减排与发展双赢之路基本实现_Bluetec柴油轿车超低减排之路(下)
范明强 (本刊专家委员会委员) 教授级高级工程师，曾任中国第一汽车集团公司无锡研究所发动机研究室主任、湖南奔腾动力科技有限公司轿车柴油机项目部总工程师、无锡柴油机厂高级技术顾问和多所高校客座教授。四十余年车用发动机研发经验，曾先后主持过多种机型的开发工作和国家“八五”重点科技攻关项目――“汽车发动机电子控制技术”，荣获国家重大科技成果奖、国家科技进步二等奖和汽车工业科技进步二等奖，并出版《汽车发动机电控汽油喷射技术》和《现代汽车电子控制技术和装置》等专著。
(接2009年第12期)
3、排气后处理
在开发NO后处理的Bluetec策略过程中曾对以下3种还原技术进行了试验研究和评估：
HC降NO法，在合适的催化器中利用废气中的HC成分还原NO；
存储式NO催化器，在正常运转的稀混合汽状态下NO被涂层中的贵金属吸附，当将达到吸附极限时，通过在膨胀行程中后喷燃油，短暂进入浓混合汽状态，使排气中产生足够的还原剂(如HC、CO、H2等)，将从贵金属中析出的NO还原，使存储式NOx催化器“再生”；
SCR(选择性催化还原)系统，借助于附加喷射AdBlue――尿素水溶液，利用其释放的氨(NH3)作为NO的还原剂。
图8示出了各种NO还原方法的评价结果。就其NO转化效率而言存在着明显的差异：
HC降NO法仅具有非常窄的起作用温度窗口和相对较低的NO转化率；
存储式NO催化器覆盖了明显较大的温度范围，但是要比SCR系统易于老化；
SCR(选择性催化还原)系统不易老化，而且在所有应用场合都呈现出最大的转化潜力。
3.1带前置存储式NO化器的排气装置
图9示出的Bluetec系统排气装置从2006年10月开始用于美国E320 Bluetec车型上，而从2007年12月开始用于欧洲E300 Bluetec车型上。它包含有一个近发动机氧化催化器和紧接其后的前置存储式NO催化器，颗粒捕集器则位于汽车地板下，而在这些装置的末端还装备了一个SCR催化器，它涂有一种特殊的SCR涂层，以进一步改善NO的还原，并确保整个装置的长期稳定性。
在存储式NO催化器中，与存储氮氧化物相似也会积存硫氧化物，而且硫酸盐的吸附甚至比硝酸盐还要牢固，因此用存储式NO催化器还原NO的前提条件是可应用到无硫柴油。但是，由于现在市场上应用的柴油中虽然很少但仍然存在硫，存储式NO催化器中的存储位置会慢慢地就被硫酸盐所占据，因此存储式NO催化器要定期实施降硫酸盐策略。此时，必须这样来选择降硫酸盐的温度、化学计量和持续时间诸参数的组合，即存储式NO催化器既不会因过高的温度而受到热损坏。而另一方面温度又必须足够高，以便将硫酸盐从存储式NO催化器上去除掉。在E320 Bluetec车型上颗粒捕集器(DPF)再生期间，这些降硫酸盐的条件都能够具备，因此实施降硫酸盐策略已成功地达到了预定目的。
图10所示的Bluetec排气装置基本配置将从2008年开始与Bin 5解决方案一样提供给美国市场的M、GL和R级车型，与Bin10／欧4排气装置相比它还需要增加一个安装在汽车地板下的SCR催化器、AdBlue配量阀和另外几个温度传感器以及为调节AdBlue配量和诊断所需的NO传感器。
3.3
AdBluc供应系统
尿素水溶液被保存在汽车上的一个特制储存箱内，并用一个输送泵从那里再输送到配量模块。众所周知，对于AdBlue配量系统，梅赛德斯一奔驰商用车为在欧洲达到欧4和欧5排放标准，从2004年起就开始应用了。当然，即使这种系统在商用车领域已有多年的使用经验，但是要应用到美国轿车上还需面对如下方面的挑战：
改善配量系统的冷启动性能；
在与颗粒捕集器组合使用时配量系统和SCR催化器的高温稳定性；
借助于NO传感器和发动机电控单元中的智能自学习软件功能优化NO还原策略；
通过配量系统和NO传感器的监测满足OBD II的法规要求；
专门用于轿车的AdBlue配量策略；
车载AdBlue储存箱的组装和加热策略；
