柴油機引擎發(fā)展和耐久性

1、柴油機引擎發(fā)展和耐久性摘要先進的柴油發(fā)動機和后處理技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，用于多種發(fā)動機和車輛平臺。第2級（ 2007年及以后）的排放水平已證明了輕型貨車車輛超過ftp協(xié)議的75個試驗周期對車輛底盤式功率機。柴油發(fā)動機在得到了這些低尾氣排放水平的 同時又保留了燃油經(jīng)濟性的優(yōu)勢特點。通過將原型后處理系統(tǒng)與先進的燃燒方式（潔凈燃燒）結(jié)合，性能和排放取得了不少成果。潔凈燃燒在綜合處理之后控制部分種類廢氣，同時達到氮氧化物和pm降低的目的。啟用引擎的分析工具能夠使子系統(tǒng)發(fā)展和系統(tǒng)整合。實驗技術(shù)的開發(fā)方法，利用各種設(shè)施，以簡化開發(fā)的最終解決方案，包括利用穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)機的測試床，模擬底盤機的測試周期。關(guān)鍵詞：柴油

2、發(fā)動機，第2級，可控硅，后處理，排放，燃燒導(dǎo)言在20世紀(jì)90年代后期，燃料的使用規(guī)劃已對未來的運輸要求作好準(zhǔn)備。展望未來，從2000至2020年汽車能源的使用是相對穩(wěn)定的，而第三至第八類卡車（重型機器類型車輛）卻被認(rèn)為在這20年時間里將有微弱的增長。然而，一個顯著的上升主要出現(xiàn)在第1類至第2類車（皮卡，面包車和多功能車）。在某些情況下，這些都是用在商業(yè)上，但是增加的主要的來源被視為是客車市場用于個人的運輸?shù)娜找嬖鲩L的一部分。汽車使用的增加后來將主要增加能源的使用，從而帶動每天數(shù)百萬桶的原油消費，從20世紀(jì)90年代后期的大約800萬桶增加至2020年的12.5-13萬桶 1,2 。有人預(yù)測，到那

3、時，汽車的柴油機使用率，開始主要是第一類及第二類輕型卡車的柴油機使用率在美國的交通能源的使用中將有顯著的減少。 不過，很多人質(zhì)疑柴油發(fā)動機實行次級排放的能力是否會影響其可行性。而那些認(rèn)為可以掃除排放的障礙的人又質(zhì)疑所有的氮氧化物減排技術(shù)應(yīng)用和燃油效率降低之后，燃料經(jīng)濟的改進將是怎樣。為應(yīng)對這個問題，一系列的同能源部的合作項目已經(jīng)開展，包括三角洲計劃以及后來的底特律柴油公司的“領(lǐng)導(dǎo)者”計劃。這些計劃的目的是研究達到次級排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)可行性以及對燃料經(jīng)濟性可能產(chǎn)生的影響。底特律柴油公司所采用的方案是一套綜合分析和應(yīng)用的方案，該方案利用這個項目早期階段的模擬來發(fā)展發(fā)動機設(shè)計和策略發(fā)展需要的觀念。圖1

4、 ： 柴油的汽車的使用，使美國運輸能源使用顯著減少。方法及結(jié)果控制系統(tǒng)與引擎控制系統(tǒng)用適中有效的方法綜合在一起，這種方法使得在保持柴油機對汽油機固有的經(jīng)濟優(yōu)勢的同時，發(fā)動機的總體排放特性也有明顯的提升。最初，廣泛的仿真指引著人們?nèi)ピO(shè)計一個清潔的單缸引擎。這個模型，以實際設(shè)計和生產(chǎn)的發(fā)動機以及做好穩(wěn)定狀態(tài)模態(tài)的發(fā)展得到了驗證。這方面的努力使該模型變得適用并且使得在穩(wěn)定模式下的工作有質(zhì)量保證。一旦這種實驗得到校準(zhǔn)和完善，引擎工況水平穩(wěn)定，它將被用于預(yù)測瞬時的引擎工作性能，又仍處在穩(wěn)定狀態(tài)類型中。與分析的工具結(jié)合在高度被控制的一種穩(wěn)定的狀態(tài)測試，然后再在一個穩(wěn)定狀態(tài)中測試運行。這就回答了如何在空氣系

