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什么是新的

会议报告:SAE WCX 2019国会

2019年4月29日

SAE“世界大会经验”(WCX 2019)于2019年4月9日至11日在底特律,MI举行。国会包括几个主题演讲和小组讨论,一些技术会议以及展览。技术计划包括933个技术文件和一些口头演示以及涵盖汽车技术的所有领域 - 包括一些关于发动机,发动机效率和排放控制技术的论文。BOB体育APP

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监管趋势

发动机和排放技术的技术会议随着近期康宁的Ameya Joshi提供的车辆效率和排放的近期监管和技术开发[4160]。这是第一年的第一年 - 蒂姆约翰逊呈现了多年的课程 - 由Joshi博士完全送来。在轻型车辆中,即将到来的监管挑战包括欧盟CO.2标准该任务授权缩减37.5%的减排2030,以及电气化任务。欧洲实际驾驶排放(RDE)测试要求有效期为一年以上;来自RDE型批准的车辆的第一排放数据表明汽油和柴油车辆都超过了可观的排放标准。在中国,正在部署汽油颗粒过滤器(GPF)以满足中国6个粒子数(PN)排放限制。中国PN限制不仅适用于欧洲的案例,而是对所有类型的发动机;一些PFI车辆和混合动力车也可能采用GPFS。

在重型发动机的重要发展中,欧盟已建立首次CO.2卡车标准这就要求到2030年减排30%。在美国,加州是领先的发展低NOX排放标准重点关注重型发动机的使用减少。在全球范围内,更多的司法管辖区正在采用包括PN排放限制的DPF迫使发射标准;例子包括巴西的Proconve P8和中国舞台第四阶段的非罗地发动机法规。

中国的监管发展可以让人吸引最受关注;他们被单独的谈话覆盖[4161]。中国6标准是世界上最严格的排放标准。它们不仅包括比欧元6更严格的NOx限制(中国6B NOX = 0.035克/公里;欧盟6 NOX = 0.06克/公里用于汽油,为柴油0.08克/ km),但高度要求(2400米)和pn限制为6x011.适用于所有汽油和柴油车的#/ km。根据最近公布的第四阶段提议的修订,不得不满足许多新要求,包括5x10的PN排放限制12.#/ kWh为37-560千瓦发动机;更广泛的环境边界条件;OBD for Nox和PM控制,覆盖EGR,DOC,DPF,SCR;所有非载波机械的GPS,带有37-560千瓦的发动机;以及PEMS测试要求,专注于进入进入排放。中国第四阶段标准预计将于2020年12月生效。

NOx后处理

SWRI提供了关于重型柴油发动机的潜力,以满足0.02g / bhp-hr nox限制的更新[4140]。这项工作的第二阶段开始了一年前解决项目第一阶段遇到的一些挑战;即在full use life (full use life, full use life)老化和测试期间受损的后处理系统,该发动机可能更具有代表性,将于2020年后在美国上市。重复的富尔富尔老化(1b阶段)旨在展示在项目第一阶段使用的被动式氮氧化物吸附器(PNA)系统/微型燃烧器的潜力。2014年沃尔沃MD13TC欧VI发动机的1b级满负荷老化已经完成,但最终排放结果仍在评估中。然而,在67% FUL时,复合FTP上的NOx结果为0.017 g/bhp-hr,在RMC-SET循环上为0.027 g/bhp-hr。值得注意的是,PNA的NOx储存能力随着时间的推移而下降,在full老化过程中NOx排放增加中占了很大一部分。与此相关的是,橡树岭的实验室测试表明,使用Pd/SSZ-13系统的NOx吸收体需要较长时间的高温再生——在600°c下约为4小时——才能完全释放储存的NO[4141]

