng)用

今后的超凈柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)作為最新一代的柴油機(jī)技術(shù)，基于高壓燃油噴射、最高效的增壓壓力和最佳的廢氣再循環(huán)(EGR)率，包括燃燒性能的最新改進(jìn)，采用了高度復(fù)雜的排氣后處理系統(tǒng)和先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理算法，并且全部基于超低硫柴油(ULSD)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案，可以達(dá)到幾乎零排放的效果。即將面世的超凈柴油機(jī)以最高能效的優(yōu)勢(shì)著稱(chēng)，還能使用大范圍的替代或可再生燃料，進(jìn)一步將柴油機(jī)定位為實(shí)現(xiàn)更清潔排放的重要技術(shù)，使得個(gè)人出行時(shí)溫室氣體的排放量減少，為全球營(yíng)造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境。

然而，對(duì)于美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NAFTA)市場(chǎng)，由于當(dāng)今的排放法規(guī)和市場(chǎng)環(huán)境，柴油機(jī)主要在重型載貨車(chē)市場(chǎng)占據(jù)很大的份額，如LDT和LCV在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)非常受歡迎，市場(chǎng)份額逐年增加。圖1概述了典型車(chē)型的應(yīng)用，包括在制定中的和已經(jīng)發(fā)布市場(chǎng)的車(chē)型。

圖2 未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力的法規(guī)限值概況(燃油消耗和尾氣排放)

在不久的將來(lái)，面對(duì)新型的、日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)引發(fā)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，能否提供可行性技術(shù)方案，能夠滿(mǎn)足后期極具挑戰(zhàn)性的燃料使用效率(CAFE)標(biāo)準(zhǔn)，而且滿(mǎn)足的市場(chǎng)中Tier 3/LEV III排放標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于GHG排放，不僅包括前面提到的CO2排放，還包括其他所有影響廢氣成分的氣體，如CH4、N2O等，均統(tǒng)稱(chēng)為碳排放 (CREE)。這些轉(zhuǎn)化為組合CO2當(dāng)量(CO2e)的排放量，均已被管制。圖2概述了美國(guó)市場(chǎng)未來(lái)的排放法規(guī)要求。

從最新的排放標(biāo)準(zhǔn)詳解中可以看出 ，Tier 3/LEV III標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范程度較高。如圖3所示，圖線(xiàn)逐步回歸，圖中描述了從進(jìn)入階段到2025年最終法規(guī)的逐步縮緊的過(guò)程以及一些附加的法規(guī)要求。

為了詳細(xì)評(píng)估柴油動(dòng)力系統(tǒng)的潛能，考慮到關(guān)鍵性技術(shù)，將選擇具有虛擬特性的典型LDT車(chē)輛作為評(píng)估對(duì)象。對(duì)于前置發(fā)動(dòng)機(jī)未給出任何限制條件的情況時(shí)，通常會(huì)重點(diǎn)討論和集中評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的布置問(wèn)題。尤其是需要考慮到嚴(yán)格的排放法規(guī)，即里程數(shù)最高時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放最低時(shí)對(duì)環(huán)境的最小影響。

圖3 未來(lái)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)(氮氧化物(NOx)和非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)尾氣排放)的法律要求概述

然而，通過(guò)壓縮車(chē)輛質(zhì)量、道路阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)容量的比例，可以輕松轉(zhuǎn)換到其他應(yīng)用車(chē)型，如SUV或LCV。

1 概念布局和定義

現(xiàn)代量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，從相對(duì)緊湊型的2.8 L、3.0 L中小型排量發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到大型的5.0 L甚至到6.6 L、6.7 L排量的機(jī)組應(yīng)用，這部分機(jī)型覆蓋了全尺寸卡車(chē)的應(yīng)用。選擇未來(lái)動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)時(shí)必須確保提高客戶(hù)端的性能要求，以及噪聲、振動(dòng)和平順性(NVH)和舒適性的精細(xì)屬性，另外為滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)打下良好的基礎(chǔ)。

鑒于現(xiàn)有的可用規(guī)范以及預(yù)期的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，本研究選取了3.3 L排量作為新虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)的核心維度。該發(fā)動(dòng)機(jī)配置了不同于一般發(fā)動(dòng)機(jī)布置的獨(dú)立的每循環(huán)0.55 L的燃燒系統(tǒng)。評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的詳盡規(guī)格參數(shù)將列于表1。

