发动机排放控制

W. Addy Majewski,HannuJäskeläinen

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抽象的柴油发动机数量的增加对控制柴油PM和NOx排放造成了压力。柴油排放控制的初步进展是通过发动机技术取得的,包括燃烧室设计的改变、燃油系统的改进、充气空气冷却,以及对润滑油消耗的特别关注。2005-2010年实施的排放标准还要求对新型柴油发动机采用尾气后处理方法。这些方法包括柴油颗粒过滤器、尿素- scr催化剂和氮氧化物吸附器。

介绍

污染物排放量

在现代内燃机中,两个主要系统负责污染物的形成和减少:

燃烧系统包括燃烧室,其形状和特性,例如电荷组合物,电荷运动和燃料分布。这是创建污染物如NOx,CO和PM的情况以及发生燃料不完全氧化的地方。燃烧系统中发生的事情受到其他发动机系统的大大影响,例如进气充电管理系统和燃料喷射系统。事实上,这些二级系统的主要目的是影响燃烧过程中发生的事情。可获得众多选择来限制燃烧系统产生的污染物的形成。一旦废气离开燃烧系统,它的组成基本上被冷冻,直到它到达排放后处理系统(ATS,也缩写吃或吃),在那里可以实现污染物的进一步减少,并且还可以实现诸如N的二次排放2哦,没有2和nh.3.可以源自。

后处理系统由试图进一步降低污染物的催化反应器组成。在一些情况下,例如化学计量火花点火(Si)发动机,单个三元催化剂(TWC)足以实现污染物的非常显着的降低。在其他情况下,例如瘦燃烧柴油发动机,需要许多催化装置。需要辅助系统以确保ATS按预期工作。这些包括:通过控制排气化学计量或供应在废气中的额外反应物供应或不存在足够的量(例如尿素,尿素,额外的HC,额外的空气或o的额外反应物来控制废气组合物2)热管理,以确保催化剂在所需的温度窗口内运行,以确保污染物和可能积聚的污染物(过滤器,硫化物管理,尿素沉积物,)和系统,以最大限度地减少二级污染物的形成氨滑动催化剂(ASC)。

认为燃烧系统和ATS是分开的系统是错误的。为了使它们的效率最大化,需要高度的集成。一个经典的例子是SI发动机中的空燃比(AFR),在这种情况下,需要非常高的控制精度来确保TWC性能最大化。ATS的热管理可以通过发动机内部的调整来实现,以影响离开气缸的废气的温度。在某些情况下,ATS所需的额外燃料(如热管理)可以由发动机的喷油器提供。

重要的是要认识到,发动机优化的目标不是减少燃烧系统的污染物排放,或最大限度地减少ATS中的污染物。相反,目标是实现整个系统的目标排放水平。该目标通常低于规定的限制,以允许生产的可变性。如果ATS的性能足够高,仍然能够达到设计目标,那么这样做可能会要求燃烧系统的一些污染物排放增加。例如,装有尿素- scr催化剂的发动机的氮氧化物排放可以增加,从而减少温室气体排放(由于NOx- bsfc权衡)如果达到SCR催化剂中的高NOx转化。

燃料和润滑剂是组合发动机和后处理系统中的重要“合作伙伴”。除非燃料污染物如硫和一些无机矿物质被控制为非常低的水平,否则发动机寿命的低排放是不可能的。

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以上技术,将在下面的章节中进一步讨论,适用于新型(OEM)内燃机。其中一些技术还可用于减少排放和/或提高现有正在使用的发动机的效率。还有一组专门为正在使用的应用开发的技术,这些技术通常不会用于新引擎。下面将更详细地讨论这些技术B0B体育平台下载

温室气体排放和燃料经济性

温室气体排放限制和燃料效率标准为将各种技术纳入发动机和车辆创造了机会。提高燃料效率的研究至少集中在三个关键领域:

随着动力总成效率对燃料消耗的直接影响,它是提高燃料效率的明显选择。重要方法包括改善发动机效率,动能回收(例如通过再生制动),废热回收和从泵等辅助装置的寄生损失的减少。在车辆技术中,改进的车辆空气动力学和降低的滚动摩擦是影响燃料经济性的两个明显因素。其他因素包括非动力总成助剂(如空调)使用的车辆重量和动力。最后但并非最不重要的是,诸如驾驶模式和路线选择的车辆操作参数也可用于获得燃料经济性的显着改进[1376].这些技术是讨论的效率技术

