排放法规与发动机油的发展.pptx

Apr., 2009 SK Lubricants Co.,ltd 排放法规与发动机油的发展 目录录 汽车尾气排放概述2-6 机内净化技术与发动机油的发展7-10 机外净化技术与发动机油的发展11-26 欧美排放法规与发动机油的选择27-28 我国排放法规的发展29-30 发动机油的技术展望31-33 1 燃油 + 空气 NOx CO 未燃的碳氢化合物 微粒(柴油) 污染物质 CO2 + 水 完全燃烧 的产物 发动机的燃烧产物 燃油 + air CO2 + 水 完全燃烧的产物 柴油发动机 汽油发动机 （间喷式） NOx 微粒 (柴油机) 主要的污染 NOx CO 未燃的 HC 污染物质 污染的排放 汽油机与柴油机的差别 温室效应CO2 中国近期主要空气污染物排放量估计 百万吨 中国近期CO2排放构成 电力等能源 转化部门 终端工业部门农业、交通运输、 服务业和居民生活 45%30%25% 京都协议 (1997): 08年-12年比 1990年的水平减少8%的排放，包 括6种温室效应气体（包括CO2 ） 5.35.83.73.4 汽油机 CO2排放与车辆燃油消耗量的相互关系 柴油机 汽车排放物是由一氧化碳（CO）、烃类化合物（HC）、氮氧化物（NOx ）、和颗粒物(PM)组成。它们对人类的健康产生严重的威胁。 一氧化碳与血液中血红蛋白结合会降低后者的氧气输送能力,可导致头痛、眩 晕，严重时甚至导致一氧化碳中毒 氮氧化物可形成二次污染 ,如臭氧。臭氧会造成肺部及呼吸系统失调 某些碳氢化合物有毒 ,可能导致眼睛、喉咙、肺部发生过敏 颗粒物悬浮在空气中会影响可见度，某些颗粒物可能致癌，导致肺部及心脏 疾病,增加致癌率 发动机的燃烧产物 目前我国大中城市50%的空气污 染来自于燃油汽车的废气排放 CO2 NOx, CO, HC 微粒 温室效应 （全球的) 主要影响 空气品质 (地区的) 解决方案后处理 对润滑油 的影响 热应力上升 FE(节能） 润滑油 与后处理系统的兼容性 发动机润滑油与燃烧产物的关系 美国排放法规与API柴油机油的发展 8 发展 时间 柴油发动机 改进的目的 柴油发动机改进的内容对运转 的影响 对柴油机 油的影响 该阶段发展的 柴机油的特性 1987大功率柴油机CE 1990 CF-4 为适应91年 的排放法规 ，同时提高 柴油机运行 的经济性 直喷技术、电控空燃比、减 少喷油提前角、延迟柴油喷 入降低NOx的排放，活塞环 由矩形环变成梯形环，将环 顶位置提高，消除燃烧死区 ，降低排气中的颗粒含量 第一环槽 温度升高 ，容易在 环槽内产 生积碳 CE机油易产生 积碳 具备更好的高温清净性 能，允许烟炱含量3-4% 。 1994 CG-4 为达到94年 规定的柴油 机排放尾气 中颗粒含量 的要求 要求柴油含硫量小于0.05% ，以降低硫酸盐颗粒的含 量。 柴油机的喷油压力增大，排 气质量改善 热负荷增 加 CF-4在使用中 出现较明显的 粘度增大、滤 网堵塞和磨损 等问题 在缓解因氧化和烟灰造 成的粘度增大以及部件 磨损、提高活塞清净性 方面有了进一步改善， 允许烟炱含量5-6% 1998 CH-4 为满足98年 进一步降低 的排放标准 柴油机采用两段活塞，进一 步延迟点火，以降低NOx的 排放，以及采用电控系统 机油中烟 炱增加 烟炱的处理是 机油升级的关 键 同时通过高/低硫柴油的 清净性台架，增加了碱 值；高温氧化性、活塞 表面清净性、烟炱分散 性活塞环和缸套的磨损 以及抗剪切性等有所提 高，允许烟炱含量8-9% 美国排放法规与API柴油机油的发展 9 发展 时间 柴油发动机 改进的目的 柴油发动机改进的内容对运转 的影响 对柴油机 油的影响 该阶段柴油 机油的特性 2002 CI-4 满足2002年 排放法规 NOx含量为 2.7g/KW.h 废气再循环（EGR）机油中烟 炱大量增 加 导致机油粘度 上升，需要机 油有更好的分 散性 控制由于烟炱含量 上升造成的磨损、 粘度上升、活塞沉 积物和机油消耗 2004 CI-4+ 满足商业化 的带有EGR 的发动机 无机油中烟 炱大量增 加 导致机油粘度 上升，需要机 油有更好的分 散性 提高了烟炱处理能 力和剪切稳定性 2006 CJ-4 满足新的排 放法规 采用硫燃油和后处理装置要求油品有进 一步的元素和 灰分含量限制 指标更苛刻，添加 剂要求更好，见 规格介绍 欧美柴油机油的区别 10 欧洲柴油机油采用了一部分API的评定项目，但为了进一步肯定油品质量，增 