5、統(tǒng)，egr系統(tǒng)和提高發(fā)動機性能的燃燒系統(tǒng)間找到平衡的問題。 伴隨穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展，這些工作和理論被暫態(tài)發(fā)動機測功計驗證，這個測功機位于發(fā)動機能夠進行暫態(tài)發(fā)動機類型工作的位置。同時，車輛綜合在預(yù)報和車輛噴射類型的的推動的周期，諸如聯(lián)邦城市的驅(qū)車周期，ftp-75，us06，而公路燃料經(jīng)濟測試方式被編入瞬時的引擎測力計。這些可以在一個非?？刂圃O(shè)置下運行，從而允許為控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)得到改進。 伴隨著馬力測力計系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)動機被用來帶動一系列商用輕型卡車：道奇杜蘭戈，道奇dakota ，也是世界第1類戴姆勒克萊斯勒霓虹客車車輛，并且部分驗證控制系統(tǒng)發(fā)展校準(zhǔn)已制定。這種車輛綜合后，再往回到仿真領(lǐng)域中發(fā)展高

6、保真控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)發(fā)展。這是一條線索，通過一個迭代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機和后處理的發(fā)展。至于第二，第三和第四次迭代，通過這樣的循環(huán)，后處理日益一體化。圖2 ：達科他輕型卡車平臺如圖2所示，該平臺也可用于該計劃中，為第2級示范的是戴姆勒克萊斯勒道奇dakota輕型卡車平臺。搭載的是一臺加強4升v6發(fā)動機 3,4 。這種發(fā)動機采用可變幾何渦輪充電時，共軌燃油噴射，獨特的高壓力回路，冷卻egr系統(tǒng)，創(chuàng)造了235馬力， 4000 rpm優(yōu)越性能表現(xiàn)，并在2002年展示，并參加了2002年在圣迭戈的乘坐和駕駛展示。在項目早期，一個綜合性的減排路線被開發(fā)為輕型卡車和suv的平臺，如圖3所示。它是基于與ftp - 7

7、5廢氣排放性，并它在兩個領(lǐng)域得以體現(xiàn)。第一個領(lǐng)域是利用清潔燃燒的引擎控制策略和進步來確認(rèn)發(fā)動機的排放。這個項目專利性和先進性的燃燒技術(shù)在顯著減少發(fā)動機排放的同時，對燃油經(jīng)濟性沒有重大的影響，事實上，對瞬態(tài)燃油經(jīng)濟性沒有任何切實的影響。圖3 ：輕型卡車/越野車平臺綜合排放削減路線 一旦這個發(fā)動機外排放是既定的，那么第二個目標(biāo)就確定了：排氣管排放通過后處理顯示這個先進發(fā)動機控制策略的綜合性。發(fā)動機外排放的目標(biāo)是在第2級10個等級，然后逐年下降非常接近第2級的9級水平，這是有針對性的，其最終目標(biāo)是達到2級的5級的最終的目標(biāo)。 在2002deer會議，初步的結(jié)果被顯示發(fā)動機在第2級的10水平且沒有后處

8、理5的外排放 。這有重要意義，因為它在取得了非常低的發(fā)動機排放的同時保持了非常高的燃油經(jīng)濟性，比以汽油機作動力的車高出50%。加入催化的煙塵過濾器，尿素為基礎(chǔ)的可控硅技術(shù)和相關(guān)的管制措施，氮氧化物和粉塵減少，并且在ftp-75無任何氨滑移的情況下實現(xiàn)第2級6水平的排放。同汽油機相比，這種排放效益要高45%。自2002年deer會議以來，發(fā)動機外排放有了很大的提高，如圖4所示。非常接近第2級9水平的排放，在沒有活躍的氮氧化物后處理情況下實現(xiàn)。氮氧化物的 0.3克每英里很低的微粒。這超過了在初期階段的計劃路線確立的目標(biāo)。通過把以尿素為基礎(chǔ)的scr技術(shù)添加到發(fā)動機中，ftp-75實現(xiàn)了第2類第3級排

