滿足EPA2010全球最嚴排放法規(guī)的美國航星國際和康明斯中重型柴油發(fā)動機(二)

　　3.1 高級燃燒系統(tǒng)

　　康明斯在開發(fā)高級燃燒系統(tǒng)和柔性燃油噴射系統(tǒng)方面業(yè)已投入巨大，這些技術(shù)可以在燃燒室內(nèi)降低發(fā)動機的污染物?？得魉谷紵到y(tǒng)設(shè)計工具采用先進的燃燒過程計算機模擬，計算機模擬可以幫助工程師們研究燃油噴射系統(tǒng)的參數(shù)(即噴射時間、噴射速度和形狀)以及燃燒室?guī)缀涡螤畹淖兓瘜θ紵挠绊?。這一工具不僅加速了發(fā)動機開發(fā)進程，而且康明斯通過該設(shè)計工具還獲得了直接從燃燒室降低氮氧化物和顆粒排放的技術(shù)。

　　3.2 集成冷卻EGR

　　為了滿足氮氧化物和非甲烷碳氫化合物低于3.38g/KWh的排放限值，康明斯于2002年推出冷卻廢氣再循環(huán)技術(shù)，這為滿足EPA2007和EPA2010法規(guī)打下了基礎(chǔ)。

　　冷卻EGR在氮氧化物排放控制方面十分有效。這種EGR系統(tǒng)從發(fā)動機廢氣當中提取定量的尾氣，通過一個冷卻器，然后與進氣混合后進入氣缸。EGR技術(shù)通過用冷卻后的部分尾氣回流到發(fā)動機進氣，從而增加了燃燒室的熱容量和降低其氧氣濃度。在燃燒的時候，EGR技術(shù)的作用是降低燃燒火焰的溫度，從而降低氮氧化物的生成，因為氮氧化物的生成與火焰溫度成正比。這一技術(shù)可以讓工程師把發(fā)動機調(diào)校成最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和最好的動力性，同時氮氧化物生成量更低。EGR技術(shù)被用來滿足EPA2007法規(guī)和其他地區(qū)的排放法規(guī)。

　　在所有工況下，為了同時精確控制氮氧化物和顆粒質(zhì)排放，再循環(huán)廢氣的數(shù)量和進氣數(shù)量必須被精確計量后才能進入發(fā)動機。這使得高級可變截面渦輪增壓器(VGT，圖6)的應用十分必要，VGT增壓器可以連續(xù)地改變進入發(fā)動機氣缸內(nèi)的空氣數(shù)量。

　　由康明斯渦輪技術(shù)公司開發(fā)的VGT渦輪增壓器上采用一種專利的單片滑動噴嘴，該噴嘴可以連續(xù)運動來改變渦流的動力以及進入發(fā)動機內(nèi)的空氣數(shù)量。由于這一獨特設(shè)計，使得這種VGT渦輪增壓器被證明是世界上最可靠的增壓器。

　　VGT渦輪增壓器與EGR控制閥門一起聯(lián)動，可以精確計量進入進氣系統(tǒng)的再循環(huán)廢氣，從而獲得更好的動力性和燃油經(jīng)濟性。

　　圖6：康明斯VGT增壓器


圖7：康明斯SCR原理圖

　　3.3 后處理解決方案

　　冷卻EGR是一種缸內(nèi)降低氮氧化物的技術(shù)，還有一些尾氣后處理技術(shù)可以實現(xiàn)降低氮氧化物的排放，這些技術(shù)即是通過處理發(fā)動機排出后的廢氣來實現(xiàn)。這些措施包括選擇性催化還原SCR和氮氧化物過濾器。

　　3.3.1 選擇性催化還原技術(shù)--SCR

　　選擇性催化還原(SCR)原理前面已有敘述，康明斯的DEF-SCR系統(tǒng)大體上包括三個組成部分：

　　(1)催化轉(zhuǎn)換器：催化轉(zhuǎn)換器被安裝在尾氣處理系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)外觀類似于一個消音器。該系統(tǒng)包括一種化學化合物，該化合物在有氨氣存在前提下，有助于氮氧化物轉(zhuǎn)換成為無害的化合物。

　　(2)DEF：DEF被以水溶液的狀態(tài)隨車攜帶于一個罐子里。DEF儲存罐的尺寸可以讓駕駛員加裝次數(shù)盡量少，而且其尺寸或重量在汽車的容許范圍之內(nèi)。儲存罐和DEF供給系統(tǒng)必須能防凍，因為DEF水溶液在攝氏零下12度左右會結(jié)晶。

