满足国六排放法规的重型车用柴油机开发

凌建群 熊津联

(上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 前言

据中国汽车工业协会数据显示，2014年至今，国内重型商用柴油车每年销量都超过100万辆，其中2019年全年重型商用柴油车销量达117多万辆。相对而言，重型柴油车排放是大气中氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的主要来源之一。受商用柴油车产销情况继续保持良好态势的影响，我国大气污染的防治形势越来越严峻，开发设计排放更低的柴油机势在必行。与现行国五排放标准相比，在国六排放标准下的重型柴油机的NOx限值降低了77%，PM限值降低了67%(图 1)。现今，政府部门逐渐认识到对人体有害的颗粒物主要是可吸入颗粒物直径在10 μm以下的颗粒物PM10。国六排放标准新增了颗粒数(PN)限值，对柴油机的颗粒物排放有了更准确的控制方向。因此，为了满足国六排放标准，柴油机生产企业必须选择目前降低颗粒物排放的最优技术，即颗粒捕集器(DPF)，同时采取降低NOx排放的最佳手段，即选择性催化还原(SCR)系统。

图1 重型柴油机国五和国六排放限值的差异对比

1 重型车用柴油机国六排放技术措施

1.1 冷却EGR技术

柴油机燃烧后排出的气体中氧含量极低，排气中的CO2可以增加混合气体的比热容值，因此EGR可降低氧浓度和最高燃烧温度，可以显著减少柴油机燃烧过程中NOx的产生。EGR可以分为内部和外部2种类型。内部EGR通过合理的设计配气机构以便增加缸内残余废气，一般不带冷却系统。外部EGR有2种实现方案：将涡轮入口废气引到中冷器出口称为“高压回路EGR”；将涡轮的出口废气引到压气机进口称为“低压回路EGR”。大量的研究试验结果证明，将再循环废气加以冷却，即采用冷却EGR降低最高燃烧温度，可以提高降低NOx排放的效果[1-3]。为了满足在更大运行工况范围内的NOx限值排放，以及更为严苛的燃油耗目标，国内外部分满足国六排放法规的柴油机采用了高低压混合式EGR系统。图2所示为1款满足国六排放标准的柴油机高低压混合式EGR系统示意图。

图2 满足国六排放标准的柴油机高低压混合式EGR系统示意图

1.2 燃油系统

虽然采用EGR系统可以降低NOx排放，但会使新鲜空气的进气量减少，从而引起燃油消耗率和PM排放的升高。为了解决这一问题，需对燃油系统进行升级。近年来，对于柴油共轨燃油系统的研发重点一直集中于改善机械效率和能力，以求获得更高的喷油压力和更好的喷油率。提高喷射压力可降低燃油喷雾粒径，改善燃油的雾化特性。新鲜空气可以比较活跃地引入燃油喷雾束内部，有助于在气缸中形成均匀的混合气，减小局部过浓的混合气比例，从而降低碳烟并减少PM排放。图3显示出了柴油机燃油喷射压力和PM排放的关系。关于燃油喷射对燃烧过程和柴油机性能排放影响的课题，国内外很多专家学者进行了广泛的理论分析和大量的试验研究[4-6]。研究结果表明，导喷可以提高缸内压力和温度，促进油气混合，降低PM排放；预喷可以缩短滞燃期，减小在预混合燃烧阶段的放热率，降低燃烧温度进而减少NOx排放；后喷是紧靠主喷之后的喷油，能促进扩散燃烧的进行，可以降低主喷中产生的PM排放；远后喷是主喷结束之后较长间隔的喷油，一般发生在上止点后140 °CA的排气行程，排出的碳氢(HC)在氧化催化器(DOC)中经过氧化放热后可以提高DPF的入口温度，保证DPF能够再生。各次燃油喷射的作用说明如表1所示。

图3 燃油喷射压力和碳烟排放

1.3 排气热管理控制技术

由于国六排放标准加大了对低速、低负荷工作区域的排放控制要求，此区域的排气温度通常比较低，需要进行特殊的热管理控制，才能提高后处理系统的温度，以使其在各种行驶工况下都能高效工作，并减少污染物排放。一般而言，先采用进气节流、推迟主喷正时等措施提高涡轮出口温度，实现DOC起燃，然后再通过DOC将缸内远后喷或者尾管喷入的柴油氧化并放热，提高排气温度，以实现DPF再生。因此，热管理控制技术成为满足国六排放法规的关键技术，是实现高效SCR和DPF再生的基础。

