3.1 高級(jí)燃燒系統(tǒng)

　　康明斯在開(kāi)發(fā)高級(jí)燃燒系統(tǒng)和柔性燃油噴射系統(tǒng)方面業(yè)已投入巨大，這些技術(shù)可以在燃燒室內(nèi)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物?？得魉谷紵到y(tǒng)設(shè)計(jì)工具采用先進(jìn)的燃燒過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬，計(jì)算機(jī)模擬可以幫助工程師們研究燃油噴射系統(tǒng)的參數(shù)(即噴射時(shí)間、噴射速度和形狀)以及燃燒室?guī)缀涡螤畹淖兓瘜?duì)燃燒的影響。這一工具不僅加速了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)程，而且康明斯通過(guò)該設(shè)計(jì)工具還獲得了直接從燃燒室降低氮氧化物和顆粒排放的技術(shù)。

　　3.2 集成冷卻EGR

　　為了滿(mǎn)足氮氧化物和非甲烷碳?xì)浠衔锏陀?.38g/KWh的排放限值，康明斯于2002年推出冷卻廢氣再循環(huán)技術(shù)，這為滿(mǎn)足EPA2007和EPA2010法規(guī)打下了基礎(chǔ)。

　　冷卻EGR在氮氧化物排放控制方面十分有效。這種EGR系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣當(dāng)中提取定量的尾氣，通過(guò)一個(gè)冷卻器，然后與進(jìn)氣混合后進(jìn)入氣缸。EGR技術(shù)通過(guò)用冷卻后的部分尾氣回流到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，從而增加了燃燒室的熱容量和降低其氧氣濃度。在燃燒的時(shí)候，EGR技術(shù)的作用是降低燃燒火焰的溫度，從而降低氮氧化物的生成，因?yàn)榈趸锏纳膳c火焰溫度成正比。這一技術(shù)可以讓工程師把發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校成最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性和最好的動(dòng)力性，同時(shí)氮氧化物生成量更低。EGR技術(shù)被用來(lái)滿(mǎn)足EPA2007法規(guī)和其他地區(qū)的排放法規(guī)。

　　在所有工況下，為了同時(shí)精確控制氮氧化物和顆粒質(zhì)排放，再循環(huán)廢氣的數(shù)量和進(jìn)氣數(shù)量必須被精確計(jì)量后才能進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。這使得高級(jí)可變截面渦輪增壓器(VGT，圖6)的應(yīng)用十分必要，VGT增壓器可以連續(xù)地改變進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的空氣數(shù)量。

　　由康明斯渦輪技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的VGT渦輪增壓器上采用一種專(zhuān)利的單片滑動(dòng)噴嘴，該噴嘴可以連續(xù)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變渦流的動(dòng)力以及進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣數(shù)量。由于這一獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得這種VGT渦輪增壓器被證明是世界上最可靠的增壓器。

　　VGT渦輪增壓器與EGR控制閥門(mén)一起聯(lián)動(dòng)，可以精確計(jì)量進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的再循環(huán)廢氣，從而獲得更好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

　　圖6：康明斯VGT增壓器


圖7：康明斯SCR原理圖

　　3.3 后處理解決方案

　　冷卻EGR是一種缸內(nèi)降低氮氧化物的技術(shù)，還有一些尾氣后處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物的排放，這些技術(shù)即是通過(guò)處理發(fā)動(dòng)機(jī)排出后的廢氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些措施包括選擇性催化還原SCR和氮氧化物過(guò)濾器。

　　3.3.1 選擇性催化還原技術(shù)--SCR

　　選擇性催化還原(SCR)原理前面已有敘述，康明斯的DEF-SCR系統(tǒng)大體上包括三個(gè)組成部分：

　　(1)催化轉(zhuǎn)換器：催化轉(zhuǎn)換器被安裝在尾氣處理系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)外觀類(lèi)似于一個(gè)消音器。該系統(tǒng)包括一種化學(xué)化合物，該化合物在有氨氣存在前提下，有助于氮氧化物轉(zhuǎn)換成為無(wú)害的化合物。

　　(2)DEF：DEF被以水溶液的狀態(tài)隨車(chē)攜帶于一個(gè)罐子里。DEF儲(chǔ)存罐的尺寸可以讓駕駛員加裝次數(shù)盡量少，而且其尺寸或重量在汽車(chē)的容許范圍之內(nèi)。儲(chǔ)存罐和DEF供給系統(tǒng)必須能防凍，因?yàn)镈EF水溶液在攝氏零下12度左右會(huì)結(jié)晶。

　　(3)DEF供給系統(tǒng)：DEF供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)必須在任何工況下將DEF以細(xì)霧狀態(tài)噴射到尾氣中。DEF噴射數(shù)量必須被精細(xì)控制，以便所噴射的氨水?dāng)?shù)量與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的NOx數(shù)量精確匹配。

