輕型車用柴油機的減排主要技術路線

1、天津大學機械工程學院淺談轎車用輕型柴油機的兩大控制排放技術路線學生姓名 學院名稱 專 業(yè) 學 號 2015年12月31日淺談轎車用輕型柴油機的兩大控制排放技術路線摘要：通過對轎車柴油化發(fā)展史的了解，通過對國外兩種主流降低 NOx和 PM 排放的途徑，分析在我國推廣所需條件的對比，提出適合我國國/國等排放要求的技術路線及建議。關鍵詞：內燃機；轎車柴油化；降低排放；技術路線目 錄引言3一、輕型車用柴油機的發(fā)展狀況31、國外車用柴油機的發(fā)展42、國內車用柴油機的發(fā)展4二、主要污染物排放51、柴油車與汽油車的性能差異52、柴油機與汽油機排氣污染物的一般比較53、歐洲和中國排放法規(guī)對比6三、控制排放的兩

2、種技術路線及比較71、SCR路線82、EGR+路線93、國外主要生產企業(yè)產品技術路線狀況114、國內兩種路線的應用狀況11四、兩種技術路徑的發(fā)展前景11參考文獻12引言節(jié)約能源消耗、降低排放污染直至實現(xiàn)“零排放”一直是內燃機研究的最主要課題,也是推動車用發(fā)動機技術進步和不斷創(chuàng)新的主要動力。柴油機由于具有體積小、重量輕、低速扭矩和功率大、加速性好、熱效率高、油耗低、溫室效應氣體CO2排放量少、耐久性好、工作可靠等優(yōu)點在工業(yè)、農業(yè)、工程建設、交通運輸業(yè)等國民經濟以及國防建設各領域得到了廣泛的應用。過去十多年來,隨著石油資源短缺矛盾日益突出,油價不斷上漲,對控制溫室效應氣體排放的呼聲日益高漲,加上柴

3、油機高壓直噴燃燒技術、排放控制技術和電子控制技術等取得了巨大的進步,將柴油機推到了一個嶄新的技術高度,使得我們對柴油機的認識發(fā)生了根本的變化。現(xiàn)代柴油機與傳統(tǒng)柴油機相比已經發(fā)生了根本性的變化,不可同日而語,成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力,應用范圍進一步擴大,是國民經濟建設的主動力。但是，由于其特殊的燃燒方式，導致柴油機的 NOx和 PM 排放較高，在排放法規(guī)日益嚴格的今天，柴油機排放也成為制約其發(fā)展的主要因素。一、輕型車用柴油機的發(fā)展狀況毫不夸張地說,內燃機就是工業(yè)的心臟,無論對于經濟建設來說,還是對于國家安全而言,都至關重要。內燃機是將燃料在其燃燒室中燃燒產生的熱能直接轉化機械能的一種動力

4、機械,其中往復式內燃機應用最為廣泛。1885年第一輛汽油機摩托車誕生,緊接著1887年第一輛汽油機汽車面世。1893年魯?shù)婪?狄塞爾發(fā)明了柴油機,其工作原理被命名為“狄塞爾循環(huán)”,柴油機命名為“狄塞爾”。100余年來,內燃機得到了全面和迅猛的發(fā)展,目前全世界估計有10億臺內燃機正在運轉,被廣泛應用于轎車、貨車、大客車、城市公共汽車、船舶、工程機械、發(fā)電設備、農業(yè)排灌、鐵路機車及工業(yè)、礦山等領域,成為每一個國家國民經濟生活中不可缺少的動力。伴隨著全球性能源危機問題和排放污染問題的愈發(fā)嚴重,憑借著柴油機本身所固有的節(jié)能和減排方面的優(yōu)勢,車柴油化的發(fā)展已經成為了目前汽車發(fā)展,的.必然趨勢之一。1、國

5、外車用柴油機的發(fā)展目前,在汽車市場較為成熟的歐美,柴油發(fā)動機的乘用車占其銷售總量的35%。在美國,70%的交通工具采用的是柴油動力,包括飛機、輪船、鐵路及汽車;歐洲的這一比例更高。在汽車方面,美國90%的商用車使用柴油機。美國與德國的最大區(qū)別是在小汽車上較少使用柴油發(fā)動機,主要原因是美國的汽車價格十分便宜以及政府在柴油車上沒有稅收上的優(yōu)惠鼓勵等。歐洲是目前轎車柴油化程度最高的區(qū)域。根據(jù)歐盟的統(tǒng)計,歐盟主要國家的柴油轎車市場份額從1991年的16%快速增長到2003年44%的狀態(tài)。至2005年末,整個歐洲轎車市場上柴油車輛的比例已經達到49%比利時最高達到72%,其次是法國70%,西班牙68%,

