（动力机械及工程专业论文）推行国Ⅳ重型柴油车车用尿素供应体系研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着中国经济的迅猛发展，汽车产量和保有量快速增长，机动车尾气排放污 染问题引起人们的日益关注。根据2 0 1 0 年环保部公布的年报，对我国重点城市 机动车污染的调查显示，目前机动车已成为城市大气中最重要的污染源，其贡 献率远远超过其它污染源。我国重型车保有量虽然仅占机动车总保有量的5 ， 占汽车保有量的1 5 。但其n o x 和p m 的排放量占到总排放量的7 4 和8 6 ，是 控制的重点。因此加强对重型柴油车的排放控制，提高相应的排放标准( 即对 重型柴油车实行国家阶段排放标准) ，从环境费效比角度，在目前阶段是一个 最优化的手段。 预计2 0 1 3 年我国重型车将全面实施国排放标准，且主要采取的后处理技 术路线有两种：一种是s c r ( 选择催化还原) ；另一种是e g r + d p f 。这两种路线 在国际上被广泛采用，美国以e g r 为主流路线，欧洲以s c r 为主流路线。我国 根据自身情况可能会采取以s c r 作为主流技术路线。其中，s c r 后处理系统需要 加注车用尿素溶液，车用尿素溶液分解后产生的氨作为还原剂，与n o x 反应生 成n 2 。因此保证品质合格的车用尿素溶液的充足供应是s c r 重型柴油车国排 放标准顺利实施的关键因素。 本文以北京市为例，主要从以下4 个方面开展研究工作： ( 1 ) 北京市车用尿素溶液需求及发展分析 包括：国重型柴油车保有量估算、单车车用尿素年消耗量估算、国标准 实施后车用尿素溶液年需求量估算、车用尿素溶液的成本与效益分析： ( 2 ) 北京市车用尿素溶液的供应方案 包括：北京市车用尿素溶液的供应方案规划、北京市车用尿素溶液的供应方 式、北京市车用尿素溶液的经销方式、相关规范对加油站建立车用尿素溶液加 注系统的要求； ( 3 ) 车用尿素溶液的品质对s c r 系统的运行效果影响评估 包括：国外进行的车用尿素溶液存储试验和s c r 系统在极端气候条件下的运 行试验、北京正常工况下公交车队车用尿素溶液的实际使用情况、北京市场上 不同生产厂家的车用尿素溶液产品对n o x 消减率的影响、车用尿素溶液浓度对 n o x 排放的影响； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 车用尿素溶液供应体系的监管建议 包括：针对生产供应商的监管、针对产品经销商的监管、针对车用尿素溶液 终端用户( 社会营运柴油车和北京市特殊车队) 的监管。 北京市作为我国环保行列前沿以及历次新标准提前实施的示范地区，通过针 对北京市开展推行国重型柴油车车用尿素供应体系的研究工作，提出一套车 用尿素供应体系的方案建议，对未来我国其它重点城市以及全国范围内推广重 型柴油车国排放标准具有普遍的指导意义。 关键词：国重型柴油车，s c r ，车用尿素溶液，供应体系 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 、聃t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a 。se c o n o m y , v e h i c l ep r o d u c t i o na n d o w n e r s h i pg r o w i n gf a s t ，t h ep o l l u t i o nc a u s e db yv e h i c l ee x h a u s tg r o w i n gp e o p l e s c o n c e r n a c c o r d i n g t ot h e2 010a n n u a lr e p o r tr e l e a s e db yt h em i n i s t r yo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h es u r v e yo nv e h i c l ep o l l u t i o ni nm a j o rc i t i e ss h o w s v e h i c l e sh a v eb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tu r b a na i rp o l l u t i o n t h ec o n t r i b u t i o nr a t ei s f a rm o r et h a no t h e rs o u r c e s a l t h o u g ht h ea m o u n to fh e a v y d u t yv e h i c l e so n l yt a k e 5 o ft o t a lv e h i c l eo w n e r s h i p 。n o xa n dp me m i s s i o n st ot o t a le m i s s i o n sa c c o u n t e d f o r7 4 a n d8 6 ，s oi ti st h ef o c u so fc o n t r 0 1 t h e r e f o r es t r e n g l h e nt h ec o n t r o lo f e m i s s i o n sf r o mh e a v y d u t yd i e s e lv e h i c l e s ，i m p r o v et h ee m i s s i o ns t a n d a r d s ，a tt h i s s t a g ei ti sa no p t i m a lm e a n si nt h ev i e wo f c o s t - e f f e c t i v ei ne n v i r o n m e n t a l o u rc o u n t r yw i l lb ef u l l y i m p l e m e n t e d c h i n ai ve m i s s i o ns t a