應對未來挑戰的柴油機技術進展

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1 2020年柴油機面臨的機遇與挑戰

自從1997年在Alfa Romeo 156上應用了第一套共軌直噴系統，柴油機在歐洲市場獲得了巨大成功，因其良好的性能、駕駛樂趣，以及低燃油耗特性，其市場占有率已達50%以上。由于對基礎發動機和后處理系統的連續開發，以及嚴格遵守持續降低排放限值的要求，數年來這些特性仍得以保持。

未來歐6d法規將要求控制車輛在實際道路循環和各種環境及駕駛條件下的尾氣排放。實際駕駛排放(RDE)限制主要指顆粒數(PN)和氮氧化物(NOx)排放。由于多年來幾乎所有的柴油車都配備了柴油機顆粒捕集器(DPF)，因此，PN和顆粒物(PM)都低于限值要求。

對于未來的柴油用途來說，有效控制幾乎所有甚至極端發動機工況下的NOx排放，同時使整機成本和復雜度最小化，且不影響燃油經濟性、振動-噪聲-平順性(NVH)性能、駕駛樂趣和可靠性，確實是一項巨大的挑戰。針對經過驗證新車型的歐6d/RDE法規將于2018年9月生效。

到2020年，NOx一致性系數(CF)、海拔和環境溫度范圍將進一步減小，從2021年開始，所有的新型車輛必須達到最終法規的要求(圖1)。

圖1 RDE邊界條件，以及暫時和最終法規的一致性系數

在相同的時間框架內，即2020～2021年，歐洲新CO2排放車隊平均目標也將生效，需從當前的130 g/km減少至95 g/km。

柴油機應用已經具備良好的CO2排放水平，是實現2020車CO2車隊排放目標的最重要的措施(圖2)。考慮到未來基于實際駕駛條件可能實施的CO2排放法規，柴油機面臨的挑戰將是以具有競爭力的成本保持其技術的領先地位。

圖2 基于歐洲新駕駛循環(NEDC)的2014年柴油機和汽油機CO2差距(來源：BOSCH)

2 發動機開發綜合方法

盡管發動機工況范圍廣，環境條件復雜，但是必須確保排放達到標準，為此，必須要達到以下要求：(1)中、高負荷(高度冷卻廢氣再循環(EGR)、低發動機轉速下高增壓)；(2)瞬態(快速增壓響應、EGR精準控制)；(3)低負荷/低環境溫度/預熱(熱EGR、熱管理、熱封裝)。

降低摩擦和減輕質量在CO2減排方面起著重要作用。此外，柴油機電氣化，不僅能夠減少CO2排放，而且還能控制發動機機外排放，尤其在瞬態工況下，能優化后處理熱管理及減少NOx排放。

在此條件下，需重點關注兩個領域：(1)高效清潔發動機燃燒；(2)NOx有效后處理。本文介紹了這兩個技術領域開發所采用的方法以及相關研究。

3 燃燒系統開發方法

深入優化柴油機的燃燒系統是一項極為復雜的任務，因此，必須使試驗數據最小化。因此開發了一種基于三維計算流體力學(CFD)燃燒模擬的新方法。在高效燃燒系統的開發過程中，噴霧和燃燒建模技術的不斷發展提高了CFD三維分析工具的預測能力，這些分析工具允許集成諸如試驗設計(DoE)和多目標優化分析等不同的模擬技術。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

3.1 流程介紹

圖3示出了工作大致流程的結構圖。在基準燃燒系統性能發動機試驗數據與數值模擬數據之間建立關聯。“系統模擬優化”是后續過程的核心，采用數值模擬工具通過將不同的燃燒系統方案與基準燃燒系統比較得出最佳方案。最后建立不同的模擬優化方案，并在發動機上進行檢驗。

