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)

2019年06月02日 05:08:52  阅读85次 文章来源:机械网 作者:张筱雨

  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

北京快乐8  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,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。

北京快乐8  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。

康明斯VGT增压器图


  图6:康明斯VGT增压器

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)


图7:康明斯SCR原理图

  3.3 后处理解决方案

北京快乐8  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:

北京快乐8  (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。

北京快乐8  (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。

北京快乐8  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。

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)


图8:NOx过滤催化转换器原理图

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