n d a r d sf o r h e a v y d u t yv e h i c l e si n2 013 a n di t w i l lt a k et w ok i n d so fa f t e r - t r e a t m e n ts y s t e m t e c h n i c a lr o u t e o n ei st h es c r ；t h eo t h e ri st h ee g r + d p eb o t ht e c h n i c a lr o u t e sa r e w i d e l yu s e di n t e r n a t i o n a l l y , u n i t e ds t a t e st a k ee g r a sam a j o rr o u t e ，e u r o p et a k e s c ra sm a j o rr o u t e c h i n aw i l la d o p ts c rt e c h n o l o g ya sam a i n s t r e a mr o u t e s c r a f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mn e e d st or a i s eu l e as o l u t i o n ，t h ea m m o n i aw h i c hi s d e c o m p o s i t i o nb yb r e as o l u t i o nw i l lb eu s e da sa r e d u c i n ga g e n t ，i tw i l lr e a c t sw i t h n o x a n dg e n e r a t en 2 t h e r e f o r e ，t oe n s u r eas u f f i c i e n ts u p p l yo ft h eh i g hq u a l i t yu r e a s o l u t i o ni sak e yf a t o rw h i c hc a ne n s u r et h es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no fc h i n ai v e m i s s i o ns t a n d a r d sf o rs c rh e a v y d u t yv e h i c l e s 砀ep a p e rt a k eb e i j i n ga sas t u d yc a s ea n dw i l lm a i n l yr e s e a r c hf r o mt h e f o l l o w i n gf o u ra s p e c t ： ( 1 ) t h en e e d sa n dd e v e l o p m e n ta n a l y s i so fu r e as o l u t i o ni nb e i j i n g i n c l u d e ：e s t i m a t eo nt h eo w n e r s h i po fc h i n ai vh e a v y d u t yd i e s e lv e h i c l e s ， e s t i m a t ea n n u a lc o n s u m p t i o no fu r e as o l u t i o nf o re a c hv e h i c l e ，e s t i m a t et h ea n n u a l n e e d so fu r e as o l u t i o na f t e ri m p l e m e n t e dt h ec h i n ai vs t a n d a r d ，a n a l y s i st h ec o s t a n db e n e f i to fu r e as o l u t i o n ； ( 2 ) t h eu r e as u p p l yp r o g r a mi nb e i j i n g i n c l u d e ：p l a nf o ru r e a s u p p l yp r o g r a mi nb e i j i n g ，m o d e so fu r e as u p p l yi n b e i j i n g ，t h ed i s t r i b u t i o nm e t h o d so fu r e as o l u t i o ni nb e i j i n g ，r e q u i r e m e n t so nt h e e s t a b l i s h m e n to fu r e as o l u t i o nf i l l i n gs y s t e ma tg a ss t a t i o n ； ( 3 ) i m p a c ta s s e s s m e n tb e t w e e nt h eq u a l i t yo fu r e as o l u t i o na n dt h en o n n a l o p e r a t i o no fs c rs y s t e m i n c l u d e ：r u n n i n gt e s to fs c rs y s t e mi ne x t r e m ew e a t h e rc o n d i t i o n sa n ds t o r a g e t e s to ft h eu r e as o l u t i o na ta b r o a d ，a c t u a lu s a g eo f u r e as o l u t i o nf o rb e i j i n gb u sf l e e t u n d e rn o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h e r e d u c t i o nr a t i o i m p