附录A
柴油发动机发展和耐久性
先进的柴油发动机和后处理技术的发展，2级排放。
Rakesh
Aneja
底特律柴油机公司
Brian
Bolton
底特律柴油机公司
Adedejo
Bukky
Oladipo
底特律柴油机公司
Zornitza
Pavlova
MacKinnon，底特律柴油机公司
Amr
Radwan
底特律柴油机公司
【摘要】
先进的柴油发动机和后处理技术已经开发出来并用于多种发动机和汽车平台。2级（2007年及以后）排放标准已说明了轻型载货汽车在FTP-75协议一次测试循环超过了车辆底盘式功率机。柴油发动机在得到了这些低尾气排放水平的同时又保留了燃油经济性的优势特点。
通过将原型后处理系统与先进的燃烧方式（洁净燃烧）结合，性能和排放取得了不少成果。洁净燃烧在综合处理之后控制部分种类废气，同时达到氮氧化物和PM降低的目的。启用引擎的分析工具能够使子系统发展和系统整合。实验技术的开发方法，利用各种设施，以简化开发的最终解决方案，包括利用稳态和暂态机的测试床，模拟底盘机的测试周期。
【关键词】：柴油发动机，2级，SCR，后处理，排放，燃烧
【引言】
在20世纪90年代后期，燃料的使用预测是为未来运输需求而准备的。展望未来，能源使用其中汽车被证明是相当稳定，前景从2000至2020年，而第三类通过第8类车（重型车辆）被预测在这20年时间里将有微弱的增长。然而，一个明显的增长主要出现在第1类至第2类车（皮卡，面包车和多功能车）。在某些情况下，这些都是用在商业上，但是增加的主要部分的来源被认为是客车市场用于个人的运输。随着这一类汽车使用的增加，能源的使用也会日益增长，从而抬高了能源的使用总量，每天会有数百万桶的原油消费，从20世纪90年代后期的大约800万桶增加至2020年的1200-1300万桶[
1,2
]。如图1所示。
按照预测，到那时汽车的柴油机使用率，其中第一类及第二类轻型卡车的柴油机使用率在美国的交通能源的使用中将有显著的减少。
然而，很多人质疑柴油发动机的潜力，实行次级排放的能力是否会影响其可行性。而那些认为可以克服排放的障碍的人又质疑所有的氮氧化物减排技术应用和燃油效率得到降低之后，燃料经济性的改进将是怎样。
相对这个问题的回答，一系列与能源部的合作项目已经开展，包括DELTA计划以及后来的底特律柴油公司的LEADER计划。研究达到次级排放标准的技术可行性及对燃料经济性可能产生的影响是这些项目与计划的目的。底特律柴油公司所采用的方案是一套综合分析和实验方法，该方案利用这个项目早期阶段的模拟来发展发动机设计和策略发展需要的观念。
图1
：
“柴油“汽车的使用，使美国运输能源使用明显减少。
方法及结果
用适中有效的方法把控制系统与发动机控制系统综合在一起，这种方法使得在保持柴油机对汽油机固有的经济优势的同时，发动机的总体排放特性也有明显的提升。最初，更多的仿真设计指引着人们去设计一个清洁的单缸引擎。这个模型，以实际设计和生产的发动机以及做好稳定状态模态的发展，并得到了验证。这方面的努力使该模型变得适用并且使得在稳定模式下的工作有质量保证。如果这种实验得到校准和完善，引擎工况水平稳定，它将被用于预测瞬时的引擎工作性能，又仍处在稳定状态类型中。与分析工具结合在高度被控制的一种稳定的状态测试，然后再在一个稳定状态中测试运行。这就找到如何在进气系统，EGR系统和提高发动机性能的燃烧系统之间找到平衡的关键答案。
随着稳定状态的发展，这些数据和理论被暂态发动机测功计验证，这个测功机位于发动机能够进行暂态发动机类型工作的位置。同时，车辆综合在预报和车辆喷射类型的的推动的周期，例如联邦城市的驱车周期，FTP-75，US06，而公路燃料经济测试方式被编入瞬时的引擎测力计。这些可以在一个非常控制设置下运行，从而允许为控制系统和校准得到改进。
