滿足國六排放法規的重型車用柴油機開發

凌建群 熊津聯

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 前言

據中國汽車工業協會數據顯示，2014年至今，國內重型商用柴油車每年銷量都超過100萬輛，其中2019年全年重型商用柴油車銷量達117多萬輛。相對而言，重型柴油車排放是大氣中氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的主要來源之一。受商用柴油車產銷情況繼續保持良好態勢的影響，我國大氣污染的防治形勢越來越嚴峻，開發設計排放更低的柴油機勢在必行。與現行國五排放標準相比，在國六排放標準下的重型柴油機的NOx限值降低了77%，PM限值降低了67%(圖 1)?，F今，政府部門逐漸認識到對人體有害的顆粒物主要是可吸入顆粒物直徑在10 μm以下的顆粒物PM10。國六排放標準新增了顆粒數(PN)限值，對柴油機的顆粒物排放有了更準確的控制方向。因此，為了滿足國六排放標準，柴油機生產企業必須選擇目前降低顆粒物排放的最優技術，即顆粒捕集器(DPF)，同時采取降低NOx排放的最佳手段，即選擇性催化還原(SCR)系統。

圖1 重型柴油機國五和國六排放限值的差異對比

1 重型車用柴油機國六排放技術措施

1.1 冷卻EGR技術

柴油機燃燒后排出的氣體中氧含量極低，排氣中的CO2可以增加混合氣體的比熱容值，因此EGR可降低氧濃度和最高燃燒溫度，可以顯著減少柴油機燃燒過程中NOx的產生。EGR可以分為內部和外部2種類型。內部EGR通過合理的設計配氣機構以便增加缸內殘余廢氣，一般不帶冷卻系統。外部EGR有2種實現方案：將渦輪入口廢氣引到中冷器出口稱為“高壓回路EGR”；將渦輪的出口廢氣引到壓氣機進口稱為“低壓回路EGR”。大量的研究試驗結果證明，將再循環廢氣加以冷卻，即采用冷卻EGR降低最高燃燒溫度，可以提高降低NOx排放的效果[1-3]。為了滿足在更大運行工況范圍內的NOx限值排放，以及更為嚴苛的燃油耗目標，國內外部分滿足國六排放法規的柴油機采用了高低壓混合式EGR系統。圖2所示為1款滿足國六排放標準的柴油機高低壓混合式EGR系統示意圖。

圖2 滿足國六排放標準的柴油機高低壓混合式EGR系統示意圖

1.2 燃油系統

雖然采用EGR系統可以降低NOx排放，但會使新鮮空氣的進氣量減少，從而引起燃油消耗率和PM排放的升高。為了解決這一問題，需對燃油系統進行升級。近年來，對于柴油共軌燃油系統的研發重點一直集中于改善機械效率和能力，以求獲得更高的噴油壓力和更好的噴油率。提高噴射壓力可降低燃油噴霧粒徑，改善燃油的霧化特性。新鮮空氣可以比較活躍地引入燃油噴霧束內部，有助于在氣缸中形成均勻的混合氣，減小局部過濃的混合氣比例，從而降低碳煙并減少PM排放。圖3顯示出了柴油機燃油噴射壓力和PM排放的關系。關于燃油噴射對燃燒過程和柴油機性能排放影響的課題，國內外很多專家學者進行了廣泛的理論分析和大量的試驗研究[4-6]。研究結果表明，導噴可以提高缸內壓力和溫度，促進油氣混合，降低PM排放；預噴可以縮短滯燃期，減小在預混合燃燒階段的放熱率，降低燃燒溫度進而減少NOx排放；后噴是緊靠主噴之后的噴油，能促進擴散燃燒的進行，可以降低主噴中產生的PM排放；遠后噴是主噴結束之后較長間隔的噴油，一般發生在上止點后140 °CA的排氣行程，排出的碳氫(HC)在氧化催化器(DOC)中經過氧化放熱后可以提高DPF的入口溫度，保證DPF能夠再生。各次燃油噴射的作用說明如表1所示。

圖3 燃油噴射壓力和碳煙排放

1.3 排氣熱管理控制技術

由于國六排放標準加大了對低速、低負荷工作區域的排放控制要求，此區域的排氣溫度通常比較低，需要進行特殊的熱管理控制，才能提高后處理系統的溫度，以使其在各種行駛工況下都能高效工作，并減少污染物排放。一般而言，先采用進氣節流、推遲主噴正時等措施提高渦輪出口溫度，實現DOC起燃，然后再通過DOC將缸內遠后噴或者尾管噴入的柴油氧化并放熱，提高排氣溫度，以實現DPF再生。因此，熱管理控制技術成為滿足國六排放法規的關鍵技術，是實現高效SCR和DPF再生的基礎。

