国三国四排放发动机用涡轮增压器概述

Technicalsummarizeofturbochargermeeteuro3euro4engineemissionsstandard

国三、国四排放发动机用涡轮增压器

技术概述ShouguangKangyueTurbochargerCo.,Ltd寿光市康跃增压器有限公司2009.04.18EuroIIIwasthestartofseriousemissionsreductions.InitialreactionsfromEuropeanenginemanufacturersinthe1998-1998timeframewasthattheywouldneedtoimplementEGR.EGRwasseenaseffectiveatNOxreduction,buttheimpactonenginelifewasextremelyconcerning.AlotofexperiencewasgainedbyEuropeanmanufacturerswithEGR,buttheywereallabletomeetEuroIIIwithoutEGR.Basiccombustionimprovementwassufficienttomeettherequirements.欧3标准是更严格排放的开始。在1998年至1998年期间欧洲发动机制造商最初意识到需要实施废气再循环。废气再循环能有效减少氮氧化物的排放，但与发动机的寿命是极为相关。一些有丰富的经验，获得废气再循环技术的欧洲制造商，他们都能够满足欧洲III无废气再循环。基本燃烧改善足以满足发动机的需求。SeriousresearchonalternativecombustionschemessuchasHomogeneousChargeCompressionIgnition(HCCI),Pre-mixedChargeCompressionIgnition(PCCI),LowTemperatureCombustion(LTC)beganatthistime.Inaddition,NOxreducingafter-treatmentresearchwassignificantlyincreasedresultinginsignificantimprovementinLeanNOxTraps(LNT),SelectiveCatalyticReduction(SCR),andLeanNOxCatalysts.认真研究替代燃烧的计划，如均质充气压缩点燃方式（HCCI燃烧），预混合混合燃烧（PCCI），低温燃烧（中校）开始使用。此外，处理后氮氧化物减少有了很大的改善，氮氧化合物捕集器（LNT），选择性催化还原（SCR），氮氧化物和精益催化剂。Ataboutthesametime,theDepartmentofJusticeintheU.S.determinedthattheadvancedelectroniccontrolsthatU.S.manufacturershadimplementedtomeet1998standardsviolatedtheintentofthelaw.Manymanufacturersweresuedandreachedanout-of-courtsettlementwiththeEPA(referredtoastheConsentDecrees)whichrequiredthemtomeet2004standardsin2002,ANDwithoutanytransientcontrolsthatcouldbeviewedas“cycle-beating”.Thisshortenedtime-framecombinedwitharequiredswitchinstrategycausedsignificantupheavalintheindustry.MostenginemanufacturerslaunchedEGRsystemsforthefirsttimeinthisperiod.TheylearnedtocontrolthepressuredifferentialacrosstheenginetocontrolEGRflow,aswellaslearnedabouttheeffectsofEGRonenginelife.TheylearnedtheboundarieswherecondensationcouldoccurintheexhaustandEGRsystemsformingnitricandsulfuricacidwithintheengineresultingincorrosion.与此同时，美国制造商已经实施了先进的电子控制，并能达到1998年标准，但是美国司法部提出，该系统违反法律。许多制造商被起诉，并达成了庭外和解与EPA（称为同意法令），要求他们在2002年能够达到2004年的标准，被认为是“周期挫败”的发动机行业并没有做出任何的控制措施。在这个如此短的时间内，需要有一项体系来结合，成为业界的一个重要事宜。在那个时机初期，大多数发动机制造商推出废气再循环系统。他们学会了控制压差，他们学会控制横跨引擎的压力差控制来达到对EGR废气再循环流量的控制，以及了解EGR对发动机寿命的影响。他们的经验教训表明，在哪里可能发生的排气系统和废气再循环形成硝酸和硫酸的发动机造成腐蚀。EuroIVwasnotassevereinNOxreduction,butmoresubstantialinparticulatereduction.Manymanufacturerslauncheddieselparticulatefilters(DPF)inthisperiodandlearnedtodealwiththeproblemsofactiveregeneration,sootloadmodelingandsulfurpoisoning.欧IV并不是使氮氧化物减少，但大量减少了的微粒的排放。在此期间许多制造商推出柴油微粒过滤器（柴油机微粒过滤器），并了解了如何处理处理烟尘负荷建模和硫中毒等问题。U.S.2007and2010areextremelystringent.US07couldbemeetwitheitherEGR+DPForSCR+DPF.US10requireseithermassiveEGRorEGR+SCRforNOxreduction.US10cannotbemetbySCRalone.美国2007年和2010是非常严格的。US07标准可满足带有废气再循环+柴油机微粒过滤器或可控硅+DPF。美国07要求要么使用大量废气再循环系统要么使用废气再循环+晶闸管的NOx还原系统。美国10不能与SCR独立使用过去10年柴油机在减少排放方面做得工作CourtesyofTimJohnson,Corning,Inc.NOx&PM是焦点对美国来讲2010年也是困难的EuroHeavy-DutyEmissionRegulations欧洲重型排放规则EuroIstandardswereintroducedin1992,EuroIIregulationsin1996,bothusingthesteady-stateenginetestECER-49In1999,theEUintroducedEuroIIIstandards(2000),aswellasEuroIV/Vstandards(2005/2008)欧I标准开始使用是在1992年，欧II是在1996年开始使用，两个标准被欧洲经济文员会R-49用作发动机稳定测试在1999年欧洲引进欧III标准（2000年），同时连同欧IV/V标准（2005/2008）WithEuroIII,ECER-49wasreplacedbytheEuropeanStationaryCycle(ESC)andtheEuropeanTransientCycle(ETC).SmokeopacityismeasuredontheEuropeanLoadResponse(ELR)test.欧III,ECER-49被欧洲固定式周期(ESC)和欧洲瞬变周期(ETC)替代，烟雾的不透明性被作为欧洲装载反应(ELR)测试的标准。In2001,theEuropeanCommissionprohibitedtheuseofemission“defeatdevices”and“irrational”emissioncontrolstrategies在2001年，欧共体禁止使用“受损装置”和不合理“排放等控制战略In2005Directive2005/55/ECintroduceddurabilityandOBDrequirements2005/55/EC指令，2005年推出的耐用性和车载诊断系统的要求InDecember2007,theCommissionpublishedaproposalforEuroVIemissionstandards[COM(2007)851].Thenewemissionlimits,comparableinstringencytotheUS2010standards,wouldbecomeeffectivefrom2013/2014.