符合新兴市场废气排放法规要求的柴油机开发

【德】 Busch H Henning L Körfer T Severin C

0 前言

近年来，全球越来越多的轿车销售从传统的欧洲市场和北美市场转向新兴市场。其中，特别是所谓的“金砖四国”（巴西、俄罗斯、印度和中国）市场份额明显增长。最初，这些国家以销售汽油车为主，后来，柴油车的销量也逐年增大。本文介绍了柴油轿车及柴油轻型货车在这些国家所面临的挑战和必须作出的努力。考虑到这些国家与欧洲市场法规间存在重大差异，首先，探讨了原始排放满足未来排放限值要求的潜力。随后，针对上述新兴市场，特别是以当地燃油品质为背景，对排气后处理技术进行了讨论。

1 “金砖四国”的特殊边界条件

图1为“金砖四国”采用新废气排放法规的时间表。由此得出以下结论：所有国家都紧跟欧洲排放法规，但至少滞后1个阶段。当前欧洲实施欧5排放标准，而大多数“金砖国家”则实施欧4排放标准。值得一提的是，至少在印度和中国的大城市（印度的11个大都会，中国的上海和北京）与其国内其他地区实施的排放法规有所不同。据估计，这些人口密集的大城市会取消更严格的排放法规，而在城市以外的区域实施的排放法规则会提前。以欧5排放标准为例，中国打算取消排放标准的地域实施差异，全国在2012年统一实施欧5排放标准。因此，针对中国市场，提出了柴油轿车要满足欧5排放法规的问题。本文介绍了尚待讨论的边界条件，且提出了可能的解决方案。

除了排放限值之外，“金砖四国”的测试循环也有所不同。俄罗斯和中国采用新欧洲行驶循环（NEDC），巴西轻型货车用FTP75测试循环，而印度定义了一种限速90 km/h的NEDC。此外，还有一些国家特有的废气排放专门测试方法，比如在一定的海拔高度下，发动机自由加速运转时的烟度测定。

与欧洲轿车市场相比，第2个重要差异是得到保障的气候边界条件。对于欧洲轿车市场而言，典型的环境温度为-25～40℃，海拔高度均低于2 500 m。而在俄罗斯市场却可能出现明显低于-25℃的温度，这种气候条件对冷起动和实际行驶特性都产生巨大的影响。随之而来的挑战是发动机或特定汽车部件的结冰问题。同时，对于南美市场而言，必须确保适应约4 000 m的海拔高度。对增压器保护、高海拔冷起动性能、再生，以及拖动行驶等都必须予以相应的考虑及处理。

第3个差异是燃油品质和发动机关键部件的分散度也与欧洲市场有所不同。这里最关键的是燃油含水量和催化剂毒素，特别是硫含量。含水量较高，可借助于燃油滤清器将其分离，而且相对较容易发现，而硫含量则非常讨厌。在“金砖四国”，可能不得不使用含硫量5 000×10-6的燃油，而欧洲规定的燃油含硫量为10×10-6，这一严重差异对车辆排气后处理系统产生了巨大压力。

2 原始排放潜力

在成熟的西欧柴油机市场，所有原主机制造商为达到欧5排放标准已达成一致。典型的欧5发动机都运用冷却的高压废气再循环（EGR）与高压喷油系统相结合的技术。采取这种技术组合的柴油车按NEDC运行时，根据不同的汽车类型及汽车声学要求，典型的颗粒（PM）原始排放量被控制在20～40 mg/km以内。采用封闭式柴油颗粒捕集器（DPF），在可接受的再生间隔下能够确保车辆达到欧5排放标准规定的PM排放限值，即5 mg/km。在欧洲以外的一些市场，这一技术组合具有一定的风险及缺陷，不仅燃油品质参差不齐，而且在市内人口密集区低负荷运行时会导致再生困难。因此，按NEDC运行时，将PM原始排放降至10 mg/km以下，原则上是值得追求的，这使采用开放式DPF的后处理方案成为可能。因为提高开放式DPF的净化效率，有可能提高PM原始排放。改进结构有可能提高净化效率，但往往受可支配空间的限制。特别是存在DPF过载的危险，由于使用劣质燃油，这一危险性被进一步增大。