SWRI程序(第2阶段)的另一个方面是开发低负载周期(LLC)。该阶段已经完成,最终周期代表食品服务,Drayage,包裹交付和转移卡车运营中使用的重型车辆。循环旨在在短时间浸泡后用温暖的发动机运行。在LLC上测试许多生产发动机产生的NOx排放量为0.8-1.5g / bhp-hr。使用阶段1B沃尔沃发动机,尾部NOx排放量为0.26克/ BHP-HR,然后校准完成。

SWRI计划的第3阶段基于2017年康明斯X15发动机。发动机配有气缸停用(CDA)和EGR冷却器旁路,用于最终评估。已评估但未选择的其他硬件包括双墙排气歧管,超级涡轮机旁路,涡轮机旁路和CAC旁路。对于冷启动FTP,需要改进的冷启动策略来实现0.02g / bhp-hr nox。包括升高的怠速与EGR,VGT和多次喷射的策略能够显着增加涡轮机出口温度,并缩短达到180°C至约35秒所需的时间。在冷启动FTP上,CDA能够确保温度保持在180°高于180°以上,并导致较小的CO2罚款(+ 1.3%)比使用改进的冷启动策略(+ 4.0%)的情况。在LLC期间,CDA将减少发动机在热管理模式下运行的时间量,并且应该导致CO2与基线发动机策略相比的好处。下一步将涉及评估后处理配置,其中四个如图1所示。双剂量SCR系统牢固耦合的SCR催化剂将是考虑的主要后处理系统。

图1。SWRI阶段3后处理配置

SCR系统。Tenneco和IAV使用1D造型研究了双剂量SCR系统中紧密耦合SCR(CCSCR)催化剂的放置和操作。基于配备有涡轮增压器的符合欧元的符合型号的发动机,低压涡轮机下游的位置提供了良好的冷启动NOx转换的可能性,同时最大限度地减少包装并发症。所考虑的另一个位置(在高压涡轮机周围的涡轮机或旁路线之间)提供较高的温度,但NOx还原的可能性不足以提供进一步考虑。然后,它们继续检查Doc / DPF / SCR系统上游的Cu / zeolite CCSCR催化剂的性能。对于CCSCR进行的剂量,一旦排气温度达到200°C,就需要具有相当侵略性的侵略性,通过标准SCR反应实现显着的NOx转化(2no + 2nh3.+ 0.5o2→2n.2+ 3H.2o)。针对控制的控制量3.储存在SCR催化剂上是实现这种侵袭性给药的一种选择,而更简单的控制方法,例如维持固定氨NOx比(ANR)提供了由于依赖于快速SCR反应和低浓度的不依赖性的冷启动转换2(不2+否+ 2nh3.→2n.2+ 3H.2数据显示,在冷启动FTP的前300秒内,ccSCR催化剂的优化可能提供70%或更高的NOx转化率,同时最小化nhh3.[4142]

Tenneco和IAV还评估了几种能够增加排气焓的控制策略,并在冷启动FTP周期的初始部分上减少发动机输出NOx;满足0.02g / bhp-hr nox限制的关键组分。这些是:(1)传统的热管理措施(进气节流阀,排气油门,主燃料喷射的延迟开始等),(2)基于VVA的热管理(米勒定时和早排排气阀开口),(3)空气间隙歧管(AGM)和(4)内外涡轮机旁路策略与AGM相结合。这些结果中的一些总结在表1中。没有单一的传统排气热管理(ETM)测量对于所有操作条件而言是最佳的,并且需要采取措施的组合。该研究挑选了一个示例结合注射正时延迟和进气排气管的示例。ETM的使用导致燃料消耗的显着增加。气隙歧管(AGM)在冷FTP的前300秒内提供〜30°C的温度,没有额外的燃料消耗,并且可以与较小的ETM措施(AGM + MOD。ETM)相结合,以实现给定的增加在排气温度下,在寒冷开始FTP的前300秒内保持高于200°C以上的排气温度,但随着燃料罚款的降低。涡轮机旁路概念主要是非常有效的,因为在FTP的早期加载期间必须限制旁路流速,以满足测试的扭矩需求[4170]