圖3 燃燒系統定義方法

3.2 系統設計

作為案例研究，選擇了意大利FCA公司的1.6 L 4缸120 HP①柴油機。當前的產品發動機配備了160 MPa的具有電磁閥噴油器和噴油速率(IRS)成形能力的共軌系統、可變截面渦輪增壓器(VGT)、固定渦流氣缸蓋，以及冷卻低壓(LP)和高壓(HP)EGR系統。噴油器噴嘴具有8個噴孔，靜態液壓流量(HFR)為735 mm3/min。燃燒室形狀采用的是傳統“墨西哥帽”設計。

比較了在部分負荷和全負荷工況點下基準結構燃燒壓力軌跡和放熱率(ROHR)的試驗數據與CFD模擬結果(采用StarCD商業軟件)，結果表明，兩者具有良好的關聯性(圖4)。

圖4 試驗與CFD模擬中氣缸壓力與放熱率的關聯性：(轉速 2 000 r/min，平均制動有效壓力(BMEP)0.5 MPa)

確定新型燃燒系統的主要標準是改善空氣與燃氣的混合，從而減弱燃燒室內的燃氣或空氣運動，進而減少換熱以及最終的熱損失。

比較并確定了3種主要的燃燒室類型：(1)燃燒室1具有比基準燃燒室更小的徑深比(hb/Db)，旨在減弱渦流運動的起轉效應。(2)燃燒室2具有相同的結構，但是縮口率更大，中央鼻梁區更加圓滑，從而影響燃燒室內的運動，最終改善空燃混合過程。(3)燃燒室3采用非傳統燃燒室形狀(漸縮型或階梯唇形)，可減小燃燒室表面積(壓縮比保持不變)，從而減少熱損失。此外，當噴霧噴射到燃燒室唇部時，部分噴霧被直接分離到活塞頂上方，噴霧動量被直接用于提高整個燃燒室內的空氣利用率(圖5)。對于更寬的燃燒室(燃燒室1和燃燒室2)而言，為獲得適當的噴霧靶點需要更大的噴霧錐角。

圖5 燃燒室形狀實例

針對每一種燃燒室類型生成了幾種變體，選擇其中的6個用于完整的CFD模擬。為了改善空燃混合過程，還引入了一種新型噴油裝置(FIE)，其主要特點為：(1)減小噴嘴液壓流量以改善燃燒室內的燃油霧化和混合。低液壓流量噴嘴的主要缺點是噴油時間增加，從而降低最大功率。(2)通過提高最高噴油壓力可以彌補上述缺點。

最后，由于新型燃燒室和噴油裝置對初始進氣運動的要求不同，因此，通過每個氣缸進氣道上的節流閥可對產生的渦流進行調節(表1)。

表1 噴油裝置的技術規格

3.3 模擬工具

集成了幾種模擬工具以對備選燃燒系統進行多目標優化分析。采用商業軟件StarCD(CD Adapco)對從進氣門關閉(IVC)到排氣門打開(EVO)過程進行三維CFD分析。采用雷諾平均N-S(RANS)法計算柴油燃料噴射、混合過程、燃燒相位和污染物形成。利用Huh和Reitz-Diwakar模型模擬初級和二次液滴的分解，利用ECFM-CLEH模型模擬燃燒。模擬采用的是具有精度和運行時間良好折中關系的扇區網格。由一維GT-Power軟件提供必要的初始和邊界條件。采用三維CFD分析評價輸入參數對燃燒系統性能的影響。

通過采用試驗設計技術高效開發各種設計方案。最后，為了快速進行優化分析，針對每一種燃燒系統都建立了1個近似模型。一旦監測到某個燃燒系統的最優點，就會通過加權系數公式“品質因子(FOM)”建立總排序。

3.4 系統模擬優化

在部分負荷工況下進行了CFD燃燒分析。典型輸出量包括總指示燃油消耗率(GISFC)、NOx和碳煙排放，以及峰值燃燒壓力，其中GISFC采用的僅是IVC與EVO之間的計算結果。