表1 6缸發(fā)動(dòng)機(jī)變量的主要技術(shù)參數(shù)

為響應(yīng)目標(biāo)車(chē)輛類(lèi)優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性，考慮如優(yōu)越的駕駛性能、出色的起動(dòng)性能和高效的牽引能力等重要的客戶(hù)需求屬性，將外特性扭矩曲線(xiàn)在相對(duì)低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下設(shè)置為大扭矩圖，以支持自動(dòng)降速趨勢(shì)和現(xiàn)代自動(dòng)變速器檔位設(shè)計(jì)的最優(yōu)選擇。2種直列式發(fā)動(dòng)機(jī)和V型發(fā)動(dòng)機(jī)外特性圖如下圖4所示。本文涉及的車(chē)輛重要性能參數(shù)為：燃油經(jīng)濟(jì)性≥38 mpg，牽引能力≥4 356 kg。

圖4 為概念設(shè)計(jì)和硬件選取(包括煙度限制)的外特性目標(biāo)曲線(xiàn)(扭矩和功率)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)規(guī)格和性能

為了滿(mǎn)足美國(guó)市場(chǎng)對(duì)污染物和GHG排放制定的嚴(yán)格法規(guī)，必須要設(shè)計(jì)出超低排放和高熱效率的柴油機(jī)。盡管該柴油機(jī)同時(shí)具備了非常強(qiáng)大的尾氣后處理系統(tǒng)，如基于尿素的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，但是實(shí)現(xiàn)超嚴(yán)格的EPA Tier 3 NOx排放和 CARB SULEV 30排放標(biāo)準(zhǔn)(NMOG+NOx<30 mg/mile)的目標(biāo)仍然充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)行的認(rèn)證程序與相應(yīng)的駕駛周期，F(xiàn)TP循環(huán)中綜合NMOG+NOx尾氣排放的可靠性取決于前180～200 s內(nèi)的排放性能。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后初始階段的廢氣溫度低，為了將催化器溫度提升到高轉(zhuǎn)換效率范圍內(nèi)，NOx排放的超低原排性能、燃油耗最低的加熱方法和最小的碳?xì)?HC)排放之間需要達(dá)到最佳平衡。此外，熱浸后的重新起動(dòng)過(guò)程也是排放達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵難題。近期為克服該問(wèn)題已探索了多種技術(shù)。由于目標(biāo)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)更高電壓系統(tǒng)受到限制，在本研究案例中將不考慮48 V的電加熱催化器。

從認(rèn)證循環(huán)第一部分的排放性能來(lái)看，通用發(fā)動(dòng)機(jī)的2種布局：直列式和V型排列已經(jīng)是評(píng)估性能的關(guān)鍵決策要素。由于V型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)通常非常緊湊，故發(fā)動(dòng)機(jī)集成到車(chē)輛時(shí)其邊界是有顯著優(yōu)勢(shì)的。然而，關(guān)于閉耦催化器的功能實(shí)現(xiàn)和進(jìn)氣系統(tǒng)部件如渦輪增壓器、增壓中冷器和EGR系統(tǒng)元件的合理布置和尺寸設(shè)計(jì)，仍存在著很多不足。直列發(fā)動(dòng)機(jī)為關(guān)鍵子系統(tǒng)提供了更多的自由空間，但往往與車(chē)體的比例相沖突。

此外，對(duì)于升功率達(dá)73 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到高峰值點(diǎn)火壓力時(shí)的輸出動(dòng)力將會(huì)影響曲軸箱材料的選擇，并且V型發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械應(yīng)力比直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的更小，相對(duì)直列式而言，V型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案更具有挑戰(zhàn)性。

圖5 美國(guó)市場(chǎng)上量產(chǎn)柴油車(chē)輛排放狀況的代表性概述

為了展示發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)質(zhì)性的升級(jí)換代，圖5中給出了典型量產(chǎn)型車(chē)輛的概述。圖5(a)描述了可行應(yīng)用的原排狀態(tài)，圖5(b)展示了尾排狀態(tài)，若僅針對(duì)市場(chǎng)上的1個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，這似乎可以滿(mǎn)足超低排放車(chē)輛(SULEV)30標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于SULEV 30是要求160 000 mile的排放合規(guī)，實(shí)際可用的汽車(chē)只能確保高達(dá)120 000 mile的排放性能，因此SULEV 30做到全面覆蓋，并且不包括即將推出的標(biāo)準(zhǔn)中增強(qiáng)的車(chē)載診斷系統(tǒng)(OBD)要求。