9、放 ，同時與汽油機相比，燃油效益高出40%。再次，這些排放水平是在fpt-5周期無任何氨滑移的情況下取得的。此外， us06水平也是第2級排放水平在利用催化的煙塵過濾器和以尿素為基礎(chǔ)的scr技術(shù)的情況下取得的圖4 ： nox還原經(jīng)燃燒和后處理發(fā)展輕型卡車/越野車平臺用以顯示這項先進技術(shù)的好處的一種方法是將氮氧化物減少原因的歸類，可分為由于燃燒或者發(fā)動機不同，以及通過比較ftp-75汽車的外氮氧化物排放量和ftp-75發(fā)動機的外排放量對后處理綜合性能的影響。在ftp-75放入循環(huán)中，后處理效率通常在80%-95%。對于低溫的ftp-75循環(huán)來說，這些是相當(dāng)高水平的氮氧化物減少量。這個項目顯示，去

10、年，通過進一步利用清潔燃燒技術(shù)，提升檢查和控制策略，發(fā)動機氮氧化物外排量有了顯著的降低。發(fā)動機氮氧化物外排量減少了一半以上。而且，ftp-75循環(huán)氮氧化物排放減少技術(shù)有意義的提高表現(xiàn)在從去年的85%上升到今年的90%。這是通過充分開發(fā)控制系統(tǒng)和先進的復(fù)合模式燃燒的潛能實現(xiàn)的。這些充分表現(xiàn)了先進的發(fā)動機和后處理綜合技術(shù)，這些是這些技術(shù)和項目內(nèi)在的要求，尤其當(dāng)你考慮從模擬反復(fù)開始，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)發(fā)動機，最終到達汽車使用階段。我們經(jīng)歷的那種循環(huán)越多，我們就越能通過發(fā)動機設(shè)計，發(fā)動機控制和先進的潛能將后處理與發(fā)動機結(jié)合。圖5 ： nox還原經(jīng)燃燒和后處理的發(fā)展輕型卡車/越野車平臺而實現(xiàn)第二級，尤其當(dāng)破

11、壞傳統(tǒng)的nox折衷方案曲線時，找出這種氮氧化物權(quán)衡曲線仍然停留在上述每個單獨的轉(zhuǎn)折點顯得很重要。氮氧化物/燃油經(jīng)濟性權(quán)衡曲線仍然以同樣的方式存在。我們可以在曲線上標(biāo)出氮氧化物從7級到3級的變化情況，以顯示出：當(dāng)?shù)趸餃p少時ftp-75的燃油經(jīng)濟性也減少到同樣的水平。內(nèi)在的燃油經(jīng)濟復(fù)蘇潛力的確認(rèn)是很重要的。在發(fā)展思路的每一步，燃油經(jīng)濟性下降的原因都被確認(rèn)，并且記錄在下面的循環(huán)中。因此，對于2002年第2級6級水平，ftp - 75 的燃油經(jīng)濟性為：輕型卡車每加侖行駛20英里。在2003年，雖然我們有燃油經(jīng)濟性和氮氧化物的綜合，但我們現(xiàn)在可以在沒加侖同樣里程數(shù)的情況下達到第2類第5級的水平。這表

12、明在同樣的燃油經(jīng)濟性條件下，氮氧化物的排放量比以前減少了55%。反過來說，如果我們保持相同的氮氧化物，以2003年確定的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃油經(jīng)濟性可以增長到?jīng)]加侖行駛20.5英里?；蛘?，我們可以將氮氧化物的排放量有效的減少到第2類第3級標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于在燃油經(jīng)濟性減少最少的基礎(chǔ)上將氮氧化物排放量減少了70%以上。有這樣一個信息：經(jīng)過發(fā)動機不斷的發(fā)展，燃油經(jīng)濟性不斷的提高，因此進一步減少氮氧化物的排放量不會對燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生多大不利的影響。如果我們把乘用車平臺作比較，這些結(jié)果可以被進一步說明，前面的結(jié)果已經(jīng)有所呈現(xiàn)。我們有和輕卡相類似的路線圖，區(qū)分兩種體制：一種是發(fā)動機具有氮氧化物外排和ftp-75粉末的

13、，另一種是與瞄準(zhǔn)第2類第5級的后處理系統(tǒng)相結(jié)合的。在這種情況下，發(fā)動機外輪廓在沒有后處理的情況下被提煉到一個更加清潔的水平：氮氧化物0.4g/mi和0.5g/mi。通過一個煙塵催化過濾器，fpt-75在沒有任何氮氧化物后處理的情況下實現(xiàn)了第2類第8級水平。以尿素為基礎(chǔ)的scr技術(shù)的應(yīng)用減少了v，并且氮氧化物和微粒達到第2類第3級水平，同時不存在氨滑移。這些結(jié)果顯示在表6中。這個項目顯示了燃油經(jīng)濟性隨著發(fā)展思路的提升而產(chǎn)生的重大進步，同時在燃油經(jīng)濟性不受損害的情況下氮氧化物排放量有初步降低。第2類第5級結(jié)果是在67mpg的混合經(jīng)濟，這是ftp-75和高速路燃油經(jīng)濟的結(jié)合。這清晰的顯示出當(dāng)利用合成

