满足欧5排放法规的2.5 L柴油机的开发

【日】 池田護 中井洋明

0 前言

近年来，全球气候变暖及大气污染等问题引起了全世界的关注。汽车行业在能源消耗及内燃机排放方面负有重大责任。就这一问题而言，长远的目标是必须普及电动车及燃料电池车之类的零排放车，但在现阶段，仍需致力于提高内燃机的效率，同时降低车辆的排放。其中，作为一项环保技术，热效率高且二氧化碳（CO2）排放低的柴油机发挥着重要的作用。

日产汽车公司根据长期积累的柴油机研发经验，于1996年公布了调制动力学燃烧理念[1]，1998年将该技术应用于YD系列发动机，并实现了批量生产[2]。之后，分别在2001年和2005年，将采用共轨燃油喷射系统的YD系列发动机，以及采用柴油颗粒滤清器（DPF）的YD系列发动机投放市场。与此同时，该公司的柴油机在2003年达到了美国排放法规第2阶段第5级的水平[4]，在2007年满足了美国加州的特超低排放车标准[5]。

随着燃油喷射技术及排气后处理技术的发展，配装柴油机的乘用车在保持低CO2排放这一优势的同时，还大幅提高了其排放性能和驾驶性能，所以，近年来在欧洲乘用车市场上占有较大的市场份额。但是，满足被阶段性收紧的排放法规限值要求，以及进一步降低燃油耗，同时确保优异的动力性能仍是今后持续发展的目标。

为适应上述市场需求，日产汽车公司针对欧洲高级跨界车的动力需求，开发了既能满足欧5排放法规限值要求，又具有良好燃油经济性及动力性能的新型YD系列2.5 L直列4缸直喷式柴油机。为了能同时降低CO2排放及各种有害物排放，采用了全新的排气后处理系统，该系统组合了经改进的稀氮氧化物捕集（LNT）催化转化器[6]，以及堇青石柴油颗粒滤清器（Cd-DPF），前者是在日产汽车公司2008年为满足日本后新长期排放法规限值要求而在多功能运动型（SUV）车上采用过的LNT催化转化器基础上加以改进的。

1 开发目标

新型柴油机以欧4轻型商用车柴油机为基础，如图1所示，改善了排放性能，降低了CO2排放，实现了优异的环保性能，同时也提高了自身动力性能。

2 发动机概况和基本性能

2.1 发动机概况及主要技术规格

图2为柴油机的外观，表1列出了新型柴油机和基本型柴油机的主要技术规格。新型柴油机的主要优势是实现了低压缩比（15.0），采用了喷油压力高达200 MPa的共轨燃油喷射系统，同时，优化了进气道及燃烧室形状，从而获得良好的燃油经济性、排放性能、高功率、高扭矩性能。此外，由于采用了新型电控可变容量涡轮增压器和涡轮人口的排气能量控制技术，大幅提高了增压压力的控制能力，实现了动力性能的提高。将新开发的高分散型LNT催化转化器与Cd-DPF组合，构成一种新排气后处理系统。由于采用了LNT催化转化器，在实现低排放的同时，大幅降低了CO2排放。

表1 柴油机的主要技术规格

2.2 功率和扭矩曲线

图3为柴油机的性能曲线。与基本型柴油机相比，新型柴油机功率提高了11%，最高功率达到140 k W，最大扭矩为450 N·m。如图4所示，这在单级涡轮增压柴油机中已是最高升功率和升扭矩。从低转速区域到高转速区域，均能获得良好的加速性能。

3 改善燃烧的技术

3.1 提高功率与降低氮氧化物（NOx）排放的技术方案

图5为在提高功率的同时降低NOx排放所需采用的技术方案。如下文所述，通过改善燃烧，同时实现了提高功率和降低NOx排放的目标。此外，从降低燃油耗的观点出发，为进一步降低NOx排放，采用LNT催化转化器替代了延迟喷油定时的策略，与基本型柴油机相比，CO2排放量降低约10%。相比利用延迟喷油的策略来降低NOx的方案，新方案能获得减少CO2排放量约6%的效果。

3.2 降低压缩比

为了能同时降低碳烟和NOx排放，采取了降低压缩比的技术措施。此外，降低压缩比还能为缸内最大燃烧压力的制约带来余量，可因此而提高增压压力，故能同时兼顾减排与提高功率的目标。另外，考虑到降低压缩比所带来的负面影响，即在超低温条件下的起动性，以及高海拔及寒冷地区的燃烧稳定性，将压缩比设定为15.0。

对燃烧室形状进行了优化，在最大限度发挥低压缩比优势的同时，抑制了相应的负面影响。具体做法是，扩大活塞顶部燃烧室凹坑的直径，提高喷雾的空气利用率。同时，强化凹坑人口的断面收缩，改善了涡流的稳定性，由此减少了碳烟和碳氢化合物（HC）的生成，确保了燃烧稳定性。