底端結(jié)構(gòu)的布局和V型曲軸箱的孔距取決于曲軸的斜角和設(shè)計(jì)方案。假設(shè)是1個(gè)90°傾角、行程與缸徑比大于1和錯(cuò)拐曲軸的設(shè)計(jì)，那么V型發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)非常矮且緊湊，如圖6所示。由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和主軸承上附加的橫向力產(chǎn)生的高負(fù)荷，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體一般選擇緊密石墨鑄鐵(CGI)。與此相反，新型直列式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)將鋁作為缸體材料，與球墨鑄鐵軸承蓋裝配。

圖6 不同的曲軸箱底端設(shè)計(jì)[1-2]

圖7 直列式和V型發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)的摩擦損失

關(guān)于最佳性能和最低油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)概念和布局也需要考慮具備良好摩擦性能的動(dòng)力系統(tǒng)。這種情況下，為優(yōu)化曲軸設(shè)計(jì)、曲柄銷(xiāo)和主軸承尺寸，德國(guó)FEV公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用軟件來(lái)模擬圓角軋制過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)最低的摩擦損失。但在相同的優(yōu)化級(jí)別時(shí)，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)優(yōu)于V型架構(gòu)。相對(duì)而言，峰值點(diǎn)火壓力(PFP)越高的其輸出變量顯示高出大約20%～30%的摩擦損失，如圖7所示。

為了最大限度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量，受復(fù)雜的緊密耦合后處理系統(tǒng)的需求驅(qū)動(dòng)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)基本部件都必須依據(jù)輕量化設(shè)計(jì)作優(yōu)化。尤其是氣缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和曲柄系統(tǒng)，這些部件約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的50%。因?yàn)檫^(guò)去幾年熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷不斷上升，最近這已成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為此，基于廣泛使用的最先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具，德國(guó)FEV公司開(kāi)發(fā)了1款集成的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。這種流程遵循了虛擬前置加載的理念，一方面可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的尖端發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，另一方面大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。圖8顯示了新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋示例的綜合流程鏈。

圖8 用于穩(wěn)定的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基于CAE的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程

針對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的高期望值，除了為滿(mǎn)足嚴(yán)苛的市場(chǎng)需求制定合適的發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)架構(gòu)尺寸外，滿(mǎn)足排放法規(guī)也是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的核心挑戰(zhàn)。由于滿(mǎn)足要求的技術(shù)方案的可選數(shù)量很大且相互影響，因此必須采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)過(guò)程來(lái)確定最佳的專(zhuān)用系統(tǒng)定義。圖9總結(jié)了完整開(kāi)發(fā)工具包的主要模塊，用于精確地定義系統(tǒng)規(guī)范。

圖9 排放控制系統(tǒng)布局和燃燒系統(tǒng)定義的集成開(kāi)發(fā)方法

考慮到超低廢氣排放要求及進(jìn)一步加強(qiáng)的OBD規(guī)范和耐久延長(zhǎng)要求，必須要降低額定排氣后處理限值，以獲得一些額外的安全余量。

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx原排，幾乎所有工況都必須采用EGR。除了增加燃油噴射壓力的優(yōu)勢(shì)，和一開(kāi)始就考慮選擇的250 MPa以上的燃油噴射裝置(FIE)系統(tǒng)，EGR中空氣與噴射燃油的良好混合和空氣利用率的優(yōu)勢(shì)也需要考慮。由于氣缸蓋的流動(dòng)性能和渦流特性往往相互依賴(lài)，針對(duì)單渦輪增壓布置的目標(biāo)大功率密度必須采取具體措施實(shí)現(xiàn)較好的流動(dòng)性能。首先，渦流的產(chǎn)生是從一個(gè)幾何端口到另一個(gè)新幾何端口的轉(zhuǎn)移過(guò)程，即渦流槽。這種定制機(jī)械加工的異型溝槽接近氣缸蓋著火面上的進(jìn)氣閥門(mén)座，一方面確保具有良好標(biāo)稱(chēng)渦流水平的流動(dòng)性能，另一方面確保了非常均勻的缸內(nèi)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)(圖10)。

圖10 氣缸蓋著火面上帶渦流槽的進(jìn)氣口渦流平衡，包括優(yōu)異的穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)產(chǎn)品散差