表1 各次燃油喷射的作用说明

1.4 合理集成和匹配后处理装置

仅靠柴油机内部净化措施是无法满足国六排放限值的，所以必须合理集成和匹配DOC、SCR和DPF等系统，从而降低NOx、 PM和PN排放。DOC系统以铂、钯等贵金属作为催化剂而涂覆在部件表面，可以将排气中的CO、HC及PM中部分可溶有机物氧化成水和CO2，从而达到降低发动机污染物排放的目的。DOC的另一作用是将排气中的NO氧化成NO2，NO2是DPF被动连续再生和SCR高转化效率所需的重要反应物。DOC还有1个功能是将后喷或尾管喷射系统(HCI)喷射出的HC氧化并放热，以提高DPF入口温度，实现DPF的主动再生。DPF主要组成部分为DPF载体，一般由多孔介质材料制成，包含若干个沿轴向的平行通道，为非直通结构。柴油机排气中的颗粒物主要成分为碳烟。排气由入口进入通道，通过介质孔壁进入相邻的出口通道，其中的碳烟颗粒则通过大颗粒拦截、重颗粒惯性碰撞、小颗粒扩散等方式，被过滤堆积在通道中。DPF也将铂、钯等贵金属作为催化剂，其主要作用是降低再生反应所需的温度。尿素SCR系统通过将浓度为32.5%的尿素水溶液喷入210 ℃以上的尾气中，在炙热的尾气作用下，由尿素转化的氨气在催化剂的作用下将NOx还原成N2和水，从而降低NOx排放。

国六排放法规大幅收紧了NOx及PM排放限值，对柴油机本体及后处理技术要求越来越高，现今主流的排放控制技术如图4所示，并涌现了诸如高效SCR(HiSCR)、氨气捕捉器(ASC)、高压共轨(CRS)等最新技术。

图4 国六排放法规下的柴油机主流技术路线

2 排放台架的开发

以SC4H180Q6型柴油机的性能排放开发为例，在现有的SC4H180Q5型柴油机基础上，采用冷气EGR技术作为降低发动机本体NOx排放的最有效措施，有效的节气门热管理手段，并将最大喷射压力提升至200 MPa，以便降低EGR系统带来的高PM排放，同时进行增压器、喷油嘴、燃烧室的燃烧开发和DOC、DPF、SCR等系统的集成匹配，使SC4H180Q6型柴油机满足GB 17691—2018排放法规限值要求。满足国六排放法规柴油机系统配置如图5所示，具体技术参数如表2所示。

图5 满足国六排放法规的柴油机系统配置

2.1 燃烧开发

柴油机的燃烧开发可以分为3个部分：(1)基于热力学分析计算给出油嘴、燃烧室、增压器、涡流比等性能部件选型矩阵；(2)在台架上进行选型试验，锁定性能件规格；(3)通过试验设计(DOE)的方法标定喷射压力、喷油正时、多次喷射的油量和间隔、EGR率等迈谱图，进而完成柴油机的燃烧开发。

表2 试验发动机的主要参数

为了避免相互干扰，每个零部件的优化选型都是基于保持其余零部件相同的条件下进行的。4HQ6柴油机硬件选型方案如表3所示。

表3 性能零件选型矩阵方案

燃烧室采用双挤压缩口设计，使其更利于对NOx排放进行控制。为了降低柴油机PM排放，采用喷射压力高达200 MPa的电装第3代燃油共轨系统。从图6试验结果结果可以看出，在NOx排放相近的情况下，选用9孔、152°锥角、喷油流量为1 260 mL/min的喷油器能获得更低的燃油消耗率和PM排放。

图6 不同喷油器方案性能对比

共轨柴油机的高压柴油束喷射到缸内时需要一定强度的涡流来打散燃油颗粒，涡流过低，不利于混合气的形成和燃烧；涡流过高，一方面会增加热损失，另一方面会使相邻油束之间发生干扰，即从涡流上游方向吹来的燃烧产物会妨碍下游油束的充分燃烧，使得性能下降。从图7中不同涡流比方案的性能对比可以看出，选用进气涡流比为1.1设计方案的缸盖可以得到更低的燃油耗和PM排放。