表格1
各种热管理措施相对于12L重型柴油在寒冷开始FTP的前300多件重型柴油上的影响
基线 etm. agm + etm. agm + mod。etm.
燃料消耗,g 700. 826(+ 18%) 828(+ 18%) 788(+ 13%)
Exh。temp.增加,°C - +84 +109 +84
暨。排气焓,kj 4247 6777 (+ 60%) 7667(+ 81%) 6836(+ 61%)
暨。NOx,G. 16.4 5.0 5.0 6.0

SCR-ON过滤器。虽然近距离耦合的SCR似乎越来越受到未来低NOX重型柴油发动机的选择技术,但过滤器(SCRF或SDPF)仍然是轻型车辆BOB体育APP的有吸引力的后处理选择,并且可能,对于非罗克发动机。SCRF技术的挑战之一是SCR催化剂的热耐久性,其可能在过滤器再BOB体育APP生期间暴露于高温。现代[4164]报道了利用LTA沸石制备超稳定Cu-Z SCR催化剂的研究进展。将Cu/LTA配方与商品化的Cu/SSZ-13 (chabazite) SCR催化剂进行了比较。900℃水热时效12h后,Cu/LTA的SCR性能高于Cu/SSZ-13。Cu/LTA催化剂在620°C的贫/富循环老化后,由于其nhh氧化率较低,也保持了显著的高温NOx转化率3.没有。然而,Cu/LTA的低温活性需要高水平的NO2。双砖结构Cu/SSZ-13 + Cu/LTA可以改善低温性能。

SCRF技术的另一个挑战是竞争BOB体育APP2在烟灰氧化(被动DPF再生)和SCR反应之间。PGM催化剂不能用于再循环2在过滤器中通过无氧化,因为它也会氧化NH3.,造成严重的NOx转换罚款。来自PACCAR的团队报告了一种催化剂制剂的发展,可以实现否定2回收在SCRF中[4162],基于PNNL的二元杂交催化剂概念。催化剂包括两相:促进NO和SCR相的选择性催化氧化(SCO)相。SCO催化剂利用掺杂有Mn和Cu等元素的ZrO 2以增加其氧化活性。SCR相是Cu / SSZ-13。与商业SCR催化剂的比较试验在较低温度下显示出烟灰熄灭,但是一些NH3.氧化发生,在NOx转化中具有罚款。

John Deere的研究人员[4163]报道了在含有DOC的后处理系统中的NOx性能降解,或在尿素注射点下游的SCRF或未催化的DPF。在图2中所示的三种配置中,在-2和3处的系统中经历了严重降解NOx性能,而AT-1的配置没有显示得出劣化。

图2。考虑用于欧盟阶段V应用的后处理配置

通过PT从Doc,Via Washcoat Traintition迁移和ScrF(AT-2)或DPF(AT-3)内的沉积来解释NOx性能的丧失。在过滤器中收集的Pt /氧化铝颗粒催化氨的氧化,导致NOx性能的劣化。在高温下观察到最严重的NOx降解,例如在额定功率的情况下操作(这可以解释为什么在轻型SCRF应用中尚未报告该现象)。通过在高温下从高温下蒸发的PT通过蒸发的流动SCR催化剂的停用已知多年[4174]。然而,在这种情况下,Pt沉积物和停用主要限于SCR入口处的短区域;在Doc Wash涂层的SCRF / DPF污染的情况下,效果更严重。

汽油颗粒过滤器

许多论文讨论了GPF技术的各个方面,通过系统配置和GPF再生来包括GPF材料。BOB体育APPGPF材料的进一步发展的重要驱动因素是欧洲RDE测试,可能需要增加PN过滤效率的过滤器,以实现高于80%的零里程GPF效率。NGK.[4168]建议对于未涂覆的过滤器,与较小的平均孔径(MPS)组合的孔隙率的一些增加和开放的正面区域的小降低可以提供所需的过滤效率的增加,而不会显着增加压降或降低材料强度。选择了8耳壁厚度和200cpsi的配置,孔隙度高于电流GPF技术。BOB体育APP对于涂覆过滤器,该方法是减小孔的体积(>40μm),同时保持与当前GPF技术相比相对不变的平均孔径。BOB体育APP所选择的配置具有300cpsi,具有高孔隙度,与当前GPF技术相比,孔隙体积较大,孔隙体积和中等降低。BOB体育APP