14、分析和實驗方法時，燃油經(jīng)濟如何得以提高。圖6 ：客運車平臺的綜合排放削減路線總結(jié)和結(jié)論總之，這個項目利用綜合柴油機和具有含scr系統(tǒng)的催化過濾器后處理及技術(shù)來說明輕卡suv和乘用車平臺的第2類第3級排放。第2類用來說明超過us06循環(huán)的輕卡平臺和ftp-75結(jié)果。用同樣的汽車做測試，這比輕型汽油機卡車高出41%的燃油經(jīng)濟性。排放量的減少首先歸功于先進的燃燒技術(shù)，并且通過在沒有活躍的氮氧化物后處理的情況下實現(xiàn)第9級氮氧化物排放和pm水平實現(xiàn)的。尿素噴射控制策略是取得良好排放的首要原因，它在最大程度減小氨滑移的同時最大程度的減小了氮氧化物排放量。同時，概括地說，強調(diào)綜合測試和分析的發(fā)展策略是短時間

15、內(nèi)輕卡和乘用車實現(xiàn)第2類第3級排放的核心原因?？紤]到司機們都看重一項技術(shù)的商業(yè)潛能，要過發(fā)動機后處理綜合來降低后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性就必須使這項技術(shù)有更大范圍的實用性?？紤]到復(fù)合模式的燃燒策略，并且把尿素還原劑噴射策略和過濾器換代策略融合在一個ecu中，我們需要精密的控制技術(shù)。這是該項目發(fā)展的一個重大障礙。我們需要一些諸如在15ppm水平以下的必需的低硫燃料和scr尿素還原劑。我們相信尿素還原劑將被用于重工作領(lǐng)域，而這又將為輕工作的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。測量技術(shù)和第2類水平的排放多樣性是需要重點考慮的。后處理的有效壽命和設(shè)備多樣性，以及這兩者的結(jié)合在預(yù)言長期排放中起著重要作用。處理低排放發(fā)動機的結(jié)果時數(shù)據(jù)

16、分析是很必要的。最后，由于資源有限，短期性和高風(fēng)險，綜合分析和實驗方法是很有用，也是絕對必要的?；A(chǔ)的動力數(shù)據(jù)也是很關(guān)鍵的，因為它將這些工具與理論結(jié)合，并且將發(fā)動機與后處理技術(shù)結(jié)合。因此，暫態(tài)時的后處理設(shè)備對整合設(shè)備和進一步簡化它們起著重要作用。待添加的隱藏文字內(nèi)容1認(rèn)知我們真誠地感謝freedomcar汽車技術(shù)辦公室，以及ddc輕卡項目主任john fairbanks和ddc后處理項目主任ken howden的支持。參考文獻1 、環(huán)評年度能源展望2000年， doe/eia-0383 （ 2000 ） ， 1999年12月。2 、運輸能源資料書： 19版， doe/ornl-6958 ， 1

17、999年9月。3 、哈基姆， 12月31日，弗里茲，丙，和米勒，美國， 底特律柴油發(fā)動機三角洲為輕型卡車和運動休旅車-到2 000年更新 ， s ae的文件2 000-1-2197， s ae的政府/工業(yè)界會議上，華盛頓哥倫比亞特區(qū)， 2000年6月。4 、哈基姆， 12月31日，和博爾頓，乙， sae的文件2001-01-2062 ，底特律柴油發(fā)動機三角洲-最新的科技成就 ， 2 001年的s ae政府/工業(yè)會議上，華盛頓特區(qū)， 2 001年5月。5 、阿尼婭，傳譯，博爾頓，乙，哈基姆， 12月31日，帕夫洛娃-輕松種 ，達到2級排放柴油機和后處理一體化-戰(zhàn)略與實驗結(jié)果 ，第8次柴油機排放量減少（鹿）車間，加利福尼亞 州科羅納多， 2002年8月。6 、zhang, h. and bolton,，是采