6、奧地利66%。據(jù)了解,目前歐美國家100%重型車、90%輕型車采用了柴油機,柴油轎車在歐洲市場的占有率已達40%,而在德國、法國、西班牙等國更是高達50%以上。2、國內車用柴油機的發(fā)展1980年以前,中國汽車工業(yè)主要生產載貨汽車除占比例很小的重型車裝用柴油機外,其余“解放”、“東風”、“躍進”、等中型車均裝用汽油機。當時車用柴油機僅上柴135、杭發(fā)120等幾個系列品種。2002年,中國車用柴油機產量為100萬臺,客車市場柴油車占31.5%。我國柴油車生產比例1998年為26%,到 2003年生產的汽車中,99.98%的重型載重汽車,91.84%的中型載貨汽車,57.95%的輕型載貨汽車, 10

7、%的大型客車和86.82%的中型客車采用了柴油發(fā)動機。但只有14.8%的輕型客車采用柴油發(fā)動機,微型客車全部為汽油車,生產柴油轎車只占轎車生產量的0.31%(6921輛)。但到2008年商用車柴油化的比例為81.2%?，F(xiàn)在,我國生產小型高速多缸柴油機的企業(yè)約有40余家,約占我國內燃機主機生產企業(yè)(總數(shù)約200家)的20%,約占多缸柴油機生產企業(yè)(約有70家)的57%。其中,相當大比例為缸徑在80105mm,排量小于3. 5 L,功率在100 kW左右及以下,缸數(shù)以四缸為主的高速輕型柴油機。二、主要污染物排放1、柴油車與汽油車的性能差異1.1混合氣形成、點火及燃燒方式不同由于柴油的粘度大,蒸發(fā)性

8、差,自燃溫度低(約500K),需要借助噴油泵和噴油器將柴油在接近壓縮終了時,以高速、高壓的方法噴人燃燒室,所以柴油機吸人氣缸的純空氣,可燃混合氣直接在燃燒室中形成,并依靠壓縮后的高溫空氣自行發(fā)火燃燒?；旌虾腿紵侵丿B進行的,它有一個邊噴邊燃的在等壓下推動活塞運動的持續(xù)過程。這是柴油機燃燒不同于汽油機的最大區(qū)別點。1.2經濟性優(yōu)于汽油車柴油機工作時充氣效率高,負荷特性為質調節(jié)。其熱效率高(為30%-40%),燃燒熱能更多地轉變?yōu)闄C械能。同時,因有較大過量空氣系數(shù),柴油機油耗率比汽油機少30%左右。柴油機的動力性和經濟性均優(yōu)于汽油機。1.3柴油機排放污染小于汽油機柴油機是將燃油噴人大量的高溫空氣中

9、進行燃燒,CO和HC的生成量比汽油機少得多,但是因空氣過量和高溫條件生成的NOx較多,大負荷時燃燒的后期是在高溫缺氧的情況下進行,易產生碳煙。1.4柴油機的缺點： .排放的主要污染物是微粒 PM 和氮氧化物 NOx，處理技術復雜，后處理成本高。 .柴油機的強化程度高，為保證零件的強度和剛度，零件都比較笨重，在功率相同的情況下，尺寸和重量都比汽油機大。 .由于柴油的低溫蒸發(fā)不易，造成柴油機的低溫啟動性能比汽油機差一些。 .柴油機爆壓高，工作過程粗暴，噪聲振動大，需要整車在 NVH 上投入更多的工作。2、柴油機與汽油機排氣污染物的一般比較內燃機排氣有害成份隨發(fā)動機種類及運轉條件的改變而改變,就目前

10、國內的技術條件,可將四沖程汽油機和柴油機的排氣有害物作如下比較。表1 柴油機與汽油機的排氣有害成分比較排氣有害成份汽油機柴油機備注一氧化碳CO多少碳氫化合物HC多少氮氧化物NOx多中二氧化硫S02少多目前柴油含硫量高微粒碳煙少多硫酸鹽少多目前柴油含硫量高未氧化的燃油無中未氧化的機油兩者相當主要取決于發(fā)動機油耗率水平鉛化物多無柴油中不含抗爆劑四乙鉛表l中含量的多少僅是相對比較,并不表示在有害成份總量中所占的絕對量大小。其中SO2發(fā)動機試驗中不作檢測,法規(guī)中也不作規(guī)定,因其量值同非發(fā)動機發(fā)生源相比,所占比例很小,不是大氣污染的王要因素。從表1可以看出,對肉眼可見的微粒排放,柴油機要比汽油機高得多,