排放控制技术

排放控制方案可分为三类:(1)发动机设计技术;(2)燃料和润滑剂相关技术;(3)尾气后处理。这些方法都可以分为子类别,如下表所示。此外,动力总成集成和控制技术在减少排放、提高发动机和车辆效率方面发挥着非常重要的作用。下面讨论的一些方法已经在当今的引擎中实现了,其他的(仍在开发中)显示出了未来应用的前景。

表1
减少排放的发动机设计技术
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压缩点火(柴油)发动机
燃油喷射 能力显着发展。注射技术的显着改进在20世纪90年代开始,具有通过使用电子控制的可变注射时间BOB体育APP的体系广泛实现。具有EGR的发动机对燃油喷射压力的最高需求。轻型车辆使用最苛刻的多种注射策略。
注入时机 主要用于限制氮氧化物的排放 喷射正时影响燃烧阶段;延缓燃烧阶段可以用来限制氮氧化物的排放。
注射压力 主要用于限制烟灰(PM)排放量 更高的注射压力可以降低烟灰排放;与NOx的控制技术相结合,否则截至否则将增加烟灰排放。
多个注射 各种各样的 对降低NOx,烟灰,HC和CO排放进行了多次注射策略。
废气再循环(EGR) 在柴油发动机中,主要应用是控制NOx排放 通常用于许多轻型和重型柴油发动机。高压EGR输送可以通过更高的泵送损失引入燃油消耗罚款。低压EGR泵送损失较低,但在瞬态运行过程中控制难度较大。还需要采取其他措施来限制煤烟、HC和CO的潜在增加。
摄入增加 初级排放影响是降低苏瓜(PM)生产。对效率提升也很重要。 更高的进气压力增加了给定的燃料喷射量的空气/燃料比,降低了烟灰生产。可以是偏移的重要措施,以抵消性能的减少和egr等NOx控制措施增加的排放量。通常伴随改善的进气充电冷却能力。使发动机缩小为效率提升。引入涡轮增压器滞后等挑战,可能需要复杂的解决方案。
进气温度管理 最直接影响NOx排放。也可以降低烟尘排放量。 增加增压和/或EGR可以提高进气歧管温度。需要改进进气冷却能力,以限制进气温度,减少相关的氮氧化物排放增加,减少空燃比和功率密度损失。
燃烧室设计 重要烟尘治理措施 当采取措施限制氮氧化物排放时,燃烧室设计的改变通常用来抵消煤烟排放的增加。在许多情况下,改进提高了燃烧过程后期的混合,以改善烟尘燃烧。
正点火(SI)发动机
燃油喷射 燃料消耗和微粒排放 通过使用发动机缩小性来推动从端口注射到汽油直喷(GDI)的转变,以满足燃料消耗和CO2要求。GDI发动机更倾向于产生小颗粒排放,这些排放可以通过燃油喷射系统设计的改进部分抵消。
摄入增加 燃油消耗 使发动机小型化,降低油耗和CO2排放。
可变气门驱动 各种各样的 一些示例包括:可变气门正时是减少冷启动HCS的重要措施。可变阀门升降机可实现舒适的操作和提高效率。气缸停用可降低部件载荷泵损耗并提高效率。可变气门定时使米勒循环操作能够降低泵送损耗。
精益燃烧 燃油消耗 稀薄燃烧可以减少泵送损失,传热和改善工作流体特性,提供更高的效率。介绍了对昂贵的氮氧化物后处理技术的需求。
燃烧 燃油消耗 先进的燃烧概念可以通过更快的燃烧和更低的热损失来提高效率。
egr. 曾经用来限制氮氧化物的排放。现代方法主要集中在减少燃料消耗上。 在SI发动机中,EGR是在高负荷下燃料富集的替代方案,以减少高功率下的爆震倾向和较低的排气温度。在零件负载条件下,它可以减少泵送损耗。
表2.
燃料和润滑油技术
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润滑油 重要的是减少燃料消耗 低粘度润滑油对燃油消耗/CO很重要2减少但需要其他更改以确保发动机磨损水平不会增加。限制催化剂毒药(例如,硫,无机灰,磷)的含量是确保催化废气排放控制技术的耐久性和性能的关键推动力。
可替代燃料 主要影响是生命周期一氧化碳2排放量 限制标准的减排潜力,从现代发动机与全范围的后处理NOx和PM。对标准污染物(PM, NOx, SOx)的一些影响可能在没有后处理的应用中(例如,海洋)。在某些情况下,较低的运行成本是主要考虑因素(如天然气)。需求往往可以由政府激励或命令驱动。