如上所述，試驗設計程序能夠生成用于各類優化分析的代理模型，并且有助于確定輸入和輸出參數之間的定性互動關系。每一種分析所采用燃燒系統的輸入參數各不相同，包括噴嘴伸出長度、IVC處的初始渦流強度、總EGR率和噴油正時。為了限制CFD分析的總數，噴油形式保持不變，僅改變預噴射噴油始點(SOI)。例如，圖6所示為在噴油器試驗臺上測量轉速2 000 r/min、BMEP 0.5 MPa工況點下采用的噴油流量。所有燃燒系統采用的進氣熱力學初始條件相同，此外，噴霧和燃燒建模裝置及網格離散化也保持不變。

圖6 噴油器試驗臺上測得的噴油流量(轉速2 000 r/min、BMEP 0.5 MPa)

通過代理模型進行優化分析，能夠近似模擬自變量(輸入因子)與系統響應(輸出)之間的關系。經典多目標優化分析能夠同時使燃油耗、NOx和碳煙排放最小化。由于目標NOx排放水平固定，因此與發動機試驗臺上進行的常規研究一樣，需要尋求碳煙和燃油耗的最小化。在優化過程中設置了峰值壓力上限和總指示功率下限。

通過對每個輸出量進行加權處理選擇最優方案。在該實例中，對燃油耗采用較高的加權，對碳煙排放采用較低的加權。

根據上述程序，通過品質因子匯總6種燃燒室形狀變體的燃燒分析結果，從而實現對各燃燒系統的排序(圖7)。與基準燃燒室相比，所有的整體模擬燃燒室都具有更佳的品質因子。

圖7 不同燃燒室根據FOM值的排序(越高越好)

新型燃燒系統的優點主要歸因于對燃燒室內空氣的充分利用。圖8中等值面φ=1的可視化圖像清晰表明，新型燃燒室噴油霧束擴散面比基準燃燒室更寬。

圖8 噴油霧束等值面可視化圖像(φ=1，上止點后4°CA)： 變體3和變體5的噴油霧束擴散面比基準燃燒室寬

此外，變體3和變體5燃燒系統比基準燃燒系統具有更快的燃燒速度，因此，指示效率更高(圖9)。

最后，與基準燃燒室相比，變體5燃燒室內部下端表面區域的熱損失減少(圖10)，活塞頂的熱損失有小幅增加，表明該變體的燃燒室對空氣的利用率更高。

圖9 已燃質量百分數和燃燒速度：不同燃燒室形狀的比較(每種燃燒室的噴油正時都已優化)

圖10 壁面換熱示意圖

3.5 全功率工況下對燃燒進展與分布的深入分析

為了選擇兩種最具潛力的方案，在CFD模擬過程中需要在標定功率下評價這些燃燒系統。變體5方案具有更好的總體性能，在部分負荷下能夠達到功率目標且獲得最佳FOM值。這種燃燒室具有圖5中介紹的燃燒室3漸縮型型線。

進一步的CFD研究給出了與最后燃燒相位有關的潛在問題(圖11)。部分混合氣在活塞頂部燃盡，燃燒會進一步擴展到達氣缸壁。此外，部分碳煙煙霧在相同的區域內移動，該區域溫度較低，能夠阻止氧化過程，產生影響發動機可靠性的潛在問題。

變體6采用的也是燃燒室3結構，在最大功率和FOM結果方面具有極為類似的結果，但是，在氣缸壁附近未出現任何與碳煙濃度有關的問題，因為該變體采用的漸縮型活塞頂型線有助于抑制碳煙出現。因此，選擇變體6在發動機上進行試驗驗證。

如圖7所示，在變體1至變體3的3種傳統燃燒室型線中又選擇了一種結構。盡管變體1具有略好的FOM值，但是其在標定功率下的碳煙排放更多，約比變體3多20%。基于這個原因，選擇變體3用于測試，其燃燒室更大更深且縮口率更大，中央鼻梁區更圓滑，與圖5中的燃燒室2實例類似。

