未來即將執(zhí)行的柴油發(fā)動機(jī)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)使載重車生產(chǎn)廠家有些頭疼，不過目前已經(jīng)有很多途徑可以使柴油發(fā)動機(jī)的廢氣排放達(dá)到歐洲、美國和日本的排放標(biāo)準(zhǔn)了。
汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)將越來越嚴(yán)格。在歐洲，2006年10月將開始執(zhí)行歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，2009年10月起將執(zhí)行歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)中NOx和有害顆粒的允許排量越來越少。在美國，柴油動力貨運(yùn)載重車將從2010年起執(zhí)行更嚴(yán)格的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，有害顆粒排量僅允許0.013g/kW h，NOx的排量為0.25g/kW h，而且出口到美國的汽車在NOx和有害顆粒排放方面的要求還要高。在日本，政府規(guī)定從2008年起就執(zhí)行類似的低排放標(biāo)準(zhǔn)。
積極的行動
在歐州，貨運(yùn)載重車的生產(chǎn)廠家們都在采取積極主動的措施，改進(jìn)其車用柴油機(jī)的排放性能，大家還組成了一個(gè)聯(lián)盟共同研究選擇性催化還原（SCR）技術(shù)。DAF、戴姆勒－克萊斯勒、依維柯、雷諾和沃爾沃公司都計(jì)劃利用這種方法減少汽車柴油發(fā)動機(jī)的廢氣排放量，首先是減少NOx的排量。
值得注意的是，MAN公司和Scania公司沒有加入這一團(tuán)隊(duì)，他們打算依靠自己的力量，從柴油發(fā)動機(jī)入手，利用改進(jìn)廢氣回用技術(shù)來達(dá)到越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。
還有一些礦物油生產(chǎn)企業(yè)和尿素生產(chǎn)企業(yè)也加入到了這支車用柴油機(jī)的研究團(tuán)隊(duì)，因?yàn)?/SPAN>SCR方案的基本思路是熾熱的車用柴油機(jī)尾氣可用水質(zhì)的尿素溶液來混合，使其后的SCR催化器可將氮氧化合物轉(zhuǎn)化成氮?dú)夂退羝?，因此，尿素的生產(chǎn)廠和銷售商們已經(jīng)與載重車生產(chǎn)廠家達(dá)成了協(xié)議，將向歐洲市場提供足夠的尿素溶液。
按照DIN 70070標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，尿素溶液的化學(xué)成分是無毒、無色、無嗅的。以往，尿素溶液在農(nóng)業(yè)、紡織、化妝品和醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在，它將進(jìn)入汽車加油站、倉庫和其他燃料油的供應(yīng)系統(tǒng)了。
更純、更凈
采用SCR技術(shù)的貨運(yùn)載重車每行駛100km會消耗2L左右的尿素，所以車輛需附帶增加一個(gè)100L容量的尿素溶液箱才能保證車輛在行駛幾千公里后才需添加一次尿素。不過好的一點(diǎn)是，據(jù)SCR技術(shù)方案的參與者介紹，這種三元催化器是免維修的，整個(gè)車用柴油機(jī)也不必使用無硫柴油。
這種催化器通過加熱的供液管路將尿素從溶液箱中吸出，在壓縮空氣的作用下被均勻地吹送到柴油機(jī)排出的廢氣中。在柴油機(jī)排出的廢氣中，這些尿素溶液就“蒸發(fā)了”。獲得自由的氨加速了SCR催化器的催化轉(zhuǎn)換作用，將氮氧化合物轉(zhuǎn)換為純氮和水蒸汽。通過大約80％的氮化反應(yīng)率首先可以使柴油燃燒產(chǎn)生的有害顆粒減少，優(yōu)化了柴油的燃燒過程。戴姆勒－克萊斯勒公司就在獲得歐Ⅲ認(rèn)證的車型中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，油耗可減少3%～5%。
這一以降低NOx為目標(biāo)的SCR系統(tǒng)可將車用柴油機(jī)NOx的排放限制在歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的界線之內(nèi)。據(jù)戴姆勒－克萊斯勒公司甚至稱，采用優(yōu)化改進(jìn)后的SCR技術(shù)可以使車用柴油機(jī)的排放達(dá)到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的要求。
適用于未知極限值的方案
AVL公司的博士在一個(gè)發(fā)動機(jī)學(xué)術(shù)交流會上介紹了一種更加有效的能夠滿足嚴(yán)格的美國排放標(biāo)準(zhǔn)、日本排放標(biāo)準(zhǔn)和可能的歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的方案。在講述他的方案時(shí)，Moser博士從實(shí)際的和假定的排放極限值出發(fā)，講到廢氣顆粒過濾器的效率，到NOx的分解，最后，他定義了發(fā)動機(jī)允許排放的、且不可能再減少的最大有害成分的“源排放量”。
對可能出臺的歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，Moser博士估計(jì)NOx排放量為1.0g/kW h，最大顆粒含量為0.01g/kW h。按照這一假設(shè)，按照NOx 物催化效率為80%～85%，和顆粒過濾器的效率為90％計(jì)算，發(fā)動機(jī)的源排放中NOx不得超過4～5g/kW h；有害顆粒排放量為0.07g/kW h。
