重型貨車氣壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),重型,貨車,氣壓,制動,系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 附錄A 柴油發(fā)動機(jī)發(fā)展和耐久性 先進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)和后處理技術(shù)的發(fā)展，2級排放。 Rakesh Aneja 底特律柴油機(jī)公司 Brian Bolton 底特律柴油機(jī)公司 Adedejo Bukky Oladipo 底特律柴油機(jī)公司 Zornitza Pavlova MacKinnon， 底特律柴油機(jī)公司 Amr Radwan 底特律柴油機(jī)公司 【摘要】 先進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)和后處理技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來并用于多種發(fā)動機(jī)和汽車平臺。2級（ 2007年及以后）排放標(biāo)準(zhǔn)已說明了輕型載貨汽車在FTP-75協(xié)議一次測試循環(huán)超過了車輛底盤式功率機(jī)。柴油發(fā)動機(jī)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(jì)性的優(yōu)勢特點(diǎn)。 通過將原型后處理系統(tǒng)與先進(jìn)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(jī)的測試床，模擬底盤機(jī)的測試周期。 【關(guān)鍵詞】：柴油發(fā)動機(jī)， 2級，SCR，后處理，排放，燃燒 【引言】 在20世紀(jì)90年代后期，燃料的使用預(yù)測是為未來運(yùn)輸需求而準(zhǔn)備的。展望未來，能源使用其中汽車被證明是相當(dāng)穩(wěn)定，前景從2000至2020年，而第三類通過第8類車（重型車輛）被預(yù)測在這20年時間里將有微弱的增長。然而，一個明顯的增長主要出現(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，但是增加的主要部分的來源被認(rèn)為是客車市場用于個人的運(yùn)輸。隨著這一類汽車使用的增加，能源的使用也會日益增長，從而抬高了能源的使用總量，每天會有數(shù)百萬桶的原油消費(fèi)，從20世紀(jì)90年代后期的大約800萬桶增加至2020年的1200-1300萬桶[ 1,2 ]。如圖1所示。 按照預(yù)測，到那時汽車的柴油機(jī)使用率，其中第一類及第二類輕型卡車的柴油機(jī)使用率在美國的交通能源的使用中將有顯著的減少。 然而，很多人質(zhì)疑柴油發(fā)動機(jī)的潛力，實(shí)行次級排放的能力是否會影響其可行性。而那些認(rèn)為可以克服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)用和燃油效率得到降低之后，燃料經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)將是怎樣。 相對這個問題的回答，一系列與能源部的合作項(xiàng)目已經(jīng)開展，包括DELTA計(jì)劃以及后來的底特律柴油公司的LEADER計(jì)劃。研究達(dá)到次級排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)可行性及對燃料經(jīng)濟(jì)性可能產(chǎn)生的影響是這些項(xiàng)目與計(jì)劃的目的。底特律柴油公司所采用的方案是一套綜合分析和實(shí)驗(yàn)方法，該方案利用這個項(xiàng)目早期階段的模擬來發(fā)展發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和策略發(fā)展需要的觀念。 圖1 ： "柴油"汽車的使用，使美國運(yùn)輸能源使用明顯減少。 方法及結(jié)果 用適中有效的方法把控制系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)綜合在一起，這種方法使得在保持柴油機(jī)對汽油機(jī)固有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的同時，發(fā)動機(jī)的總體排放特性也有明顯的提升。最初，更多的仿真設(shè)計(jì)指引著人們?nèi)ピO(shè)計(jì)一個清潔的單缸引擎。這個模型，以實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)以及做好穩(wěn)定狀態(tài)模態(tài)的發(fā)展，并得到了驗(yàn)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。如果這種實(shí)驗(yàn)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(yùn)行。這就找到如何在進(jìn)氣系統(tǒng)，EGR系統(tǒng)和提高發(fā)動機(jī)性能的燃燒系統(tǒng)之間找到平衡的關(guān)鍵答案。 隨著穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)和理論被暫態(tài)發(fā)動機(jī)測功計(jì)驗(yàn)證，這個測功機(jī)位于發(fā)動機(jī)能夠進(jìn)行暫態(tài)發(fā)動機(jī)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，例如聯(lián)邦城市的驅(qū)車周期，F(xiàn)TP-75，US06，而公路燃料經(jīng)濟(jì)測試方式被編入瞬時的引擎測力計(jì)。這些可以在一個非?？刂圃O(shè)置下運(yùn)行，從而允許為控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)得到改進(jìn)。 隨著馬力測力計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)被用來帶動一系列商用輕型卡車：道奇杜蘭戈，道奇Dakota ，還有世界第1類戴姆勒克萊斯勒霓虹客車，并且部分驗(yàn)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(jī)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 ：DAKOTA輕型卡車平臺 如圖2所示，該計(jì)劃中使用的平臺為第2級示范的，是戴姆勒克萊斯勒道奇Dakota輕型卡車平臺。這平臺搭載的是一臺加強(qiáng)4升V6發(fā)動機(jī)[ 3,4 ] 。這種發(fā)動機(jī)采用可變幾何渦輪充增壓，共軌燃油噴射，獨(dú)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(xiàng)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FTP - 75廢氣排放性，并它在兩個領(lǐng)域得以體現(xiàn)。第一個領(lǐng)域是利用引擎控制策略和先進(jìn)的清潔燃燒方式確認(rèn)發(fā)動機(jī)的排放。這個項(xiàng)目專利性和先進(jìn)性的燃燒技術(shù)在顯著減少發(fā)動機(jī)排放的同時，對燃油經(jīng)濟(jì)性有重大的影響，事實(shí)上，對瞬態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性有比較大的影響。 圖3 ：輕型卡車/越野車平臺綜合排放削減路線 如果這個發(fā)動機(jī)外排放是確定的，那么第二個目標(biāo)就確定了：這個先進(jìn)發(fā)動機(jī)控制策略的綜合性是通過排氣管排放通過后處理顯示出來的。發(fā)動機(jī)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(dá)到2級的5級的最終的目標(biāo)。 在2002DEER會議[5]，初步的結(jié)果被顯示發(fā)動機(jī)在第2級的10水平且沒有后處理的外排放 。