其次，生產(chǎn)線(xiàn)加工渦流槽的高度一致性促使對(duì)燃燒系統(tǒng)的EGR容差邊界的標(biāo)定。選擇16.2的壓縮比作為兩者的折中，既滿(mǎn)足低十六烷值燃料的冷起動(dòng)要求，又滿(mǎn)足升功率75 kW的峰值點(diǎn)火壓力的低摩擦力設(shè)計(jì)的機(jī)械性能要求，同時(shí)也能夠在低溫和輕負(fù)荷工況下確保良好的燃料霧化和混合。圖11提供了用于實(shí)現(xiàn)可變渦流裝置的示例性參數(shù)，以有效的渦流來(lái)調(diào)整操作需求，以達(dá)到最佳效果。在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況下附加渦流裝置的激活和進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)的放大減少了關(guān)于HC、CO和顆粒物(PM)排放，同時(shí)在額定功率條件下降低渦流可大大地減少碳煙排放。

圖11 部分負(fù)荷和全負(fù)荷下，排放性能中高度可變、完全可調(diào)的渦流值優(yōu)勢(shì)

除空氣路徑之外，燃油系統(tǒng)的功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)低發(fā)動(dòng)機(jī)排放也是至關(guān)重要的。為了確定適當(dāng)?shù)膰娮煲?guī)格，必須通過(guò)高級(jí)仿真程序來(lái)評(píng)估全負(fù)荷和部分負(fù)荷要求之間的最佳折中。受排放法規(guī)驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)大的FIE系統(tǒng)功能的支持，噴嘴孔尺寸已經(jīng)大大減小，而噴孔的數(shù)量趨于增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖12 提高燃燒系統(tǒng)性能的FIE系統(tǒng)特性演變

實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵特征就是完成噴油器規(guī)格的最佳界定，旨在實(shí)現(xiàn)最高效率和最低PM、NOx和HC的發(fā)動(dòng)機(jī)排放量。在歐盟市場(chǎng)中嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)著排量約2.0 L但升功率達(dá)90 kW更小型的發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，不同的是，面對(duì)更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)客戶(hù)對(duì)大型發(fā)動(dòng)機(jī)的偏愛(ài)促進(jìn)了更大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)，從而導(dǎo)致功率密度降低。面對(duì)溫室氣體減排要求，采用了功率密度稍高的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。

如圖13所示，根據(jù)最新的生產(chǎn)實(shí)例，理想升功率輸出約73 kW需要噴射持續(xù)時(shí)間大約為35°CA。通過(guò)增加的噴射壓力值和出于平衡考慮下的良好缸內(nèi)空氣利用率，且降低近壁燃燒減少了熱損失，為8至9孔噴油器的設(shè)計(jì)提供了有利條件。

圖13 全負(fù)荷工況下的噴射持續(xù)時(shí)間和最佳噴射器規(guī)格識(shí)別

微孔噴嘴設(shè)計(jì)促進(jìn)了有關(guān)NOx和HC的低原排趨勢(shì)。為支持冷運(yùn)行工況給加熱策略標(biāo)定提供了額外的自由度，結(jié)合雙頂置凸輪軸(DOHC)布局增加可變氣門(mén)正時(shí)(VVT)功能。圖14中描述了這個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，確定了降低HC和CO排放量的優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了燃料消耗臨界點(diǎn)的廢氣溫度。

圖14 為降低發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放量(HC/CO)和提高排氣溫度的VVT潛能，以獲得更好的催化器效果

3 排氣后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能描述

為遵循嚴(yán)格的排放法規(guī)并大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放，排氣后處理系統(tǒng)(EATS)的功能在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置和優(yōu)化過(guò)程中也起著關(guān)鍵性作用?；谠敿?xì)分析和性能研究后選擇有利的EATS布局，且在該發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)評(píng)估之前運(yùn)行。在完整的調(diào)查矩陣后，確定的排氣后處理配置如圖15所示。

圖15 多種組合脫硝裝置的可行EATS配置(2個(gè)LNT+SCR/SDPF，雙級(jí)SCR)

基于目標(biāo)應(yīng)用的要求，本文選擇了組合排氣后處理系統(tǒng)，由稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器(LNT)、柴油顆粒過(guò)濾器(DPF)和選擇性催化轉(zhuǎn)化器(SCR)組成[3]。

