PDF《对置活塞发动机氮氧化物排放更低的十大根本原因》

1 对置活塞发动机氮氧化物排放更低的十大根本原因 by Larry Fromm EVP, Chief Commercial Officer 作者:Larry Fromm NOx即氮氧化物、主要包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2).

碳氢燃料在燃烧过程中形成的这些气体 会导致雾霾和酸雨产生,并对人体健康和环境产生不利影响.(Nature.com) 全球各地的政策制定者已制定法律法规来大幅减少来自汽车、卡车、以及其他来源的氮氧化物排放. 然而,在城区、港口、以及高速公路附近等交通繁忙的地区,高排放的氮氧化物依旧影响着人类的健 康和福祉.此外,许多车辆在实际操作条件下排放的氮氧化物比在认证测试期间排放的要多得多. OP发动机的效率优势 很多文章都引证了对置活塞( OP )发动机固有的效率优势.Herold和Wahl等人指出, 在输出功率和 几何尺寸相当的情况下,对置活塞二冲程发动机相比于标准四冲程发动机拥有根本的效率优势 .通用 汽车的Warey和Gopalakrishnan等人发现,对置活塞发动机的二氧化碳排放量比相同四冲程柴油发动机 低13-15%……由于不需要气缸盖以及较低的表面积与容积比(比同等四冲程发动机排量低30%的表面 积与容积比),缸内的热量损失大幅减少――对置活塞二冲程发动机的效率优势主要于此.Mattarelli 与Cantore等人指出 [对置活塞发动机]在扫气和热量效率方面的优势是毋庸置疑的:可以通过有效便捷 的进排气口与活塞的控制实现完美的 单向 扫气模式, 同时通过相对较小的气体接触面积来大幅降低排 热损失. 让我们来细数OP发动机在氮氧化物排放方面的优势 值得注意的是,OP发动机在控制氮氧化物排放方面也具有显著且独特的优势. 本文旨在描述这十大优 势. 控制氮氧化物排放有两个关键:抑制其在燃烧过程中的生成,并将已燃烧生成的氮氧化物还原转化为 氮气、水和二氧化碳等空气中的天然成分. 柴油发动机中用于减少氮氧化物排放的主要技术是选择性 催化剂还原( SCR ). SCR是一种排放控制系统,通过一种特殊的 催化剂将一种液相还原剂注入发动机的废气中. 这种液相还原剂 通常是车用尿素,又称为柴油排放液(DEF).

1 C 快速催化剂起燃 然而,为了达到有效的催化还原效果, SCR必须高于200℃.在 某些运行模式下,发动机能够产生必需的热量来保证催化器运行 始终处于有效区间.不幸的是,在更大多数的运行模式下,情况 并非如此. 低负荷运行和冷启动是当前SCR技术面临的两大关键问 题. 在法规规定的测试循环内,柴油发动机中几乎所有氮氧化物 排放都发生在冷启动后的前600秒内. Southwest Research( SwRI )的Sharp和Webb等人发现, 重型 卡车发动机上, 2010年及之后典型的的排放系统在冷启动联邦测 试循环周期的中途点(600秒)之前不会……实现高水平的氮氧化 物还原(即优于95%). OP发动机在实现快速催化剂起燃方面具有独特且显著的优势. Achates Power的Kalebjian、Redon和Wahl描述了这一策略. 在催

2 化剂起燃模式期间,发动机以低送气比运行,以增加缸内残留气体和俘获温度.曲轴驱动的机械增压器 提供足够高的进气歧管压力,以实现足够的空燃比和良好的燃烧稳定性. 采用预喷及后喷的喷油策略致 废气温度的显著升高.Achates Power及SwRI的Patil和Ghazi等人记录了测试结果:OP发动机在不到 100秒的时间内使氮氧化物还原实现最大值. 右边的

图表显示了发动机尾气排出温度. 绿色线条代表2017年SwRI针对基准重型卡车发动机的研究 结果. 红色线条为对同一款发动机校准改造以提高冷启动废气温度的结果.蓝色线条表示在Achates Power对OP发动机进行测试的结果.OP发动机能够在40秒内使废气温度达到并保持在200°C,而改进 后的传统发动机则要花费大约400秒.

2 C 冷启动催化剂起燃期间发动机氮氧化物排放低 由于SCR在起燃之前还原效率非常低,因此在发生 起燃之前减少发动机排出的氮氧化物是降低尾气氮 氧化物的必要条件.OP发动机在这方面也具有无与 伦比的优势. 大量的缸内燃烧残余气体有助于快速 提升废气温度,同时也可以作为内部或自然废气再 循环(稍后详述)以减少氮氧化物的形成. 在同一 篇论文中,Patil与Ghazi等人显示了冷启动后发动 机排出的氮氧化物累积值. 与基准(绿线)或改进的重型传统发动机(红线) 相比,OP发动机(蓝线)只会累积少量的氮氧化物 .

3 C 内部废气再循环 柴油发动机和越来越多的汽油发动机把废气再循环( EGR )作为控制氮氧化物形成的常规技术. 氮气 和氧气的混合气体在高温下主要形成氮氧化物. 缸内的残留气体与新鲜空气混合从而稀释了混合气中的 氧浓度,同时废气再循环中不再参与燃烧的气体(水及二氧化碳)被导入缸内从而吸收燃烧的热量并 降低缸内峰值温度. 在传统的发动机中,废气一直处于再循环的过程中:在排气过程中被抽出缸内,返回到进气歧管,然 后再被引入缸内与新鲜空气混合. OP发动机通常也使用EGR,但它们还具有额外的优势:内部或自然EGR [i]. OP发动机进气口在气缸的一侧而排气口在另一侧(如下图右侧), 以实现有效的直流扫气. 与传统发动机 不同,OP发动机中的活塞不会将空气泵出或引入缸内.相反,当活塞进行往复运动时,它们会交替打 开关闭进排气口,从而实现气体交换.排气活塞通常比进气活塞先打开几度,开始进行换气.当进气 口打开时,来自加压进气歧管的空气将废气推出排气口. 在进排气口都关闭后,缸内俘获的气体被压缩 .进气歧管和排气歧管之间的压差必须保持为正,以便进行适当的扫气.压差通常由正容积式泵(如 增压器)保持.清除的废气量取决于进气和排气之间的压差. 高负荷工况点需要足够的新鲜空气与燃油 混合,此时正排量泵对进气进行加压以实现完全扫气(甚至过度扫气);

而在低负荷工况点,由于仅 有少量燃油喷入,因此仅需要相对少量的新鲜空气. 在这种情况下,正容积式泵可以做最少的功,同时

3 将压差最小化从而使部分废气留在了气缸中. 根据运行条件和燃油性质,多达超过50%的废气可以保留 在气缸中,并且如有需要依旧可以增加外部EGR以进一步提高EGR比率. 将气缸扫气与活塞运动分离以实现部分扫气的功能有诸多益处. 上文已经叙述了其中一个好处――由于 高温废气无法被冷新鲜空气完全稀释,在冷启动时有助于快速提高废气温度. 另外一个好处是能够在低 负荷条件下降低泵做功,使得油耗图波动相对平缓,从而实现较高的平均循环效率. 与此密切相关,内部与外部ERG相结合使得OP发动机只需少量的泵做功便能实现高ERG比率. 高EGR比 率抑........