　　(3)DEF供給系統(tǒng)：DEF供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)必須在任何工況下將DEF以細霧狀態(tài)噴射到尾氣中。DEF噴射數(shù)量必須被精細控制，以便所噴射的氨水數(shù)量與發(fā)動機實時產(chǎn)生的NOx數(shù)量精確匹配。

　　SCR系統(tǒng)中DEF的使用量是多少呢?對于降低1g/KWh的NOx，一個SCR發(fā)動機要消耗大約耗油量的1.5%的DEF，具體數(shù)量取決于汽車的運行狀態(tài)。對于一個行駛966km消耗100加侖柴油的發(fā)動機，假設(shè)要將NOx排放從1.6g/KWh降低到0.27g/hp-hr，那么這個過程中，DEF消耗量為2加侖。

　　康明斯過濾器公司從2003年開始供應DEF給固定柴油機，并可以通過其現(xiàn)有的數(shù)千家經(jīng)銷商和分銷商來確保DEF供應?？得魉挂寻从媱潖?010年開始將這些供應設(shè)施用于商業(yè)化供應?？得魉筍CR原理見圖7。

　　3.3.2 氮氧化物過濾器(NOx Adsorbers)

　　氮氧化物過濾催化轉(zhuǎn)換器(NOx Adsorber Catalyst-NAC)是20世紀90年代后期開發(fā)出來的新技術(shù)(如圖8)。這種NAC技術(shù)采用賤金屬氧化物和貴金屬合成涂層來有效控制NOx，賤金屬氧化物(如氧化鋇)與NOx反應生成硝酸鋇，有效地將NOx儲存在催化器表面，當可用的存儲空間被占滿時，催化器被暫時置于“富”尾氣工況(即空氣-燃料混合比例被調(diào)整到尾氣中氧氣含量為零或極低)，這時，NOx從催化器中被釋放，并被貴金屬部分轉(zhuǎn)換成氮氣和水蒸氣。

圖8：NOx過濾催化轉(zhuǎn)換器原理圖

　　柴油機通常在空氣量大于燃料燃燒所需量的狀態(tài)下運行，稱為“稀”工況。在稀運行工況下，用催化器控制氮氧化物的生成是十分困難的，主要原因是尾氣中有過量的氧氣。

　　在稀運行工況下，NOx只是被簡單地存入催化器中。所以釋放NOx和將其轉(zhuǎn)化成氮氣的再生過程是必需的。

　　NAC的再生需要在很短的一個時間間隔過程中將尾氣中的過量氧氣消除。這個過程可以通過發(fā)動機在“濃”(與“稀”工況相反)運行工況下運行，或者直接將燃料噴射到過濾器之前以便消耗多余的氧氣。發(fā)動機和催化器必須被作為一個系統(tǒng)來控制，以便來精確確定何時需要再生以及再生過程的尾氣參數(shù)。

　　硫給這種過濾器提出了挑戰(zhàn)。除了儲存NOx，這種NAC也會儲存硫，硫使得催化器儲存NOx的能力下降。盡管美國市場柴油硫含量在2007年降低到15ppm，但任何水平的硫含量都會是一種挑戰(zhàn)，并且需要發(fā)動機設(shè)計時，為后處理系統(tǒng)提供一個定期脫硫過程—從催化器中去掉硫。這一過程類似于NOx再生過程，但是所需溫度更高。

　　康明斯從2007年開始在Dodge RAM重型皮卡中應用NOx過濾器技術(shù)。這種增壓柴油機當時已經(jīng)能夠滿足EPA2010排放標準。

　　3.3.3 NOx后處理技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)

　　總體上，NOx后處理控制技術(shù)(SCR和NOx過濾器)面臨的主要挑戰(zhàn)(包括設(shè)計和開發(fā)集成系統(tǒng))有以下幾點：

　　1)在所有環(huán)境條件和應用中須可靠和耐用;2)尺寸和重量最小;3)在產(chǎn)品生命周期內(nèi)都能控制NOx排放;4)需要最少量的維護;5)在初始成本和運營成本上，用戶都能承擔得起。

　　3.3.4 主動柴油顆粒過濾器(ADPF)

