滿足歐Ⅳ及更高排放法規(guī)要求的曼和斯堪尼亞重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(一)

　　1、歐洲概況

　　自從二十世紀(jì)八、九十年代以來，歐洲市場(chǎng)銷售重型柴油機(jī)的制造商數(shù)量大幅度下降，原因是并購(gòu)、股權(quán)變更和為了滿足歐Ⅲ之后排放法規(guī)而開發(fā)越來越復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)的成本增大。從歐Ⅱ向歐Ⅲ過渡時(shí)，為了應(yīng)用新的電控燃油噴射系統(tǒng)和從每缸2氣門變?yōu)?氣門，大規(guī)模的投資是必需的，這對(duì)于很多小的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商而言是難以承受的。剩余的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商大多數(shù)是非常大的公司，有能力在世界范圍內(nèi)銷售和生產(chǎn)卡車和客車整車。這些公司由于要增加產(chǎn)能而降低了產(chǎn)品系列中的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)數(shù)量。

　　                                                               圖1：歐洲重卡發(fā)動(dòng)機(jī)不同排量產(chǎn)量構(gòu)成（2006年，總產(chǎn)量43萬臺(tái)）

　　根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量分類（圖1），歐洲產(chǎn)能最大的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排量在11.5～13L之間。對(duì)應(yīng)歐洲重卡總重主要集中在32～40t之間。

　　1.1歐Ⅳ重型柴油機(jī)的主要特點(diǎn)

　　歐洲歐Ⅲ柴油機(jī)的設(shè)計(jì)變化主要在燃油噴射系統(tǒng)。歐Ⅳ以后，主導(dǎo)歐洲重型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的直列泵消失了，被一系列電控、高壓燃油噴射系統(tǒng)所取代，例如：電控泵噴嘴EUI、電控單體泵EUP、共軌系統(tǒng)CRS和卡特彼勒的液壓電控泵噴嘴HEUI（HydraulicElectronicUnitInjector）以及康明斯的高壓噴射系統(tǒng)HPI。

　　其中，11.5～13L歐Ⅳ重型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)概括起來有如下幾點(diǎn)：

　　發(fā)動(dòng)機(jī)布置直列6缸；

　　吸氣渦輪增壓器和空－空后冷；

　　渦輪增壓?jiǎn)渭?jí)或者雙級(jí)；

　　氣缸蓋鑄鐵、水冷、每缸四氣門；

　　缸體鑄鐵、水冷、離心式機(jī)油冷卻器、濕式缸套；

　　燃油噴射系統(tǒng)電控、壓力超過1600bar(包括EUI、EUP、CRS、HEUI、HPI）；

　　帶有或不帶冷卻油腔鋁活塞或者鋼頂鋁裙組合活塞；

　　壓縮比16:1～19:1；

　　最大缸壓160～200bar；

　　NOx控制通過冷卻EGR或者SCR；

　　EGR方案顆粒排放控制通過氧化催化器或者顆粒催化器；SCR方案不用其他措施。

　　1.2實(shí)現(xiàn)歐Ⅳ及之后更高法規(guī)的技術(shù)路線

　　歐洲從2005年10月開始，卡車和客車都必須滿足歐Ⅳ法規(guī)。與此同時(shí)，德國(guó)出臺(tái)激勵(lì)政策鼓勵(lì)購(gòu)車者提前購(gòu)買歐V排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車。其結(jié)果是，在德國(guó)銷售的部分發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)，比歐V法規(guī)實(shí)施時(shí)間提前約3年。目前，所有這些歐V發(fā)動(dòng)機(jī)都采用選擇性催化還原后處理系統(tǒng)（SCR）。

　　表1匯集了歐洲重型車主要制造商歐IV和歐V的技術(shù)路線選擇。兩條主要技術(shù)路線分別為廢氣再循環(huán)（EGR）和選擇性催化還原（SCR）。

　　                                                                              表1：歐洲重型車主要制造商歐IV和歐V技術(shù)路線選擇

　　1.3歐Ⅳ到歐V、歐VI的技術(shù)升級(jí)及開發(fā)

　　對(duì)于重型柴油機(jī)來說，歐Ⅳ到歐V常用的辦法是增加噴射到SCR催化器中的尿素量，因?yàn)檫@只需要對(duì)原來發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相對(duì)小的改動(dòng)。在這種措施中，燃油經(jīng)濟(jì)性可以大致保持在歐IV發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，只不過尿素消耗量稍微增加。