在2007年12月，委员会发表了一份提案，欧VI排放标准[COM（2007）851]。新的排放限度，与US2010标准同样严格，该提案会从2013/2014年开始正式生效EmissionsTechnologiesManyNewEmissionTechnologiesHaveBeenDeveloped:许多新的排放技术已经被应用NewCombustionProcesses新的燃烧过程:HCCI均质充气压缩点燃方式,PCCI预混合混合燃烧,LTC低温燃烧…HigherInjectionPressures高压喷射,RateShaping调整速率,MultiplesInjections混合喷射ExhaustGasRecirculation(EGR)排气再循环HighPressureLoop高压循环LowPressureLoop低压循环SelectiveCatalyticReduction(SCR)选择性催化还原LeanNOxTraps(LNT)降低氮氧化物的捕集器DieselParticulateFilters(DPF)柴油颗粒过滤器DieselOxidationCatalysts柴油氧化催化VariableValveActuation(VVA)可变气门AdvancedCombustionTechnologiesManyadvancedcombustionmodeshavebeeninventedwhichproducealmostnoNOxandParticulateMatter.TheyaresimilarwhenlookedatwithregardstoLocalEquivalenceRatio(Stoichiometricair/fuelratiodividedbytheactualair/fuelratio),andtheLocalCombustionTemperature.许多先进的燃烧方式已经发明，这些燃烧方式几乎没有产生氮氧化物和颗粒物质。这些方式非常相似，如，地方量比（计量空气/燃料比除以实际的空气/燃料比），当地燃烧温度。Ingeneral,thesecombustionmodescanbemadetoworkinalimitedoperatingrange,usuallylowloadandlowspeed.Workison-goingtoexpandthisoperatingenvelope.Heavy-Dutyemissionrequirementsarequitestringentatallload/speeds,especiallyfullload.Alternativecombustionmodesareoflimitedvaluewhenotherfull-scalesystemsneedtobeimplementedforfullloadandspeed.总的来说，这些燃烧的方式，可在有限的操作范围内工作，通常是低负荷和低速.及其持续运转。重型排放要求是相当严格的在所有负载/速度，特别是满载。替代燃烧模式的能量有限时，其他全系统必须执行满负荷和速度。Light-Duty(orpassengervehicle)emissionsaregenerallyonlystringentatmodestloadsandspeeds,withverylittlecontrolrequiredatfullload.Alternativecombustionmodesareveryvaluablewhendevelopedtothepointofcoveringthemainoperatingpointsofthelight-dutycycle.轻型（或客运车辆）排放量在负荷和速度上要求非常严格，很少要求满载。当轻型车辆发展到了覆盖该行业的时候，选择性燃烧模式会非常有价值。DilutionisKeytoNOxAirAir—DilutedwithEGRTheEPA’sresearchhasshownthatiftheoxygenconcentrationcanbereducedfrom22%(normalair)toabout12%,NOxcouldbereducedtoultra-lowlevels.ExhaustGasRecirculation废气再循环105210.50.2NOxg/kW-hrNOxisFormedExponentiallyCombustionTemperatureNOx=f(eT)氮氧化物形成指数燃烧温度ImprovedCombustionHigherInjectionPressure,SplitInjection,RateShapingLowerNOx高级喷射压力，分流进样，速率整形下氮氧化物ExhaustGasRecirculationDilutionwith“Inert”ExhaustGasLowersCombustionTemperature稀释的“惰性”尾气降低燃烧温度IncreasingEGRisHighlyEffective增加废气再循环是非常有效的CommercialVehicle商用车8-12%atFullLoadin200218-22%atFullLoadin200726-35%atFullLoadin2010PassengerVehicle乘用车20-25%atPartLoadin200235-45%atPartLoadin200640-55%atPartLoadin2009SelectiveCatalyticReductionSCRRequiresInjectionofAmmonia(on-boardUrea)ontoCatalystforupto80%NOxReductionSCR选择催化还原装置，要求在装置上注入氨（车载尿素产生）还原剂，能达到NOX减少80%的效果ImpactofEGRTheimpactofEGRonTurbochargersisthedominantTechnologyRequirementofthepast10years增压基础的排气再循环技术在过去10年中是非常有优势的技术要求EGRincreasestheamountofgasflowingthroughtheengine,whichsignificantlyincreasesthepressureratio,andthustherequiredturbochargerspeedEGR增加了发动机气体流量，显著提高了压比，而且也因此要求增压器转速提高。EGRincreasestheflowrangerequirementofthecompressor(surgetochokeflow)EGR增加了增压器压气机的流量范围（从喘振到阻塞区）AsEGRratesincreasebeyond20%atfullload,and35%atpartload,therequiredefficiencyoftheturboincreasessignificantlyEGR率在全负荷超过20%，在部分负荷超过35%，对增压器的效率要求显著增加。Manyturbochargercompanieshavehadtogotomultipleturbochargerstomeettherequirements:Series,Series-Sequential,andSeriesParallel许多增压器公司不得不采用种类繁多的增压器来适应新要求，包括系列化，顺序连续增压，顺序并列增压等。SomeTurbocompanyhasdevelopedtheLowSpeedTurbo(LST)andtheSeriesSequentialTurbo(SST)assingleturbochargerswithmulti-turbocapability某些增压器公司曾开发过低速增压器和顺序连续增压作为单个增压器拥有多个系列增压能力。单个的低速增压器单个的连续增压器HighPressureLoopEGREGRmustbepumpedthroughtheengineasistheairThedensityat“4”mustbehigherifthetotalflowishigherApressuredropfrom“5”to“4”mustexistforEGRtoflow废气再循环泵必须通过发动机的空气，密度在“4”必须更高，如果总流量高