提高新滤光器效率的替代方法可以用灰烬预先装载它们。福特研究[4167]发现含有少量热稳定亚微米氧化铝颗粒(“人造灰”)的GPF能够达到〜90%的PN过滤效率,只需小幅增加压降。

巴斯夫为中国6申请讨论了TWC涂层GPF(商标为FWC)的三种潜在配置,如表2所示。在与客户合作,他们已经观察到从地板地点转移到紧接在后面的接近耦合位置TWC。单一FWC并不常见,不太可能用于中国6[4152]

表2.
具有TWC涂层GPF的系统配置
配置 好处 缺点
较低的热应力
在发动机舱中保存空间
要求较少的催化剂
腰压压力
烟灰再生更具挑战性
烟灰再生不太具有挑战性 需要发动机舱内的空间
增加热应力
更多的催化剂需要
较高的压力
烟灰再生最不具有挑战性 非常高的催化剂负载
最高压力
由于较低的细胞密度,TWC较差的熄灭活动。

另一个GPF纸张通过福特讨论了GPF再生策略[4138]。用于活性GPF再生的两个最重要的致动器是火花延迟和空气到燃料比调制。使用这些策略,可以在具有挑战性的驱动循环上实现再生:停止并低于30英里/小时,低于40英里/小时的稳态。

其他值得注意的关于GPF的论文包括康宁公司的一项研究,该研究检测了燃料减少后的最大过滤温度[4155]和密歇根大学领导的研究表征了在三组条件下收集的烟灰的反应性和其他性质,包括早期和晚期注射开始(SOI),并具有低注射压力[4154]

柴油颗粒过滤器

柴油机微粒过滤技术会话中的新主题是DOC和DPF组件的集成。BOB体育APP在大多数DPF系统中,单独的DOC位于(催化或不)DPF的上游。如果这两个设备可以集成到一个催化的DPF中,则可以减少后处理系统的尺寸。这种方法的主要驱动因素是非宽机械部门,其中大容量后处理系统通常存在严重的包装挑战。

主要催化剂供应商提出了Doc / DPF集成的论文:Johnson Matthey[4159], Umicore[4156]和巴斯夫[4157]。三种研究结果基本一致:综合催化DPF (CDPF)在被动再生下表现良好,均匀(无区)高Pt:Pd涂层的再生性能最好。另一方面,在主动再生中,集成的DPF配置显示出一定的劣势,由于进口温度较低,DPF进口区活性较低,导致再生不完全。在DPF的前区有较高的Pt负载时,其性能最好。因此,集成的DOC/DPF配置最适合主要依赖于被动DPF再生的应用程序。Johnson Matthey的工作还包括对WHTC测试的系统模拟,而巴斯夫则在非道路NRTC和道路FTP测试循环上测试了一个完整的排放系统(区域CDPF+SCR+SCR/Amox)。这些结果表明,综合DOC/DPF架构也适用于某些类型的公路发动机。