4 試驗研究與結果

采用先前介紹的FCA公司1.6 L 4缸發動機在試驗臺上進行了試驗研究，主要分為兩個階段：第一階段，為了獨立評價新型噴油系統的影響，利用基準燃燒室對其進行了測試；第二階段，分析全新定義的燃燒系統。在全負荷和部分負荷條件下對每一種結構進行測試。保持基準邊界條件不變，通過測量最大功率進行全負荷工況下的評價。

選擇了能夠覆蓋驗證和實際駕駛排放循環大多數相關工況點的12個排放關鍵點進行了部分負荷試驗(圖12)。

圖12 部分負荷下的關鍵點

首先，在設計階段對定義值附近的關鍵點上優化噴嘴伸出量，最后選擇具有最佳煙度和燃油耗的工況點，同時對渦流強度也進行了相應的優化。

選出最佳伸出量和渦流強度值后，利用試驗設計程序優化發動機標定。標定優化過程中設定的限制包括：燃燒噪聲不高于基準值；煙度水平低于標定階段所接受的最大值；每個關鍵點的NOx排放不變(與基準相同)。

試驗設計程序定義的“Pareto曲線”可使每個試驗中作為NOx排放函數的比油耗(BSFC)最小化(圖13)。這些曲線能夠確定上述限制條件下每個關鍵點的最小BSFC值。

圖13 試驗設計模型輸出量(藍色Pareto曲線)

4.1 全負荷結果

首先在全負荷下評價了采用當前燃燒室結構的新型噴油裝置，結果見圖14。低液壓流量噴嘴會導致功率大量損失，這是因為噴油時間增加導致燃燒持續期延長，進而導致排氣溫度升高。盡管如此，通過將最高噴油壓力增大至200 MPa，在保持與基準結構相同的限制條件下，不僅可以完全回收能量，而且還能進一步提高功率。

圖14 最大功率結果(轉速3 750 r/min)

最后，采用新開發的完整燃燒系統進行了全負荷試驗。試驗結果表明，所有這三種新系統獲得了類似的最大功率(圖15)，與模擬結果一致。

圖15 不同燃燒系統的最大功率圖

4.2 部分負荷結果

采用與全負荷試驗中類似的程序，對采用基準燃燒室的新型噴油裝置進行了部分負荷試驗，之后，在全新的燃燒系統上進行重復試驗。結果在12個關鍵點上測得的平均BSFC和碳煙排放值優于基準結構，見圖16。

圖16 部分負荷結果

沿用相同的發動機標定方法，由于空燃混合效果更好且燃燒持續期縮短，因此，該新型噴油裝置的碳煙排放減少且燃燒噪聲降低。通過調整發動機標定，主要針對噴油驅動形式，可將燃燒噪聲改善轉化成BSFC降低。改善燃油耗的主要方法是采用早燃措施。通過提高最高噴油壓力和減小噴嘴液壓流量，BSFC平均改善1.4%，碳煙排放減少0.35 FSN。

在基本保持碳煙排放同等優勢的前提下，新型燃燒室還能夠進一步改善BSFC。采用傳統的縮口型燃燒室(燃燒室2變體3)，BSFC平均改善量超過2%。采用非傳統燃燒室形狀(燃燒室3“漸縮型”變體6)，總BSFC改善超過3%。這些結果與三維CFD模擬結果一致。

為了進一步開發新型燃燒系統，需要進行包括耐久性試驗等一系列試驗，以全面評估在更寬廣發動機工況范圍內以及各種環境條件下的性能，尤其是非傳統燃燒室形狀的性能。

5 后處理系統定義

柴油機后處理系統(ATS)的重要性和復雜度在過去的幾年里持續增長(圖17)。CO和碳氫化合物(HC)排放通常由布置在渦輪下游的柴油氧化催化轉化器(DOC)處理。

圖17 FCA柴油機后處理系統的發展

直至2010年初，柴油機的關鍵問題之一是在一些瞬態條件下排氣管冒黑煙使得PM排放。從歐5排放標準開始，所有的FCA柴油乘用車都配備了DPF，DPF是在排氣管內安裝的一種機械過濾器，能夠極大減少PM和PN，減少量達95%以上，解決了柴油車冒黑煙的問題(表2)。

