附錄 A 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展和耐久性 先進(jìn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理技術(shù)的發(fā)展 2 級(jí)排放 Rakesh Aneja 底特律柴油機(jī)公司 Brian Bolton 底特律柴油機(jī)公司 Adedejo Bukky Oladipo 底特律柴油機(jī)公司 Zornitza Pavlova MacKinnon 底特律柴油機(jī)公司 Amr Radwan 底特律柴油機(jī)公司 摘要 先進(jìn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來并用于多種發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車平 臺(tái) 2 級(jí) 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(cè)試循環(huán)超過了車輛底盤式功率機(jī) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在得到了這些低尾氣排放水 平的 同時(shí)又保留了燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn) 通過將原型后處理系統(tǒng)與先進(jìn)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(shí)達(dá)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(shí) 驗(yàn)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(jī)的測(cè)試床 模擬底盤機(jī)的測(cè)試周期 關(guān)鍵詞 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 2 級(jí) SCR 后處理 排放 燃燒 引言 在 20 世紀(jì) 90 年代后期 燃料的使用預(yù)測(cè)是為未來運(yùn)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(cè)在這 20 年時(shí)間里將有微弱的增長 然而 一個(gè)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(rèn)為是客車 市場(chǎng)用于個(gè)人的運(yùn)輸 隨著這一類汽車使用的增加 能源的使用也會(huì)日益增長 從而抬高了能源的使用總量 每天會(huì)有數(shù)百萬桶的原油消費(fèi) 從 20 世紀(jì) 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(cè) 到那時(shí)汽車的柴油機(jī)使用率 其中第一類及第二類輕型卡車的 柴油機(jī)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(dòng)機(jī)的潛力 實(shí)行次級(jí)排放的能力是否會(huì)影響其可行性 而那些認(rèn)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(jì)性的改進(jìn)將是怎樣 相對(duì)這個(gè)問題的回答 一系列與能源部的合作項(xiàng)目已經(jīng)開展 包括 DELTA 計(jì)劃以及后來的底特律柴油公司的 LEADER 計(jì)劃 研究達(dá)到次級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù) 可行性及對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性可能產(chǎn)生的影響是這些項(xiàng)目與計(jì)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(shí)驗(yàn)方法 該方案利用這個(gè)項(xiàng)目早期階段 的模擬來發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和策略發(fā)展需要的觀念 圖 1 柴油 汽車的使用 使美國運(yùn)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)綜合在一起 這種方法使 得在保持柴油機(jī)對(duì)汽油機(jī)固有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)的總體排放特性也有 明顯的提升 最初 更多的仿真設(shè)計(jì)指引著人們?nèi)ピO(shè)計(jì)一個(gè)清潔的單缸引擎 這個(gè)模型 以實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)以及做好穩(wěn)定狀態(tài)模態(tài)的發(fā)展 并得到 了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)瞬 時(shí)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(cè)試 然后再在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)中測(cè)試運(yùn)行 這就找到如何在 進(jìn)氣系統(tǒng) EGR 系統(tǒng)和提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)測(cè)功計(jì)驗(yàn)證 這個(gè)測(cè) 功機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)行暫態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)類型工作的位置 同時(shí) 車輛綜合在預(yù)報(bào) 和車輛噴射類型的的推動(dòng)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(jì)測(cè)試方式被編入瞬時(shí)的引擎測(cè)力計(jì) 這些可以在一個(gè)非?？刂?設(shè)置下運(yùn)行 從而允許為控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)得到改進(jìn) 隨著馬力測(cè)力計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展 發(fā)動(dòng)機(jī)被用來帶動(dòng)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(yàn)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(gè)迭代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái) 如圖 2 所示 該計(jì)劃中使用的平臺(tái)為第 2 級(jí)示范的 是戴姆勒克萊斯勒道 奇 Dakota 輕型卡車平臺(tái) 這平臺(tái)搭載的是一臺(tái)加強(qiáng) 4 升 V6 發(fā)動(dòng)機(jī) 3 4 這 種發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變幾何渦輪充增壓 共軌燃油噴射 獨(dú)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(xiàng)目早期 一個(gè)綜合性的減排路線 被開發(fā)為輕型卡車和 SUV 的平臺(tái) 如圖 3 所示 它是基于 FTP 75 廢氣排放性 并它在兩個(gè)領(lǐng)域得以體現(xiàn) 第一個(gè)領(lǐng)域是利用引擎控制策略和先進(jìn)的清潔燃燒 方式確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放 這個(gè)項(xiàng)目專利性和先進(jìn)性的燃燒技術(shù)在顯著減少發(fā)動(dòng) 機(jī)排放的同時(shí) 對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有重大的影響 事實(shí)上 對(duì)瞬態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性有比 較大的影響 圖 3 輕型卡車 越野車平臺(tái)綜合排放削減路線 如果這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)外排放是確定的 那么第二個(gè)目標(biāo)就確定了 這個(gè)先進(jìn)發(fā) 動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)外排 放的目標(biāo)是在第 2 級(jí) 10 個(gè)等級(jí) 然后逐年下降非常接近第 2 級(jí)的 9 級(jí)水平 這 是有針對(duì)性的 其最終目標(biāo)是達(dá)到 2 級(jí)的 5 級(jí)的最終的目標(biāo) 在 2002DEER 會(huì)議 5 初步的結(jié)果被顯示發(fā)動(dòng)機(jī)在第 2 級(jí)的 