随着马力测力计系统的发展，发动机被用来带动一系列商用轻型卡车：道奇杜兰戈，道奇Dakota，还有世界第1类戴姆勒克莱斯勒霓虹客车，并且部分验证控制系统发展校准已制定。这种车辆综合后，再往回到仿真领域中发展高保真控制系统和校准发展。这是一条线索，通过一个迭代网络的发动机和后处理的发展。至于第二，第三和第四次迭代，通过这样的循环，后处理日益一体化。
图2
：DAKOTA轻型卡车平台
如图2所示，该计划中使用的平台为第2级示范的，是戴姆勒克莱斯勒道奇Dakota轻型卡车平台。这平台搭载的是一台加强4升V6发动机[
3,4
]
。这种发动机采用可变几何涡轮充增压，共轨燃油喷射，独特的高压力回路，冷却EGR系统，创造了235马力，4000
rpm优越性能表现，并在2002年展示，并参加了2002年在圣迭戈的乘坐和驾驶展示。在项目早期，一个综合性的减排路线被开发为轻型卡车和SUV的平台，如图3所示。它是基于FTP
75废气排放性，并它在两个领域得以体现。第一个领域是利用引擎控制策略和先进的清洁燃烧方式确认发动机的排放。这个项目专利性和先进性的燃烧技术在显着减少发动机排放的同时，对燃油经济性有重大的影响，事实上，对瞬态燃油经济性有比较大的影响。
图3
：轻型卡车/越野车平台综合排放削减路线
如果这个发动机外排放是确定的，那么第二个目标就确定了：这个先进发动机控制策略的综合性是通过排气管排放通过后处理显示出来的。发动机外排放的目标是在第2级10个等级，然后逐年下降非常接近第2级的9级水平，这是有针对性的，其最终目标是达到2级的5级的最终的目标。
在2002DEER会议[5]，初步的结果被显示发动机在第2级的10水平且没有后处理的外排放
。这有重要意义，因为它在取得了非常低的发动机排放的同时保持了非常高的燃油经济性，比以汽油机作动力的车高出50%。加入催化的烟尘过滤器，尿素为基础的可控硅技术和相关的管制措施，氮氧化物和粉尘减少，并且在FTP-75无任何氨滑移的情况下实现第2级6水平的排放。同汽油机相比，这种排放效益要高45%。
自2002年DEER会议以来，发动机外排放有了很大的提高，如图4所示。非常接近第2级9水平的排放，在没有活跃的氮氧化物后处理情况下实现。氮氧化物的〜
0.3克每英里很低的微粒。这超过了在初期阶段的计划路线确立的目标。通过以SCR技术为基础添加到发动机中，FTP-75实现了第2类第3级排放，同时与汽油机相比，燃油效益高出40%。再次，这些排放水平是在FPT-5周期无任何氨滑移的情况下取得的。此外，US06水平也是第2级排放水平在利用催化的烟尘过滤器和以汽油为基础的SCR技术的情况下取得的。
图4
：
NOx还原经燃烧和后处理发展轻型卡车/越野车平台
将氮氧化物减少原因的归类，可分为由于燃烧或者发动机不同，以及通过比较FTP-75汽车的外氮氧化物排放量和FTP-75发动机的外排放量对后处理综合性能的影响是用以显示这项先进技术的好处一种方法。在FTP-75放入循环中，后处理效率通常在80%-95%。对于低温的FTP-75循环来说，这些是相当高水平的氮氧化物减少量。这个项目显示，去年，通过进一步利用清洁燃烧技术，提升检查和控制策略，发动机氮氧化物外排量有了显著的降低。发动机氮氧化物外排量减少了一半以上。而且，FTP-75循环氮氧化物排放减少技术有意义的提高表现在从去年的85%上升到今年的90%。这是通过充分开发控制系统和先进的复合模式燃烧的潜能实现的。这些充分表现了先进的发动机和后处理综合技术，这些是这些技术和项目内在的要求，尤其当你考虑从模拟反复开始，经过稳态，瞬态发动机，最终到达汽车使用阶段。我们经历的那种循环越多，我们就越能通过发动机设计，发动机控制和先进的潜能将后处理与发动机结合。
图5
：
NOx还原经燃烧和后处理的发展轻型卡车/越野车平台
而实现第二级，尤其当破坏传统的NOx折衷方案曲线时，找出这种氮氧化物权衡曲线仍然停留在上述每个单独的转折点显得很重要。氮氧化物/燃油经济性权衡曲线仍然以同样的方式存在。我们可以在曲线上标出氮氧化物从7级到3级的变化情况，以显示出：当氮氧化物减少时FTP-75的燃油经济性也减少到同样的水平。内在的燃油经济复苏潜力的确认是很重要的。在发展思路的每一步，燃油经济性下降的原因都被确认，并且记录在下面的循环中。
