燃燒技術(shù)
在改善燃燒效果最顯著的燃油噴射系統(tǒng)中，“高壓噴射”和“噴射自由度”已成為目前噴油系統(tǒng)的重要手段。共軌式噴油系統(tǒng)已進(jìn)入第二代，在180℃A以上的噴油期可變范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)160-180MPa的噴油壓力和5次多級(jí)噴射。今后，通過共軌式噴射系統(tǒng)各部分強(qiáng)度的提高以及降低漏油量等措施，有望實(shí)現(xiàn)200MPa以上的高壓噴射。今后改善燃燒有預(yù)混合燃燒和低NOx燃燒等方法，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒，采用可促進(jìn)預(yù)混合的多段噴射與切換燃燒方式等措施，要求具有更高的噴射自由度。此外，因高EGR和低NOx燃燒，作為進(jìn)氣中O2濃度大幅度降低狀態(tài)下的黑煙對(duì)策，必須考慮進(jìn)一步提高噴射壓力。另一方面，噴油系統(tǒng)與后處理技術(shù)的結(jié)合也很重要，NOx吸附還原催化器需要與DPF不同的后噴射模式。在加強(qiáng)噴射自由度和高壓噴射的同時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)把“燃燒方式的更改”、“與后處理的結(jié)合”等概念增加到新的關(guān)鍵詞中。要控制均勻預(yù)混合氣的壓縮著火燃燒，必須對(duì)影響支配燃料氧化的化學(xué)反應(yīng)的著火前溫度歷程和缸內(nèi)氣體組成及熱容量等非常難處理的物理量進(jìn)行控制，預(yù)計(jì)必須以前所未有的規(guī)模使傳感器和控制單元的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。而神本等人提出的“預(yù)混合燃燒”避開了在火焰溫度和當(dāng)量比(T—Φ)圖上的NOx和碳煙生區(qū)域進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)了超低排放。此外，熱效率的提高也是重要的因素。美國環(huán)保署(EPA)提出的“清潔柴油機(jī)燃燒”和英國Ricardo研究所提出的“ACTION”理念是把氣缸內(nèi)的O2濃度降低到11%-14%，在不降低燃燒效率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)降低NOx排放90%。為實(shí)現(xiàn)這一理念，要在不增加油耗的同時(shí)兼顧增壓和高EGR，就要以低壓縮比、兩級(jí)增壓、電動(dòng)壓氣機(jī)和低壓回路(LPL)EGR等技術(shù)為前提，最基本的是EGR+空氣量控制以及為抑制碳煙生成促進(jìn)燃料和空氣的混合。另一方面，預(yù)混合柴油機(jī)燃燒是以燃料的噴油期和燃燒期不重疊、不引起擴(kuò)散燃燒為目的(即非均質(zhì))的燃燒方式。在上止點(diǎn)前較早進(jìn)行燃油噴射，或是在膨脹行程進(jìn)行燃油噴射以充分確保著火延遲，降低排放的潛力會(huì)很大。
進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)的可變技術(shù)以及在排氣和進(jìn)氣行程上止點(diǎn)氣門的負(fù)重疊可以控制殘留廢氣，作為抑制熱效率惡化、直接控制預(yù)混合燃燒的條件而引人注目?，F(xiàn)已開始嘗試使燃燒前的溫度或者混合氣濃度有目的的形成不均勻場(chǎng)，以抑制放熱峰值。
增壓技術(shù)
增壓技術(shù)除謀求拓寬壓氣機(jī)的流量范圍以提高效率外，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的高扭矩、高功率，還采用了放氣閥。實(shí)際車輛還采用可變截面渦輪增壓器(VGT)。采用EGR閥和VGT實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制進(jìn)氣量和EGR率技術(shù)與高壓燃油噴射技術(shù)一起成為降低排放的主流技術(shù)。從2009年日本新長(zhǎng)期排放法規(guī)和美國2010年排放法規(guī)對(duì)排放的限制來看，NOx排放必須降低，EGR將成為更加重要技術(shù)。要想增大EGR率，要確保壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，也要求渦輪在具有高效率的同時(shí)必須進(jìn)一步提高壓比和制定喘振對(duì)策，在部分高功率發(fā)動(dòng)機(jī)上還考慮開展兩級(jí)增壓。隨著冷卻EGR的放熱量和高增壓中冷器放熱量的增大，冷卻技術(shù)的提高也勢(shì)在必行。需降低球軸承等引起的摩擦，同時(shí)正在開展采用鈦合金葉輪實(shí)現(xiàn)高效高壓比、低慣性等研究。在過渡運(yùn)轉(zhuǎn)工況作為補(bǔ)充空氣不足的手段，可采用電動(dòng)壓氣機(jī)和電動(dòng)渦輪增壓器等措施。
降NOx催化器的未來
因輕油含硫引起NOx吸附還原催化器硫中毒，定期去除硫酸鹽的脫硫處理工序是必要的?，F(xiàn)在日本國內(nèi)可以使用硫含量小于10×10-6的低硫燃料，DPNR系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用于商用車。作為分解并還原吸附的NOx還原劑，與輕油等碳化氫相比，CO和H2更有效。使用從輕油中生成H2和CO的燃料改質(zhì)器的NOx吸附還原系統(tǒng)，利用氧化反應(yīng)升溫，并在濃混合氣(無氧狀態(tài))環(huán)境中生成H2和CO。該裝置必須把溫度升高到催化器的燃燒溫度，因此其升溫響應(yīng)性也成為研究的課題。假如能在低溫狀態(tài)下使輕油著火，低溫區(qū)域的NOx降低率將會(huì)得到極大改善。使用毒性較低的尿素水作為還原劑的SCR系統(tǒng)的實(shí)用化得到不斷發(fā)展。SCR催化器除采用沸石基催化劑外，還在研究采用成型的釩基催化劑，但有毒的釩等貴金屬，高溫時(shí)的穩(wěn)定性會(huì)降低，在日本沸石基催化劑得到實(shí)際應(yīng)用，SCR系統(tǒng)噴射的尿素水在生成氨的過程中可能出現(xiàn)產(chǎn)生副生成物的問題，必須確認(rèn)排氣中是否有因尿素產(chǎn)生的排放法規(guī)未規(guī)定的物質(zhì)。
DPF系統(tǒng)
為提高DPF的PM捕集性能，采取了細(xì)孔結(jié)構(gòu)更加致密、降低通過濾清器時(shí)的廢氣流速等對(duì)策。但其引發(fā)的負(fù)面影響是壓力損失上升。為此，研究蜂窩狀等表層過濾方式，且正在探討深層過濾方式的DPF系統(tǒng)。為提高DPF再生效率，考慮使用專用熱源。另外，通過采用不使廢氣全部通過的廢氣旁通(多個(gè)并列配置的DPF的切換方式)方式也引起了關(guān)注。正在研究的利用低溫等離子的DPF再生，有可能實(shí)現(xiàn)在全氣流條件下的高效率再生。有效地集成DPF和NOx后處理裝置、實(shí)現(xiàn)小型化至關(guān)重要。把NOx吸附還原催化器融合在DPF中的DPNR系統(tǒng)就是一個(gè)選擇。
