中重型車用柴油機(jī)實(shí)施歐IV排放的技木路徑

1、.：.；中重型車用柴油機(jī)實(shí)施歐IV排放的技木途徑1 歐洲重型柴油機(jī)排放限值的演化 在一些國(guó)家和地域，中重型車用柴油機(jī)的排放在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境排放奉獻(xiàn)度中要到達(dá)70%左右，因此中重型車用柴油機(jī)的排放不斷是內(nèi)燃機(jī)排放控制領(lǐng)域的重點(diǎn)。2005年歐洲車用發(fā)動(dòng)機(jī)已開場(chǎng)實(shí)施歐排放法規(guī)，其對(duì)柴油機(jī)提出了更為苛刻的要求。表1為歐洲重型柴油機(jī)排放限值的演化，其中NOX排放限值自排放法規(guī)實(shí)施20年以來下降了81%；PM排放限值15年以來下降了97%。 2 中重型車用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)歐應(yīng)具有的根本條件 中重型車用歐柴油機(jī)必需建立在一臺(tái)有良好根底的電控歐111發(fā)動(dòng)機(jī)根底上。國(guó)外典型的1213L車用歐柴油機(jī)具有如下特征： a.采

2、用直列6缸方式，單級(jí)帶空一空中冷渦輪增壓系統(tǒng)，同時(shí)匹配排氣旁通閥和可變截面渦輪增壓器或復(fù)合增壓系統(tǒng)，或采用二級(jí)增壓系統(tǒng)?？刂七M(jìn)氣溫度很重要，進(jìn)氣溫度每減低1NQ，可減少0.5%0.67%。 b.采用鑄鐵缸蓋、水冷、4氣門構(gòu)造，噴油嘴垂直中置。4氣門構(gòu)造有使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潛力。 c.機(jī)體采用鑄鐵，水冷、濕式缸套，內(nèi)置式機(jī)油冷卻器。 d.采用整體鋁活塞/鋼頂鋁裙組合活塞/整體鋼活塞。 e.燃油系統(tǒng)采用電控共軌系統(tǒng)/電控單.體泵/電控泵噴嘴/HEUI/高壓放射系統(tǒng)。需電控、35次的多次放射包括預(yù)噴、主噴、后噴才干和更高的燃油放射壓力。如采用共軌系統(tǒng)，額定工況時(shí)最大放射壓

3、力要到達(dá)180 MPa；如采用電控泵噴嘴或電控單體泵，額定工況時(shí)最大放射壓力要到達(dá)200 MPa3。為使油耗降低，應(yīng)縮短噴油繼續(xù)期，使放熱接近上止點(diǎn)。要借助于噴油規(guī)律實(shí)現(xiàn)柔和熄滅。表2為歐洲1213 L車用柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的構(gòu)成及預(yù)估情況。 f.進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣渦流和熄滅系統(tǒng)，采用直口或略微縮口熄滅室，進(jìn)氣渦流比為0.51.5，緊縮比為16.518.5。 g.缸內(nèi)最大迸發(fā)壓力可達(dá)1822 MPa，升功率可達(dá)35 kW/L。 h.進(jìn)一步控制燃油中的硫含量到50 x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指數(shù)提高到46。 i.嚴(yán)厲控制活塞環(huán)、氣門導(dǎo)管、增壓器軸承等處的機(jī)油走漏量，將發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況

4、時(shí)機(jī)油耗與柴油耗的比值控制到0.1%以下。 j.采用排氣后處置安裝。 為實(shí)現(xiàn)歐排放，在熄滅方面，目前技術(shù)情況下能采用的技術(shù)措施多已被采用，僅依托熄滅系統(tǒng)的優(yōu)化已無法滿足要求，更多地是將其與機(jī)后凈化措施相結(jié)合，來滿足更為苛刻的排放要求?？刂芇M排放的措施有氧化催化器可溶性顆粒物、顆粒捕集器固體顆粒物。 研討開發(fā)中的柴油機(jī)NOX后處置方法，有選擇性非催化復(fù)原SNCR、選擇性催化復(fù)原SCR、非選擇性催化復(fù)原NSCR和吸附復(fù)原催化劑，以及最新提出的低溫等離子體技術(shù)，具有同時(shí)去除NOX和PM的潛力。 3 實(shí)現(xiàn)歐W的兩條主要技術(shù)道路 要實(shí)現(xiàn)歐對(duì)NQx和PM都較低的限值，目前有如圖1所示的兩條技術(shù)道路：其一

