重型车用柴油发动机排放控制的分析研究

1二 一 六 年 六 月学校代码：10128学 号：201220302023本 科 毕 业 论 文题 目 ： 重型车用柴油发动机排放控制的分析研究学 生 姓 名 ： 覃 顺 福学 院 ： 能 源 与 动 力 工 程 学 院系 别 ： 交 通 运 输 系专 业 ： 交 通 运 输班 级 ： 交 通 运 输 12-1指 导 教 师 ： 司 景 萍 教 授内蒙古工业大学本科毕业论文摘 要重型车用柴油发动机在动力性、热效率、燃油经济性的优点，广泛作为中大型机械、交通工具的动力源，在社会经济发展中扮演重要角色。但柴油机的排放性能差，如何解决柴油机排放性能成为近年来的研究课题。本文叙述重型车用柴油机主要排气污染物（NO X、HC、CO、PM）的生成机理、影响因素及控制技术，介绍国内外重型车用柴油机的排放控制研究现状、排放法规；以及柴油机主要排气物的生成机理和危害，影响柴油机排放物的主要因素：混合气质量、供油系统的参数及结构参数、柴油机运转参数、十六烷值等；介绍柴油机采用的排气控制技术，机内净化技术：增压技术、燃烧室设计、改善燃油品质；排气后处理技术：微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环（EGR），从国内国外两个方面介绍这些控制技术的发展及实际应用情况，并简要分析这些技术应用存在的问题。关键词：增压技术、微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环（EGR）内蒙古工业大学本科毕业论文AbstractHeavy-duty diesel engine advantage power, thermal efficiency, fuel economy is in, widely used as medium and large machinery, vehicles, power sources, play an important role in social and economic development. But the poor performance of diesel engine emissions, how to solve the diesel emissions performance is now being studied in recent years.This paper describes the mechanism of heavy-duty diesel vehicles generate major exhaust pollutants (NOX,HC,CO,PM), influencing factors and control technology, the introduction of domestic and foreign heavy vehicles with diesel emission control research status, emissions regulations; the main diesel engine exhaust formation mechanism and hazards, the main factors affecting the diesel exhaust: mixed gas quality parameters and structure parameters of fuel supply systems, engine operating parameters, cetane number and other; introduce diesel engine emission control technology, the machine purify technology: Turbo technology, combustion chamber design, improved fuel quality; exhaust aftertreatment technology: particulate trap, selective catalytic reduction (SCR), exhaust gas recirculation (EGR), introduced from both domestic and foreign aspects of these control the development and practical application of technology, and a brief analysis of the problems of these technologies.Keywords: Turbo technology, particulate traps, selective catalytic reduction (SCR), Exhaust gas recirculation (EGR)内蒙古工业大学本科毕业论文目 录第一章 绪 论 .11.1 重型车用柴油发动机排放控制与研究的意义及现状 .11.1.1 研究意义.11.1.2 研究现状.11.2 国内外柴油机排放法规 .21.2.1 国内柴油机排放法规 .21.2.2 国外柴油机排放法规 .31.3 主要研究内容 .5第二章 重型车用柴油发动机排气物生成机理和危害 .62.1 一氧化碳（CO）.62.1.1 一氧化碳(CO)生成机理 .62.1.2 一氧化碳(CO)危害 .62.2 碳氢化合物(HC).62.3 氮氧化物（NO X） .72.3.1 生成机理.72.3.2 危害.82.4 颗粒物（PM） .92.5 硫化物 .9第三章 影响柴油机主要有害排气物的因素 .103.1 混合气质量.103.2 供油系统的参数及结构因素.133.2.1.