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应对未来排放法规的发动机技术解析
来源:汽车维修与保养  作者:佚名  2023-02-27 08:47:44

     排放法规一直是动力总成与车辆不断发展的主要推动力,最早的汽车标准化排放法规于EEC(欧共体)时代的1970年生效,目前实施执行的欧六法规中弓}入实际道路(Real Drive Emission)RDE测试,计划中的欧七排放法规将更严格的排放标准限制与综合性的RDE测试相结合,当前其对车辆技术路线和成本的影响可能比以往都高。本文以欧盟市场的技术前沿研究趋势为例,探析发动机如何应对未来排放法规及如何开展典型技术路线。


一、排放法规的考场从实验室延伸到实际道路
    针对搭载汽油发动机与柴油发动机乘用车的欧六法规,自2014年起在欧洲成为关键性的排放标准。自欧六以来,用于决定排放水平的测试循环与测定条件有所变更。最初按照NEDC(New European Driving Cycle)标准进行测定,但截至2014年,NEDC已落后于时代,设定了不现实的数字。2017年,导入7目前的WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicle TestProcedure)标准。WLTP是更严格的测试流程,在当今这种车辆更高速行驶、速度日益变化的车辆行驶情况下,能更准确地显示车辆排放水平。
    但试验室循环只能在有限范围内反映现实状态,这个普遍性的问题并没有什么改变。2019年,导入了RDE测试,解决了部分问题。RDE包括道路行驶中的测量在内,所以是更现实的方法。按照目前的计划,在实行欧七时,测试流程与循环不会变,所以关键点仍在于排放的限值。图1所示为试验循环和实际道路的柴油发动机NOx(氮氧化物)排放。
二、发动机在冷启动阶段与高负载条件下运行时面临挑战
    发动机正常的运行工况,不会引起排放问题。但是,寒冷天气下的启动、高度动态的驾驶、连续的高负载行驶等特殊情况下会出现特定的问题。热管理与尾气排放处理系统的设计,在满负荷状态下需要保证足够净化率的同时,在部分负载状态下,尾气温度低时也必须要能够迅速加热。
    从技术角度应对欧七法规时的一个固有挑战是,广泛的RDE测试操作范围与较低的污染物限值相结合。这尤其适用于确定点火正时和燃油喷射量的发动机曲线图的边界线,并且是指在正常行驶中不使用的范围。例如,在天冷时启动汽油发动机后,未能蒸发的燃料会残留在燃烧腔内壁上。此外,颗粒物也会增加,造成不完全燃烧,从而产生较高水平的HC(炭氢化合物)、CO(一氧化碳)。用于汽油发动机的三元催化转化器及用于柴油发动机的SCR系统等排气处理系统需要处于可操作的温度下,有效地运行工作。此外,汽油发动机处于高负载,尤其是高转速运转时,通过提高混合比,就不用选配避免相关零部件过热的冷却装置。这是因为在这种情况下,仅靠催化剂无法充分处理HC和CO。
 
三、解决发动机全范围工况排放满足RDE法规的典型技术路线解析
    从排放和油耗两方面对动力总成进行整体系统处理将越来越重要。从最初的概念阶段开始,内燃机该覆盖怎样的工作范围,可以在哪个领域接受电机的辅助,排放处理系统应该采取何种形式等,都必须要考虑。
    博世导入了各种措施,在发动机预热阶段,包括高压喷射系统、先进的多级喷射方法以及非常少的单次喷射量。通过这些手段,可进一步降低颗粒物的排放。通过延迟点火时机,提高怠速旋转,可使催化剂更快达到必要的温度。为了降低高负荷区域的热应力,并为净化HC、CO、NOx创造最佳条件,博世提供各种手段与整车厂合作。即改善热管理概念、冷却EGR系统、米勒循环燃烧以及开发冷却发动机和尾气的水喷射系统等(图2、图3)。减少有害物质排放量所需的方法很明确,发动机与排放处理系统必须更快升温,同时在满负载状态下也不能出现过高温度。
 
    AVL也采取相同的策略,开发米勒循环汽油发动机概念及水喷射,尝试各种压缩比。AVL还在寒冷天气下启动发动机时通过积极提高催化剂温度,推动了有害成分的预处理。2次空气导入系统在燃烧过程中,可降低对尾气催化系统的依赖度。解决高寒条件下冷启动问题的一个手段是将尾气排放处理系统分割成不同单元。AVL柴油车部门提出了具有良好效果的解决方案之一,是使用双剂量处理系统“Twin dosing system"。在这种情况下,SCR系统将一种催化剂放置于发动机附近,使其尽快升高温度,在车地板下放置另一种更强劲的催化剂,使其在高负载时工作。大众自2019年起将"Twin dosing process”用于帕萨特车型,近期还用于高尔夫车型(图4)。最初的SCR催化剂在氧化催化剂之后马上放置在与DPF(柴油颗粒滤清器)相同的催化转化器内,直接与发动机连接。第二个SCR催化剂放置于车地板下。由于远离发动机,所以尾气到达时的温度最多会降低100r。也就是说,根据驾驶情况,两种催化剂其中一种始终在理想的温度范围内工作,所以尾气处理的效率极高。大众强调,由独立机构采取RDE方式进行测定,使用“Twin dosing process”的乘用车NOx排放水平比上一代车型削减约80%。
 

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