10 水平且沒有 后處理的外排放 這有重要意義 因?yàn)樗谌〉昧朔浅５偷陌l(fā)動(dòng)機(jī)排放的同時(shí) 保持了非常高的燃油經(jīng)濟(jì)性 比以汽油機(jī)作動(dòng)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(shí)現(xiàn)第 2 級(jí) 6 水平的排放 同汽油機(jī)相比 這種排放效益要高 45 自 2002 年 DEER 會(huì)議以來 發(fā)動(dòng)機(jī)外排放有了很大的提高 如圖 4 所示 非常接近第 2 級(jí) 9 水平的排放 在沒有活躍的氮氧化物后處理情況下實(shí)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(jì)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(dòng)機(jī)中 FTP 75 實(shí)現(xiàn)了第 2 類第 3 級(jí)排 放 同時(shí)與汽油機(jī)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(jí)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(tái) 將氮氧化物減少原因的歸類 可分為由于燃燒或者發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的外排放量對(duì)后處理綜 合性能的影響是用以顯示這項(xiàng)先進(jìn)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(duì)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(gè)項(xiàng)目顯示 去年 通過進(jìn)一步利用清潔燃燒技術(shù) 提 升檢查和控制策略 發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物外排量有了顯著的降低 發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)的 復(fù)合模式燃燒的潛能實(shí)現(xiàn)的 這些充分表現(xiàn)了先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理綜合技術(shù) 這些是這些技術(shù)和項(xiàng)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(dòng)機(jī) 最終到達(dá)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)控制和先進(jìn)的潛能將后處理與發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái) 而實(shí)現(xiàn)第二級(jí) 尤其當(dāng)破壞傳統(tǒng)的 NOx 折衷方案曲線時(shí) 找出這種氮氧化 物權(quán)衡曲線仍然停留在上述每個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)顯得很重要 氮氧化物 燃油經(jīng)濟(jì) 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(jí)到 3 級(jí)的變化情況 以顯示出 當(dāng)?shù)趸餃p少時(shí) FTP 75 的燃油經(jīng)濟(jì)性也減少到 同樣的水平 內(nèi)在的燃油經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇潛力的確認(rèn)是很重要的 在發(fā)展思路的每一 步 燃油經(jīng)濟(jì)性下降的原因都被確認(rèn) 并且記錄在下面的循環(huán)中 因此 對(duì)于 2002 年第 2 級(jí) 6 級(jí)水平 FTP 75 的燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)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(dá)到第 2 類第 5 級(jí)的水平 這表 明在同樣的燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn) 這相當(dāng)于在燃油經(jīng)濟(jì)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(gè)信息 經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)不斷的發(fā)展 燃油經(jīng)濟(jì) 性不斷的提高 因此進(jìn)一步減少氮氧化物的排放量不會(huì)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生多大 不利的影響 如果我們把乘用車平臺(tái)作比較 這些結(jié)果可以被進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jí)的 后處理系統(tǒng)相結(jié)合的 在這種情況下 發(fā)動(dòng)機(jī)外輪廓在沒有后處理的情況下被 提煉到一個(gè)更加清潔的水平 氮氧化物 0 4g mi 和 0 5g mi 通過一個(gè)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(shí)現(xiàn)了第 2 類第 8 級(jí)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(dá)到第 2 類第 3 級(jí)水平 同時(shí)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(gè)項(xiàng)目顯示了燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生的重大進(jìn)步 同時(shí)在 燃油經(jīng)濟(jì)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(jí)結(jié)果 是在 67mpg 的混合經(jīng)濟(jì) 這是 FTP 75 和高速路燃油經(jīng)濟(jì)的結(jié)合 這清晰的顯示 出當(dāng)利用合成分析和實(shí)驗(yàn)方法時(shí) 燃油經(jīng)濟(jì)如何得以提高 圖 6 客運(yùn)車平臺(tái)的綜合排放削減路線 總結(jié)和結(jié)論 總之 這個(gè)項(xiàng)目利用綜合柴油機(jī)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(tái)的第 2 類第 3 級(jí)排放 第 2 類用來說明超過 US06 循環(huán)的輕卡平臺(tái)和 FTP 75 結(jié)果 用同樣的汽車做測(cè)試 這比輕型汽油機(jī) 卡車高出 41 的燃油經(jīng)濟(jì)性 排放量的減少首先歸功于先進(jìn)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(shí)現(xiàn)第 9 級(jí)氮氧化物排放和 PM 水平 實(shí)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(shí)最大程度的減小了氮氧化物排放量 同時(shí) 總的來說 短時(shí)間內(nèi)輕卡和乘用車實(shí)現(xiàn)第 2 類第 3 級(jí)排放的核心原 因是綜合測(cè)試和分析的發(fā)展策略 考慮到司機(jī)們都看重一項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)潛能 要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)技術(shù)有更大范 圍的實(shí)用性 該項(xiàng)目發(fā)展的一個(gè)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(gè) 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(diǎn)考慮的是第 2 類水平和測(cè)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(dòng)機(jī)的結(jié)果時(shí)數(shù)據(jù)分析是很必要的 最后 因資源有限 高風(fēng)險(xiǎn)和短期性 綜合分析和實(shí)驗(yàn)方法有著重要有用 是絕對(duì)必要的 其最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)的動(dòng)力數(shù)據(jù) 因?yàn)樗鼘⑦@些數(shù)據(jù)與理論結(jié)合 并且將發(fā)動(dòng)機(jī)與后處理技術(shù)結(jié)合 因此 暫態(tài)時(shí)的后處理設(shè)備對(duì)整合設(shè)備和進(jìn) 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(xiàng)目主任 John Fairbanks 和 DDC 后處理項(xiàng)目主任 Ken Howden 的支持 附錄 B