加了自己规定的项目 与美国 比较 较缓和的项目更苛刻的项目增加的 台架试验 活塞设计 的不同及 其对发动 机的影响 顶环槽至活塞顶的距离长； 顶环岸和气缸之间的间隙小 ，窜气量小 如果在顶环岸和气缸之间落入一些 沉积物或积碳，易被压实 OM 364A OM 441LA 第一环槽温度较低；积碳少 活塞易保持干净 经过上下运动出现镜面抛光 烟炱问题较美国的产生烟炱少T-8(E) 磨损问题车小，气缸排量小，车速高、比功率大30%、机油容量小，柴油 机强化系数高 OM602A T-9 M11 机油温度高，发生磨损较严重，呈缸套磨光现象；对磨损性能要 求高；要求换油周期长 欧洲驱动内燃机油发展的主要动力来自于发动机和汽车本身性能的提高，汽 车排放法规是次要因素，但从ACEA 04规格开始，两者的关系越来越近 汽油发动机 (间喷) 柴油发动机 NOx COHCNOx微粒 三元催化剂 受磷影响 NOx 捕集器 受硫影响 微粒过滤器 受灰分影响 降低污染的排放的后处理系统 为避免催化转化器中毒，ILSAC 要求油品的磷不断下降，至GF-4又引入了硫含 量的要求；欧洲ACEA 2008也对元素含量有所要求。 三元催化转化器概述 12 废气催化转化器安装在发动机排气管中，通过氧化还原反应，将发动机排放 的三种废气有害物CO、HC和NOx转化为无害的水、二氧化碳和氮气，故又称 之为三元(效)催化转化器 催化剂大都含有铂、锗等贵金属或稀土元素，价格昂贵，在正常情况下，使 用寿命为八万公里左右(国产的三元催化转化器也能达到五万公里以上)，由 于使用不当造成其早期失效的原因如下： 1、温度过高 2、慢性中毒 催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅来自于汽 油，磷和锌来自于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成氧化物 颗粒易被吸附在催化剂的表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去了催化 作用，即所谓的“中毒”现象 3、表面积碳 4、排气恶化 5、与发动机不匹配 6、氧传感路失效 重型柴油机尾气净化处理概述 13 对于日益严格的国 IV/ V排放法规 ,仅靠机内净化已不能满足排放要求 ,必须对排气 进行机外净化处理 考虑技术发展的继承性 ,为满足未来国 IV/V排放 ,必须将现有燃油电控(EFIS) 与后 处理相结合 EFIS主要包括CRS(包括ACRS、XPCRS)、EUIS、EUPS；后处理主要有SCR、DPF(或 POC) 二者结合主要有两种技术路线 ：一种是EFIS+SCR,简称SCR路线；另一种是 EFIS+EGR+DPF(或 POC),简称EGR路线 这两种路线在国际上被广泛采用,美国以 EGR为主流路线,欧洲以SCR为主流 柴油机相关的缩略语 14 SCR技术路线原理图 15 16 这一技术方案主要是通过电控燃油高压喷射及正时,优化缸内燃烧过程,以提高 缸内NOx为代价,将PM控制在排放范围内,再通过机外排气后处理即通过SCR装置, 将NOx排放降至排放标准范围,排气中NOx以NO为主,约占90%。 SCR的工作原理是通过剂量控制单元向排气管中喷射一定量尿素作为还原剂,还 原剂在排气高温下水解产生NH3 ,然后与废气中的NOx反应,进一步生产N2和H2O。 采用SCR路线时,通过缸内燃烧优化,燃料中的硫只要少部分转换为微粒(约 1.5%),即使燃油含硫量较高(最高350ppm),颗粒排放仍可控制在国IV/V排放标准 内,不会因燃油含硫造成催化剂中毒,可使用国III柴油达到国IV/V排放。 SCR包括尿素供应系统、尿素喷射及控制系统(DCU)、催化剂系统(SCR箱)三部 分。由于需加装SCR箱及尿素储存装置,系统更复杂,初始成本比 EGR路线高,也使 排气系统尺寸及整车质量增大。 SCR技术路线概述 EGR技术路线原理图 17 18 EGR方案是通过降低缸内氧气浓度及燃烧温度,以控制缸内NOx排放,但会造成PM 排放超标, 。 所以再通过机外后处理即DPF(或POC)装置,将PM排放降至排放范围 EGR是将高温排气通过再循环冷却器冷却后,在进气管与空气混合后进入缸内, 废气同时降低缸内氧气浓度及燃烧最高温度,从而抑制NOx生成。 为避免DPF装置堵塞,须采用再生策略,主要有被动再生和主动再生两种。 