燃料添加剂 各种各样的 与现代发动机和高质量燃料直接排放效应小。对保持排放控制技术的长期稳定运行至关重要。例如,十六烷添加剂有助于确保现代柴油稳定可靠的点火质量,以确保可靠和可预测的性能;喷油器清洁度添加剂和润滑性添加剂旨在保持燃油喷射系统部件的清洁和减少磨损,以确保燃油喷射系统的长期耐用性和性能一致;一些柴油微粒过滤器系统使用燃料添加剂来帮助微粒过滤器的再生。
表3
排气后处理技术
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压缩点火(柴油)发动机
柴油氧化催化剂(DOC) HC/CO排放减少量高,PM转化率小至中等。NO氧化成NO2提高SCR/DPF系统的性能。 广泛应用于欧2/3轿车和一些1994年和后来的重型和中型柴油发动机上。在现代发动机中,用作SCR/DPF后处理系统的辅助催化剂2产生、氨滑控制)。
颗粒氧化催化剂 PM减排达到约〜50% 有限的商业应用选择(egr装备)欧IV重型卡车发动机,以及一些轻型和非道路发动机。
柴油颗粒过滤器(DPF) 90%+ PM减排 主流技术用于所有欧元5BOB体育APP和美国第2层及以后的轻型柴油机;在所有US2007和EURO VI和后来的重型发动机;在所有阶段的V非罗克发动机;在全世界的改造方案中。
Urea-SCR催化剂 减少氮氧化物排放量+ 90% 主流技术在US2010BOB体育APP中使用,欧元和后来重型发动机;在美国2和欧元5/6和后期轻型柴油车;在非途,海洋和静止发动机。
氮氧化物催化剂吸附器 降低高达〜70-90%,取决于驱动周期 用作某些美国一级2和欧元5/6轻型车辆的独立NOx催化剂。用作某些欧元6辆汽车的冷启动Nox催化剂,SCR。
贫氮氧化物催化剂(HC-SCR) 在无源系统中NOx的还原潜力为~10-20%,在有源系统中高达50% 有限的OEM和改装商业应用,主要在2000年。
正点火(SI)发动机
氧化催化剂(OC) + HC和CO减排90% 用于较旧的汽油车(大约1980-1990)。
三通催化剂(TWC) NOx、HC、CO减排90%以上 最重要的汽油发动机排放控制技术。BOB体育APP广泛应用于全球化妆师的SI发动机。
氮氧化物催化剂吸附器 ~ 70 - 90%的氮氧化物减排 用于瘦燃烧(分层电荷)汽油直喷(GDI)在2000年代常见的轻型车辆。
汽油微粒过滤器(GPF) 〜90%的PN排放减少 增加在欧6轻型GDI车辆的使用。预计6款轻型汽车将广泛应用于中国。
表4.
控制,诊断和动力系统技术
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杂交 主要是降低燃料消耗 混合电池电驱动可以使发动机在热效率较高的区域运行更长的时间,在怠速和低负载等低效率点运行更少。电动马达推动使效率技术的使用,否则可能不实际,因为有害的性能影响。
诊断 OBD确保长期的排放合规。 旨在检测将导致超过认证测试的排放量增加超过规定的阈值的故障。
控制 电子控制确保了对大量排放的精确控制,动力系统控制组件可以在车辆的整个使用寿命中得到维护。可以适应环境条件的变化、系统集成和系统老化的影响。 柴油机控制包括:EGR控制、进气增压控制、燃油喷射定时控制和燃烧控制。
后处理系统控制包括:尿素加药,温度管理,以确保高减排效率,再生控制,以确保积累的物质,如烟灰,硫和尿素沉积物定期清除。
集成系统控制:一些控制功能需要强烈综合的方法来确保发动机和后处理系统在一起工作。实例包括NOx吸附剂催化剂,其要求发动机的空气/燃料比定期富集以除去积累的NOx;调整发动机参数,如燃料喷射正时,以提高排气温度,以保持后处理系统效率高;和DPF再生,可能需要严格控制发动机操作以避免损坏DPF。
SI发动机控制包括:空气/燃料比控制,火花定时控制,怠速控制。
后处理系统控制包括:热管理,以确保快速升温和高减排效率;和空气/燃料比控制,以确保最大的转换TWC。
集成系统控制:精确控制空气/燃料比的需求是由非常狭窄的空气/燃料比窗口驱动的,在这个窗口中,TWC中NOx、HC和CO的高转换是可能的。

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