為應對即將到來的歐6d法規，必須在大范圍工況條件下減少NOx排放，這就需要進行進一步研究，以使后處理效率最大化。模擬了基于NSC的各種先進方案，并在驗證和實際駕駛排放循環上進行測試。

表2 配備DPF的FCA柴油機測得的PN減少效率

在極端實際駕駛排放條件下(高速或爬坡狀態)及在采用全有用壽命(FUL)老化催化劑的高“負荷系數”用途中，大多數基于NSC的方案都無法保證達到嚴格的歐6d排放標準。圖18所示為試驗采用的不同后處理系統方案及針對老化催化劑極高負荷系數用途在NEDC和全球統一輕型車駕駛循環(WLTC)上測得的NOx轉化效率。

圖18 測試采用的基于NSC的不同方案(極高負荷系數用途及老化)

僅采用被動SCR的雙NSC系統能在多數不同條件下實現高轉化效率，但是，對于這種方案還需要考慮幾個問題：(1)由于體積及鉑族金屬(PGM)增加，導致成本增加；(2)由于長期頻繁進行除氮處理，導致燃油耗增加；(3)下置式NSC組件脫硫困難；(4)后處理系統管理復雜性增大；(5)需要驗證發動機可靠性和后處理系統耐久性。

因此，為確保實現高NOx轉化效率，必須采用在寬廣排氣溫度范圍內都具有高效率的SCR技術(圖19)。

自21世紀中期開始，重型卡車和大客車柴油機就廣泛采用基于尿素的SCR技術。目前，美國和歐洲市場的一些乘用車也采用該技術。帶SCR的經典后處理系統由緊耦合DOC+DPF以及帶有尿素計量和混合裝置的下置式SCR催化轉化器組成。

圖19 經典NOx轉化效率與排氣溫度的關系(SCR/SCRF和NSC催化轉化器)

但是，在預熱階段及寒冷條件和(或)低車速工況(中心市區)下，由于排氣溫度低，導致下置式SCR的效率極大降低。

將DPF與SCR集成到一個獨立組件中是一種創新方案，具有以下優點：(1)SCR暴露在更高的燃氣溫度中(圖20)；(2)減少了對強制排氣溫度升高的需求；(3)降低燃油耗；(4)簡化了下置式排氣設計(避免采用計量系統和混合裝置，減小了下置式催化轉化器的體積)；(5)SCR總體積具有增大的可能性(考慮SCRF和下置式SCR)。

圖20 C級車輛WLTC循環上緊耦合SCRF和下置式SCR溫度的比較

在不采用后處理加熱策略的前提下，通過比較不同循環上的緊耦合SCRF和下置式SCR上的NOx轉化效率對提高燃氣溫度的積極影響。如圖21所示，由于暴露在較高的溫度中，SCRF能夠保證在冷態循環(NEDC、WLTP、FTP75)中獲得更高的NOx轉化效率。

圖21 不同循環上SCRF和SCR的NOx轉化效率

盡管如此，為了獲得理想的結果，需要解決SCR與DPF緊耦合集成帶來的一些挑戰：(1)對AdBlue蒸發、混合與背壓之間的折中研究了幾種混合結構，找出了一種對背壓升高影響最小且能使氨均勻性指數最大化的可靠性設計。(2)在DPF基體上噴涂SCR催化劑涂層，這需要一種專門的高孔度DPF基體，以及與基體和涂層供應商的合作，確保嚴格按照產品規范和穩定性生產過程進行設計，使壓降最小化，NOx轉化效率最大化，保持所需的PM/PN過濾效率。(3)在PM/PN過濾能力和SCR催化劑老化方面確保零部件的耐久性。