压从“5”降到“4”，当中必须存在的废气再循环过程EGRdoesnotflowthroughthecompressororturbine,buttheturbinehastoproducemorepowertopumpthetotalgasflowthroughtheengine废气再循环不流经压缩机或涡轮机，但是涡轮必须产生更多的能量，促使所有气体流经发动机GoodchoiceHeavy-DutyEngines重型卡车的选择(PointoutthekeyelementsofahighpressureloopEGRsystem指出在高压废弃再循环系统中的主要因素)Abbreviations缩写:A/Caircleaner空气滤清器A/Tafter-treatment后处理设备Vvalve阀门Mmuffler消声器Athighloadsandspeeds,thenegativepumpingworkimposedbythenecessaryEGRpressuresislessthanwhatwillbecausedbyaLowPressureLoopEGRsystem,andthusHPLwillhavebetterfueleconomythanLPLEGR.在高压和高速情况下，HPL比LPL废气再循环有更好的燃油经济性Atlowloadsandspeeds,highEGRratesrequirealargenegativepressuredifferentialacrosstheengine,whichisaseverefueleconomypenalty.LowpressureloopEGRismoreefficientatlowloadsandspeeds.在低负荷和低速下，高废气再循环率在经过发动机时需要一个很大的负压差，这是一个严重的燃油经济性问题。在低负荷，低速情况下，低压回路废气再循环效率更高。LowPressureLoopEGRLowPressureLoopEGR低压废气再循环AvoidstheneedforanegativedPacrosstheengine避免负压经过发动机的需要Excellentchoiceforupto50%loadEGR(lightdutycycle)是提高废气再循环功率50%的完美选择（轻型循环）Goodchoiceforpassengervehicles,poorchoiceforH-D对乘用车是好的选择，对重型车是不好的选择ForHeavyDuty,ProblemsArise