　　SCR系統(tǒng)中DEF的使用量是多少呢?對(duì)于降低1g/KWh的NOx，一個(gè)SCR發(fā)動(dòng)機(jī)要消耗大約耗油量的1.5%的DEF，具體數(shù)量取決于汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)行駛966km消耗100加侖柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)，假設(shè)要將NOx排放從1.6g/KWh降低到0.27g/hp-hr，那么這個(gè)過(guò)程中，DEF消耗量為2加侖。

　　康明斯過(guò)濾器公司從2003年開(kāi)始供應(yīng)DEF給固定柴油機(jī)，并可以通過(guò)其現(xiàn)有的數(shù)千家經(jīng)銷(xiāo)商和分銷(xiāo)商來(lái)確保DEF供應(yīng)。康明斯已按計(jì)劃從2010年開(kāi)始將這些供應(yīng)設(shè)施用于商業(yè)化供應(yīng)?？得魉筍CR原理見(jiàn)圖7。

　　3.3.2 氮氧化物過(guò)濾器(NOx Adsorbers)

　　氮氧化物過(guò)濾催化轉(zhuǎn)換器(NOx Adsorber Catalyst-NAC)是20世紀(jì)90年代后期開(kāi)發(fā)出來(lái)的新技術(shù)(如圖8)。這種NAC技術(shù)采用賤金屬氧化物和貴金屬合成涂層來(lái)有效控制NOx，賤金屬氧化物(如氧化鋇)與NOx反應(yīng)生成硝酸鋇，有效地將NOx儲(chǔ)存在催化器表面，當(dāng)可用的存儲(chǔ)空間被占滿(mǎn)時(shí)，催化器被暫時(shí)置于“富”尾氣工況(即空氣-燃料混合比例被調(diào)整到尾氣中氧氣含量為零或極低)，這時(shí)，NOx從催化器中被釋放，并被貴金屬部分轉(zhuǎn)換成氮?dú)夂退魵狻?/p>

圖8：NOx過(guò)濾催化轉(zhuǎn)換器原理圖

　　柴油機(jī)通常在空氣量大于燃料燃燒所需量的狀態(tài)下運(yùn)行，稱(chēng)為“稀”工況。在稀運(yùn)行工況下，用催化器控制氮氧化物的生成是十分困難的，主要原因是尾氣中有過(guò)量的氧氣。

　　在稀運(yùn)行工況下，NOx只是被簡(jiǎn)單地存入催化器中。所以釋放NOx和將其轉(zhuǎn)化成氮?dú)獾脑偕^(guò)程是必需的。

　　NAC的再生需要在很短的一個(gè)時(shí)間間隔過(guò)程中將尾氣中的過(guò)量氧氣消除。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)在“濃”(與“稀”工況相反)運(yùn)行工況下運(yùn)行，或者直接將燃料噴射到過(guò)濾器之前以便消耗多余的氧氣。發(fā)動(dòng)機(jī)和催化器必須被作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)控制，以便來(lái)精確確定何時(shí)需要再生以及再生過(guò)程的尾氣參數(shù)。

　　硫給這種過(guò)濾器提出了挑戰(zhàn)。除了儲(chǔ)存NOx，這種NAC也會(huì)儲(chǔ)存硫，硫使得催化器儲(chǔ)存NOx的能力下降。盡管美國(guó)市場(chǎng)柴油硫含量在2007年降低到15ppm，但任何水平的硫含量都會(huì)是一種挑戰(zhàn)，并且需要發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為后處理系統(tǒng)提供一個(gè)定期脫硫過(guò)程—從催化器中去掉硫。這一過(guò)程類(lèi)似于NOx再生過(guò)程，但是所需溫度更高。

　　康明斯從2007年開(kāi)始在Dodge RAM重型皮卡中應(yīng)用NOx過(guò)濾器技術(shù)。這種增壓柴油機(jī)當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足EPA2010排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.3.3 NOx后處理技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)

　　總體上，NOx后處理控制技術(shù)(SCR和NOx過(guò)濾器)面臨的主要挑戰(zhàn)(包括設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)集成系統(tǒng))有以下幾點(diǎn)：

　　1)在所有環(huán)境條件和應(yīng)用中須可靠和耐用;2)尺寸和重量最小;3)在產(chǎn)品生命周期內(nèi)都能控制NOx排放;4)需要最少量的維護(hù);5)在初始成本和運(yùn)營(yíng)成本上，用戶(hù)都能承擔(dān)得起。

　　3.3.4 主動(dòng)柴油顆粒過(guò)濾器(ADPF)

　　美國(guó)EPA2007與EPA2010排放法規(guī)要求將顆粒物質(zhì)排放比2002年降低90%，從0.14降低到0.014g/KWh。雖然以前顆粒物排放控制可以通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和氧化催化器實(shí)現(xiàn)，但是嚴(yán)格的EPA2007與EPA2010法規(guī)需要更有效的顆粒后處理系統(tǒng)。