　　作為選擇之一，如果使用EGR路線，那么EGR率需要進(jìn)一步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射壓力需要增加，因此需要升級(jí)燃油噴射系統(tǒng)。新的燃油噴射系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，噴射壓力可達(dá)2000bar以上，并且在多次噴射性能上有很多靈活性。為了滿足顆粒排放限值，顆粒過濾器應(yīng)該是必需的，可以是全流式的，也可以是分流式的。燃料中的硫含量必須降低到歐V標(biāo)準(zhǔn)，即10ppm以下，這有助于帶有氧化催化器的顆粒過濾器的應(yīng)用。目前滿足歐V排放的EGR發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開發(fā)出來并投入廣泛應(yīng)用，其燃油經(jīng)濟(jì)性也很有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　歐盟議會(huì)已經(jīng)通過歐VI排放標(biāo)準(zhǔn)，這意味著NOx排放還要大幅度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)可能需要EGR和SCR一起使用。可選擇的燃燒方法是均質(zhì)充氣壓縮點(diǎn)燃著火HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition），這種燃燒方式在部分負(fù)荷工況下似乎NOx和顆粒排放都很低，但在滿負(fù)荷工況下卻無法達(dá)標(biāo)，所以HCCI技術(shù)更適合輕型柴油機(jī)。

　　與歐VI同期的日本和美國(guó)，重型柴油機(jī)必須安裝全流式DPF，歐洲也有可能必須加裝。這樣為了防止背壓過高，主動(dòng)再生技術(shù)必不可少。

　　2、曼公司

　　2.1兩種技術(shù)解決方案

　　眾所周知，歐IV法規(guī)的排放限值比歐Ⅲ嚴(yán)格得多，氮氧化物排放量降低幅度大約30%，而顆粒物排放降低幅度達(dá)80%。2009年全面生效的歐Ⅴ排放法規(guī)要求進(jìn)一步大幅度降低NOx排放。主要的挑戰(zhàn)是降低兩種污染物的技術(shù)目標(biāo)存在沖突，通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，可降低氮氧化物排放，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放增加，反之亦然。

　　如上所述，柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)歐IV及以后法規(guī)的技術(shù)路線有兩個(gè)。曼則是兩種技術(shù)路線都采用以便給不同地區(qū)和不同用戶提供完美的產(chǎn)品。

　?。?）方案1：EGR+曼的PM-KAT過濾器

　　曼的可控冷卻廢氣再循環(huán)EGR（圖2）加上免維護(hù)的PM-KAT過濾器（圖3）可以在不需要任何添加劑的情況下滿足歐IV排放要求，這種解決方案是曼獨(dú)家的。曼也在歐V產(chǎn)品上采用這種方案，由于該方案明顯的優(yōu)勢(shì)，曼很多主要客戶傾向于選擇這種技術(shù)。

　　由圖3可知，曼的PM-KAT過濾器實(shí)際上就是一種將柴油氧化催化器DOC和顆粒氧化過濾器POC集于一體的后處理器。

圖2：曼可控冷卻EGR原理圖


圖3：曼PM-KAT過濾器化學(xué)反應(yīng)原理圖

　?。?）方案2：SCR技術(shù)和曼的AdBlue

　　目前SCR技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)歐IV和歐V排放要求。為了保持氮氧化物排放低于法規(guī)限值，這種技術(shù)必須應(yīng)用一種還原劑AdBlue——曼專門配制的尿素水溶液。

　　2.2EGR+PM-KAT過濾器是曼獨(dú)有的革命性技術(shù)

　　曼的廢氣再循環(huán)EGR柴油機(jī)于1999年開發(fā)出來，為了滿足歐Ⅲ以及后來的歐IV、歐V排放法規(guī)。到目前為止，全世界大約有八十多萬臺(tái)曼EGR發(fā)動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行。曼EGR發(fā)動(dòng)機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)性好，廣受歡迎。

　　曼采用冷卻的和可控的外部廢氣再循環(huán)EGR可以在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物排放，滿足十分嚴(yán)格的歐IV、歐V排放要求。PM-KAT則被采用來控制顆粒物排放，以滿足法規(guī)對(duì)PM排放的要求。這種系統(tǒng)是安裝在消音器內(nèi)的顆粒物分離裝置，這種系統(tǒng)不會(huì)堵塞，免于維護(hù)，并且不需要任何額外的添加劑。PM-KAT過濾器可以消除中等程度的細(xì)小顆粒物。

　　（1）曼PM-KAT相比SCR系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)

　　主要有以下9點(diǎn)：1）可靠、免維護(hù)，不銹鋼制成；2）可以去除中等程度的細(xì)小顆粒；3）燃油經(jīng)濟(jì)性沒有改變；4）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷沒有限制；5）不需要AdBlue基礎(chǔ)設(shè)施；6）不需要復(fù)雜的測(cè)量部件和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；7）沒有空間限制，最大限度地保持原來油箱大??；8）比SCR技術(shù)成本低許多；9）比SCR系統(tǒng)輕150kg。

