2010年商用车柴油机低排放技术的预测
- 2009-04-25 15:15:22343
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在改善燃烧*的燃油喷射系统中，“高压喷射”和“喷射自由度”已成为目前喷油系统的重要手段。共轨式喷油系统已进入第二代，在180℃A以上的喷油期可变范围内，可实现160-180MPa的喷油压力和5次多级喷射。今后，通过共轨式喷射系统各部分强度的提高以及降低漏油量等措施，有望实现200MPa以上的高压喷射。今后改善燃烧有预混合燃烧和低NOx燃烧等方法，为了实现预混合燃烧，采用可促进预混合的多段喷射与切换燃烧方式等措施，要求具有更高的喷射自由度。此外，因高EGR和低NOx燃烧，作为进气中O2浓度大幅度降低状态下的黑烟对策，必须考虑进一步提高喷射压力。另一方面，喷油系统与后处理技术的结合也很重要，NOx吸附还原催化器需要与DPF不同的后喷射模式。在加强喷射自由度和高压喷射的同时，预计会把“燃烧方式的更改”、“与后处理的结合”等概念增加到新的关键词中。要控制均匀预混合气的压缩着火燃烧，必须对影响支配燃料氧化的化学反应的着火前温度历程和缸内气体组成及热容量等非常难处理的物理量进行控制，预计必须以的规模使传感器和控制单元的运算能力实现实用化。而神本等人提出的“预混合燃烧”避开了在火焰温度和当量比（T—Φ）图上的NOx和碳烟生区域进行燃烧，实现了超低排放。此外，热效率的提高也是重要的因素。美国环保署（EPA）提出的“清洁柴油机燃烧”和英国Ricardo研究所提出的“ACTION”理念是把气缸内的O2浓度降低到11%-14%，在不降低燃烧效率的基础上实现降低NOx排放90%。为实现这一理念，要在不增加油耗的同时兼顾增压和高EGR，就要以低压缩比、两级增压、电动压气机和低压回路（LPL）EGR等技术为前提，基本的是EGR 空气量控制以及为抑制碳烟生成促进燃料和空气的混合。另一方面，预混合柴油机燃烧是以燃料的喷油期和燃烧期不重叠、不引起扩散燃烧为目的（即非均质）的燃烧方式。在上止点前较早进行燃油喷射，或是在膨胀行程进行燃油喷射以充分确保着火延迟，降低排放的潜力会很大。
进气门关闭正时的可变技术以及在排气和进气行程上止点气门的负重叠可以控制残留废气，作为抑制热效率恶化、直接控制预混合燃烧的条件而引人注目。现已开始尝试使燃烧前的温度或者混合气浓度有目的的形成不均匀场，以抑制放热峰值。
增压技术
增压技术除谋求拓宽压气机的流量范围以提率外，为了满足发动机的高扭矩、高功率，还采用了放气阀。实际车辆还采用可变截面涡轮增压器（VGT）。采用EGR阀和VGT实现同时控制进气量和EGR率技术与高压燃油喷射技术一起成为降低排放的主流技术。从2009年日本新*排放法规和美国2010年排放法规对排放的限制来看，NOx排放必须降低，EGR将成为更加重要技术。要想增大EGR率，要确保压气机的驱动力，也要求涡轮在具有率的同时必须进一步提高压比和制定喘振对策，在部分高功率发动机上还考虑开展两级增压。随着冷却EGR的放热量和高增压中冷器放热量的增大，冷却技术的提高也势在必行。需降低球轴承等引起的摩擦，同时正在开展采用钛合金叶轮实现高压比、低惯性等研究。在过渡运转工况作为补充空气不足的手段，可采用电动压气机和电动涡轮增压器等措施。
降NOx催化器的未来
因轻油含硫引起NOx吸附还原催化器硫中毒，定期去除硫酸盐的脱硫处理工序是必要的。现在日本国内可以使用硫含量小于10×10-6的低硫燃料，DPNR系统已经实用于商用车。作为分解并还原吸附的NOx还原剂，与轻油等碳化氢相比，CO和H2更有效。使用从轻油中生成H2和CO的燃料改质器的NOx吸附还原系统，利用氧化反应升温，并在浓混合气（无氧状态）环境中生成H2和CO。该装置必须把温度升高到催化器的燃烧温度，因此其升温响应性也成为研究的课题。假如能在低温状态下使轻油着火，低温区域的NOx降低率将会得到*改善。使用毒性较低的尿素水作为还原剂的SCR系统的实用化得到不断发展。SCR催化器除采用沸石基催化剂外，还在研究采用成型的钒基催化剂，但有毒的钒等贵金属，高温时的稳定性会降低，在日本沸石基催化剂得到实际应用，SCR系统喷射的尿素水在生成氨的过程中可能出现产生副生成物的问题，必须确认排气中是否有因尿素产生的排放法规未规定的物质。
DPF系统
为提高DPF的PM捕集性能，采取了细孔结构更加致密、降低通过滤清器时的废气流速等对策。但其引发的负面影响是压力损失上升。为此，研究蜂窝状等表层过滤方式，且正在探讨深层过滤方式的DPF系统。为提高DPF再生效率，考虑使用*热源。另外，通过采用不使废气全部通过的废气旁通（多个并列配置的DPF的切换方式）方式也引起了关注。正在研究的利用低温等离子的DPF再生，有可能实现在全气流条件下的率再生。有效地集成DPF和NOx后处理装置、实现小型化至关重要。把NOx吸附还原催化器融合在DPF中的DPNR系统就是一个选择。