柴油机达到欧5排放标准的新技术

柴油机达到欧5排放标准的新技术【法】 IFP公司 / Valeo公司和 2008～2010年生效的柴油机欧5排放标准的最大挑战在于要大大降低NOX颗粒物排放。

为了达到这个目标，IFP公司和Valeo公司共同合作开发出了新的NADI燃烧方式。

这种被称为“窄油束锥角直接喷射”（“Narrow Angle Direct Injection”）的燃烧方式采用了油束锥角非常小的直接喷射和创新的进气系统模排放，而且并没有因此使燃油耗增加。

这种燃烧方式基于应块，显著降低了NOX用冷却EGR降低燃烧温度。

1 前言为了开发出能以汽车工业认可的代价达到未来排放标准的系统，IFP公司和Valeo公司共同合作，确定了有关燃气成分、燃气温度和压力等方面对进气系统的切实可行的要求，并已用Valeo公司创新设计的进气系统和合适的调节策略达到了这些开发要求。

IFP公司采用很窄的油束锥角开发出的直接喷射方案（NADI），在和颗粒排放方面获得了许多企盼的结果，并在一台 2.2 L-TDI发NOX动机上采用Valeo公司创新设计的进气系统继续进行进一步的开发工作。

这种极限冷却进气系统（Ultimate-Cooling-Ansaugsystem）基于一个带有EGR冷却器的液冷式低温回路，和一个液冷式增压空气冷却器，并以较小的结构空间达到了很高的冷却效率。

2 欧5排放标准的要求根据欧5排放标准的要求，柴油机的NO和颗粒排放限值几乎只X有欧4排放标准的一半（图1），确实是一个比较棘手的难题。

排放量较少，因此只要能进一由于柴油机的热效率高，而且CO2步降低其NO和颗粒排放，柴油机的市场份额还能进一步增长。

虽然X的后处理装置能有所减少，但是即使这些废气中的有害成分通过NOX如此，后处理装置仍存在着一些需要进一步解决的重要问题，诸如负载能力尚不令人满意，对硫很敏感，并且成本又较高等。

为此，研究了一些新的燃烧方式，例如均质充量压缩点火（HCCI）和高预混合燃烧（HPC）。

但是，这两种燃烧方式在全负荷工况时的HC和CO排放量太高，因此无论是应用范围还是输出功率都受到限制。

于是，IFP公司开始实施NADI项目。

在这种新的燃烧方法中，将部分负荷运行工况采用HPC燃烧方式与高负荷或全负荷运行工况采用传统的柴油机燃烧方式结合起来。

这种NADI燃烧方案基于采用特定的喷射角和一个新的活塞顶凹腔几何形状实现多次喷射的策略。

然而，如果没有有效的冷却功能管理，欧5的要求还是达不到的。

为此，Valeo公司开发了一种创新的液冷式低温进气系统模块，其冷却效果在应用旁通道的情况下几乎没有什么变化，至多只有3次波动，达到了欧5排放标准所要求的高水平。

低温冷却回路包括一个EGR冷却器和一个靠近发动机安装的液冷式增压空气冷却器。

其最直接的优点是增压空气管路中的压力降较小，经过的管路大大缩短，热损失也较少，因此有效地提高了进气空气的密度。

由此可见，这种极限冷却进气系统由液冷式增压空气冷却器、EGR 冷却器及其包括阀和旁通道在内的调节装置组合而成。

这种进气模块可直接安装在发动机上，因此赢得了汽车前端宝贵的结构空间。

图1 欧洲废气排放标准逐渐降低的限值3 NADI燃烧方式的开发为了获得最佳的发动机功率，IFP公司开发了一种能以两种运行和颗粒排放，方式工作的发动机。

在中低负荷时，为了达到低的NOX发动机进行HPC燃烧；而在高负荷时，为了获得与柴油机技术现状相应的功率和扭矩值，发动机以传统的柴油机燃烧方式工作。

这就意味着燃烧系统必须在两种燃烧类型之间转换。

假如在进行HPC燃烧时，在燃烧开始前燃油和空气要达到最佳的混合。

许多试验研究已证实，批量生产的进气道喷射发动机的缺点阻碍了发动机获得如此良好的混合气，因此首先要寻找到合适的燃烧方式，能够采用多次喷射的共轨喷油系统和传统的喷油器来实现HPC燃烧过程。