5、是先經(jīng)過放射系統(tǒng)優(yōu)化和放射定時(shí)提早以降低顆粒物，再運(yùn)用SCR來降低因熄滅優(yōu)化而產(chǎn)生的NQx排放；其二是EGR+DPF道路，即先經(jīng)過廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因運(yùn)用EGR而略有添加的顆粒、物，從而到達(dá)同時(shí)降低NOx和PM的效果6。3.1 道路1優(yōu)化熄滅+SCR 此種道路在歐洲采用較多，簡(jiǎn)稱歐洲道路。對(duì)于大多數(shù)制造商，開展現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是首選的途徑。有幾種可選擇的方案：如先在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)處置NQx，再處置PM；或者兩者都進(jìn)展后處置。后者存在一個(gè)污染源回收的處置問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)處置NOx是非常困難的，并且燃油耗費(fèi)更高。因此，制造商普通采用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)減少P

6、M排放、在廢氣中處置NOx的措施。 在歐洲，目前采用的一種處理方案是：利用商業(yè)用的固體尿素和水水溶液濃度為32.5%0.5%，在排氣中噴人尿素、氨水等復(fù)原性物質(zhì)，將NQx主要是NO復(fù)原為N2和H20。如市面上銷售的AdBlue，它無毒、干凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn)，但有一點(diǎn)點(diǎn)腐蝕性，必需運(yùn)用特殊的儲(chǔ)存容器。圖2為SCR系統(tǒng)的任務(wù)原理。圖3為用于歐發(fā)動(dòng) 這種凈化方案的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗費(fèi)率比較低，油耗可節(jié)省5%7%，假設(shè)扣除因尿素所添加的費(fèi)用，還將有節(jié)油2%3%的優(yōu)勢(shì)。此外，這一道路對(duì)于燃油質(zhì)量相對(duì)不敏感，戴姆勒克萊斯勒公司以為甚至含硫量350 x10-6以下的歐燃油就可以滿足要求。 但運(yùn)用SC

7、R后不但要添加SCR本身安裝的質(zhì)量約150300 kg，另外還要添加1個(gè)尿素溶液AdBlue箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液運(yùn)轉(zhuǎn)7 000 km計(jì)算，一輛汽車損失的有效載荷在400 kg左右。SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必需求與NOx的濃度相匹配，在保證降低NOx的同時(shí)，不能超越份量。尿素的噴人量過少，那么達(dá)不到應(yīng)有的處置程度，尿素的噴人量過多，那么會(huì)使多余的氨氣排入大氣，導(dǎo)致新的污染。所以，必需有高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應(yīng)的高精度尿素放射安裝。而且尿素耗費(fèi)較快，定期添加尿素的責(zé)任也必需由用戶來完成，這就加大了安裝的復(fù)雜性和保養(yǎng)的難度，而且這種安裝的價(jià)

8、錢也是較為昂貴的。目前歐洲市場(chǎng)每升尿素溶液現(xiàn)價(jià)為40歐分，每升柴油現(xiàn)價(jià)為42歐分。 SCR作為新的后處置技術(shù)，由于系統(tǒng)本錢高 大約是車輛本錢的3%5%、初期投資高、操作和保養(yǎng)費(fèi)用高、需求加1套較復(fù)雜的調(diào)理復(fù)原劑放射量的控制系統(tǒng)等緣由，在車用柴油機(jī)上還沒有得到推行。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對(duì)尿素的供應(yīng)，并需求車載診斷OBD，同時(shí)需求車輛運(yùn)用者有較高的環(huán)保認(rèn)識(shí)，自覺及時(shí)地添加尿素也是目前實(shí)施這一道路的現(xiàn)實(shí)困難。此外，在溫度較低-11的情況下，尿素-水溶液會(huì)結(jié)冰，也使其在冰冷地域的推行運(yùn)用遭到限制，但現(xiàn)已可以經(jīng)過尿素計(jì)量系統(tǒng)的適當(dāng)加熱措施來處理。在SCR技術(shù)的運(yùn)用方面，目前曾經(jīng)根本處理尿素的儲(chǔ)存、注入和放