针对采用DPF的标准型欧5发动机方案，进行了进一步降低机内PM排放潜力的分析。为了评估达到低原始排放水平的可能性，首先必须找出降低PM排放的运行条件，从而挖掘出降低测试循环中PM排放的潜力。NEDC中的排放测试分析显示，不同等级的汽车，其PM排放大多来自于平均有效压力为0.5～1.5 MPa的中、高发动机运行负荷。为了在这一运行范围内降低PM排放，采取了以下措施：（1）改善喷油系统，亦即提高喷油压力；（2）提高增压度；（3）采用均质充量燃烧方法；（4）采用低压EGR；（5）提高EGR冷却器性能。出于耐久性考虑，低压EGR不采用封闭式DPF方案。在所讨论的情况下，进一步提高EGR冷却器性能是不切实际的，因为在基型设计时，EGR冷却器的出口温度在暖机运行时只略微高于120℃，而EGR温度的进一步降低将导致EGR管路的积炭风险增加。因此，为了显著降低原始排放，首先采取了提高增压度和喷油压力的措施。图2表示采用180 MPa喷油系统的传统单级增压发动机与采用改良的增压系统和200 MPa喷油系统的发动机在部分负荷运行工况点（发动机转速为1 500 r/min，平均有效压力为0.6 MPa）进行的对比。在相似的噪声激发水平下，采用较小喷油孔的喷嘴时，较高的过量空气系数和改善的混合气形成显著减少了PM排放。通过这些措施组合，测试循环中的PM排放减少了约50%。

观察PM特性曲线图发现，平均有效压力低于0.4 MPa时，低负荷运行为降低总PM排放作出了重要贡献。为实现浓预混合燃烧，在这一运行范围内，采用均质充量燃烧方式是有利的。不过，值得一提的是，在“金砖四国”经常会出现参差不齐的燃油品质，因此，也许只有装用气缸压力引导的发动机控制系统后，采用浓均质充量燃烧方式才是可行的[1]。考虑到上述措施，运动型多功能车（SUV）配装2.0 L发动机，能使其PM排放量达到约12 mg/km。新的技术措施能进一步降低PM排放，但对于采用开放式DPF而言，目标窗口还不够大（图3）。

除了上述讨论的机内措施之外，还可通过改变变速器速比移动测试循环中的发动机运行工况点，使其移向较高转速和较低负荷（提升速度），或者采用较大排量的发动机（加大排量），以在氮氧化物（NOx）排放不变的前提下降低PM排放。在不附加采取降低燃油耗技术措施的情况下，上述措施都会影响燃油耗，这在对燃油耗极其敏感的印度市场尤为不利。采用起动-停车系统与发电机管理相结合，可弥补减小变速器速比和/或采用较大排量发动机的缺陷。不过，这里无法期待有进一步减排的优势。不断减小基本型发动机的摩擦对降低燃油耗十分有益，但对降低PM排放的优势很小。经过对提升速度和加大排量，以及上述降低原始排放措施的评估，再次表明其具有明显改善PM原始排放的潜力（图4）。中级轿车的PM原始排放值降至7～8 mg/km，使开放式DPF方案有可能满足欧5排放法规要求。但就SUV这类大型乘用车上讨论运用的技术组合而言，只能达到约10 mg/km的最低原始排放水平。

为了进一步降低排放，虽然各种车辆都有可能不采用封闭式DPF的排气后处理方案，但必须实施进一步的技术改进。这时，喷油系统通过进一步提高最大喷油压力[2]和喷油率自由度[3]获得了更大的潜能。但这种技术组合的成本较高，与“金砖四国”柴油机化的要求相对立。此外，高性能喷油系统的稳定性会因低劣的燃油品质而受到损害。对于大型和重型汽车而言，不采用封闭式DPF的欧5排放方案是非主流方案。因此，采用封闭式DPF是一种挑战，在柴油轿车的特殊运行条件下，“金砖四国”必须接受这一挑战。