　?。?）曼PM-KAT能夠消除微細(xì)顆粒

　　目前空氣中細(xì)小的塵埃由直徑小于10微米的顆粒構(gòu)成，除了其他來源以外，沒有加裝過濾器的柴油轎車和卡車是一個(gè)主要來源。由于微細(xì)顆粒對(duì)人類健康有潛在危險(xiǎn)，歐盟出臺(tái)一項(xiàng)指令，限制微細(xì)粉塵的最高含量，并于2005年1月1日生效。但是，目前一些城市空氣中的粉塵含量依然超過歐盟限值每立方米50微克。而應(yīng)用曼PM-KAT的重型車的微細(xì)顆粒物排放能夠達(dá)標(biāo)。

　?。?）曼PM-KAT相比其他顆粒過濾器的優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)的柴油顆粒過濾器DPF可降低顆粒物排放幅度約85%以上，甚至達(dá)99%，但是其維護(hù)卻十分困難。然而，革命性的PM-KAT是目前為止唯一一個(gè)免維護(hù)過濾系統(tǒng)，同時(shí)可以有效降低粉塵污染的最細(xì)小顆粒。該過濾器的降低顆粒物排放幅度大約60～90%（主要取決于顆粒物的尺寸）。

　　2.3曼的SCR技術(shù)

　　曼的SCR技術(shù)開發(fā)始于二十世紀(jì)九十年代末期，曼當(dāng)時(shí)參與了世界首次野外SCR技術(shù)應(yīng)用測(cè)試試驗(yàn)。2004年曼SCR產(chǎn)品系列化以后，由于一些歐洲國(guó)家對(duì)于已滿足歐V排放限值的SCR發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的汽車給予大幅度優(yōu)惠，故成千上萬的曼SCR發(fā)動(dòng)機(jī)被歐洲市場(chǎng)接受。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，曼的發(fā)動(dòng)機(jī)被證明是經(jīng)濟(jì)性最好的歐V標(biāo)準(zhǔn)的SCR發(fā)動(dòng)機(jī)之一。目前曼SCR發(fā)動(dòng)機(jī)有三大系列，功率覆蓋360～680PS。對(duì)于歐IV機(jī)型，AdBlue消耗量一般為油耗的3％～4％，對(duì)于歐V，消耗量一般為5％～7％。

　　對(duì)于MAN-AdBlue系統(tǒng)，曼根據(jù)顆粒物排放和燃油經(jīng)濟(jì)性將發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化，而氮氧化物在發(fā)動(dòng)機(jī)外后處理裝置中被從尾氣中去掉，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出沒有一點(diǎn)損失，而油耗甚至可能被降低。在所有SCR技術(shù)方案供應(yīng)商中，MAN-AdBlue系統(tǒng)獨(dú)有特點(diǎn)是消音器的尺寸沒有變化，所以該系統(tǒng)不占據(jù)更多空間。MAN-AdBlue系統(tǒng)中尿素箱與柴油箱組成一個(gè)獨(dú)特系統(tǒng)，并可以被加熱以免冬季時(shí)結(jié)晶。

　　2.4曼兩種技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　曼的EGR+PM-KAT過濾器系統(tǒng)適用于車輛行駛路程較短，空間占主導(dǎo)因素（建筑、公共設(shè)施、專用車）的用途，這些工況汽車主要處在滿負(fù)荷狀態(tài)。而SCR技術(shù)則適用于長(zhǎng)途牽引車。

　　2.5曼重型柴油機(jī)產(chǎn)品主要參數(shù)及尾氣處理方案

　?。?）客車用發(fā)動(dòng)機(jī)系列

　　曼歐IV、歐V和EEV客車用發(fā)動(dòng)機(jī)系列主要參數(shù)及尾氣處理方案參見下表2～表4。這里的EEV標(biāo)準(zhǔn)，是1999年歐盟制定的“強(qiáng)化環(huán)境友好汽車—EnhancedEnvironmentallyfriendlyVehicles”超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　*注：（1）OBD1表示第1代車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)；（2）PM-KAT，表示EGR+PM-KAT技術(shù)路線，下同。

　　*注：（1）OBD2表示第2代車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)；（2）Oxi-Kat，表示EGR+Oxi-Kat技術(shù)路線（Oxi-Kat是一種較復(fù)雜而先進(jìn)的柴油氧化催化器DOC），下同。

　　*注：CRT，表示EGR+CRT（連續(xù)再生顆粒捕捉系統(tǒng)）技術(shù)路線，下同。

　　（1）卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)系列

　　曼歐IV、歐V和EEV卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)系列主要參數(shù)及尾氣處理方案參見下表5～表7。

　　*注：MAN-AdBlue，表示MAN-AdBlueSCR技術(shù)路線，下同。

（未完待續(xù)）