9、射戰(zhàn)略等技術(shù)問題，其運(yùn)用耐久性好，已有幾年在柴油機(jī)上運(yùn)用的閱歷，但還需進(jìn)一步處理降低SCR安裝本錢以及尿素加注站的規(guī)劃等問題。隨著對(duì)SCR技術(shù)的開發(fā)研討和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)厲，置信SCR技術(shù)在歐機(jī)上很快會(huì)得到推行。 3.2 道路2EGR+DPF 該道路美國(guó)采用較多，簡(jiǎn)稱美國(guó)道路。 供油提早角和EGR都對(duì)柴油機(jī)的NOx排放和PM排放有較大的影響。減小供油提早角，可以使NOx排放降低，但會(huì)使PM排放和燃油耗費(fèi)率添加；而增大EGR率，使廢氣與進(jìn)氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在熄滅過程中降低氣體最高溫度的同時(shí)可使NOx排放降低，但會(huì)使PM排放添加。與減小供油提早角相比，燃油耗費(fèi)率變化不大，所以在采用降

10、低NOx排放的措施時(shí)應(yīng)首選EGR系統(tǒng)。 EGR可有效地降低NOx排放，但隨著EGR率的添加，缸內(nèi)較低的氧氣濃度將會(huì)添加顆粒物的排放，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度添加，在中小負(fù)荷時(shí)煙度值比較小，而大負(fù)荷時(shí)會(huì)使柴油機(jī)的排氣煙度增大，所以為到達(dá)歐排放限值，EGR率普通控制在15%以內(nèi)，同時(shí)還需配合運(yùn)用DPF微粒捕集器。然而這項(xiàng)技術(shù)卻埋伏著危險(xiǎn)：一方面燃料一中的硫會(huì)使微粒捕集系統(tǒng)中毒失效；另一方面，廢氣中含有的灰分會(huì)逐漸地堵塞捕集器，添加排氣背壓，使油耗惡化。因此，有時(shí)在DPF的上游添加一個(gè)氧化催化轉(zhuǎn)換器DOC，其基質(zhì)用貴金屬如白金涂層，就可以改良再生過程的效率，還將進(jìn)一步降低HC的排放。圖4為一典型的中重型

11、車用柴油機(jī)配置的EGR+DPF+DOC系統(tǒng)VGT為可變截面渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)。在某些發(fā)動(dòng)機(jī)上也有只用DPF或DOC來轉(zhuǎn)化PM的。 該方案本錢比SCR低，但它不適宜停車起動(dòng)操作，由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排溫不能夠到達(dá)300，廢氣中的黑煙無法在顆粒過濾器中熄滅，同時(shí)還存在過濾器堵塞的危險(xiǎn)。它更適宜發(fā)動(dòng)機(jī)排溫高而且比較穩(wěn)定的長(zhǎng)途運(yùn)輸運(yùn)用。 為使EGR更有效，EGR冷卻系統(tǒng)和散熱器必需比普通的大得多，甚至大于道路1中尿素箱的尺寸，可大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)為了減少噪聲進(jìn)展了空間緊縮，這添加了冷卻問題的處理難度。早期實(shí)驗(yàn)闡明了在歐W發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)用EGR的燃油效率不如SCR。而且這條道路對(duì)燃油質(zhì)量的要求更高，要求硫含量到達(dá)低于50 x10-6的程度，理想情況要求到達(dá)10 x10-615x10-6的程度，這對(duì)于我國(guó)的石油工業(yè)要在2021年前到達(dá)這一要求似有困難。另外，要在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)微粒捕集器的再生，普通需求附加能源，例如用熄滅器加熱、電阻加熱或微波加熱，這些也在一定程度上添加了這一道路的油耗和系統(tǒng)本錢。 正由于這些緣由，許多消費(fèi)廠商反對(duì)采用EGR系統(tǒng)。當(dāng)然，這并不意味著歐、歐發(fā)動(dòng)機(jī)也不會(huì)采用。 目前，采用這一道路的主要廠商有SWRI，SCANIA、MAN等。 表3給出了上述兩條技術(shù)道路的比較。 4 終了語(yǔ) a.要實(shí)現(xiàn)歐對(duì)NOx和PM都較低的限值，目前大致上