此时，窄锥角油束应当通过提前或延迟喷射来改善燃油和空气的均匀混合，特别是要避免燃油凝聚在气缸壁上。

传统柴油机燃烧系统的油束锥角为145°～155°，而典型的NADI油束锥角在50°～100°之间。

延长燃烧过程的自行着火阶段同样也是十分重要的，对此降低进气空气温度和减少氧含量是非常有效的方法，因此在开发这种燃烧系统时，采用了高的EGR率、较低的压缩比（16:1和14:1之间）以及EGR冷却器，使燃烧温度得以降低。

高质量的传统燃烧过程主要是靠燃油油束和活塞顶燃烧室凹腔的共同作用，因此NADI面临的挑战在于，如何用窄油束锥角来确保喷入活塞顶燃烧室凹腔中燃油的合适运动及其与空气的最佳混合。

为此，活塞顶燃烧室凹腔几何形状的设计应尽可能改善燃油和空气的均匀混合，由此来减少炭烟的形成。

因此，在开发过程中进行了计算流体力学（CFD）模拟，并在实际运转的发动机上进行试验研究。

通过活塞顶燃烧室凹腔与锥形油束的匹配试验，获得了最重要的技术参数，从而确定了一些燃烧室及其相应的窄锥角油束喷油嘴和涡流运动特性。

3.1 单缸机试验研究为了证实改善的可能性，并加快确定用于多缸机的硬件，在单缸机上进行试验研究。

喷油策略、压缩比和换气特性（进气压力和温度、EGR率等）[1]对改善HPC燃烧方式运行结果起着重要作用。

采用14:1压缩比和第3代Bosch喷油系统，并对进气管理（进气温度和压力）进行试验，获得了许多期望的结果。

图2表示与传统的发动机相比，在1500 r/min转速下，直到平均有效压力达到0.9 MPa时，的排放量几乎为零，而燃油耗却并没有提高。

NOX在发动机小负荷工况，由于喷油策略的改善和高的EGR废气温度，降低了HC和CO的排放量。

而在中高负荷工况，由于采用了新的与众不同的喷油策略（与众不同的上止点喷油）和非常良好的油束与燃烧室凹腔的匹配，降低了颗粒排放量以及与此相关的燃烧噪声。

在高负荷工况，由于在Valeo公司的EGR冷却技术和/或带有低压EGR 装置的进气系统硬件的基础上，实施了进气空气管理，从而获得了许多期望的结果。

3.2 目前多缸机的台架试验结果用于进行试验的批量生产多缸机的规格如下：●缸径×行程：87×92 mm●气缸数：4●排量：2188 cm3●燃烧系统：NADI●压缩比：14:1●喷油系统:Bosch CR 12●增压器:Grrett VNT●EGR冷却器:试验专用样品活塞顶燃烧室凹腔设计成相应的NADI凹腔形状，其容积与压缩比14:1相配，气缸盖上的进气道能产生1.3涡流比（在下止点时）。

所有的试验结果都是用自行开发的进气特性（涡流比）得到的。

Bosch CR 12喷油系统达到最高的喷油压力160 MPa，即使这对于HPC燃烧方式运行范围并非是最佳的方案，但是这与这里介绍的NADI燃烧方式所采用的发动机带有涡轮增压器和传统的高压EGR有关。

图2 在1500 r/min转速下的单缸机试验结果为了达到全负荷的额定功率，选用了增压器，采用的是传统结构，但是与批量生产的增压器相比，压气机和涡轮机的效率略有提高。