從技術(shù)的角度出發(fā)，Moser先生認(rèn)為有兩種方案可以滿足這一要求。
一種方案是：保持車用柴油機(jī)現(xiàn)行的噴射壓力為1600 bar (1bar=105Pa)，采用較低的渦流和二次噴射，利用SCR系統(tǒng)和顆粒過濾器，最終可以達(dá)到4～5g/kW h的NOx排放、0.07g/kW h的有害顆粒排放的要求。
另一種方案是：采用約2000 bar的噴射壓力，很高的渦流和較低的廢氣回用率。在這種排放系統(tǒng)中，NOx 的排放指標(biāo)在不采用二次噴射的情況下就可以達(dá)到，而且更高的燃燒效率還可以降低油耗，使有害顆粒減少到大約0.03g/kW h的水平，而這種方法采用的是非常簡單的有害顆粒過濾系統(tǒng)，即過濾器加上氧化還原催化器。隨著人們對這一系統(tǒng)持續(xù)研發(fā)，過濾器－還原催化器系統(tǒng)的工作效率可提高到70%～75%，不過人們目前無法預(yù)測這一系統(tǒng)的使用壽命有多長。
為了滿足更為嚴(yán)格的美國、日本排放標(biāo)準(zhǔn)，要求車用柴油機(jī)的有害顆粒源排放數(shù)值不超過不超過0.07g/kW h，NOx 不超過2g/kW h。AVL公司利用一臺單缸柴油機(jī)在這方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。
不斷出現(xiàn)的新問題
當(dāng)?shù)D(zhuǎn)化的長期效率為90％時(shí)，源排放中的NOx 不得超過2g/kW h，這一要求可在2000bar的噴射壓力以及滿負(fù)荷時(shí)AGR廢氣回用率為20％的工作條件下實(shí)現(xiàn)。
如果因?yàn)榧夹g(shù)上的原因，長期氮化分解的效率只能達(dá)到80％，則在噴射壓力為2500bar、滿負(fù)荷AGR廢氣回用率為25%～30％、低載荷時(shí)AGR廢氣回用率為40％時(shí)，可以達(dá)到上述排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種較高的廢氣回用率允許在燃燒開始之前結(jié)束燃油的噴射，這將有利于油－氣的進(jìn)一步混合，可減少NOx 和有害顆粒的產(chǎn)生。
但是較高的AGR廢氣回用率也對增壓系統(tǒng)的效率和增壓系統(tǒng)的冷卻提出了很高的要求。增壓系統(tǒng)的壓力比與增壓器的效率和熱工作性能有著密切的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)較高的廢氣回用率，必須采用二級增壓系統(tǒng)且必須在第一級增壓和第二級增壓之間有良好的中間冷卻。一般來講，滿負(fù)荷時(shí)當(dāng)AGR廢氣回用率達(dá)到17%時(shí)，增壓壓力比達(dá)到3.5時(shí)，必須采用二級增壓系統(tǒng)。
另外，很高的增壓壓力可導(dǎo)致增壓廢氣泵送功的提高，從而會增加油耗。例如將目前常用增壓器的工作效率提高50%，則會將發(fā)動機(jī)的油耗從25g/kW h提高到30g/kW h。
嚴(yán)格地講，這種方案中還要考慮增壓器的熱性能，因?yàn)楦郊拥?/SPAN>AGR廢氣回用冷卻器也向冷卻系統(tǒng)傳送著熱量。一個(gè)350kW的發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷工作時(shí)的模型計(jì)算得出的結(jié)論是：在進(jìn)行排放優(yōu)化和油耗優(yōu)化后，需要散發(fā)出去的熱量由160kW提高到了約25kW，而這么大的熱量只能依靠雙倍的通風(fēng)功率才能散發(fā)出去。
Moser先生還強(qiáng)調(diào)指出：NOx 轉(zhuǎn)化的高效率和轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性取決于未來的排放極限值。在目前的歐Ⅳ和歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)中，車用柴油發(fā)動機(jī)不需要進(jìn)行根本性的變動。
最佳組合
未來的歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)以及美國、日本規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)是非常嚴(yán)格的，只有對發(fā)動機(jī)各種工作參數(shù)進(jìn)行了最佳的優(yōu)化使其各個(gè)工作參數(shù)之間很好地匹配之后才能實(shí)現(xiàn)，即：很高的、穩(wěn)定的廢氣處理系統(tǒng)的廢氣轉(zhuǎn)換率，很高的增壓器工作效率，兩級增壓系統(tǒng)，很高的噴射壓力以及有效的發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)控制的共同優(yōu)化和匹配。不過這也將會引起油耗的增加，與歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)相比，油耗可能會提高5%～15%。為了使CO2對人類環(huán)境的影響保持在極限范圍內(nèi)，在確定歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也應(yīng)對CO2的排放給予足夠的重視。