　　美國EPA2007與EPA2010排放法規(guī)要求將顆粒物質(zhì)排放比2002年降低90%，從0.14降低到0.014g/KWh。雖然以前顆粒物排放控制可以通過改善發(fā)動機燃燒和氧化催化器實現(xiàn)，但是嚴格的EPA2007與EPA2010法規(guī)需要更有效的顆粒后處理系統(tǒng)。

　　主動柴油顆粒過濾器(圖9)是康明斯?jié)M足EPA2010顆粒排放法規(guī)的唯一選擇，所有的發(fā)動機制造商都采用這種技術(shù)，只不過形式不同。

　　圖9：康明斯主動再生顆粒過濾器ADPF

　　為了在所有應用中達到新的顆粒物排放標準，ADPF是必需的。尾氣過濾器通過采用多孔的陶瓷介質(zhì)將其中細微顆粒過濾出來。一個典型的過濾器包括一組小的通道，以便讓尾氣從中流過(圖10)。鄰近的通道從相反的那一端插入，強迫尾氣流過多孔的壁面，將顆粒物捕捉到介質(zhì)的表面和小孔之中。顆粒物在過濾器中累積，當足夠熱量出現(xiàn)時，再生過程就發(fā)生了，將顆粒物氧化掉并排出過濾器。

　　圖10：ADPF中的氣流穿過壁面示意圖

　　主動再生顆粒過濾器設(shè)計的挑戰(zhàn)是能實現(xiàn)可靠和一致再生，這樣顆粒就能在所有負荷循環(huán)狀態(tài)下被過濾掉。例如，當一個牽引列車全負荷工作時，發(fā)動機中尾氣將始終如一地有足夠熱來實現(xiàn)再生，但是，當同樣卡車運行在走走停停的交通環(huán)境時，再生過程不一定會實現(xiàn)。EPA規(guī)定，所有發(fā)動機在任意工況下都須滿足排放要求，這就是為什么主動再生控制是必需的原因。主動再生控制方法包括監(jiān)測顆粒過濾器的背壓和再生過程以及進入過濾器的尾氣溫度。

　　有幾種方法來控制和提高尾氣溫度，以便實現(xiàn)主動管理DPF。為滿足EPA2010法規(guī)，所選的方法是對燃燒過程的管理加上一個附加氧化催化器。這種方法可以讓再生過程在低環(huán)境溫度/低負荷工況下同正常運行環(huán)境一樣實現(xiàn)，因為上述特殊環(huán)境下尾氣溫度較低。

　　ADPF 應用面臨的主要挑戰(zhàn)是維護問題。潤滑油中的添加劑隨著機油損耗會變成灰燼，灰燼被過濾器搜集，而灰燼顆粒通過再生又被氧化。灰燼必須從過濾器中清理出去或者被疏通?？得魉构酚冒l(fā)動機顆粒過濾器的維護間隔是32.2～64.4萬km。主動再生過程取決于負荷循環(huán)和發(fā)動機機油消耗?？得魉乖诒泵朗袌鐾瞥隽松虡I(yè)化清理系統(tǒng)?？得魉箤⑻峁﹥煞N清理方法：1)在康明斯分銷商分支機構(gòu)處清理顆粒過濾器;2)工廠交換項目—ReCon。

　　3.4 康明斯應對EPA2010法規(guī)小結(jié)

　　(1)康明斯北美現(xiàn)有產(chǎn)品是經(jīng)過驗證的且滿足EPA2010排放標準的。

　　(2)康明斯是北美唯一一家獨立發(fā)動機制造商，同時提供空氣處理技術(shù)(康明斯渦輪增壓技術(shù)公司—Cummins Turbo Technologies))、后處理系統(tǒng)(康明斯排放解決方案—Cummins Emission Solutions)和過濾技術(shù)(康明斯過濾器Cummins Filtration)。

　　(3)康明斯將繼續(xù)采用冷卻EGR作為降低NOx排放的基本技術(shù)，就像康明斯從2001年開始的那樣。

　　(4)康明斯采用主動顆粒過濾器來實現(xiàn)顆粒排放降低90%的目標，康明斯過濾器是經(jīng)過驗證的技術(shù)。

　　(5)建立在冷卻EGR和康明斯顆粒過濾器成功應用基礎(chǔ)之上，康明斯將增加采用SCR技術(shù)的NOx后處理系統(tǒng)來滿足EPA2010法規(guī)。