优化AdBlue喷射后NH3在废气流中的分布。
AdBlue被存放在汽车尾部的一个单独储存箱内。根据车型的不同，该储存箱可以安置在地板上或备胎坑中。
图11示范性地表示出了AdBlue储存箱及其接口和部件。该储存箱包含有一个整体式输送模块，它由膜片泵、转换阀、4／2通阀、加热器、压力传感器和温度传感器等部件组成。
因为33％浓度的尿素溶液在262K(―11℃)时就结冰了，然而在实际使用中必须在远低于该冰点的温度下确保其性能，因此在AdBlue储存箱中有一个加热器，同样通往配量阀的输送管和所有的接头连接处都要加热。这样的结构型式，能够确保在AdBlue储存箱在完全冻透的情况下，只要汽车经过短暂行驶BAdBlue就能自行准备好。
AdBlue储存箱的再次充满属于梅赛德斯一奔驰公司常规的售后服务范围，因此用户就无须除燃油和冷却液外再接触另外一种运转介质。为了能够做到这样，AdBlue储存箱的容积是这样来设计的，即使在用户，如挂车运行有较高的负载要求而AdBlue消耗量必须较大时，也无须计划外将汽车开到售后服务站去予以补充。如果事与愿违，AdBlue数量过早地被消耗掉了，用户还可以应用一个备用充液罐进行应急加注，借助于这种专用的高压罐装置，用户就可以自行无漏气、无滴液地进行加注。
AdBlue的配量是在不连续喷射中进行的，此时SCR催化器中的氨存储器用于氨的存储，这样在两次喷射之间也可有足够的氨用于氮氧化物的还原。AdBlue的配量是由模型控制进行的，此时NO传感器被用于氨加载模型的调整。
配量模块的结构示于图12，它是空气冷却的，并具有一个不锈钢冷却体，而配量阀是通过石墨衬套散热的。系统压力为0.5MPa。配量阀本身是常规的3孔电磁阀。同时，配量阀、喷嘴与催化器之间的混合区间以及催化器中的气流必须设计得使氨在SCR催化器中能获得尽可能均匀的分布。
为了确保在整个汽车使用寿命期内整个系统的性能，该系统必须非常有效地执行其功能，并且确保催化器(氧化催化器、颗粒捕集器和存储式NO催化器或SCR催化器)以及AdBlue配量系统工作的长期稳定性。
同时，氧化催化器／颗粒捕集器系统必须设计得使NMHC(无甲烷碳氢化物)和CO至少降低到uLEV(超低排放汽车)水平，而且当颗粒捕集器中的颗粒达到极限负载量时，必须将沉积的碳烟颗粒加热，直至他们与氧一起燃烧而转变成废气为止，而这种转化再生过程必须在600～650℃废气温度下进行。最后，SCR催化器同样必须在整个使用寿命期内在规定的运转工况状态下能够达到90％以上的转化率。
为了达到如此高标准的排放品质。梅赛德斯一奔驰公司曾经在现场极端条件下进行过众多试验，其试验结果有助于证实该系统的适用性以及进一步的优化。图13示出了在美国城市标准测试循环FPT-75试验中用SCR系统还原NO的结果。在SCR催化器开始工作后大约250s后，由于NO的转化率高，整个NO原始排放几乎都能降低，同时其它对排放有重大影响的废气成分，如NMHC(无甲烷碳氢化物)、CO和颗粒等也通过氧化催化器和颗粒捕集器降低到远低于上述极限值。
梅赛德斯一奔驰公司借助于Bluetec开发出了这种关键技术，其提供的潜力使得柴油轿车能够满足全世界所有目前已生效的排放法规的要求。同时，应用附加运行介质AdBlue的SCR系统已经被证实是一种有效的解决方案――运行可靠而又长期稳定，而且Bluetec版本车型的市场售价只比普通车型稍贵些。从表2以大众公司BlueMotion车型为例所进行的价格比较中不难看出，两种版本对应车型的价格相差得并不多，但是BlueMotion车型在保证同等性能的条件下，燃油经济性和二氧化碳排放都有明显的优势。在长期使用的情况下，用户将享受到低能耗带来的实惠，而尾气排放对环境的污染程度也大大减少，因此很快受到消费者的欢迎，得到了良好的市场反应，媒体形象地称之为“蓝色天使”。下一步这种技术还将逐渐应用到其他车型系列，并已陆续推广到诸如瑞典、奥地利和英国等其他市场。(全文完)