喷油提前角 .133.2.2. 喷油速率 .183.2.3.喷油器结构参数 .193.3.柴油机运转参数 .203.3.1.进气状态 .203.3.2.发动机转速 .243.3.3.进气涡流 .26内蒙古工业大学本科毕业论文3.4 十六烷值.27第四章 重型车用柴油发动机排放控制技术分析 .284.1 机内净化技术.284.1.1 增压技术.284.1.2 燃烧室设计 .304.1.3 改善燃料品质.314.2 排气后处理技术.314.2.1 微粒捕集器 .314.2.2 选择性催化还原技术（SCR） .324.2.3 废气再循环(EGR).35结 论 .38参考文献 .39谢 辞 .40内蒙古工业大学本科毕业论文1第一章 绪 论1.1 重型车用柴油发动机排放控制与研究的意义及现状1.1.1 研究意义近年来随着社会经济的快速发展，交通运输行业在国民经济中发挥着越来越重要的作用。我国作为汽车生产和使用大国，汽车保有量逐年上升。柴油机作为一种动力装置，凭借其动力性能、经济性能和维修性能好的特点被广泛应用于中重型货车甚至是轿车上。随着柴油机技术的不断进步，柴油机车在汽车中所占的比例越来越大。2015 年底，全国汽车保有量达到 1.72 亿辆；其中重型卡车保有量 560 万辆，占机动车总保有量的 3.26%。如此多的汽车保有量，导致汽车排气污染物排放的总量也持续增多。2015 年，汽车排放污染物为 2794.04 万吨，汽车主要排放物氮氧化物（NO X）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、颗粒物（PM）总量为 1722.493 万吨，这些汽车排气污染物对环境造成严重影响。从 2012 年末开始，北方多个地区连续出现罕见的雾霾天气，严重影响人们的生活环境，如河北、北京等地。许多人纷纷将目光转向了低碳环保的话题，如何节能减排、控制汽车尾气带来的环境污染问题，产业如何升级带给政府和普通老百姓更深的思考。通过本次课题研究，了解汽车尾气特别是重型车用发动机排气生成机理和危害，研究当前国内外重型车用发动机排放控制的主流技术及发展状况，分析柴油发动机排气控制技术的最新成果及存在的问题，探讨为解决柴油发动机在兼顾经济性、动力性的基础上，减少排气中的 CO、HC、NO X、SO 2、PM 的有害物质对环境的影响，为柴油机能在更广泛的运载工具上作为动力源，更好的为社会经济服务。1.1.2 研究现状目前，随着技术的发展，柴油机的排气处理主要有三个控制方向：燃料、燃烧和排气后处理三个方面，主要为机内净化技术和排气后处理技术。机内净化技术主要有：电控柴油喷射系统、增压技术、燃烧室设计、改善燃料品质；排气后处理技术主要有：氧化催化转化器、微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环系统(EGR)。重型车用发动机的排放控制是控制排气中的 NOX、PM、CO、HC。2005年10月，康明斯公司采用了集成式排放控制系统IEM技术，并应用高效的SCR系统，对污染物的控制实现了“形进气到排气”的全程控制，有效的降低了污染物的内蒙古工业大学本科毕业论文2排放。IEM还带有一个全自动的车载排放诊断系统，驾驶员可以通过驾驶室的仪表对SCR系统的运行情况进行直观的了解，以便及时对SCR系统进行加注尿素等保养。在车用发动机领域，康明斯11.916L系列发动机装备高压共轨燃油系统、冷却式废气再循环（CEGR）、SCR技术，排放性能可达到美国联邦环保署的EPA 2010标准。格伦德福斯托普索尿素SCR系统：这种SCR系统可提高发动机的燃油经济性,减少PM、NO X、HC的排放量,这种SCR系统能够有效地降低柴油发动机主要排气的排放量，减少油耗、提高发动机动力性能 1。国内在车用发动机增压技术的领域起步较晚，特别是在重型车用发动机领域的增压采用的是引进技术并自主消化生产的发展方式。如无锡动力工程有限公司的WD360TAD100 型废气涡轮增压柴油机，这款发动机平均有效压力可达 2227Kpa,功率为1000KW1100KW。康明斯发动机有限公司发展了满足众多气缸数目、数量繁多的变形涡轮增压器，可在发动机功率为 70KW-1200kw 的柴油机车上应用。在重型卡车领域,盖瑞特T04涡轮增压器占有重要地位，上世纪70年代涡轮增压技术逐渐在重型卡车发动机上应用。随着技术的发展，如今美国盖瑞特公司、德国KKK公司研制质量更轻、性能更加优异的增压器,使增压器质量进一步减轻成为可能。增压器的关键部件宜采用最新的冶金材料。性能较好的金属涡轮增压器的出现，使重型卡车、摩托车的动力性得到了提升,随着新材料的出现，陶瓷涡轮增压器将是涡轮增压器的发展方向 2。2003 年 11 月 4 日，日本日野汽车公司推出大型载货车“日野 Profia”系列，采用组合式废气再循环（EGR），柴油机排气中的 NOX、PM 等可降低 90%。在车用发动机领域，康明依靠强大的技术实力和研发资源的独到优势能，同时满足欧美两大排放体系。2002 年，康明斯推出冷却式废气再循环技术（CEGR）并将其引用到发动机上，其排放性能达到了美国联邦环保署实施的 EPA 2004 重型卡车排放标准。