11、但不可見的CO、HC和NOx排放則是汽油機遠遠超出柴油機。3、歐洲和中國排放法規(guī)對比通過對比歐洲和中國的排放法規(guī)發(fā)展可知,歐洲輕型柴油車排放法規(guī)控制的重點在NOx和PM,而且二者的限值變得越來越小,而且降幅加快(如圖1中箭頭所示);中國的排放法規(guī)基本參考歐洲法規(guī),執(zhí)行時間晚于歐洲4-5年但正逐漸與之同步。圖1 中國與歐洲排放標準的對比三、控制排放的兩種技術路線及比較柴油機排放控制柴油機排放控制的難點是 NOx和 PM 之間的矛盾性，如圖 2 所示。此外，它們還與燃油消耗率構成矛盾，此消彼漲。然而進入國國等階段后則要求同時降低 NOx與PM 排放和油耗，因此，解決柴油機排放問題必須從系統(tǒng)的角度出

12、發(fā)，綜合考慮柴油機運行的各階段，采取更有針對性的技術方案，以降低排放。圖2 碳煙 -NOx之間的關系為了滿足歐IV-歐VI排放法規(guī)，歐美中重型商用車及柴油機企業(yè)主要采用了兩條排放控制技術路線:其一是“優(yōu)化燃燒+SCR(選擇性催化還原)”技術路線，簡稱SCR路線，它是通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機內控制微粒PM的產生，而在機外后處理過程中，采用尿素溶液對氮氧化物NOx進行選擇性催化還原，這一技術路線在歐洲占主流，歐洲長途載貨車幾乎全部采用這一方案;其二是“EGR十DOC/DPF/POC(廢氣再循環(huán)+柴油氧化催化器/柴油顆粒過濾器/顆粒氧化催化器)”技術路線，其中以“EGR+DPF'應用

13、最廣泛，簡稱EGR+路線，它以廢氣再循環(huán)為基礎，在機內抑制NOx的產生，在機外后處理過程中采用柴油氧化催化器、或柴油顆粒過濾器、或顆粒氧化催化器對PM進行氧化催化或過濾捕捉，這一技術路線在北美市場占主流(歐洲短途運輸和城市公交車也主要選擇此方案)。1、SCR路線SCR 作為一種新的后處理技術，系統(tǒng)成本高(大約是車輛成本的 3%5%)、初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較復雜的調節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)。此外還必須保證行駛區(qū)域內對尿素需求的供應，需要車載診斷(OBD)。圖3 裝有SCR后處理裝置的柴油機1.1 SCR路線實現(xiàn)方式主要是利用商業(yè)用的固體尿素和水(水溶液濃度為 32.5%

14、77;0.5%)，在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質，將 NOx(主要是 NO)還原為 N2 和 H2O。如市面上銷售的 AdBlue，它無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險，但有一點點腐蝕性，必須使用特殊的儲存容器。 1.2 SCR路線的優(yōu)勢采用這種凈化方案的發(fā)動機燃油消耗率比較低，油耗可節(jié)省 5%7%，若扣除因使用尿素而增加的費用，它還將有節(jié)油 2%3%的優(yōu)勢。這一路線對于燃油品質相對不敏感，戴姆勒·克萊斯勒公司甚至認為含硫量 350ppm以下的歐燃油都可以滿足要求。這也可進一步降低這一路線的使用成本。1.3 SCR路線的劣勢使用 SCR 后不但要增加 SCR 本身裝置的重量

15、約 150kg300kg，另外還要增加一個尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。按 100L 尿素溶液跑 7000km 計算，一輛汽車損失的有效載荷在 400kg 左右。應用這一系統(tǒng)時必須裝有儲存和噴射尿素的裝置，SCR 系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動機管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與 NOx 的濃度相匹配，在保證降低 NOx 的同時，不能超過一定的劑量。尿素的噴入量過少，達不到應有的處理水平；尿素的噴入量過多，則會使多余的氨氣排入大氣，導致新的污染。所以，必須要有高靈敏度的 NOx 濃度傳感器以及相應的高精度的尿素噴射裝置。尿素消耗較快，定期添加尿素的工作也必須由用戶來完成。這就加大了裝置的復

16、雜性和保養(yǎng)的難度，而且這種裝置的價格也是較為昂貴的。需要車輛使用者有較強的環(huán)保意識，自覺及時地加尿素也是目前實施這一路線的現(xiàn)實困難。2、EGR+路線EGR+DPF路線通EGR降低NOx,從而會導致發(fā)動機經濟性降低1%-3%,但是這個路線的初始安裝成本比SCR路要便宜得多,同時不需要增加基礎建設和維護。該路線的弊端在于柴油中的硫含量過高將導致DPF積灰,進而無法降低PM排放。所以使用時要求柴油的硫含量要小于50x10-6。圖4 采用EGR技術及DPF后處理裝置的柴油機2.1 EGR+路線實現(xiàn)方式EGR+路線主要是通過降低缸內氧氣濃度及燃燒溫度,以控制缸內NOx排放,但會造成PM排放超標,所以再通