高效IC发动机

高效引擎不仅在持续到会议的整个3天的专用会话中,还收到了覆盖范围,也收到了会议的整个3天。该覆盖率跨越一系列燃料,包括柴油,汽油和天然气。

Delphi更新了他们的进展GDCI.引擎。最新的Gen 3x版本发动机的功能A 17:1压缩比,高负荷的GDCI扩散燃烧策略,单级可变喷嘴涡轮增压器(无增压器),简化热管理,具有快速空气混合温度控制和2-步骤阀门用于剥离,图3.从Gen 3发动机携带用于冷启动的快速进气空气加热器。与以前的版本一样,发动机无法剥离并与EGR一起使用没有火花塞。峰值输出和峰值气缸压力的靶标分别在25巴MEP和200巴中,而BSFC目标已降至193g / kWh。后处理和EGR系统与在第3发动机中使用的那些相同。测功机试验在1750rpm / 12bar的最小BSFC(BTE 43%)在1750rpm / 12bar的IMEP上,BSFC小于210(40%BTE),在非常宽的操作区域上。GDCI发动机在美国泵汽油(RON 91)上运行。模拟表明,通过使用热阻涂层和其他可用于可用于Gen4x发动机的发动机的其他改进,可以实现48%的BTE。使用Gen3x发动机地图的Argonne的车辆模拟预测了与配备有进气阀的2015 1.6L涡轮增压GDI发动机相比,使用了几辆车(中型轿车,SUV和拾取卡车)的FTP燃料经济性提高了36%至51%。电梯。 Thus, the Gen3X engine with 12V start/stop or mild hybridization could be competitive with full hybrid powertrains in these vehicle segments[4147]

图3。Delphi Gen3x发动机进气和排气系统

当讨论发动机的变化,例如增加压缩比,燃烧改进,涡轮增压器的改进和导致改善的BTE的摩擦减少,需要将每个元素视为小型独立改进,即在一起添加,产生更大的益处。然而,随着康明斯综述讨论了50%BTE(在废热回收)重型柴油发动机的开发,这不是这种情况。通常,如果进行了诸如增加的压缩比,燃烧持续时间或增加的空燃比增加的闭环效率,则发动机摩擦和泵送损失,如果没有统一,可以增加和否定任何潜在的益处。为了实现闭环效率的改进,同时还需要减少摩擦和泵送损耗的措施。康明斯的闭环改进集中于增加压缩比,增加空燃比并通过使用更高的流量喷射喷嘴增加燃料喷射速率来降低燃烧持续时间。为了解决泵送损耗,开循环效率目标设定为100%,通过更高的涡轮机入口温度实现,提高涡轮增压器效率,低压EGR和降低的后处理压力损失。通过“低传热”排气歧管实现更高的涡轮机入口温度,并导致下涡轮机入口压力。机械效率改进专注于曲轴,动力缸和润滑和冷却系统,以进一步降低机械损失,包括诸如下速度,低张力活塞环和活塞冷却喷射喷嘴流量和压力优化的措施。出版时的BTE为49.9%,下降如下:闭环效率52.4%,开放循环效率100.0%,机械效率为95.4%[4143]。最近的测试结果表明,已超出50%BTE。

SWRI的仿真研究,看看高效4行程中速柴油发动机的概念,如带> 50%BTE和30巴BMEP的Wärtsilä31,可以应用于典型的高速重型发动机在重型卡车。主要方法是米勒循环的积极应用。使用9.2升六缸柴油发动机作为基础,而不增加峰值气缸压力,证明了提高的效率和增加的BMEP。改善水平高度依赖于通过提高的涡轮增压器效率提高开放循环效率 - 从较大的发动机缩放的最困难的参数。在1600 rpm,涡轮增压效率为61%(两阶段涡轮增压用中间冷却和后冷),24巴的基线BMEP增加到超过26巴,燃料消耗增加了2%。随着中速发动机更典型的涡轮增压效率增加到超过75%,以超过29巴的BMEP实现了超过6%的燃料消耗改善。在1200rpm中看到类似的结果[4171]

