满足EPA2010全球最严排放法规的美国航星国际和康明斯中重型柴油发动机(二)

2020-09-05 07:05:22 141

3.1 高级燃烧系统

康明斯在开发高级燃烧系统和柔性燃油喷射系统方面业已投入巨大,这些技术可以在燃烧室内降低发动机的污染物。康明斯燃烧系统设计工具采用先进的燃烧过程计算机模拟,计算机模拟可以帮助工程师们研究燃油喷射系统的参数(即喷射时间、喷射速度和形状)以及燃烧室几何形状的变化对燃烧的影响。这一工具不仅加速了发动机开发进程,而且康明斯通过该设计工具还获得了直接从燃烧室降低氮氧化物和颗粒排放的技术。

3.2 集成冷却EGR

为了满足氮氧化物和非甲烷碳氢化合物低于3.38g/KWh的排放限值,康明斯于2002年推出冷却废气再循环技术,这为满足EPA2007和EPA2010法规打下了基础。

冷却EGR在氮氧化物排放控制方面十分有效。这种EGR系统从发动机废气当中提取定量的尾气,通过一个冷却器,然后与进气混合后进入气缸。EGR技术通过用冷却后的部分尾气回流到发动机进气,从而增加了燃烧室的热容量和降低其氧气浓度。在燃烧的时候,EGR技术的作用是降低燃烧火焰的温度,从而降低氮氧化物的生成,因为氮氧化物的生成与火焰温度成正比。这一技术可以让工程师把发动机调校成最优的燃油经济性和最好的动力性氮氧化物废气处理,同时氮氧化物生成量更低。EGR技术被用来满足EPA2007法规和其他地区的排放法规。

在所有工况下,为了同时精确控制氮氧化物和颗粒质排放,再循环废气的数量和进气数量必须被精确计量后才能进入发动机。这使得高级可变截面涡轮增压器(VGT,图6)的应用十分必要,VGT增压器可以连续地改变进入发动机气缸内的空气数量。

由康明斯涡轮技术公司开发的VGT涡轮增压器上采用一种专利的单片滑动喷嘴,该喷嘴可以连续运动来改变涡流的动力以及进入发动机内的空气数量。由于这一独特设计,使得这种VGT涡轮增压器被证明是世界上最可靠的增压器。

VGT涡轮增压器与EGR控制阀门一起联动,可以精确计量进入进气系统的再循环废气,从而获得更好的动力性和燃油经济性。

图6:康明斯VGT增压器

图7:康明斯SCR原理图

3.3 后处理解决方案

冷却EGR是一种缸内降低氮氧化物的技术,还有一些尾气后处理技术可以实现降低氮氧化物的排放,这些技术即是通过处理发动机排出后的废气来实现。这些措施包括选择性催化还原SCR和氮氧化物过滤器。

3.3.1 选择性催化还原技术--SCR

选择性催化还原(SCR)原理前面已有叙述,康明斯的DEF-SCR系统大体上包括三个组成部分:

(1)催化转换器:催化转换器被安装在尾气处理系统之中。该系统外观类似于一个消音器。该系统包括一种化学化合物,该化合物在有氨气存在前提下,有助于氮氧化物转换成为无害的化合物。

(2)DEF:DEF被以水溶液的状态随车携带于一个罐子里。DEF储存罐的尺寸可以让驾驶员加装次数尽量少,而且其尺寸或重量在汽车的容许范围之内。储存罐和DEF供给系统必须能防冻,因为DEF水溶液在摄氏零下12度左右会结晶。

(3)DEF供给系统:DEF供给系统和喷射系统必须在任何工况下将DEF以细雾状态喷射到尾气中。DEF喷射数量必须被精细控制,以便所喷射的氨水数量与发动机实时产生的NOx数量精确匹配。

SCR系统中DEF的使用量是多少呢?对于降低1g/KWh的NOx,一个SCR发动机要消耗大约耗油量的1.5%的DEF,具体数量取决于汽车的运行状态。对于一个行驶966km消耗100加仑柴油的发动机,假设要将NOx排放从1.6g/KWh降低到0.27g/hp-hr,那么这个过程中,DEF消耗量为2加仑。

康明斯过滤器公司从2003年开始供应DEF给固定柴油机,并可以通过其现有的数千家经销商和分销商来确保DEF供应。康明斯已按计划从2010年开始将这些供应设施用于商业化供应。康明斯SCR原理见图7。

3.3.2 氮氧化物过滤器(NOx Adsorbers)

氮氧化物过滤催化转换器(NOx Adsorber Catalyst-NAC)是20世纪90年代后期开发出来的新技术(如图8)。这种NAC技术采用贱金属氧化物和贵金属合成涂层来有效控制NOx,贱金属氧化物(如氧化钡)与NOx反应生成硝酸钡,有效地将NOx储存在催化器表面,当可用的存储空间被占满时,催化器被暂时置于“富”尾气工况(即空气-燃料混合比例被调整到尾气中氧气含量为零或极低),这时,NOx从催化器中被释放,并被贵金属部分转换成氮气和水蒸气。