將所選擇的最佳系統安裝在驗證樣車上，并在低負荷系數條件下進行了標定。在不同駕駛循環上的道路里程累積試驗驗證了所定義SCRF系統在DPF過濾和NOx轉化效率方面的穩定性(圖22)。

圖22 隨里程累積在驗證循環上測得的PM/PN排放和NOx轉化效率

為了在實際駕駛條件下測試該系統，在車輛上安裝了燃氣PEMS并在都靈地區遵照歐盟的總體要求進行了道路循環測試(圖23)。

郊區和高速型線上的NOx均勻性系數恰好低于1，但是，在市區條件下測得的CF約為1.6。中心市區循環的狀態則更糟(平均車速低于20 km/h)。如圖24所示，在這些條件下，由于SCRF進口處的燃氣溫度多數時間低于AdBlue計量裝置的最低溫度，因此，NOx轉化效率非常低。

圖23 都靈地區的實際駕駛排放循環

圖24 不同型線上SCRF的轉化效率(未采用熱管理策略)

因此驗證樣車因其負荷系數極低導致排氣溫度低。盡管采用了緊耦合SCRF，為了同時滿足實際駕駛排放循環(冷起動階段、市區)和驗證循環限值要求，需要采用后處理熱管理。

為了在良好的SCRF效率范圍(200 ℃以上)內使排氣溫度高于AdBlue計量裝置活化閾值，開發了主要基于燃油后噴的排氣加熱標定方法(圖25)。

圖25 熱管理對WLTC的影響

采用這種標定方法，循環上的總NOx轉化效率由75%提高到約90%，但是在WLTP循環上測得的燃油耗惡化超過3%。這種情況與中等負荷系數車輛用途完全不同，中等負荷系數用途中的平均排氣溫度更高，采用輕度加熱策略就可以在中心市區達到極高的效率(圖26)。

圖26 中等負荷系數用途中SCRF系統效率(市區駕駛條件、未采用加熱策略)

對于需要對后處理頻繁加熱的低負荷系數用途，仍保留SCRF系統，采用NSC替代DOC將是一項有益方案，可使加熱需求最小化，從而降低燃油耗。此外，該方案還允許減少噴入SCRF的AdBlue量。

盡管如此，NSC技術的引入也帶來了一些需要評價的問題：(1)在中心市區條件下實現DeNOx/DeSOx的可行性；(2)低NO2/NOx比對SCRF效率的影響；(3)實現DeNOx/DeSOx對發動機和后處理系統耐久性的影響。

最后，為了優化總轉化效率和燃油耗，需要完全重新修訂后處理系統管理策略。

6 總結

考慮到未來的歐洲排放法規，CO2和NOx減排被認為是未來柴油機發展的主要驅動力。在這種背景下，排氣后處理系統和燃燒系統被確定為未來開發的兩個主要領域。

為預測燃燒發展及其主要性能特性，開發了一種新型三維CFD模擬方法。利用這種方法比較了幾種備選燃燒系統，優先選擇那些最具潛力的系統，然后在發動機上對其進行測試。經過驗證，模擬與試驗結果關聯性良好。與三維CFD模擬結果一致，發動機外排放與燃油耗極大改善，且最大功率增加。

通過增大最高噴油壓力及減小噴嘴液壓流量會進一步改善系統性能。盡管如此，極小噴孔直徑通常會對噴嘴積碳現象產生不利影響，從而惡化燃燒系統性能。因其能提高低溫條件下的轉化效率，因此，緊耦合SCRF被認為是未來柴油機后處理系統最具潛力的技術。驗證了這種系統的穩定性和性能。但是，對于極“輕型”車輛，因其排氣溫度低，盡管采用了緊耦合，但在預熱狀態和中心市區條件下仍具挑戰性。因此，在這些條件下需要采用加熱策略。基于這種背景，綜合采用NSC和SCRF是一種有待評價的重要選擇。