　　主動(dòng)柴油顆粒過(guò)濾器(圖9)是康明斯?jié)M足EPA2010顆粒排放法規(guī)的唯一選擇，所有的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都采用這種技術(shù)，只不過(guò)形式不同。

　　圖9：康明斯主動(dòng)再生顆粒過(guò)濾器ADPF

　　為了在所有應(yīng)用中達(dá)到新的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，ADPF是必需的。尾氣過(guò)濾器通過(guò)采用多孔的陶瓷介質(zhì)將其中細(xì)微顆粒過(guò)濾出來(lái)。一個(gè)典型的過(guò)濾器包括一組小的通道，以便讓尾氣從中流過(guò)(圖10)。鄰近的通道從相反的那一端插入，強(qiáng)迫尾氣流過(guò)多孔的壁面，將顆粒物捕捉到介質(zhì)的表面和小孔之中。顆粒物在過(guò)濾器中累積，當(dāng)足夠熱量出現(xiàn)時(shí)，再生過(guò)程就發(fā)生了，將顆粒物氧化掉并排出過(guò)濾器。

　　圖10：ADPF中的氣流穿過(guò)壁面示意圖

　　主動(dòng)再生顆粒過(guò)濾器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是能實(shí)現(xiàn)可靠和一致再生，這樣顆粒就能在所有負(fù)荷循環(huán)狀態(tài)下被過(guò)濾掉。例如，當(dāng)一個(gè)牽引列車(chē)全負(fù)荷工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中尾氣將始終如一地有足夠熱來(lái)實(shí)現(xiàn)再生，但是，當(dāng)同樣卡車(chē)運(yùn)行在走走停停的交通環(huán)境時(shí)，再生過(guò)程不一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。EPA規(guī)定，所有發(fā)動(dòng)機(jī)在任意工況下都須滿(mǎn)足排放要求，這就是為什么主動(dòng)再生控制是必需的原因。主動(dòng)再生控制方法包括監(jiān)測(cè)顆粒過(guò)濾器的背壓和再生過(guò)程以及進(jìn)入過(guò)濾器的尾氣溫度。

　　有幾種方法來(lái)控制和提高尾氣溫度，以便實(shí)現(xiàn)主動(dòng)管理DPF。為滿(mǎn)足EPA2010法規(guī)，所選的方法是對(duì)燃燒過(guò)程的管理加上一個(gè)附加氧化催化器。這種方法可以讓再生過(guò)程在低環(huán)境溫度/低負(fù)荷工況下同正常運(yùn)行環(huán)境一樣實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯鲜鎏厥猸h(huán)境下尾氣溫度較低。

　　ADPF 應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)是維護(hù)問(wèn)題。潤(rùn)滑油中的添加劑隨著機(jī)油損耗會(huì)變成灰燼，灰燼被過(guò)濾器搜集，而灰燼顆粒通過(guò)再生又被氧化?；覡a必須從過(guò)濾器中清理出去或者被疏通?？得魉构酚冒l(fā)動(dòng)機(jī)顆粒過(guò)濾器的維護(hù)間隔是32.2～64.4萬(wàn)km。主動(dòng)再生過(guò)程取決于負(fù)荷循環(huán)和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗?？得魉乖诒泵朗袌?chǎng)推出了商業(yè)化清理系統(tǒng)?？得魉箤⑻峁﹥煞N清理方法：1)在康明斯分銷(xiāo)商分支機(jī)構(gòu)處清理顆粒過(guò)濾器;2)工廠交換項(xiàng)目—ReCon。

　　3.4 康明斯應(yīng)對(duì)EPA2010法規(guī)小結(jié)

　　(1)康明斯北美現(xiàn)有產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的且滿(mǎn)足EPA2010排放標(biāo)準(zhǔn)的。

　　(2)康明斯是北美唯一一家獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，同時(shí)提供空氣處理技術(shù)(康明斯渦輪增壓技術(shù)公司—Cummins Turbo Technologies))、后處理系統(tǒng)(康明斯排放解決方案—Cummins Emission Solutions)和過(guò)濾技術(shù)(康明斯過(guò)濾器Cummins Filtration)。

　　(3)康明斯將繼續(xù)采用冷卻EGR作為降低NOx排放的基本技術(shù)，就像康明斯從2001年開(kāi)始的那樣。

　　(4)康明斯采用主動(dòng)顆粒過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒排放降低90%的目標(biāo)，康明斯過(guò)濾器是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。

　　(5)建立在冷卻EGR和康明斯顆粒過(guò)濾器成功應(yīng)用基礎(chǔ)之上，康明斯將增加采用SCR技術(shù)的NOx后處理系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足EPA2010法規(guī)。