图7 不同涡流比方案的性能对比

油嘴凸出量也会影响油束和燃烧室及气流的配合，从而对性能有明显的影响。油嘴凸出量过小，则燃油喷在燃烧室上方，油束可能落在活塞顶面上，混合较差导致性能下降；油嘴凸出量过大，则油束落在燃烧室底部，并且喷油嘴在喉口处受炙热燃气的冲刷，热负荷较高，影响油嘴的可靠性。从图8的性能对比试验结果可以看出，油嘴凸出量为3.0 mm时能获得最佳的油耗和较低的颗粒排放。

图8 不同油嘴凸出量方案性能对比

对于二级涡轮增压器(FGT)来说，选择较小的涡轮端截面积可提高发动机涡前压力，可提高在最大扭矩转速以下的中低转速工况附近驱动所需的废气再循环率，但是过小的涡轮端截面积又会增加发动机高速工况的泵气损失。从图9可以看出，选用涡轮端截面积为4.5 cm2的增压器能获得最佳的燃油耗和较低的PM排放。

图9 不同涡轮端截面积方案的性能对比

DOE工况点的选择主要包含世界统一稳态循环(WHSC)、发动机非标准循环排放试验(WNTE)，以及外特性试验工况点。如图10所示，选取13个工况点，并借助AVL CAMEO软件对DOE工况点进行基于喷射压力、喷油正时、多次喷射的油量和间隔、EGR率等组成的矩阵进行试验。试验的边界范围遵循以下限值要求：(1)增压器转速不能超限值140 000 r/min；(2)涡轮前的排温不能超限值700 ℃；(3)爆发压力不能超过限值17.5 MPa；(4)采用AVL415烟度计测得烟度需小于2.0 FSN。最终可借助CAMEO软件进行试验数据的建模分析。NOx排放、燃油耗、烟度之间的折中模型如图11所示。

图10 DOE工况点的选择

图11 NOx、燃油耗、烟度之间的折中模型

2.2 DOC及DPF的开发

2.2.1 DOC硬件选型

DOC的选型主要是确认NO2生成能力、HC及CO转化效率和升温能力。主要测试设备有进气空调、环境空调、电力测功机、气体分析仪(AMAi60)、烟度计(AVL415)、油耗仪(AVL735)等试验设备，试验设备的布置图示如图12所示。试验所用的后处理系统主要参数见表4。

图12 台架试验设备及后处理布置图示

在发动机排气中，NOx的主要成分是NO，而NO2占比很小。NO2与DPF中的碳粒在250 ℃以上的条件下就可以发生氧化反应。从被动再生角度考虑，排气成分中NOx所含的NO2越多越好。此外，NO浓度较高时，NO在催化剂表面吸附受到抑制从而降低了NO的反应速率。在SCR的化学反应中，由NO、NO2和NH3共同参与发生反应所需的活化能低，反应速率快，SCR转化效率越高，提高NO2比例并尽量保持NO与NO2比例在50%左右将有助于提高SCR转化效率。图13为DOC入口与出口处NO2与NO的比例。从图中可以看出，DOC入口的NO2含量很低，经过DOC的催化反应后，DOC出口的NO2含量有了很大提高，满足设计需求。HC及CO均为燃烧产生的污染物，在DOC内部催化剂的作用下，将其转换为CO2和H2O。图14为试验测得的DOC内HC及CO转化效率。从图13可以看出，HC及CO转化效率较高，全域均在95%以上，满足排放控制需求。选取低中高空速对应的转速扭矩工况，通过调节节气门等热管理措施来提升DOC入口排温，并通过后喷喷射出的HC氧化并放热来提升DOC出口排温，通过测量DOC前后温度和DOC出口的HC逸出量，来确定DOC的升温能力。如图15所示，通过热管理，选取工况点的DOC出口HC逸出量都能满足限值要求(限值要求小于800×10-6)。