进气系统中有一个增压空气冷却器，可使全负荷时进气歧管中的空气保持在50℃。

EGR废气在涡轮前从排气歧管中引出来，并在压气机后进气歧管前不远处通过一个节流孔进入进气管，该节流孔有助于改善EGR 废气与新鲜空气的均匀混合。

EGR 回路中有一个格栅经试验匹配好的EGR 冷却器，为其提供专用的低温冷却液循环，并可通过一个旁通道旁通，以便在发动机负荷很低时提高进气空气温度，降低HC 和CO 的排放量。

试验时EGR 消耗的功率将在3.3节中予以说明。

由IFP 公司专门开发的发动机电子控制装置能够调节不同的发动机参数。

发动机使用含硫量为50ppm 的普通商用柴油运行。

3.3 EGR 温度的影响由于通过单缸机试验已查清了进气温度对燃烧的影响，因此在多缸机上只要查明EGR 温度的影响。

为此，选择了两种典型的部分负荷工况：平均有效压力为0.6 MPa 时的1500 r/min 和2500 r/min 。

EGR 冷却器后的温度在50℃～120℃之间变化。

图3表示在这两种转速下所需的EGR 冷却功率。

它们表明，在这些情况下EGR 冷却功率要比通常达到欧4排放标准所需的冷却功率高的多，因此必须对EGR 冷却功率进行相应的匹配。

正如图4所示，降低EGR 温度也就意味着燃烧噪声将随着颗粒排放明显降低。

在EGR 冷却器出口温度为50℃～120℃之间的情况下，EGR 对燃油耗、CO 、HC 和NO X 的影响并不明显。

图3 1500 r/min 和2500 r/min 转速下的EGR 冷却功率3.4 部分负荷的试验结果选择发动机1500 r/min和2500 r/min两种转速来对NADI燃烧方式进行评价，并与在压缩比为18:1和采用相应于欧4排放标准运行参数的批量生产发动机上得到的试验结果进行比较。

图5和图6表示在上述两种转速下的试验结果。

在这两种转速下，排放几乎以HPC方式运行能在平均有效压力达到0.6 MPa之前，NOX为零，并且燃油耗也较低。

该运行界限主要确定了首先在多缸机上选用的进气系统硬件。

图4 在所试验的EGR功率范围内的燃烧噪声和烟度图5 多缸机1500 r/min 的试验结果：有害物质排放的降低图6 多缸机2500 r/min 的试验结果：有害物质排放的降低 在低负荷情况下，与常规的燃烧方式相比，仍能保持较低的比油E G R E G R 冷却功率 炭烟耗；而在较高的负荷情况下，以HPC燃烧方式运行的比油耗略有增加，排放之间获得令人满意的折衷。

这是为了在比油耗和NOX排放情况相似，在这两种转速下，以HPC方式运行能在平与NOX均有效压力达到0.6 MPa之前，使炭烟排放保持在非常低的水平。

这些试验结果都是通过延长喷油结束到燃烧开始之间的延迟间隔来达到的。

与众不同的上止点喷油策略能够加长这种延迟，而与推迟喷油策略相比不会使燃油耗有过多的增加。

同样，燃烧噪声也比常规的燃烧方式低得多，其中EGR起到了部分作用，但主要是所采用的喷油策略延缓了燃烧的放热速率。

在多缸机上应用时。

由于进气系统中使用的硬件（限于废气涡轮增压器和EGR冷却器），HPC燃烧方式的运行范围被限制在平均有效压力0.6 MPa以下。

为了获得更多的所期望的试验结果，还必需要有进一步优化进气空气的措施。

为了提高效率（温度降低幅度和流动压力降），首先在规定的EGR冷却功率下，开发出能满足汽车现有限制条件的新的冷却技术。

第二个开发重点是进一步改进废气涡轮增压技术，以提高实际上确实并不太高的效率，从而获得所需要的充量压力。

因此，必须随着发动机负荷的增大，提高空气和EGR的质量流量，而这种气体质量流量的增加还取决于进气系统中压力的提高。

然而，压气机压力的提高即意味着缩小废气涡轮的流通截面积，由此就会导致高的换气损失，而且使压气机工作在效率较差的运行区域。