表1 各次燃油噴射的作用說明

1.4 合理集成和匹配后處理裝置

僅靠柴油機內部凈化措施是無法滿足國六排放限值的，所以必須合理集成和匹配DOC、SCR和DPF等系統，從而降低NOx、 PM和PN排放。DOC系統以鉑、鈀等貴金屬作為催化劑而涂覆在部件表面，可以將排氣中的CO、HC及PM中部分可溶有機物氧化成水和CO2，從而達到降低發動機污染物排放的目的。DOC的另一作用是將排氣中的NO氧化成NO2，NO2是DPF被動連續再生和SCR高轉化效率所需的重要反應物。DOC還有1個功能是將后噴或尾管噴射系統(HCI)噴射出的HC氧化并放熱，以提高DPF入口溫度，實現DPF的主動再生。DPF主要組成部分為DPF載體，一般由多孔介質材料制成，包含若干個沿軸向的平行通道，為非直通結構。柴油機排氣中的顆粒物主要成分為碳煙。排氣由入口進入通道，通過介質孔壁進入相鄰的出口通道，其中的碳煙顆粒則通過大顆粒攔截、重顆粒慣性碰撞、小顆粒擴散等方式，被過濾堆積在通道中。DPF也將鉑、鈀等貴金屬作為催化劑，其主要作用是降低再生反應所需的溫度。尿素SCR系統通過將濃度為32.5%的尿素水溶液噴入210 ℃以上的尾氣中，在炙熱的尾氣作用下，由尿素轉化的氨氣在催化劑的作用下將NOx還原成N2和水，從而降低NOx排放。

國六排放法規大幅收緊了NOx及PM排放限值，對柴油機本體及后處理技術要求越來越高，現今主流的排放控制技術如圖4所示，并涌現了諸如高效SCR(HiSCR)、氨氣捕捉器(ASC)、高壓共軌(CRS)等最新技術。

圖4 國六排放法規下的柴油機主流技術路線

2 排放臺架的開發

以SC4H180Q6型柴油機的性能排放開發為例，在現有的SC4H180Q5型柴油機基礎上，采用冷氣EGR技術作為降低發動機本體NOx排放的最有效措施，有效的節氣門熱管理手段，并將最大噴射壓力提升至200 MPa，以便降低EGR系統帶來的高PM排放，同時進行增壓器、噴油嘴、燃燒室的燃燒開發和DOC、DPF、SCR等系統的集成匹配，使SC4H180Q6型柴油機滿足GB 17691—2018排放法規限值要求。滿足國六排放法規柴油機系統配置如圖5所示，具體技術參數如表2所示。

圖5 滿足國六排放法規的柴油機系統配置

2.1 燃燒開發

柴油機的燃燒開發可以分為3個部分：(1)基于熱力學分析計算給出油嘴、燃燒室、增壓器、渦流比等性能部件選型矩陣；(2)在臺架上進行選型試驗，鎖定性能件規格；(3)通過試驗設計(DOE)的方法標定噴射壓力、噴油正時、多次噴射的油量和間隔、EGR率等邁譜圖，進而完成柴油機的燃燒開發。

表2 試驗發動機的主要參數

為了避免相互干擾，每個零部件的優化選型都是基于保持其余零部件相同的條件下進行的。4HQ6柴油機硬件選型方案如表3所示。

表3 性能零件選型矩陣方案

燃燒室采用雙擠壓縮口設計，使其更利于對NOx排放進行控制。為了降低柴油機PM排放，采用噴射壓力高達200 MPa的電裝第3代燃油共軌系統。從圖6試驗結果結果可以看出，在NOx排放相近的情況下，選用9孔、152°錐角、噴油流量為1 260 mL/min的噴油器能獲得更低的燃油消耗率和PM排放。

圖6 不同噴油器方案性能對比

共軌柴油機的高壓柴油束噴射到缸內時需要一定強度的渦流來打散燃油顆粒，渦流過低，不利于混合氣的形成和燃燒；渦流過高，一方面會增加熱損失，另一方面會使相鄰油束之間發生干擾，即從渦流上游方向吹來的燃燒產物會妨礙下游油束的充分燃燒，使得性能下降。從圖7中不同渦流比方案的性能對比可以看出，選用進氣渦流比為1.1設計方案的缸蓋可以得到更低的燃油耗和PM排放。