柴油发动机

意大利国家研究委员会ISTITUTO摩托单度工作,通用电机和大陆总结了0.5升单缸研究发动机在新的柴油燃烧系统上工作,用于降低燃料消耗而不会增加NOx排放。使用能够增加多次喷射数和250MPa轨道压力的最新燃料喷射技术的灵活性,可以实现65-75 kW / BOB体育APPL和200nm / L的功率和扭矩密度。这些功率和扭矩密度落在了能力电流单级vgt。主要的方法是降低峰值点火压力。通过增加喷油器喷嘴的液压流量,可以使额定扭矩和功率条件满足140巴的峰值点火压力,同时降低BSFC和燃烧噪声。燃烧系统提高了满负荷EGR容忍度,允许使用高达13%的EGR。对于在WLTP循环中遇到的几种典型工况下的部分负载运行,在更高发动机转速下增加一个紧密耦合的后喷射和额外的试点喷射,可降低4-18%的BSFC,显著的PM效益和适度的NOx效益[4181]

Sandia National Laboratories为其管道燃料喷射(DFI)燃烧系统提出了一些发动机。虽然发动机设置仅能够在注射器中存在光负荷操作,但在喷射器中仅存在两个喷射孔,但它确实表明含有〜30%芳烃的商业柴油燃料,同时对NOx,HC和CO排放影响不大。如图4所示,DFI并未显示典型的传统柴油燃烧典型的NOx-SOOT折衷[4153]。Caterpillar还提出了优化DFI管道尺寸的工作[4176]

图4。NOx-SOOT与DFI燃烧进行折衷

天然气

SWRI报告了一个内部计划申请D-EGR.将其转化为重型火花点火CNG发动机(Cummins-Westport ISX12-G),目的是将效率提高到与柴油发动机相当的水平。该项目的第一部分涉及CFD模拟,以指导后续工作的硬件设计。计算流体动力学(CFD)工作确定了活塞设计的第一步,即减小压扁面积和降低热损失的开式活塞碗设计。在这种活塞设计中,加入了D-EGR, ITE的性能提高了2.1%。D-EGR改进了爆震特性,ITE进一步提高了3.1%。ITE总改善预测为8.1%[4149]。与使用15-20%高压EGR相比,使用15-20%高压EGR的标称EGR速率为33%的标称EGR速率的专用圆柱体的发动机上的动力计测试显示为1270rpm,16酒吧BMEP。未来的测试将包含新的活塞设计和增加的压缩比[4177]

在SwRI进行的双燃料天然气发动机工作中,建立了一台使用多种燃烧模式的12.4 L重型发动机。在轻负荷时,仅柴油运行避免了甲烷的高燃烧损失。在中负荷时,RCCI提供了最低的NOx、烟雾和CO2+ ch.4.排放和最佳BTE。在高负荷(高于15巴BMEP)的传统柴油先导点火接管RCCI变得不稳定的地方。含NOx〜5g / kWh的47.5%以上的BTE是可能的[4178]

排放测量

一些排放测量演示演示专注于欧洲RDE测试和一般的进入使用排放测试。Bosmal团队检查了冷启动对RDE结果的影响[4182]。Horiba讨论了他们与TNO合作开发的智能排放测量系统(SEMS)[4183]。SEMS系统利用汽车传感器,GPS和云计算来处理大量的使用数据,超过更长的时间段,而无需庞大的PEMS包。美国EPA还讨论了使用PEMS和GPS的现实排放验证[4184]

Vert关联在欧洲提出了更新新的期刊技术检查(NPTI)倡议[4166]。提出了一种独立的通信技术检查,将重点关注DPF和SCR后处理,以确保充分的使用性能并防止篡改。PN仪器已在开发中,允许在空闲时进行快速简单的DPF测试。然而,NPTI测试的开发似乎更具挑战性。基于3欧元6辆辆的实验,发现NOx测量需要10-15分钟的驾驶,以稳定该系统并确保SCR催化剂达到其工作温度。本文建议底盘测量计测试NOx测量。

电装检测了安培氮氧化物传感器的劣化来源[4158]。结果发现,耐久性测试后传感器输出信号的劣化是由从泵电极(Pt / Au制成)的颗粒转移到传感器电极(Pt / Rh)的表面上,以及颗粒引起在电极表面上的聚集。为了使这些效果最小化,在传感器电极中显着改进的传感器,rh比增加,并加入孔形成材料。

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