满足欧Ⅳ及更高排放法规要求的曼和斯堪尼亚重型柴油发动机(一)

　　1、欧洲概况

　　自从二十世纪八、九十年代以来，欧洲市场销售重型柴油机的制造商数量大幅度下降，原因是并购、股权变更和为了满足欧Ⅲ之后排放法规而开发越来越复杂发动机的成本增大。从欧Ⅱ向欧Ⅲ过渡时，为了应用新的电控燃油喷射系统和从每缸2气门变为4气门，大规模的投资是必需的，这对于很多小的发动机制造商而言是难以承受的。剩余的发动机制造商大多数是非常大的公司，有能力在世界范围内销售和生产卡车和客车整车。这些公司由于要增加产能而降低了产品系列中的发动机型号数量。

　　                                                               图1：欧洲重卡发动机不同排量产量构成（2006年，总产量43万台）

　　根据发动机排量分类（图1），欧洲产能最大的重型柴油发动机排量在11.5～13L之间。对应欧洲重卡总重主要集中在32～40t之间。

　　1.1欧Ⅳ重型柴油机的主要特点

　　欧洲欧Ⅲ柴油机的设计变化主要在燃油喷射系统。欧Ⅳ以后，主导欧洲重型发动机燃油喷射系统的直列泵消失了，被一系列电控、高压燃油喷射系统所取代，例如：电控泵喷嘴EUI、电控单体泵EUP、共轨系统CRS和卡特彼勒的液压电控泵喷嘴HEUI（HydraulicElectronicUnitInjector）以及康明斯的高压喷射系统HPI。

　　其中，11.5～13L欧Ⅳ重型发动机的主要特点概括起来有如下几点：

　　发动机布置直列6缸；

　　吸气涡轮增压器和空－空后冷；

　　涡轮增压单级或者双级；

　　气缸盖铸铁、水冷、每缸四气门；

　　缸体铸铁、水冷、离心式机油冷却器、湿式缸套；

　　燃油喷射系统电控、压力超过1600bar(包括EUI、EUP、CRS、HEUI、HPI）；

　　带有或不带冷却油腔铝活塞或者钢顶铝裙组合活塞；

　　压缩比16:1～19:1；

　　最大缸压160～200bar；

　　NOx控制通过冷却EGR或者SCR；

　　EGR方案颗粒排放控制通过氧化催化器或者颗粒催化器；SCR方案不用其他措施。

　　1.2实现欧Ⅳ及之后更高法规的技术路线

　　欧洲从2005年10月开始，卡车和客车都必须满足欧Ⅳ法规。与此同时，德国出台激励政策鼓励购车者提前购买欧V排放标准的汽车。其结果是，在德国销售的部分发动机达到欧V标准，比欧V法规实施时间提前约3年。目前，所有这些欧V发动机都采用选择性催化还原后处理系统（SCR）。

　　表1汇集了欧洲重型车主要制造商欧IV和欧V的技术路线选择。两条主要技术路线分别为废气再循环（EGR）和选择性催化还原（SCR）。

　　                                                                              表1：欧洲重型车主要制造商欧IV和欧V技术路线选择

　　1.3欧Ⅳ到欧V、欧VI的技术升级及开发

　　对于重型柴油机来说，欧Ⅳ到欧V常用的办法是增加喷射到SCR催化器中的尿素量，因为这只需要对原来发动机进行相对小的改动。在这种措施中，燃油经济性可以大致保持在欧IV发动机的水平，只不过尿素消耗量稍微增加。

　　作为选择之一，如果使用EGR路线，那么EGR率需要进一步提高，发动机燃油喷射压力需要增加，因此需要升级燃油喷射系统。新的燃油喷射系统已经开发出来，喷射压力可达2000bar以上，并且在多次喷射性能上有很多灵活性。为了满足颗粒排放限值，颗粒过滤器应该是必需的，可以是全流式的，也可以是分流式的。燃料中的硫含量必须降低到欧V标准，即10ppm以下，这有助于带有氧化催化器的颗粒过滤器的应用。目前满足欧V排放的EGR发动机已经开发出来并投入广泛应用，其燃油经济性也很有竞争力。

　　欧盟议会已经通过欧VI排放标准，这意味着NOx排放还要大幅度降低，发动机的技术可能需要EGR和SCR一起使用。可选择的燃烧方法是均质充气压缩点燃着火HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition），这种燃烧方式在部分负荷工况下似乎NOx和颗粒排放都很低，但在满负荷工况下却无法达标，所以HCCI技术更适合轻型柴油机。

　　与欧VI同期的日本和美国，重型柴油机必须安装全流式DPF，欧洲也有可能必须加装。这样为了防止背压过高，主动再生技术必不可少。

　　2、曼公司

　　2.1两种技术解决方案

　　众所周知，欧IV法规的排放限值比欧Ⅲ严格得多，氮氧化物排放量降低幅度大约30%，而颗粒物排放降低幅度达80%。2009年全面生效的欧Ⅴ排放法规要求进一步大幅度降低NOx排放。主要的挑战是降低两种污染物的技术目标存在冲突，通过改进发动机，可降低氮氧化物排放，但同时会导致颗粒物排放增加，反之亦然。

　　如上所述，柴油机实现欧IV及以后法规的技术路线有两个。曼则是两种技术路线都采用以便给不同地区和不同用户提供完美的产品。

　　（1）方案1：EGR+曼的PM-KAT过滤器

　　曼的可控冷却废气再循环EGR（图2）加上免维护的PM-KAT过滤器（图3）可以在不需要任何添加剂的情况下满足欧IV排放要求，这种解决方案是曼独家的。曼也在欧V产品上采用这种方案，由于该方案明显的优势，曼很多主要客户倾向于选择这种技术。