对于重型，容易出现的问题：Contaminationofairsystemw/sootAcidiccondensationinairsystemTimelaginEGRcontrolMuchbiggerturbochargerSignificantincreaseinpumpingloopworkresultinginfuelconsumptionpenalty污染的空气系统W/烟灰

空气中的酸性冷凝系统

时间滞后的废气再循环控制

更大的涡轮增压器

大幅度增加循环泵的工作造成了燃料的消耗量增加AlthoughtheDPFis99%efficient,runningEGRthroughtheintakesystemstillhasrisksofcontaminationwithsoot,aswellasacidiccondensation.尽管柴油机微粒过滤器的效率高达99％，但废气再循环通过进气系统仍然有烟尘污染，以及酸性冷凝的风险。DieselenginesrunleansoEGRcontainssomeexcessO2柴油发动机废弃再循环包含过多的氧气Therefore,alower“fresh-air/fuel”ratiowillyieldthesameO2/fuelratio因此，较低的“新鲜空气”比率将产生同样的O2/fuelEffectofHighPressureEGRontheCompressorEGRshiftstheoperatinglineEGR工作流程图ConstantA/FKeepingConstantA/Fsignificantlyincreasesboostpressure(andturbospeed)A/F参数的稳定能提高压力和涡轮速度OptionstoDriveEGRManywaysofdrivingEGRhavebeentriedandputintoproduction多种方式的废气再循环已经被试用并投入生产

