附錄 A 柴油發(fā)動機發(fā)展和耐久性 先進的柴油發(fā)動機和后處理技術(shù)的發(fā)展 2 級排放 Rakesh Aneja 底特律柴油機公司 Brian Bolton 底特律柴油機公司 Adedejo Bukky Oladipo 底特律柴油機公司 Zornitza Pavlova MacKinnon 底特律柴油機公司 Amr Radwan 底特律柴油機公司 摘要 先進的柴油發(fā)動機和后處理技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來并用于多種發(fā)動機和汽車平 臺 2 級 2007 年及以后 排放標(biāo)準(zhǔn)已說明了輕型載貨汽車在 FTP 75 協(xié)議一 次測試循環(huán)超過了車輛底盤式功率機 柴油發(fā)動機在得到了這些低尾氣排放水 平的 同時又保留了燃油經(jīng)濟性的優(yōu)勢特點 通過將原型后處理系統(tǒng)與先進的燃燒方式 潔凈燃燒 結(jié)合 性能和排放 取得了不少成果 潔凈燃燒在綜合處理之后控制部分種類廢氣 同時達到氮氧 化物和 PM 降低的目的 啟用引擎的分析工具能夠使子系統(tǒng)發(fā)展和系統(tǒng)整合 實 驗技術(shù)的開發(fā)方法 利用各種設(shè)施 以簡化開發(fā)的最終解決方案 包括利用穩(wěn) 態(tài)和暫態(tài)機的測試床 模擬底盤機的測試周期 關(guān)鍵詞 柴油發(fā)動機 2 級 SCR 后處理 排放 燃燒 引言 在 20 世紀 90 年代后期 燃料的使用預(yù)測是為未來運輸需求而準(zhǔn)備的 展 望未來 能源使用其中汽車被證明是相當(dāng)穩(wěn)定 前景從 2000 至 2020 年 而第 三類通過第 8 類車 重型車輛 被預(yù)測在這 20 年時間里將有微弱的增長 然而 一個明顯的增長主要出現(xiàn)在第 1 類至第 2 類車 皮卡 面包車和多功能車 在 某些情況下 這些都是用在商業(yè)上 但是增加的主要部分的來源被認為是客車 市場用于個人的運輸 隨著這一類汽車使用的增加 能源的使用也會日益增長 從而抬高了能源的使用總量 每天會有數(shù)百萬桶的原油消費 從 20 世紀 90 年 代后期的大約 800 萬桶增加至 2020 年的 1200 1300 萬桶 1 2 如圖 1 所示 按照預(yù)測 到那時汽車的柴油機使用率 其中第一類及第二類輕型卡車的 柴油機使用率在美國的交通能源的使用中將有顯著的減少 然而 很多人質(zhì)疑 柴油發(fā)動機的潛力 實行次級排放的能力是否會影響其可行性 而那些認為可 以克服排放的障礙的人又質(zhì)疑所有的氮氧化物減排技術(shù)應(yīng)用和燃油效率得到降 低之后 燃料經(jīng)濟性的改進將是怎樣 相對這個問題的回答 一系列與能源部的合作項目已經(jīng)開展 包括 DELTA 計劃以及后來的底特律柴油公司的 LEADER 計劃 研究達到次級排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù) 可行性及對燃料經(jīng)濟性可能產(chǎn)生的影響是這些項目與計劃的目的 底特律柴油 公司所采用的方案是一套綜合分析和實驗方法 該方案利用這個項目早期階段 的模擬來發(fā)展發(fā)動機設(shè)計和策略發(fā)展需要的觀念 圖 1 柴油 汽車的使用 使美國運輸能源使用明顯減少 方法及結(jié)果 用適中有效的方法把控制系統(tǒng)與發(fā)動機控制系統(tǒng)綜合在一起 這種方法使 得在保持柴油機對汽油機固有的經(jīng)濟優(yōu)勢的同時 發(fā)動機的總體排放特性也有 明顯的提升 最初 更多的仿真設(shè)計指引著人們?nèi)ピO(shè)計一個清潔的單缸引擎 這個模型 以實際設(shè)計和生產(chǎn)的發(fā)動機以及做好穩(wěn)定狀態(tài)模態(tài)的發(fā)展 并得到 了驗證 這方面的努力使該模型變得適用并且使得在穩(wěn)定模式下的工作有質(zhì)量 保證 