　　由图3可知，曼的PM-KAT过滤器实际上就是一种将柴油氧化催化器DOC和颗粒氧化过滤器POC集于一体的后处理器。

图2：曼可控冷却EGR原理图


图3：曼PM-KAT过滤器化学反应原理图

　　（2）方案2：SCR技术和曼的AdBlue

　　目前SCR技术已经能够实现欧IV和欧V排放要求。为了保持氮氧化物排放低于法规限值，这种技术必须应用一种还原剂AdBlue——曼专门配制的尿素水溶液。

　　2.2EGR+PM-KAT过滤器是曼独有的革命性技术

　　曼的废气再循环EGR柴油机于1999年开发出来，为了满足欧Ⅲ以及后来的欧IV、欧V排放法规。到目前为止，全世界大约有八十多万台曼EGR发动机正在运行。曼EGR发动机可靠、经济性好，广受欢迎。

　　曼采用冷却的和可控的外部废气再循环EGR可以在发动机机内实现降低氮氧化物排放，满足十分严格的欧IV、欧V排放要求。PM-KAT则被采用来控制颗粒物排放，以满足法规对PM排放的要求。这种系统是安装在消音器内的颗粒物分离装置，这种系统不会堵塞，免于维护，并且不需要任何额外的添加剂。PM-KAT过滤器可以消除中等程度的细小颗粒物。

　　（1）曼PM-KAT相比SCR系统的主要优势

　　主要有以下9点：1）可靠、免维护，不锈钢制成；2）可以去除中等程度的细小颗粒；3）燃油经济性没有改变；4）对发动机负荷没有限制；5）不需要AdBlue基础设施；6）不需要复杂的测量部件和监测系统；7）没有空间限制，最大限度地保持原来油箱大小；8）比SCR技术成本低许多；9）比SCR系统轻150kg。

　　（2）曼PM-KAT能够消除微细颗粒

　　目前空气中细小的尘埃由直径小于10微米的颗粒构成，除了其他来源以外，没有加装过滤器的柴油轿车和卡车是一个主要来源。由于微细颗粒对人类健康有潜在危险，欧盟出台一项指令，限制微细粉尘的最高含量，并于2005年1月1日生效。但是，目前一些城市空气中的粉尘含量依然超过欧盟限值每立方米50微克。而应用曼PM-KAT的重型车的微细颗粒物排放能够达标。

　　（3）曼PM-KAT相比其他颗粒过滤器的优势

　　传统的柴油颗粒过滤器DPF可降低颗粒物排放幅度约85%以上，甚至达99%，但是其维护却十分困难。然而，革命性的PM-KAT是目前为止唯一一个免维护过滤系统，同时可以有效降低粉尘污染的最细小颗粒。该过滤器的降低颗粒物排放幅度大约60～90%（主要取决于颗粒物的尺寸）。

　　2.3曼的SCR技术

　　曼的SCR技术开发始于二十世纪九十年代末期，曼当时参与了世界首次野外SCR技术应用测试试验。2004年曼SCR产品系列化以后，由于一些欧洲国家对于已满足欧V排放限值的SCR发动机作为动力的汽车给予大幅度优惠，故成千上万的曼SCR发动机被欧洲市场接受。

　　在实际运行中，曼的发动机被证明是经济性最好的欧V标准的SCR发动机之一。目前曼SCR发动机有三大系列，功率覆盖360～680PS。对于欧IV机型，AdBlue消耗量一般为油耗的3％～4％，对于欧V，消耗量一般为5％～7％。

　　对于MAN-AdBlue系统，曼根据颗粒物排放和燃油经济性将发动机优化，而氮氧化物在发动机外后处理装置中被从尾气中去掉，发动机动力输出没有一点损失，而油耗甚至可能被降低。在所有SCR技术方案供应商中，MAN-AdBlue系统独有特点是消音器的尺寸没有变化，所以该系统不占据更多空间。MAN-AdBlue系统中尿素箱与柴油箱组成一个独特系统，并可以被加热以免冬季时结晶。

　　2.4曼两种技术的应用领域

　　曼的EGR+PM-KAT过滤器系统适用于车辆行驶路程较短，空间占主导因素（建筑、公共设施、专用车）的用途，这些工况汽车主要处在满负荷状态。而SCR技术则适用于长途牵引车。

　　2.5曼重型柴油机产品主要参数及尾气处理方案

　　（1）客车用发动机系列

　　曼欧IV、欧V和EEV客车用发动机系列主要参数及尾气处理方案参见下表2～表4。这里的EEV标准，是1999年欧盟制定的“强化环境友好汽车—EnhancedEnvironmentallyfriendlyVehicles”超低排放标准。

　　*注：（1）OBD1表示第1代车载自动诊断系统；（2）PM-KAT，表示EGR+PM-KAT技术路线，下同。

　　*注：（1）OBD2表示第2代车载自动诊断系统；（2）Oxi-Kat，表示EGR+Oxi-Kat技术路线（Oxi-Kat是一种较复杂而先进的柴油氧化催化器DOC），下同。

　　*注：CRT，表示EGR+CRT（连续再生颗粒捕捉系统）技术路线，下同。

　　（1）卡车用发动机系列

　　曼欧IV、欧V和EEV卡车用发动机系列主要参数及尾气处理方案参见下表5～表7。

　　*注：MAN-AdBlue，表示MAN-AdBlueSCR技术路线，下同。

（未完待续）