3.3 改进气缸盖气道结构

为降低排放和燃油耗，同时提高功率，必须要确保最佳的涡流比和流量系数。另外，随着功率的提高，为有效冷却苛刻环境下的气缸盖气门，如图6所示，将气缸盖的气道布置方式由串联式改为并联式。

利用流动分析技术及空气流动试验，对进气道形状进行了分析研究，结果同时提高了涡流比和流量系数。缩小了螺旋气道螺旋部分前的通路，提高了螺旋部分的气体流速，强化了旋转流动。另一方面，切向气道的形状设计能抑制来自于螺旋气道的流动干扰。结果表明，高流量系数使充气效率得以提高，同时，提高涡流比也抑制了碳烟的生成，从而可设定较高的EGR率，在提高功率的同时，减少了废气排放，改善了燃油经济性。

另外，在改进气道布置的同时，优化了水套内的冷却水流动，强化了燃烧室的冷却。因此，新型柴油机比基本型柴油机能输出更高的功率，并且如图7所示，气缸盖燃烧室内的最高温度降低了约25℃，确保了极高的可靠性。

3.4 燃油喷射系统

新型柴油机配装燃油喷射压力高达200 MPa的第3代共轨燃油喷射系统[7]。该系统基于高压燃油喷射，使喷油雾化性能得到提高，并且由于采用了高速电磁阀，提高了响应性。结果表明，不仅提高了燃油喷射率，而且喷油持续期相比基本型柴油机约缩短8%，大幅提高了功率。此外，利用微小喷射量学习功能及气缸间的修正控制功能，抑制了喷射初期及时效老化后的喷油波动，减少了废气排放，降低了燃烧噪声。

3.5 EGR冷却系统

为改善排放性能，新型柴油机使用带旁通的高效大容量EGR冷却器。由于提高了EGR冷却器的效率，增大了容量，实现了降低NOx排放的目标。此外，在冷机及低负荷运转时，由于对EGR冷却器实施旁通，抑制了因过度冷却而导致的HC排放增加。并且，因降低压缩比所导致的对燃烧稳定性的不良影响也被控制到最低程度。

4 排气后处理技术

4.1 新开发的排气后处理系统

为了满足欧5排放法规的要求，同时降低CO2排放，开发了一种高分散型LNT催化转化器与Cd-DPF相结合的新型排气后处理系统。

图8示出了此次开发的排气后处理系统在车辆上的安装部位。为了使三效催化转化器和高分散型LNT催化转化器在催化剂性能最佳的温度区域工作，将其安装在增压器下方的同一壳体内。在LNT催化转化器的前段布置三效催化转化器，其目的是在稀气条件下，尤其是在冷机状态下，有效地氧化HC及一氧化碳（CO），同时在浓气条件下生成作为还原剂的氢（H2）。将DPF布置在距离涡轮增压器出口较远的位置，并采用了因热容量低而升温特性优异的堇青石载体。

4.2 高分散型LNT催化转化器

此次开发的目标是即便在老化状态下也可维持较高的NOx净化率，为此，新开发了高分散型LNT催化转化器。

图9为LNT催化转化器净化NOx的机理。LNT催化转化器在稀气条件下捕集NOx，在浓气条件下，利用与H2、CO和HC等的还原反应，将捕集的NOx还原成氮（N2）。

但是，传统的LNT催化转化器在高温条件下会引起贵金属的烧结，当发生热老化之后，由于贵金属的比表面积缩小，催化剂与排气的接触面积就会减少，导致净化性能降低。因此，必须事先预测因贵金属烧结引起老化的程度，并在催化剂中添加足量的贵金属，以便保持足够的净化性能。

在汽油机上采用的超低贵金属催化剂[8]，是在附着贵金属的基材周围设置物理分隔，由此抑制贵金属的烧结，这一措施可使贵金属的使用量减少50%。但是，在柴油机上却无法采用这一措施，因为是一次性将NOx储存在催化转化器中再予以净化，如果设置物理分隔，就会因为气体扩散性恶化而使NOx净化能力下降。因此，新开发了高分散型LNT催化转化器，如图10所示，不设置物理分隔，以求不阻碍气体的扩散，将超低贵金属催化剂的基材与分隔材料一体化，由于增强了基材（固定材料）与贵金属之间的结合力，从而也抑制了贵金属的烧结。

使用特定尺寸的试样实施了模型气体的评价，假设新鲜LNT的净化性能为100，热老化之后的NOx净化性能示于图11。与传统的LNT催化转化器相比，高分散型LNT催化转化器在热老化后的NOx净化率提高了约20%。