3 排气后处理

综上所述，“金砖四国”的特点是不仅行驶循环负荷低，而且燃油品质低劣。特别是其燃油中含硫量高，限制了排气后处理的性能。燃油中的硫几乎全部以二氧化硫（SO2）的形式供给排气催化转化器，其中一部分被催化转化器吸附。这里，最重要的机理是SO2直接积聚或是SO2氧化生成的三氧化硫（SO3）的吸附，而积聚效率随温度、空速，以及废气中的SO2浓度而变化。一部分硫堵塞催化转化器的活性中心，从而减小有效转化率[4]。这里，不仅涉及HC和CO的转化，而且关系到二氧化氮（NO2）的生成。这时，NO2的生成对硫化最敏感，因为它几乎在HC和CO氧化完全结束后才进行。

图5表示2种不同的柴油氧化催化转化器（DOC）技术在硫化和脱硫状态下NO2的生成与温度的关系。在HC起燃范围内，首先降低机内形成的NO2，然后才在较高温度下生成NO2。硫引起的催化转化器失活作用不仅影响较高温度范围内CO的氧化，而且在较低温度下以较弱的形式影响NO2的下降。催化涂层抗硫优化不仅减小了硫的积聚量，而且降低了NO2的生成活性。实例中，提高抗硫性都会伴随基础活性的降低，从而必须对不同用途时的稳定性和活性作出妥协。

NO2浓度的降低使PM被动再生减弱。对于封闭式DPF来说，必须相应缩短再生间隔，以防止DPF过载。对开放式DPF而言，平衡点移向较高的碳烟质量，不仅因NO2/碳烟比较低，而且因PM的密度较高，根据开放式DPF的种类不同，或多或少可提高净化效果。一旦平衡点超过开放式DPF所允许的最大碳烟质量，需实施相应的主动再生策略。

除了催化剂失活作用的后果及与此相关的被动再生方面的缺陷之外，硫的积聚量也令人关注。在高温下，例如在DPF主动再生或在全负荷运行工况下，有时会出现快速的硫解吸。大量SO3生成（具体取决于运行条件）会导致在排气装置较冷的区域排出硫酸盐，从而形成大量白烟。图6表示这种白烟的形成出现在按NEDC运行的DPF再生时。白烟借助于不透光度测定。很明显，最大排放量出现在空速较小时，且与SO2释出量呈相反关系。为了避免高烟度排放，采用了一种特殊的脱硫策略。这时，在DOC中产生的温度被优化到均匀释放硫，并与排气装置的最低温度相协调。脱硫与DPF再生相结合，使燃油耗降至最低。如图6中曲线所示，优化的策略能抑制由严重白烟造成的不透光度值。

除了燃油中含硫量高的不良影响外，新兴市场的另一特点是实际行驶循环的负荷度很低，从而提高了对DPF再生安全性的要求。最好，再生策略应针对低负荷和怠速运转进行设计。根据动力系统边界条件的不同，有时不得不承受机油稀释的问题。这里，采用燃油添加剂或从外界供给燃油等再生措施可能是有益的。采用缸内后喷策略时，可通过更多次喷射，并结合合理分配早后喷和晚后喷，有效地减轻机油稀释问题，但对喷油系统的要求也相应提高了。

4 结语

“金砖四国”在选择原始排放措施和排气后处理方案时，不仅需要考虑贾用问题，更重要的是要顾及到可靠性。出于这一原因，欧4车型应放弃封闭式DPF，而欧5车型，至少在短期内，封闭式DPF可能是必需的。虽然结合采用机内技术能进一步提高增压度和喷油压力，以及喷油率的灵活性，此外，还蕴藏着降低排放的巨大潜力，但它仍达不到与净化率较低的开放式DPF相配的低原始排放水平（＜10 mg/km）。然而，在运用封闭式DPF时，仍应尽可能实现低的机内PM排放，以在低燃油品质和低负荷行驶循环的特殊挑战下使再生间隔最大化。为了避免燃油含硫量对排气后处理造成不利影响，催化转化器的催化涂层要对其抗硫性进行优化。为此，必须适当标定脱硫策略。根据车用发动机不同的组合，可采用各种不同的再生方法，如多次早、晚后喷或外部燃油供应，以提高再生安全性和减少机油稀释。