表4 后处理系统的主要参数

图13 DOC入口和出口NO2/NO比例

图14 DOC内HC及CO转化效率

图15 DOC升温能力测试

2.2.2 DPF控制标定

DPF的非直通结构决定了排气中的碳烟会积聚在DPF内部。随着碳烟的累积，必会造成排气背压的进一步升高，导致动力性差和燃油耗高等一系列问题。因此，DPF需要1个清理积炭的过程，此过程称为“DPF再生”。DPF再生分为主动再生和被动再生2种，主动再生通过电加热、燃油后喷燃烧等方法来提高排气温度，使得DPF内的积炭可以快速起燃，从而达到清理积炭的目的。一般主动再生的最佳温度约为550～650 ℃。被动再生主要是通过催化剂等来降低反应所需的温度，一般是1个连续缓慢反应的过程，所需温度较低，一般温度约为250～350 ℃。其中，主动再生具有热效率高，反应迅速，时间可控等优点，常作为主要的DPF再生方案。

根据DOC及DPF的理化特性，如要满足再生所需温度，一般需要采用热管理手段，如减少进气量，推迟提前角，增加后喷油量等措施。台架试验据此进行标定，得到如图16所示的试验结果，使得在稳态条件下的升温满足再生需求。

图16 再生模式温升迈谱图

通过标定温度反馈控制模块、进气量反馈控制模块、模型温度响应模块和再生速率计算模块等，来达到满足瞬态循环下正常再生的要求，再生瞬态循环结果如图17所示。

图17 再生WHTC循环数据

从图17中可以看出，DPF初始积碳量为21 g，在1个完整的WHTC循环内，自动触发再生，基于温控模型控制DPF内部平均温度维持在550～650 ℃之间，经过1 317 s的再生时间，经过再生速率累减运算后的DPF内部碳载量达到设定的再生结束碳载量(6 g，内部有少量的碳可以提高排气颗粒的捕集效率，且低碳载量时反应速率慢，会导致燃油经济性差)，自动退出再生。

2.3 SCR开发

为了达到国六柴油机95%以上的NOx转化效率，要求在以下几方面优化设计或标定：①增强氨气与排气之间的混合，氨分布均匀性在95%以上；②减少或消除来自尿素的沉积物，确保尿素到氨气98%的转换效率；③在选择性催化还原部件中使用较高的网络密度，同时保持或甚至降低流动阻力压降；④采用高效节油的后处理热管理技术，以获取满意的冷热态WHTC循环排放值。从图18的万有特性数据来看，通过进气节流、多次喷射、推迟主喷正时等热管理措施，可以提升低负荷工况区域SCR入口温度30～50 ℃，提高SCR转化效率，降低NOx排放。

图18 有无热管理措施的SCR入口温度对比

3 重型车用柴油机国六排放整车开发

为了评判车辆和发动机的工作情况，并保证车辆在极端苛刻、严格的环境中能够正常可靠地运行，需进行整车高温、高原、高寒的标定试验，即需要对发动机标定参数进行调整，使整车能适应环境变化的要求，并在保证安全可靠的前提下，具有良好的动力性和经济性，以及排放性。以SC4H180Q6型柴油机匹配上汽跃进C500-D10整车国六排放开发工作为例，高温试验包括热保护、空气系统、零部件环境场、DPF、SCR、碳载及OBD；高原试验包括进气系统控制、增压器保护、DPF、SCR、碳载及OBD；高寒试验包括冷起动、空气系统、DPF、SCR、碳载及OBD等项目。

4 结语

本文介绍了重型车用柴油机从国五排放升级到国六排放的技术措施，并以匹配7～16 t载货车的4.3 L柴油机为例，通过机内冷却EGR、200 MPa高压共轨系统、进气节流的热管理等技术措施，机外措施采用DOC、SCR、DPF等后处理措施，进行国六排放机型的开发。开发结果表明，EGR可以显著降低柴油机NOx原始排放，但同时会增加PM原始排放，而高压喷射可以明显改善发动机PM原始排放。进气节流可明显提高柴油机小负荷的排气温度，确保柴油机高效SCR的运行，有效降低NOx尾管排放。DPF是目前降低柴油机PM尾管排放和减少PN排放的最有效措施。采用“CRS+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC”后处理技术可以使柴油机满足GB 17691—2018国六排放限值，是1种非常可行的技术路线。