4.3 柴油机系统概况与加浓脉冲控制

为了有效发挥排气后处理系统的功能，在增压器上游和DPF前后均布置了排气温度传感器，在三效催化转化器上游和DPF下游设置了空燃比传感器，并根据模型推定各种催化转化器的温度及LNT催化转化器内的NOx捕集量。并且，利用DPF压差传感器获得的数据，推断DPF中的颗粒（PM）堆积量及DPF温度，根据各种催化转化器的状态，对NOx净化（加浓脉冲）、硫中毒消除，以及DPF再生等后处理控制要求进行判断。然后，利用可变容量涡轮增压器、EGR阀及进气节流阀，按各项后处理控制要求实施过量空气系数及温度的控制。

如果为了提高浓气条件下的NOx还原率而增加作为还原剂的H2、CO和HC，则由于HC与NOx的反应性比H2、CO与NOx的反应性低，会引起HC排放增加。然而，如果在提供还原剂的同时，由发动机微量供给约1%的氧，就可在催化转化器内更有效地生成作为NOx还原剂的H2及CO[9]，这样，就能够在提高NOx还原率的同时，抑制HC的排放。

图12为在实际车辆上的排放测试结果。通过将高分散型LNT催化转化器与高精度的加浓脉冲控制技术相结合，大幅降低了NOx排放。

4.4 Cd-DPF系统

堇青石材料具有热容量低、质量轻、成本低的优点。传统的堇青石载体因为气孔直径分布较广，导致PM捕集率较低，压力损失较大。在粗大气孔较多的区域，PM容易逃逸，这样在PM堆积量较少的部分，捕集效率就会变差。此外，在微小气孔较多的区域，气体通路容易被堵塞，导致压力损失增大。如图13所示，新开发的堇青石载体设定了适当的气孔直径中间值，气孔直径分布曲线呈尖锐而陡峭的形状，同时兼顾了高NOx捕集效率与低压力损失的目标。

另外，由于Cd-DPF热容量低，容易出现过度升温的现象，故采用后文所述新型DPF再生控制技术，实现了可靠的DPF再生。结果表明，有效利用Cd-DPF热容量低的特性后，如图14所示，与碳化硅载体相比，提高了柴油机瞬态工况运转时的DPF温度，缩短再生所需时间约12%。为此，能降低燃油后喷射量，并抑制润滑油对燃油的稀释。

4.5 DPF再生控制

DPF控制系统由PM堆积量推断、DPF再生温度控制及防止过度升温控制3项控制技术构成，故能实现可靠的DPF再生。

在推断DPF中的PM堆积量时，结合应用运转状态随时间变化的公式及压差公式，提高了推断的精度。

在DPF再生温度控制方面，结合应用进气节流与燃油喷射（主要是后喷射）进行相关控制。要可靠且安全地对低热容量的Cd-DPF实施再生，就必须兼顾控制精度和响应性。但是，从开始控制燃油喷射量到DPF温度发生变化的时间滞后较大，利用传统的比例-积分控制较难同时兼顾上述目标。因此，采用了基于现代控制理论之一的状态反馈控制来控制后喷射量。根据排气流量，建立从开始控制后喷射到DPF人口气体温度发生变化的时间滞后模型，以依次记忆的后喷射量为基础，预测随后的DPF人口气体温度变化，以获得最佳的后喷射量。结果表明，这一方法能同时兼顾控制精度和响应性。

DPF再生时，在PM过度堆积的状态下，因急减速等原因会导致排气流量减少，这样，被排气所带走的热量会减少，有可能发生PM快速燃烧并出现DPF过度升温的现象。因此，为抑制DPF内部的剧烈升温，采用了防止过度升温的控制技术。Cd-DPF的导热系数较小，其内部温度分布容易不均匀。新开发的系统利用温度模型推断Cd-DPF的内部温度分布，并与推断的高精度PM堆积量数据相结合，实时判定过度升温现象发生的危险程度。当判定为危险时，有效利用Cd-DPF热容量低的特征，通过提高排气流量来增加带走DPF的热量，防止过度升温，对DPF实施可靠的保护。

5 结语

利用低压缩比等技术提高柴油机的功率性能，同时，采用结合了高分散型LNT催化转化器与Cd-DPF的新型排气后处理系统，开发了2.5 L直列4缸柴油机，该新型柴油机在满足欧5排放法规限值要求的同时，也减少了CO2排放。

今后，仍要进一步研究降低CO2排放，以及资源循环利用等重要课题，将确实具有实效性的技术和产品投放市场。在技术不断高端化、复杂化的发展过程中，要提高产品的稳定性，控制成本，同时确保功能的可靠性等。