這有重要意義，因?yàn)樗谌〉昧朔浅５偷陌l(fā)動機(jī)排放的同時保持了非常高的燃油經(jīng)濟(jì)性，比以汽油機(jī)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(shí)現(xiàn)第2級6水平的排放。同汽油機(jī)相比，這種排放效益要高45%。 自2002年DEER會議以來，發(fā)動機(jī)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(shí)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(jì)劃路線確立的目標(biāo)。通過以SCR技術(shù)為基礎(chǔ)添加到發(fā)動機(jī)中，F(xiàn)TP-75實(shí)現(xiàn)了第2類第3級排放 ，同時與汽油機(jī)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汽油為基礎(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 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(jī)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(jī)的外排放量對后處理綜合性能的影響是用以顯示這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的好處一種方法。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(xiàng)目顯示，去年，通過進(jìn)一步利用清潔燃燒技術(shù)，提升檢查和控制策略，發(fā)動機(jī)氮氧化物外排量有了顯著的降低。發(fā)動機(jī)氮氧化物外排量減少了一半以上。而且，F(xiàn)TP-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(jìn)的復(fù)合模式燃燒的潛能實(shí)現(xiàn)的。這些充分表現(xiàn)了先進(jìn)的發(fā)動機(jī)和后處理綜合技術(shù)，這些是這些技術(shù)和項(xiàng)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(jī)，最終到達(dá)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(jī)設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)控制和先進(jìn)的潛能將后處理與發(fā)動機(jī)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(shí)現(xiàn)第二級，尤其當(dāng)破壞傳統(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(dú)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)顯得很重要。氮氧化物/燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)性也減少到同樣的水平。內(nèi)在的燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)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，F(xiàn)TP - 75 的燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)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(dá)到第2類第5級的水平。這表明在同樣的燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)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(jī)不斷的發(fā)展，燃油經(jīng)濟(jì)性不斷的提高，因此進(jìn)一步減少氮氧化物的排放量不會對燃油經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)具有氮氧化物外排和FTP-75粉末的，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(jī)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，F(xiàn)PT-75在沒有任何氮氧化物后處理的情況下實(shí)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(dá)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。 隨著發(fā)展思路的提升這個項(xiàng)目顯示了燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生的重大進(jìn)步，同時在燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)，這是FTP-75和高速路燃油經(jīng)濟(jì)的結(jié)合。這清晰的顯示出當(dāng)利用合成分析和實(shí)驗(yàn)方法時，燃油經(jīng)濟(jì)如何得以提高。 圖6 ：客運(yùn)車平臺的綜合排放削減路線 總結(jié)和結(jié)論 總之，這個項(xiàng)目利用綜合柴油機(jī)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(jī)卡車高出41%的燃油經(jīng)濟(jì)性。排放量的減少首先歸功于先進(jìn)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(shí)現(xiàn)第9級氮氧化物排放和PM水平實(shí)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，總的來說，短時間內(nèi)輕卡和乘用車實(shí)現(xiàn)第2類第3級排放的核心原因是綜合測試和分析的發(fā)展策略?？紤]到司機(jī)們都看重一項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)潛能，要求發(fā)動機(jī)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(xiàng)技術(shù)有更大范圍的實(shí)用性。該項(xiàng)目發(fā)展的一個重大障礙是考慮到復(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)。 這是我們需要一些必須的例如在15PPM水平以下的少硫燃料和SCR尿素還原劑。我們相信能在關(guān)鍵工作領(lǐng)域用尿素還原劑，而這又將為輕工作的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。我們需要重點(diǎn)考慮的是第2類水平和測量技術(shù)的排放多樣性，后處理的有效壽命和設(shè)備多樣性，以及在預(yù)言長期排放中這兩者的結(jié)合起著重要作用。處理低排放發(fā)動機(jī)的結(jié)果時數(shù)據(jù)分析是很必要的。 最后，因資源有限，高風(fēng)險和短期性，綜合分析和實(shí)驗(yàn)方法有著重要有用，是絕對必要的。其最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)的動力數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼘⑦@些數(shù)據(jù)與理論結(jié)合，并且將發(fā)動機(jī)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(jìn)一步簡化它們起著重要作用。 致謝 我們真誠地感謝FreedomCar汽車技術(shù)研究室，以及DDC輕卡項(xiàng)目主任John Fairbanks和DDC后處理項(xiàng)目主任Ken Howden的支持。。 附錄B