图8:NOx过滤催化转换器原理图

柴油机通常在空气量大于燃料燃烧所需量的状态下运行,称为“稀”工况。在稀运行工况下,用催化器控制氮氧化物的生成是十分困难的,主要原因是尾气中有过量的氧气。

在稀运行工况下,NOx只是被简单地存入催化器中。所以释放NOx和将其转化成氮气的再生过程是必需的。

NAC的再生需要在很短的一个时间间隔过程中将尾气中的过量氧气消除。这个过程可以通过发动机在“浓”(与“稀”工况相反)运行工况下运行,或者直接将燃料喷射到过滤器之前以便消耗多余的氧气。发动机和催化器必须被作为一个系统来控制,以便来精确确定何时需要再生以及再生过程的尾气参数。

硫给这种过滤器提出了挑战。除了储存NOx,这种NAC也会储存硫,硫使得催化器储存NOx的能力下降。尽管美国市场柴油硫含量在2007年降低到15ppm,但任何水平的硫含量都会是一种挑战,并且需要发动机设计时氮氧化物废气处理,为后处理系统提供一个定期脱硫过程—从催化器中去掉硫。这一过程类似于NOx再生过程,但是所需温度更高。

康明斯从2007年开始在Dodge RAM重型皮卡中应用NOx过滤器技术。这种增压柴油机当时已经能够满足EPA2010排放标准。

3.3.3 NOx后处理技术面临的主要挑战

总体上,NOx后处理控制技术(SCR和NOx过滤器)面临的主要挑战(包括设计和开发集成系统)有以下几点:

1)在所有环境条件和应用中须可靠和耐用;2)尺寸和重量最小;3)在产品生命周期内都能控制NOx排放;4)需要最少量的维护;5)在初始成本和运营成本上,用户都能承担得起。

3.3.4 主动柴油颗粒过滤器(ADPF)

美国EPA2007与EPA2010排放法规要求将颗粒物质排放比2002年降低90%,从0.14降低到0.014g/KWh。虽然以前颗粒物排放控制可以通过改善发动机燃烧和氧化催化器实现,但是严格的EPA2007与EPA2010法规需要更有效的颗粒后处理系统。

主动柴油颗粒过滤器(图9)是康明斯满足EPA2010颗粒排放法规的唯一选择,所有的发动机制造商都采用这种技术,只不过形式不同。

图9:康明斯主动再生颗粒过滤器ADPF

为了在所有应用中达到新的颗粒物排放标准,ADPF是必需的。尾气过滤器通过采用多孔的陶瓷介质将其中细微颗粒过滤出来。一个典型的过滤器包括一组小的通道,以便让尾气从中流过(图10)。邻近的通道从相反的那一端插入,强迫尾气流过多孔的壁面,将颗粒物捕捉到介质的表面和小孔之中。颗粒物在过滤器中累积,当足够热量出现时,再生过程就发生了,将颗粒物氧化掉并排出过滤器。

图10:ADPF中的气流穿过壁面示意图

主动再生颗粒过滤器设计的挑战是能实现可靠和一致再生,这样颗粒就能在所有负荷循环状态下被过滤掉。例如,当一个牵引列车全负荷工作时,发动机中尾气将始终如一地有足够热来实现再生,但是,当同样卡车运行在走走停停的交通环境时,再生过程不一定会实现。EPA规定,所有发动机在任意工况下都须满足排放要求,这就是为什么主动再生控制是必需的原因。主动再生控制方法包括监测颗粒过滤器的背压和再生过程以及进入过滤器的尾气温度。

有几种方法来控制和提高尾气温度,以便实现主动管理DPF。为满足EPA2010法规,所选的方法是对燃烧过程的管理加上一个附加氧化催化器。这种方法可以让再生过程在低环境温度/低负荷工况下同正常运行环境一样实现,因为上述特殊环境下尾气温度较低。

ADPF 应用面临的主要挑战是维护问题。润滑油中的添加剂随着机油损耗会变成灰烬,灰烬被过滤器搜集,而灰烬颗粒通过再生又被氧化。灰烬必须从过滤器中清理出去或者被疏通。康明斯公路用发动机颗粒过滤器的维护间隔是32.2~64.4万km。主动再生过程取决于负荷循环和发动机机油消耗。康明斯在北美市场推出了商业化清理系统。康明斯将提供两种清理方法:1)在康明斯分销商分支机构处清理颗粒过滤器;2)工厂交换项目—ReCon。

3.4 康明斯应对EPA2010法规小结

(1)康明斯北美现有产品是经过验证的且满足EPA2010排放标准的。

(2)康明斯是北美唯一一家独立发动机制造商,同时提供空气处理技术(康明斯涡轮增压技术公司—Cummins Turbo Technologies))、后处理系统(康明斯排放解决方案—Cummins Emission Solutions)和过滤技术(康明斯过滤器Cummins Filtration)。

(3)康明斯将继续采用冷却EGR作为降低NOx排放的基本技术,就像康明斯从2001年开始的那样。

(4)康明斯采用主动颗粒过滤器来实现颗粒排放降低90%的目标,康明斯过滤器是经过验证的技术。

(5)建立在冷却EGR和康明斯颗粒过滤器成功应用基础之上,康明斯将增加采用SCR技术的NOx后处理系统来满足EPA2010法规。

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