Variablegeometryturbine可变几何涡轮ClosingthevanesraisesthebackpressureontheturbineproducingmorecompressorpowerandalsopushingthedPmorenegative关闭叶片能提高涡轮背压，生产出更多的压气机能量同时，也能推动Venturi文丘里管Aventuriisusedtoreducethestaticboostpressuretoallowtheturbinegastoflow文丘里管是用来减少静态压力，避免涡轮废气流动ReedValve簧片阀Ahighlydynamicone-wayvalveisusedtoallowthepeakoftheexhaustpulsetodriveEGRduringaportionofeachcylinder’sexhauststroke一个高度的动力阀是用来在每个气缸的排气冲程过程中，允许在排气脉冲的最高点推动废气再循环运转Asymmetricaldividedturbine不对称分开涡轮Atraditionaldividedturbinehousingisused,buteachpassagehasadifferentflowcharacteristic(A/r).EGRisdrivenfrom3cylindersandtheotherthreedonothavethehighbackpressure一般使用的是传统分开涡轮壳，但是每一个通道有不同的流动特征，废气再循环有三个汽缸推动，其他的三个并没有高背压Turbo-compound涡轮混合物Additionalworkisdonebytheturbineorbyaddingasecondturbine.Thisworkisusedtoaddtothebrakepoweroftheengineortoaddtotheelectricaloutputofthegenerator涡轮或者增加的第二个涡轮做一些附加的工作，这项工作主要是增加发动机的制动能量，或者增加发电机的电力产能A-SymmetricalDividedHousing不对称分开涡壳EGRcanbedrivenfromonebankofcylindersusingadifferentA/r