2003 年年末，康明斯众多发动机排气控制大多使用冷却式废气再循环（CEGR）加颗粒捕集器（DPF）的策略，其排放指标达到 EPA 2007 标准，康明斯 11.916L 系列发动机装备高压共轨燃油系统、冷却式废气再循环（CEGR）、SCR 技术，排放性能可达到美国联邦环保署实施的 EPA 2010 标准。内蒙古工业大学本科毕业论文31.2 国内外柴油机排放法规1.2.1 国内柴油机排放法规近年来，我国经济的快速发展，重型车用柴油机在经济建设中发挥着越来越重要的作用，随着国内汽车保有量的急剧增加，汽车排气已经成位环境污染的主要来源，严重影响着人们的生活环境。我国也开始制定了相应的汽车排放法规，交通运输部从2000年起开始实施国I的重型车重柴油排放法规，到2012年先后实施了从国I到国V的排放法规。国内柴油机排放法规如表1-1所示 3。表1-1 国内柴油机排放法规PM(g/k wh)实施时间 标准 COg/k whNOXg/k whHCg/k wh 85 85盐度（m -1）2000.9-2004.8 国 I 4.5 8.0 1.1 0.61 0.36 none2003.9-2008.7 国 4.0 7.0 1.1 0.15 none2007.7-2010.12 国 2.5 5.0 0.66 0.10-0.13 0.82010.1-2012.12 国 1.5 3.5 0.46 0.02 0.52012.1- 国 V 1.5 2.0 0.46 0.02 0.51.2.2 国外柴油机排放法规1.2.2.1 欧洲重型车用柴油机排放法规欧洲从 20 世纪 80 年代开始,发布了 Euro0 重型车用柴油机排放标准，当时对 PM和烟雾没有要求。直到 EuroIII 标准的发布，才开始对 PM 和烟雾的限制。从 1992-2012 年,相继出台了 Euro、V、VI 标准。欧洲重型车用柴油机各个时间段的排放法规如表 1-2 所示 3。表1-2 欧洲重型车用柴油机排放法规标准 实施时间 COg/k wh NOXg/k wh HCg/k wh PMg/k wh Smoke(m-1)Euro 0 1988-1993.10 12.3 15.8 2.6 none noneEuro I 1992.10-1996.10 4.9 9.0 1.23 0.4 noneEuro II 1995.10-2001.10 4.0 7.0 1.1 0.15 noneEuro III 2.1 5.0 0.66 0.1 0.8Euro III-EEV2000.10-2006.101.5 2.0 0.25 0.02 0.15Euro IV 1.5 3.5 0.46 0.01 0.5Euro IV-EEV2005.10-2009.101.5 2.0 0.25 0.02 0.15Euro V 2008.10-2012.12 1.5 2.0 0.46 0.02 0.5内蒙古工业大学本科毕业论文4Euro V-EEV 1.5 2.0 0.25 0.02 0.15Euro VI 2012.12- 1.5 0.4 0.13 0.01 TBD注：1Euro IEuro VI 起始时间为认证开始时间，至所有产品满足新标准有一年过渡期；2EEV：Enhanced Environment Friendly Vehicle(环境友好车辆)，为推荐标准；3Euro VI：NH 3泄漏不大于10plan。1.2.2.2 美国车用柴油机排放法规美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA1988-2010 柴油机排放标准如表 1-3 所示 3。表 1-3 EPA 1988-2003年份 HC g/hph CO g/hph PM g/hph1988-1989 1.3 15.5 0.601990 1.3 15.5 0.601991-1993 1.3 15.5 0.251994-1997 1.3 15.5 0.101998-2003 1.3 15.5 0.10美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA2004-2006 柴油机排放标准如表 1-4 所示 3。表1-4 EPA 2004-2006NMHC NOX+NMHC g/hph CO g/hph PM g/hphN/A(方案1 ） 2.4 15.5 0.100.5（方案2） 2.5 15.5 0.10烟度 加速烟度 超负荷烟度 最大烟度% 20 15 50美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA2007-2010 柴油机排放标准如表 1-5 所示 3。表1-5 EPA2007-2010年份排放类型 排放限值2007 2008 2009 2010NOX g/hph 0.20 50% 50% 50% 100%NMHC g/hph 0.14 50% 50% 50% 100%CO g/hph 15.5 100%PM g/hph 0.01 100%甲醛 g/hph 0.01 100%内蒙古工业大学本科毕业论文51.2.2.3 日本排放法规日本从 1963 年开始关注汽车对环境的影响,到 1986 年，出现对汽车排放物 HC、CO的排放标准，而对 NOX、PM 排放限值的规定直到 1990 年才有，日本各类汽车的排放允许值如表 1-6 所示 4。表 1-6 日本柴油机排放法规 乘用车 乘用车 轻型车 中型车 重型车汽车分类 整备质量1.265t整备质量1.265t GVW1. 7t1.7tGVW2.t