圖7 不同渦流比方案的性能對比

油嘴凸出量也會影響油束和燃燒室及氣流的配合，從而對性能有明顯的影響。油嘴凸出量過小，則燃油噴在燃燒室上方，油束可能落在活塞頂面上，混合較差導致性能下降；油嘴凸出量過大，則油束落在燃燒室底部，并且噴油嘴在喉口處受炙熱燃氣的沖刷，熱負荷較高，影響油嘴的可靠性。從圖8的性能對比試驗結果可以看出，油嘴凸出量為3.0 mm時能獲得最佳的油耗和較低的顆粒排放。

圖8 不同油嘴凸出量方案性能對比

對于二級渦輪增壓器(FGT)來說，選擇較小的渦輪端截面積可提高發動機渦前壓力，可提高在最大扭矩轉速以下的中低轉速工況附近驅動所需的廢氣再循環率，但是過小的渦輪端截面積又會增加發動機高速工況的泵氣損失。從圖9可以看出，選用渦輪端截面積為4.5 cm2的增壓器能獲得最佳的燃油耗和較低的PM排放。

圖9 不同渦輪端截面積方案的性能對比

DOE工況點的選擇主要包含世界統一穩態循環(WHSC)、發動機非標準循環排放試驗(WNTE)，以及外特性試驗工況點。如圖10所示，選取13個工況點，并借助AVL CAMEO軟件對DOE工況點進行基于噴射壓力、噴油正時、多次噴射的油量和間隔、EGR率等組成的矩陣進行試驗。試驗的邊界范圍遵循以下限值要求：(1)增壓器轉速不能超限值140 000 r/min；(2)渦輪前的排溫不能超限值700 ℃；(3)爆發壓力不能超過限值17.5 MPa；(4)采用AVL415煙度計測得煙度需小于2.0 FSN。最終可借助CAMEO軟件進行試驗數據的建模分析。NOx排放、燃油耗、煙度之間的折中模型如圖11所示。

圖10 DOE工況點的選擇

圖11 NOx、燃油耗、煙度之間的折中模型

2.2 DOC及DPF的開發

2.2.1 DOC硬件選型

DOC的選型主要是確認NO2生成能力、HC及CO轉化效率和升溫能力。主要測試設備有進氣空調、環境空調、電力測功機、氣體分析儀(AMAi60)、煙度計(AVL415)、油耗儀(AVL735)等試驗設備，試驗設備的布置圖示如圖12所示。試驗所用的后處理系統主要參數見表4。

圖12 臺架試驗設備及后處理布置圖示

在發動機排氣中，NOx的主要成分是NO，而NO2占比很小。NO2與DPF中的碳粒在250 ℃以上的條件下就可以發生氧化反應。從被動再生角度考慮，排氣成分中NOx所含的NO2越多越好。此外，NO濃度較高時，NO在催化劑表面吸附受到抑制從而降低了NO的反應速率。在SCR的化學反應中，由NO、NO2和NH3共同參與發生反應所需的活化能低，反應速率快，SCR轉化效率越高，提高NO2比例并盡量保持NO與NO2比例在50%左右將有助于提高SCR轉化效率。圖13為DOC入口與出口處NO2與NO的比例。從圖中可以看出，DOC入口的NO2含量很低，經過DOC的催化反應后，DOC出口的NO2含量有了很大提高，滿足設計需求。HC及CO均為燃燒產生的污染物，在DOC內部催化劑的作用下，將其轉換為CO2和H2O。圖14為試驗測得的DOC內HC及CO轉化效率。從圖13可以看出，HC及CO轉化效率較高，全域均在95%以上，滿足排放控制需求。選取低中高空速對應的轉速扭矩工況，通過調節節氣門等熱管理措施來提升DOC入口排溫，并通過后噴噴射出的HC氧化并放熱來提升DOC出口排溫，通過測量DOC前后溫度和DOC出口的HC逸出量，來確定DOC的升溫能力。如圖15所示，通過熱管理，選取工況點的DOC出口HC逸出量都能滿足限值要求(限值要求小于800×10-6)。