废气再循环能推动汽缸层使用不同的A/rThenon-EGRcylindersusealargerA/r,reducingthebackpressureonthosecylinders非废气再循环汽缸用一个巨大的A/r,减少了在这些汽缸上的背压EliminatestheVGT排除VGTCanbecombinedwithaventuri能同文丘里管相连接TurbineHousingCross-Section涡轮壳截面AdividedturbinehousingwithdifferentA/rforeachsidecanresultindifferentback-pressureforthefront3cylindersthantheback3cylinders.ThismethodcanbeusedtoraisethebackpressureforabankofcylinderstotheappropriateleveltodriveEGR.ThistypeofsystemcanbeusedtodriveEGRwithoutusingaVGT.ThelevelofEGRislimitedcomparedtoaVGTsystem.一个分开的涡轮壳在每边都有不同的A/r，这些能从前面的三个汽缸带来与后面的三个汽缸不同的背压。这种方式被用来提高气压的背压，使其适用于推动废气再循环达的需要。这种系统在没有用VGT的情况下依然可以推动废气再循环。废气再循环的水平与VGT系统相比是有限的。ElectricActuation电动执行器Advantages优势ClosedLoopPositionControlWithinActuator闭环位置控制驱动FastResponse快速反应PositionFedBacktoECUforDiagnostics位置反馈到ECUZ诊断故障StandardDigitalControlInterface(CAN)标准的数字控制接口HighAccuracyofActuatorPosition高精确度的驱动器位置Self-Contained,NoAdditionalPowerSourcesRequiredOtherthan12V自成一体的，超过12V，不需要额外电源Disadvantages缺点Cost费用高ElectronicsExposedtoVeryHighTemperatureandVibration电子接触非常高的温度和振动ControlofActuatorPosition,notVGPosition(ErrorduetoMechanismWear,Backlash,EndStopVariation)控制驱动器的位置，而不是VG位置（由于机器磨损，反弹等造成的误差）MechanicalElementsCombinedwithElectronics(FlexingandDistortion,WearParticles,Self-Heating)机械元素结合电子（屈曲和畸变，磨粒，自加热）Thelevelofintelligenceintheactuatorcanbeloworhigh,dependingonthechoiceoftheturbomanufacturerandenginemanufacturer.ControloftheVGTcanbedelegatedtotheactuatorwithonlyadesiredpositionfedtotheunit.Theactuatorcanprovideclosedloopcontrolofthevaneposition.ThevanepositioncanbefedbacktotheECUaswellasdiagnosticinformation.Theactuatorcanhavesoftwarecontrolledendpoints,withlearningbytheactuatorinservice.执行器的执行力可以高或低，这取决于所选择的涡轮增压器制造商和发动机制造商。VGT的控制可能会通过在适当位置的执行器反馈到产品中。该执行器可提供闭环控制的叶片位置。叶片位置可反馈到电控单元并诊断信息。执行器可以有软件控制端点，通过执行器的服务来了解。Alternatively,nointelligencecanbeincludedintheactuatorandthefullcontrolfunctionbeaccomplishedbytheengineECU.相反的，没有良好执行力水平的执行器包括在执行器和控制发动机功能的ECU当中VacuumActuation真空脉冲Advantages优势Inexpensive(ifVehiclehasVacuumPump)廉价(如果车辆带有真空泵的话)FastResponse快速反应SimplePWMSignal简单的脉冲调制NoElectronicsRequiredonEngine在发动机上没有电子需求Disadvantages缺点NoVanePositionFeedback没有定位反馈LessAccurate不准确NoDiagnosticInformation没有诊断信息RequiresVacuumPump需要真空泵VacuumActuationwithPositionFeedback带有定位反馈的真空脉冲Advantages优势Inexpensive(ifVehiclehasVacuumPump)廉价(如果车辆带有真空泵的话)FastResponse快速反应SimplePWMSignal简单的脉冲调制Disadvantages缺点RequiresVacuumPump需要有真空泵ECUMustCloseLooponPositionECU在位置上必须靠近回线MultipleWiringandVacuumConnections多重线路和真空连接PositionSensorExposedtoHighTemperatureandVibration传感器的位置容易引起高温和振动BasicBoostControlSimpleboostfeedbacksystem,butnovanepositioncontrol简单的推动反馈系统，但是没有叶片位置控制ThesimplestVGTcontrol,anactuatormovesthevanesmoreclosedtoraisetheboost,moreopentolowertheboost.Aboosttableiscreatedforallspeedsloads,andaspeedsignalandaloadsignalisfedtotheECU.Theloadsignalcanbeanythingthatisrepresentativeofload—acceleratorposition,fuelflow,torque,etc.最简单的VGT控制，执行器推动叶片…….推动盘能产生所有的速度负荷，速度信号和负载信号都会反馈到ECU,这个负荷信号可以是任何具有代表性的负载-加速器位置，燃油流动，扭矩等Verysimpleandeffective,however,notrobusttovariationortolerantoffaults.Verylittlediagnosticinformationisavailablefortroubleshooting非常简单和有效，然而，这些变化和误差并不稳定，对那些故障很少提供诊断信息。VanePositionControlinActuatorActuationcontrolsvanepositionwithinternalfeedback驱动控制叶片位置的内部反馈Thiscontrolhastheaddedfunctionalityofcontrollingvanepositionasanintermediatevariable.Unfortunately,verylittlevalueisderivedfromthis.AddedDiagnosticsActuationcontrolsvanepositionandpassessignaltoECU驱动控制叶片位置和传送信号给ECUThevanepositioniscontrolledasanintermediatevariableandtheactualpositionpassedtoadiagnosticmodule.Whentheboostpressuredoesnotmeettheboosttarget,useofthevaneposition/vanepositiontargetcanaidcorrectdiagnosisofthefault.Ifchangestothevanepositiontargetdonotresultinachangeinvaneposition,thereisafaultwiththeVGT.IftheVGTisattheendofit’stravel,whenitshouldnotbe,orthevanepositionfollowsthetarget,thefaultmustbeelsewhere—boostconnections,failedEGRvalve,failedturboCHRA,failedboostsensor,etc.叶片的位置是由可变数据和实际诊断的数据控制，当推动压力没有达到推动点时，叶片位置/叶片位置点也会发生不准确的诊断。如果叶片位置点的改变并没有带动叶片位置的改变，那么VGT肯定有故障，如果VGT随着变动，叶片位置随着叶片位置点变动，那故障发生在其他地方，如助推器连接点，EGR阀门，涡轮中间体，传感器等。

AdvancedControlSystemforVGTurbo

VG涡轮控制系统的优势OpenLoopFunctionActsasIntegralTerminPIDTurboSpeedLimitsSpeedsensoriscascadedinvanepositioncontroltoincreasestabilityandlimitturbospeed速度传感器是叶片位置控制提高稳定性和涡轮限速的重叠Whenaspeedissensorisinstalledintheturbochargerandfedintothecontrolsystem,itcanbe“cascaded”inthecontrolfunctionasanintermediatevariable.Mostofthetime,theturbospeedfunctionsasadummyvariable,withlittleimpactontheoverallcontrol.However,limitsonturbospeedcanbeusedtopreventthecontrolsystemfromaskingforaturbospeedthatis