如果這種實驗得到校準(zhǔn)和完善 引擎工況水平穩(wěn)定 它將被用于預(yù)測瞬 時的引擎工作性能 又仍處在穩(wěn)定狀態(tài)類型中 與分析工具結(jié)合在高度被控制 的一種穩(wěn)定的狀態(tài)測試 然后再在一個穩(wěn)定狀態(tài)中測試運行 這就找到如何在 進氣系統(tǒng) EGR 系統(tǒng)和提高發(fā)動機性能的燃燒系統(tǒng)之間找到平衡的關(guān)鍵答案 隨著穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展 這些數(shù)據(jù)和理論被暫態(tài)發(fā)動機測功計驗證 這個測 功機位于發(fā)動機能夠進行暫態(tài)發(fā)動機類型工作的位置 同時 車輛綜合在預(yù)報 和車輛噴射類型的的推動的周期 例如聯(lián)邦城市的驅(qū)車周期 FTP 75 US06 而公路燃料經(jīng)濟測試方式被編入瞬時的引擎測力計 這些可以在一個非?？刂?設(shè)置下運行 從而允許為控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)得到改進 隨著馬力測力計系統(tǒng)的發(fā)展 發(fā)動機被用來帶動一系列商用輕型卡車 道 奇杜蘭戈 道奇 Dakota 還有世界第 1 類戴姆勒克萊斯勒霓虹客車 并且部 分驗證控制系統(tǒng)發(fā)展校準(zhǔn)已制定 這種車輛綜合后 再往回到仿真領(lǐng)域中發(fā)展 高保真控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)發(fā)展 這是一條線索 通過一個迭代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機和后 處理的發(fā)展 至于第二 第三和第四次迭代 通過這樣的循環(huán) 后處理日益一 體化 圖 2 DAKOTA 輕型卡車平臺 如圖 2 所示 該計劃中使用的平臺為第 2 級示范的 是戴姆勒克萊斯勒道 奇 Dakota 輕型卡車平臺 這平臺搭載的是一臺加強 4 升 V6 發(fā)動機 3 4 這 種發(fā)動機采用可變幾何渦輪充增壓 共軌燃油噴射 獨特的高壓力回路 冷卻 EGR 系統(tǒng) 創(chuàng)造了 235 馬力 4000 rpm 優(yōu)越性能表現(xiàn) 并在 2002 年展示 并參 加了 2002 年在圣迭戈的乘坐和駕駛展示 在項目早期 一個綜合性的減排路線 被開發(fā)為輕型卡車和 SUV 的平臺 如圖 3 所示 它是基于 FTP 75 廢氣排放性 并它在兩個領(lǐng)域得以體現(xiàn) 第一個領(lǐng)域是利用引擎控制策略和先進的清潔燃燒 方式確認發(fā)動機的排放 這個項目專利性和先進性的燃燒技術(shù)在顯著減少發(fā)動 機排放的同時 對燃油經(jīng)濟性有重大的影響 事實上 對瞬態(tài)燃油經(jīng)濟性有比 較大的影響 圖 3 輕型卡車 越野車平臺綜合排放削減路線 如果這個發(fā)動機外排放是確定的 那么第二個目標(biāo)就確定了 這個先進發(fā) 動機控制策略的綜合性是通過排氣管排放通過后處理顯示出來的 發(fā)動機外排 放的目標(biāo)是在第 2 級 10 個等級 然后逐年下降非常接近第 2 級的 9 級水平 這 是有針對性的 其最終目標(biāo)是達到 2 級的 5 級的最終的目標(biāo) 在 2002DEER 會議 5 初步的結(jié)果被顯示發(fā)動機在第 2 級的 10 水平且沒有 后處理的外排放 這有重要意義 因為它在取得了非常低的發(fā)動機排放的同時 保持了非常高的燃油經(jīng)濟性 比以汽油機作動力的車高出 50 加入催化的煙 塵過濾器 尿素為基礎(chǔ)的可控硅技術(shù)和相關(guān)的管制措施 氮氧化物和粉塵減少 并且在 FTP 75 無任何氨滑移的情況下實現(xiàn)第 2 級 6 水平的排放 同汽油機相比 這種排放效益要高 45 自 2002 年 DEER 會議以來 