表4 后處理系統的主要參數

圖13 DOC入口和出口NO2/NO比例

圖14 DOC內HC及CO轉化效率

圖15 DOC升溫能力測試

2.2.2 DPF控制標定

DPF的非直通結構決定了排氣中的碳煙會積聚在DPF內部。隨著碳煙的累積，必會造成排氣背壓的進一步升高，導致動力性差和燃油耗高等一系列問題。因此，DPF需要1個清理積炭的過程，此過程稱為“DPF再生”。DPF再生分為主動再生和被動再生2種，主動再生通過電加熱、燃油后噴燃燒等方法來提高排氣溫度，使得DPF內的積炭可以快速起燃，從而達到清理積炭的目的。一般主動再生的最佳溫度約為550～650 ℃。被動再生主要是通過催化劑等來降低反應所需的溫度，一般是1個連續緩慢反應的過程，所需溫度較低，一般溫度約為250～350 ℃。其中，主動再生具有熱效率高，反應迅速，時間可控等優點，常作為主要的DPF再生方案。

根據DOC及DPF的理化特性，如要滿足再生所需溫度，一般需要采用熱管理手段，如減少進氣量，推遲提前角，增加后噴油量等措施。臺架試驗據此進行標定，得到如圖16所示的試驗結果，使得在穩態條件下的升溫滿足再生需求。

圖16 再生模式溫升邁譜圖

通過標定溫度反饋控制模塊、進氣量反饋控制模塊、模型溫度響應模塊和再生速率計算模塊等，來達到滿足瞬態循環下正常再生的要求，再生瞬態循環結果如圖17所示。

圖17 再生WHTC循環數據

從圖17中可以看出，DPF初始積碳量為21 g，在1個完整的WHTC循環內，自動觸發再生，基于溫控模型控制DPF內部平均溫度維持在550～650 ℃之間，經過1 317 s的再生時間，經過再生速率累減運算后的DPF內部碳載量達到設定的再生結束碳載量(6 g，內部有少量的碳可以提高排氣顆粒的捕集效率，且低碳載量時反應速率慢，會導致燃油經濟性差)，自動退出再生。

2.3 SCR開發

為了達到國六柴油機95%以上的NOx轉化效率，要求在以下幾方面優化設計或標定：①增強氨氣與排氣之間的混合，氨分布均勻性在95%以上；②減少或消除來自尿素的沉積物，確保尿素到氨氣98%的轉換效率；③在選擇性催化還原部件中使用較高的網絡密度，同時保持或甚至降低流動阻力壓降；④采用高效節油的后處理熱管理技術，以獲取滿意的冷熱態WHTC循環排放值。從圖18的萬有特性數據來看，通過進氣節流、多次噴射、推遲主噴正時等熱管理措施，可以提升低負荷工況區域SCR入口溫度30～50 ℃，提高SCR轉化效率，降低NOx排放。

圖18 有無熱管理措施的SCR入口溫度對比

3 重型車用柴油機國六排放整車開發

為了評判車輛和發動機的工作情況，并保證車輛在極端苛刻、嚴格的環境中能夠正?？煽康剡\行，需進行整車高溫、高原、高寒的標定試驗，即需要對發動機標定參數進行調整，使整車能適應環境變化的要求，并在保證安全可靠的前提下，具有良好的動力性和經濟性，以及排放性。以SC4H180Q6型柴油機匹配上汽躍進C500-D10整車國六排放開發工作為例，高溫試驗包括熱保護、空氣系統、零部件環境場、DPF、SCR、碳載及OBD；高原試驗包括進氣系統控制、增壓器保護、DPF、SCR、碳載及OBD；高寒試驗包括冷起動、空氣系統、DPF、SCR、碳載及OBD等項目。

4 結語

本文介紹了重型車用柴油機從國五排放升級到國六排放的技術措施，并以匹配7～16 t載貨車的4.3 L柴油機為例，通過機內冷卻EGR、200 MPa高壓共軌系統、進氣節流的熱管理等技術措施，機外措施采用DOC、SCR、DPF等后處理措施，進行國六排放機型的開發。開發結果表明，EGR可以顯著降低柴油機NOx原始排放，但同時會增加PM原始排放，而高壓噴射可以明顯改善發動機PM原始排放。進氣節流可明顯提高柴油機小負荷的排氣溫度，確保柴油機高效SCR的運行，有效降低NOx尾管排放。DPF是目前降低柴油機PM尾管排放和減少PN排放的最有效措施。采用“CRS+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC”后處理技術可以使柴油機滿足GB 17691—2018國六排放限值，是1種非?？尚械募夹g路線。