根據(jù)實(shí)際的包裝限制和安裝條件，特別是對(duì)于V型布置，確定排氣系統(tǒng)構(gòu)造包含密耦的LNT/CDPF化合物與底置式足夠尺寸的SCR催化器，如圖16所示。擁有最佳催化器體積和規(guī)格且基于優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)原排量，高度精確的排放性能模擬已反饋了超出預(yù)期的結(jié)果，如圖16所示的直列式6缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖16 優(yōu)化基礎(chǔ)原排標(biāo)定和初始EATS定義下的全尺寸皮卡車(chē)型3.3 L直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)排放預(yù)測(cè)

圖17顯示了采用冷卻的高壓和低壓EGR的最先進(jìn)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的原排量。US06的高度瞬態(tài)性和高負(fù)荷需求導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量比在FTP 75和高速公路燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試(HWFET)中增加很多。

圖17 采用冷卻高壓和低壓EGR的最先進(jìn)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的原排量

具有超低NOx原排能力且設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)娜紵到y(tǒng)結(jié)合高性能EATS，是整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵。如前所述，為確保燃油消耗優(yōu)化系統(tǒng)和嚴(yán)格遵守法律限制，直接在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)之后的FTP75循環(huán)的初始部分起到了主導(dǎo)作用。各種研究中，電輔助催化器是被最多研究的對(duì)象，可確保所需轉(zhuǎn)換效率的脫硝(DeNOx)后處理系統(tǒng)的快速加熱。單從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，這種系統(tǒng)的原理存在優(yōu)勢(shì)并且可以充分利用。

圖18 不同循環(huán)工況下隔熱排氣管的催化轉(zhuǎn)化效率

圖18顯示了通過(guò)此標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)尾排值。該圖還說(shuō)明了關(guān)于最高5 mg/mile的NMHC影響的ULEV30法規(guī)限制。為了確保對(duì)各種干擾因素有足夠的穩(wěn)定性，確定了15 mg/km NOx的工程目標(biāo)。雖然HWFET的尾氣排放量非常低，但是冷起動(dòng)FTP75的排放量略高于法定限值，比預(yù)期的工程目標(biāo)高出2倍。對(duì)于US06排放，NOx排放量甚至比法定限值高3倍。

圖19 US06循環(huán)中關(guān)于原排和尾氣NOx排放性能(此為3.3 L V6配置)

圖19具體展示了給定布局的US06循環(huán)的原排NOx和尾排NOx。在780 s和830 s之間的原排NOx峰值同樣導(dǎo)致尾排峰值。在后處理系統(tǒng)完成非常高的NOx轉(zhuǎn)換效率之后，NOx排放量不會(huì)持續(xù)增加。高速加速會(huì)導(dǎo)致原排NOx峰值提高，從而激發(fā)選擇性催化還原SCR系統(tǒng)。下文中將討論如何通過(guò)附加的硬件升級(jí)和更先進(jìn)的標(biāo)定策略來(lái)進(jìn)一步改善原排NOx和排氣管位置。

由于開(kāi)發(fā)時(shí)間的限制，需要優(yōu)先考慮對(duì)傳統(tǒng)12 V車(chē)載電源電路的連續(xù)利用。在這種邊界條件下，必須在起動(dòng)行為和轉(zhuǎn)換效率方面增強(qiáng)基于后處理方案的建立LNT或SCR。此外，可變配氣機(jī)構(gòu)還可以用來(lái)調(diào)節(jié)排氣溫度，同時(shí)沒(méi)有明顯的油耗升高，但HC/CO排放減少。

如圖16所示，F(xiàn)TP 75循環(huán)的第一個(gè)冷起動(dòng)的初始階段，以及發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)后的時(shí)間段對(duì)于實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的尾氣排放限制是至關(guān)重要的。在這方面，諸如材料絕緣體或絕熱板的被動(dòng)熱管理策略具備巨大的潛能。自2009年以來(lái)雙壁排氣歧管和鈑金渦輪機(jī)外殼模塊一直用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。它們?yōu)殚_(kāi)發(fā)新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供了潛能，以減少污染物排放和燃料消耗。與傳統(tǒng)鑄鐵組件相比，組件質(zhì)量和表面溫度方面的性能表現(xiàn)更具優(yōu)勢(shì)。伯德汽車(chē)公司和FEV集團(tuán)對(duì)新型超低排放柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。本研究表明最大排氣溫度高達(dá)880 ℃，集成排氣歧管渦輪機(jī)組件的最佳解決方案是雙壁系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在內(nèi)外層之間的空氣層嵌入纖維材料。