因此，对于2002年第2级6级水平，FTP
75的燃油经济性为：轻型卡车每加仑行驶20英里。在2003年，虽然我们有燃油经济性和氮氧化物的综合，但我们现在可以在没加仑同样里程数的情况下达到第2类第5级的水平。这表明在同样的燃油经济性条件下，氮氧化物的排放量比以前减少了55%。反过来说，如果我们保持相同的氮氧化物，以2003年确定的排放标准，燃油经济性可以增长到没加仑行驶20.5英里。或者，我们可以将氮氧化物的排放量有效的减少到第2类第3级标准，这相当于在燃油经济性减少最少的基础上将氮氧化物排放量减少了70%以上。有这样一个信息：经过发动机不断的发展，燃油经济性不断的提高，因此进一步减少氮氧化物的排放量不会对燃油经济性产生多大不利的影响。如果我们把乘用车平台作比较，这些结果可以被进一步说明，前面的结果已经有所呈现。我们有和轻卡相类似的路线图，区分两种体制：一种是发动机具有氮氧化物外排和FTP-75粉末的，另一种是与瞄准第2类第5级的后处理系统相结合的。在这种情况下，发动机外轮廓在没有后处理的情况下被提炼到一个更加清洁的水平：氮氧化物0.4g/mi和0.5g/mi。通过一个烟尘催化过滤器，FPT-75在没有任何氮氧化物后处理的情况下实现了第2类第8级水平。以尿素为基础的SCR技术的应用减少了V，并且氮氧化物和微粒达到第2类第3级水平，同时不存在氨滑移。这些结果显示在表6中。
随着发展思路的提升这个项目显示了燃油经济性产生的重大进步，同时在燃油经济性不受损害的情况下氮氧化物排放量有初步降低。第2类第5级结果是在67mpg的混合经济，这是FTP-75和高速路燃油经济的结合。这清晰的显示出当利用合成分析和实验方法时，燃油经济如何得以提高。
图6
：客运车平台的综合排放削减路线
总结和结论
总之，这个项目利用综合柴油机和具有含SCR系统的催化过滤器后处理及技术来说明轻卡SUV和乘用车平台的第2类第3级排放。第2类用来说明超过US06循环的轻卡平台和FTP-75结果。用同样的汽车做测试，这比轻型汽油机卡车高出41%的燃油经济性。排放量的减少首先归功于先进的燃烧技术，并且通过在没有活跃的氮氧化物后处理的情况下实现第9级氮氧化物排放和PM水平实现的。尿素喷射控制策略是取得良好排放的首要原因，它在最大程度减小氨滑移的同时最大程度的减小了氮氧化物排放量。
同时，总的来说，短时间内轻卡和乘用车实现第2类第3级排放的核心原因是综合测试和分析的发展策略。考虑到司机们都看重一项技术的商业潜能，要求发动机后处理综合来降低后处理系统的复杂性就必须使这项技术有更大范围的实用性。该项目发展的一个重大障碍是考虑到复合模式的燃烧策略，并且把尿素还原剂喷射策略和过滤器换代策略融合在一个ECU中，我们需要精密的控制技术。
这是我们需要一些必须的例如在15PPM水平以下的少硫燃料和SCR尿素还原剂。我们相信能在关键工作领域用尿素还原剂，而这又将为轻工作的发展奠定基础。我们需要重点考虑的是第2类水平和测量技术的排放多样性，后处理的有效寿命和设备多样性，以及在预言长期排放中这两者的结合起着重要作用。处理低排放发动机的结果时数据分析是很必要的。
最后，因资源有限，高风险和短期性，综合分析和实验方法有着重要有用，是绝对必要的。其最关键的是基础的动力数据，因为它将这些数据与理论结合，并且将发动机与后处理技术结合。因此，暂态时的后处理设备对整合设备和进一步简化它们起着重要作用。
致谢
我们真诚地感谢FreedomCar汽车技术研究室，以及DDC轻卡项目主任John
Fairbanks和DDC后处理项目主任Ken
Howden的支持。
附录B
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