被动再生是通过使微粒在柴油机正常工作条件下燃烧消除微粒 ,但低负荷时排 气温度较低,再生效率低,影响再生效果,DPF装置长期使用会堵塞,需定期拆下维 护或更换。可通过使用燃油添加剂(通常为金属化合物)或在 DPF装置前增加催 化氧化装置(POC),提高微粒反应活性,降低着火温度,提高再生效率,但金属燃油 添加剂可能造成二次污染。单独的POC装置效率较低,但国IV阶段,单独采用也可 达到微粒排放要求。 主动再生是通过实时监测排气背压,在背压超过设定值(一般大于0.2bar)时, ECU启动再生装置向排气中喷射燃油,通过点火或燃油自燃,提高排气温度使微粒 燃烧而除去。为降低EGR及喷油再生时(主要)导致 的HC排放增加,一般前置DOC装置,DOC装置由涂催 化剂(通常是贵金属如Pt)的载体组成。 EGR技术路线概述 19 EGR技术路线概述 EGR路线要求喷油压力更高,以在降低NOx排放的同时减少PM排放。由于EGR 及DPF装置造成背压更高,为防止DPF堵塞进行的主动再生也需消耗一定燃油, 所以EGR路线经济性稍差,与国III比较,油耗提高2%3%。 POC/DOC装置不会造成二次污染 ,但贵金属涂层不仅降低HC,也会使燃料中 的硫转变为硫酸盐颗粒覆盖涂层,导致催化剂中毒实效,所以要严格控制燃油 含硫量： 两种不同技术路线的比较及欧美国家的选择 20 降低PM机内净化机外净化为主 对发动机其它要求适当优化设计更好抗磨损能力 更优化的冷却系统 更高的爆发压力 对机油的影响不明显需要更高质量等级 机油元素含量要求不高对P、S无限制 （但POC/DOC有限制） 对机油灰分的影响无要求有要求 微粒过滤器: 工作原理 过滤 微粒堆积在过滤介质中 过滤器的再生 将微粒过滤器中堆积的微粒燃烧掉 降低污染排放 微粒过滤器（DPF） 过滤后的气体 微粒 褐帘石 柴油发动机排放的尾气 微粒过滤器（DPF）的工作原理 km120 000 更换过滤器 污污垢 能作用的单元 (微粒) 失效的单元 (无机物) 微粒过滤器（DPF） 燃油添加剂 70% 燃油 50% PSA DPF 现现有的燃油添加剂剂 保养周期 80 kkm 燃油添加剂的趋势 润滑油灰分 30% PSA DPF 燃油添加剂剂 11/02 保养周期 120 kkm 未来 TOYOTA 的过滤过滤器? 催化再生 保养周期 250 kkm? 润滑油灰分 50% 润滑油灰分 100% 微粒过滤器（DPF） 不能再生的单元的污染 微粒过滤器: 减少灰分 减少污染排放 后处理系统 deNOx = 低 S TWC = 低 P DPF = 低灰分 汽车制造商希望能 有一种能适应后处 理系统的润滑油 “低 S-A-P”润滑油正在发展中 减少污染排放 后处理系统 美国、欧洲汽油机汽车排放标准与机油的关系 单位：g/km 27 排放法规COHCNOx油品规格 欧洲美国欧洲ACEA 美国 EURO （05-09 ） 1.00.080.1C系列 04 阶段II（04）1.060.1250.078SM/GF-4 EURO （00-06 ） 2.30.150.2A1 98 阶段I（00）2.10.190.16SL/GF-3 EURO （96-01 ） 2.30.3A1 96 962.60.380.193SJ/GF-2 EURO （92-96 ） 2.81.0 912.60.750.25SH/GF-1 美国、欧洲柴油机汽车排放标准与机油的关系 单位：g/km 28 排放法规NOx微粒油品规格 欧洲美国欧洲美国 EURO V （08-12 ） 2.00.02E9-08 阶段III（07）1.60.013CJ-4 EURO （05-09 ） 3.50.02E7-04 阶段II（02）2.70.13CI-4 EURO （00-06 ） 5.00.10E5-02 阶段I（98）5.40.13CH-4 EURO （95-01 ） 7.00.15E3 946.750.13CG-4 EURO （92-96 ） 8.00.36E2 916.750.34CF-4 不断进步的中国的排放法规 29 欧美排放法规趋于一致；我国排 放法规基本借鉴欧洲法规，目前 落后于欧洲法规5-10年，但是差 距在逐渐缩小。 经国务院批准，2008年3月1日起，凡是注册登记北京牌照的轻型点燃式发动机的汽车（最大 总质量3.5吨以下的乘用和商用汽油车），均须执行国4标准；自2008年7月1日起，凡是注册 登记北京牌照的重型压燃式发动机和重型气体燃料点燃式发动机（即柴油和天然气发动机） 的公交、环卫、邮政车辆，执行国4排放标准，并要求安装监控氮氧化物排放的车载