如圖20所示，排氣系統(tǒng)熱端的升級(jí)對(duì)于氣體排放，如HC和CO，以及關(guān)于尿素計(jì)量噴射提供了顯著的優(yōu)勢(shì)，激發(fā)了底置式SCR催化器的早期活性，從而提高了總體轉(zhuǎn)化效率。

如圖21所示，利用不同方案措施與部件發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)的組合，比如VVT功能、采用隔熱升級(jí)的排氣系統(tǒng)，及其組合配置，并結(jié)合優(yōu)化的燃燒標(biāo)定，明顯改善了排放性能。

圖21 各種改進(jìn)措施對(duì)優(yōu)化FTP75試驗(yàn)循環(huán)的第一階段(冷態(tài))NOx和HC排放的結(jié)果

通過(guò)先進(jìn)的噴射方式，可以進(jìn)一步提高NOx、PM、燃燒噪聲的折中參數(shù)。圖22顯示了高級(jí)數(shù)字噴射率成形策略對(duì)如何實(shí)現(xiàn)更高的軌壓水平，而不影響燃燒噪聲的結(jié)果。在1 400 L/ min和0.75 MPa IMEP下，軌壓從45 MPa連續(xù)增加到65 MPa，原排NOx保持不變。使用保壓時(shí)間短的傳統(tǒng)電磁噴油器。對(duì)于傳統(tǒng)的兩次預(yù)噴和主噴策略，共軌壓力增加引起最大氣缸壓力梯度的不斷增加，這導(dǎo)致燃燒噪聲值增加大約6 dB(A)。具備高達(dá)7次脈沖噴射的先進(jìn)噴射輪廓，最大氣缸壓力升高保持在幾乎恒定的水平，燃燒聲級(jí)保持在較低水平。

圖22 先進(jìn)的噴油策略對(duì)于NOx/PM/燃燒噪聲影響的綜合比較

改進(jìn)的噴射霧化使得碳煙量減少超過(guò)60%，可以實(shí)現(xiàn)更高的EGR率，因此與基準(zhǔn)相比較，可以降低原排NOx而不會(huì)增加PM。對(duì)于高瞬態(tài)加速度，例如在US06中NOx期望減少的潛能值約為15%～25%。這些組合技術(shù)大大提高了系統(tǒng)在符合目標(biāo)SULEV30標(biāo)準(zhǔn)方面的可靠性。圖23展示了在利用先進(jìn)的噴射率成形策略和FEV對(duì)于空氣路徑的直接NOx控制之后基線(xiàn)應(yīng)用的原排NOx量。

US06循環(huán)原排NOx已經(jīng)減少了40%，尤其是瞬態(tài)NOx量已經(jīng)最小化。 同樣對(duì)于FTP75試驗(yàn)循環(huán)，也實(shí)現(xiàn)了大約30%的大幅度下降。在測(cè)試?yán)锍梯^長(zhǎng)的公路試驗(yàn)中，改進(jìn)后的燃油和空氣路徑控制實(shí)現(xiàn)了約15%的下降。使用基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)，如果不考慮NMHC排放(圖24)，改善的原排量將導(dǎo)致尾氣NOx排放低于ULEV30法定限值。

圖23 先進(jìn)燃油和空氣路徑控制下的各種法規(guī)循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)NOx原排

如圖24，通過(guò)先進(jìn)的后處理控制可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，降低NH3滑移風(fēng)險(xiǎn)和增加SCR催化器體積，可以進(jìn)一步提高US06工況中的NOx轉(zhuǎn)化效率。低于工程目標(biāo)的尾氣排放是通過(guò)組合措施實(shí)現(xiàn)的。為了進(jìn)一步降低冷起動(dòng)FTP75循環(huán)中的NOx排放，引入LNT使尾氣排放穩(wěn)定低于15 mg/mile。LNT深層次凈化操作對(duì)CO2的影響比積極的常規(guī)加熱策略對(duì)CO2的影響小，這樣就不需要采用LNT。VVT功能和絕緣排氣歧管的協(xié)助為燃油效率、NMOG合規(guī)性和OBD的監(jiān)測(cè)提供了更大的好處。

圖24 原始和優(yōu)化的EATS布局和規(guī)格下的(3.3 L 直列6缸配置)尾氣排放性能對(duì)比圖