17、過機外后處理即通過DPF(或POC)裝置,將PM排放降至排放范圍。EGR是將高溫排氣通過再循環(huán)冷卻器冷卻后,在進氣管與空氣混合后進入缸內,廢氣同時降低缸內氧氣濃度及燃燒最高溫度,從而抑制NOx生成。2.2 EGR+路線的優(yōu)勢1）初始成本低，后處理催化器一個 DOC 的價格可能不超過 1000 元，即使DPF的價格相對較高，但也不會高過 SCR 升級成本。2）無需建立復雜的尿素供應體系及其相關基礎舉措措施建設3）對封裝要求低2.3 EGR+路線的劣勢1）升國或更高需要對國主機技改，標定更為復雜，增加了開發(fā)成本以及標定難度；2）對超低硫含量的燃油及高品質潤滑油的依賴；3）燃油經濟性差；4）國之后技

18、術升級連續(xù)性相對較差；5）由于易堵塞，維護費用高，EGR路線要求噴油壓力更高,以在降低NOx排放的同時減少PM排放以上對兩種路線特點作了分析比較，從原理上分析，不同技術路線并沒有先進與落后之分，評價一個技術路線是否可行，首先應觀察其性能指標是否符合國家標準等規(guī)定，其次要看是否具備可持續(xù)能力。下面表2對兩種不同技術路線的比較進行了簡要的總結。表2 兩種路線的優(yōu)缺點對比項目SCREGR+DPF燃油經濟性提高3%5%降低2%3%燃油噴射壓力相對較低相對較高換油周期(機油含碳量)換油周期長換油周期縮短燃油含硫量可使用國III柴油不能高于50ppm(國IV)、20ppm(國V)與國III結構比較本體基本

19、不變本體增加EGR,變化較大排氣系統(tǒng)SCR裝置,需增基礎設施DPF裝置,無基礎設施要求封裝要求相對較高相對較低3、國外主要生產企業(yè)產品技術路線狀況目前歐美實行更嚴格的排放法規(guī),為滿足歐V 、VI排放及EPA2007-2010排放,歐美SCR及EGR兩種技術路線都有采用,其中歐洲以SCR為主,美國以EGR為主。歐洲采用SCR路線的主要有:Renault、Benz、Volvo、Fiat(Iveco)、DAF,MAN及Scania公司則SCR及EGR兩種路線并存。美國Navistar、John Deere公司采用EGR路線;Caterpillar公司ACERT方案實際也是EGR路線;Cummins、

20、DDC公司兩種路線并存,Cummins公司SCR方案用于10L以下柴油機,10L以上產品采用EGR方案。4、國內兩種路線的應用狀況我國不同于歐洲，歐洲目前已經有6000多個尿素供應點，而我國還沒有。所以，在我國國IV實施初期階段，采用SCR路線的汽車對于用戶來說，使用成本會較高，而便利性也很差。EGR發(fā)動機就完全沒有上述問題，EGR發(fā)動機不需要添加尿素的基礎設施，不需要定期添加尿素，EGR發(fā)動機和SCR發(fā)動機的價格也不會有明顯的差異。從這一方面來看，EGR發(fā)動機的使用成本低于SCR。四、兩種技術路徑的發(fā)展前景目前我國轎車普遒釆用油耗較高的汽油機,而發(fā)展柴油轎車將有效緩解當前的能源危機問題,能夠

21、實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。由于優(yōu)化燃燒+SCR 技術路線有更好的燃油經濟性以及對燃油脫硫的要求不高等優(yōu)點，以及尿素溶液的獲取也較為容易，促進了該技術路線在我國的實施，也為國內燃油品質的提升爭取時間。短途運輸對油耗不敏感,EGR方案的初始較成本以及部分城市公交強制加裝DPF的要求使后兩者更傾向于選擇EGR路線。參考文獻1史紹熙. 內燃機燃燒研究的現(xiàn)狀和動向J. 西安交通大學學報,1994,05:31-40+72.2趙靜. 內燃機發(fā)展史及未來趨勢J. 中國高新技術企業(yè),2012,17:22-23.3魏善鎮(zhèn). 內燃機低污染化J. 柴油機設計與制造,1999,01:3-15.4帥石金,唐韜,趙彥光,華倫. 柴油車排放法規(guī)及后處理技術的現(xiàn)狀與展望J. 汽車安全與節(jié)能學報,2012,03:200-217.5史紀熙,李德桃,鄭杰,呂兆華,龔金科. 關于建立和完善我國汽車排放法規(guī)若干問題的探討和建議J. 內燃機學報,1996,02:111