發(fā)動機外排放有了很大的提高 如圖 4 所示 非常接近第 2 級 9 水平的排放 在沒有活躍的氮氧化物后處理情況下實現(xiàn) 氮 氧化物的 0 3 克每英里很低的微粒 這超過了在初期階段的計劃路線確立的 目標(biāo) 通過以 SCR 技術(shù)為基礎(chǔ)添加到發(fā)動機中 FTP 75 實現(xiàn)了第 2 類第 3 級排 放 同時與汽油機相比 燃油效益高出 40 再次 這些排放水平是在 FPT 5 周期無任何氨滑移的情況下取得的 此外 US06 水平也是第 2 級排放水平在 利用催化的煙塵過濾器和以汽油為基礎(chǔ)的 SCR 技術(shù)的情況下取得的 圖 4 NOx 還原經(jīng)燃燒和后處理發(fā)展輕型卡車 越野車平臺 將氮氧化物減少原因的歸類 可分為由于燃燒或者發(fā)動機不同 以及通過 比較 FTP 75 汽車的外氮氧化物排放量和 FTP 75 發(fā)動機的外排放量對后處理綜 合性能的影響是用以顯示這項先進技術(shù)的好處一種方法 在 FTP 75 放入循環(huán)中 后處理效率通常在 80 95 對于低溫的 FTP 75 循環(huán)來說 這些是相當(dāng)高水平 的氮氧化物減少量 這個項目顯示 去年 通過進一步利用清潔燃燒技術(shù) 提 升檢查和控制策略 發(fā)動機氮氧化物外排量有了顯著的降低 發(fā)動機氮氧化物 外排量減少了一半以上 而且 FTP 75 循環(huán)氮氧化物排放減少技術(shù)有意義的提 高表現(xiàn)在從去年的 85 上升到今年的 90 這是通過充分開發(fā)控制系統(tǒng)和先進的 復(fù)合模式燃燒的潛能實現(xiàn)的 這些充分表現(xiàn)了先進的發(fā)動機和后處理綜合技術(shù) 這些是這些技術(shù)和項目內(nèi)在的要求 尤其當(dāng)你考慮從模擬反復(fù)開始 經(jīng)過穩(wěn)態(tài) 瞬態(tài)發(fā)動機 最終到達汽車使用階段 我們經(jīng)歷的那種循環(huán)越多 我們就越能 通過發(fā)動機設(shè)計 發(fā)動機控制和先進的潛能將后處理與發(fā)動機結(jié)合 圖 5 NOx 還原經(jīng)燃燒和后處理的發(fā)展輕型卡車 越野車平臺 而實現(xiàn)第二級 尤其當(dāng)破壞傳統(tǒng)的 NOx 折衷方案曲線時 找出這種氮氧化 物權(quán)衡曲線仍然停留在上述每個單獨的轉(zhuǎn)折點顯得很重要 氮氧化物 燃油經(jīng)濟 性權(quán)衡曲線仍然以同樣的方式存在 我們可以在曲線上標(biāo)出氮氧化物從 7 級到 3 級的變化情況 以顯示出 當(dāng)?shù)趸餃p少時 FTP 75 的燃油經(jīng)濟性也減少到 同樣的水平 內(nèi)在的燃油經(jīng)濟復(fù)蘇潛力的確認是很重要的 在發(fā)展思路的每一 步 燃油經(jīng)濟性下降的原因都被確認 并且記錄在下面的循環(huán)中 因此 對于 2002 年第 2 級 6 級水平 FTP 75 的燃油經(jīng)濟性為 輕型卡 車每加侖行駛 20 英里 在 2003 年 雖然我們有燃油經(jīng)濟性和氮氧化物的綜合 但我們現(xiàn)在可以在沒加侖同樣里程數(shù)的情況下達到第 2 類第 5 級的水平 這表 明在同樣的燃油經(jīng)濟性條件下 氮氧化物的排放量比以前減少了 55 反過來 說 如果我們保持相同的氮氧化物 以 2003 年確定的排放標(biāo)準(zhǔn) 燃油經(jīng)濟性可 以增長到?jīng)]加侖行駛 20 5 英里 或者 我們可以將氮氧化物的排放量有效的減 少到第 2 類第 3 級標(biāo)準(zhǔn) 這相當(dāng)于在燃油經(jīng)濟性減少最少的基礎(chǔ)上將氮氧化物 排放量減少了 70 以上 有這樣一個信息 經(jīng)過發(fā)動機不斷的發(fā)展 燃油經(jīng)濟 性不斷的提高 因此進一步減少氮氧化物的排放量不會對燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生多大 不利的影響 如果我們把乘用車平臺作比較 這些結(jié)果可以被進一步說明 前 面的結(jié)果已經(jīng)有所呈現(xiàn) 我們有和輕卡相類似的路線圖 區(qū)分兩種體制 一種 是發(fā)動機具有氮氧化物外排和 FTP 75 粉末的 另一種是與瞄準(zhǔn)第 2 類第 5 級的 后處理系統(tǒng)相結(jié)合的 在這種情況下 發(fā)動機外輪廓在沒有后處理的情況下被 提煉到一個更加清潔的水平 氮氧化物 0 4g mi 和 0 5g mi 通過一個煙塵催 化過濾器 FPT 75 在沒有任何氮氧化物后處理的情況下實現(xiàn)了第 2 類第 8 級水 平 以尿素為基礎(chǔ)的 SCR 技術(shù)的應(yīng)用減少了 V 并且氮氧化物和微粒達到第 2 類第 3 級水平 同時不存在氨滑移 這些結(jié)果顯示在表 6 中 隨著發(fā)展思路的提升這個項目顯示了燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生的重大進步 同時在 燃油經(jīng)濟性不受損害的情況下氮氧化物排放量有初步降低 第 2 類第 5 級結(jié)果 是在 67mpg 的混合經(jīng)濟 這是 FTP 75 和高速路燃油經(jīng)濟的結(jié)合 這清晰的顯示 出當(dāng)利用合成分析和實驗方法時 燃油經(jīng)濟如何得以提高 圖 6 客運車平臺的綜合排放削減路線 總結(jié)和結(jié)論 總之 這個項目利用綜合柴油機和具有含 SCR 系統(tǒng)的催化過濾器后處理及 技術(shù)來說明輕卡 SUV 和乘用車平臺的第 2 類第 3 級排放 第 2 類用來說明超過 US06 循環(huán)的輕卡平臺和 FTP 75 結(jié)果 用同樣的汽車做測試 這比輕型汽油機 卡車高出 41 的燃油經(jīng)濟性 排放量的減少首先歸功于先進的燃燒技術(shù) 并且 通過在沒有活躍的氮氧化物后處理的情況下實現(xiàn)第 9 級氮氧化物排放和 PM 水平 實現(xiàn)的 尿素噴射控制策略是取得良好排放的首要原因 它在最大程度減小氨 滑移的同時最大程度的減小了氮氧化物排放量 同時 總的來說 短時間內(nèi)輕卡和乘用車實現(xiàn)第 2 類第 3 級排放的核心原 因是綜合測試和分析的發(fā)展策略 考慮到司機們都看重一項技術(shù)的商業(yè)潛能 要求發(fā)動機后處理綜合來降低后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性就必須使這項技術(shù)有更大范 圍的實用性 該項目發(fā)展的一個重大障礙是考慮到復(fù)合模式的燃燒策略 并且 把尿素還原劑噴射策略和過濾器換代策略融合在一個 ECU 中 我們需要精密的 控制技術(shù) 這是我們需要一些必須的例如在 15PPM 水平以下的少硫燃料和 SCR 尿素還 原劑 我們相信能在關(guān)鍵工作領(lǐng)域用尿素還原劑 而這又將為輕工作的發(fā)展奠 定基礎(chǔ) 我們需要重點考慮的是第 2 類水平和測量技術(shù)的排放多樣性 后處理 的有效壽命和設(shè)備多樣性 以及在預(yù)言長期排放中這兩者的結(jié)合起著重要作用 處理低排放發(fā)動機的結(jié)果時數(shù)據(jù)分析是很必要的 最后 因資源有限 高風(fēng)險和短期性 綜合分析和實驗方法有著重要有用 是絕對必要的 其最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)的動力數(shù)據(jù) 因為它將這些數(shù)據(jù)與理論結(jié)合 并且將發(fā)動機與后處理技術(shù)結(jié)合 因此 暫態(tài)時的后處理設(shè)備對整合設(shè)備和進 一步簡化它們起著重要作用 致謝 我們真誠地感謝 FreedomCar 汽車技術(shù)研究室 以及 DDC 輕卡項目主任 John Fairbanks 和 DDC 后處理項目主任 Ken Howden 的支持 附錄 B