a c tf o ru r e as o l u t i o n p r o d u c t so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r st op o l l u t a n t sn o x ，t h ec o n c e n t r a t i o n o fu 1 e a e f f e c t so nn o x e m i s s i o n s ； ( 4 ) t h er e g u l a t o r yp r o p o s a l so fu r e as o l u t i o ns u p p l ys y s t e m i n c l u d e ：t h er e g u l a t o r yf o rp r o d u c t i o ns u p p l i e r s ，t h er e g u l a t o r yf o rp r o d u c t i o n d i s t r i b u t o r ，t h er e g u l a t o r yf o re n du s e r so fu r e as o l u t i o n b e i j i n ga s ad e m o n s t r a t i o na r e af o r c h i n a s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n 锄d a d v a n c i m p l e m e n t a t i o no ft h ep r e v i o u ss t a n d a r d ，t h i sp a p e rc a n p r o p o s e das u p p l y p r o g r a mo fu r e as o l u t i o nb yc a r r y i n go u tr e s e a r c hw o r ko nt h eu r e as o l u t i o ns u p p l y s y s t e mf o rc h i n ai v h e a v y d u t yd i e s e lv e h i c l e si nb e i j i n g i th a su n i v e r s a l s l g n i f i c a n c ea to t h 盯m a j o rc i t i e so rn a t i o n w i d et op r o m o t et h ec h i n ai v h e a v y d u t y d i e s e lv e h i c l e se m i s s i o ns t a n d a r d s k e yw o r d s ：c h i n a h e a v y d u t y v e h i c l e s ，s c r , u r e as o l u t i o n ，s u p p l ys y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 机动车污染防治工作沿革 随着中国经济的迅猛发展，汽车产量和保有量的快速增长，机动车尾气排 放污染问题引起人们的日益关注。由于我国特殊的国情：机动车整体制造水平 不高，排放控制设施的稳定性低，车用能源结构相对单一，燃油品质制约着实 施更严格的排放法规；资源消耗大、排放高的老旧车辆在现有汽车中的比例较 高；交通设施完善水平、道路交通管理的智能化及交通法规的完备程度较低； 民众的环保意识薄弱，汽车出行率居高不下；汽车文明的状态尚未达到汽车社 会水平，非正常行驶行为对接近或已饱和的交通产生一定的干扰，使得交通安 全交得更加脆弱，一旦出现主要干线拥堵或事故，极易产生连锁反应，蔓延到 支线区域，造成局部塞车，甚至整个城市的交通瘫痪；在怠速或低速状态下， 机动车排放的主要大气污染物( 单位里程) 比正常运行的状态下高数倍。这些 因素致使机动车排放引起的大气污染问题日益严重。根据2 0 1 0 年我国重点城市 机动车污染的调查显示【1 。2 】，目前机动车已成为城市大气中最重要的污染源，其 贡献率远远超过其它污染源。 为了从立法层面解决大气环境的污染问题，我国于1 9 8 7 年制定了中华人 民共和国大气污染防治法( 简称大气法) ，首次为控制移动源提供了法律依 据。1 9 9 5 年第一次对这部法律做了修改，赋予国家环保部管理移动源排放的权 利。2 0 0 0 年又进行了第二次修改，以专门的章节规定了控制机动车排放污染的 所有环节，明确赋予环保部制定排放标准的权利；排放限值要以空气质量、经 济和技术因素为基础；要求在用车达到排放标准并进行定期检测，省级环保部 门对在用车检测机构进行委托；鼓励使用清洁燃料、淘汰含铅汽油等。随着汽 车工业的快速发展，道路交通环境污染形式复杂严峻的变化，第三次大气法 修改也正在加紧进行着，对机动车污染防治的力度将进一步加大。 以大气法作为基本依据，针对机动车大气污染物排放这一突出问题， 本着从源头控制的方针，我国相继出台了一系列日益严格的汽车排放标准法规， 目的是促使汽车生产企业提升设计、制造的技术性能来降低有害物的排放。我 国新车达标排放的型式核准自2 0 0 0 年开始实施国i 阶段排放标准，2 0 0 4 年开始 武汉理工大学硕士学位论文 实施国i i 排放标准，2 0 0 7 年开始实施国i i i 排放标准。目前，2 0 1 0 年国标准正 在实施中，国v 阶段的排放标准也已紧锣密鼓地制定。愈加严格的排放标准的 制定及实施，推动了汽车技术的进步，明显减缓了机动车排放造成空气质量恶 化的速度，但由于保有量的迅速增加，机动车排放污染的形式依然十分严峻【3 j 。 ( 以上标准的实施时间如果按新车停止销售的时间应滞后一年) 因此，国家从环境保护的战略高度，进一步落实以人为本，确保人体健康， 加大机动车排放致使空气污染的控制力度，于2 0 1 0 年5 月国务院同意并转发了 环保部关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见，把氮 氧化物( n o ) 、二氧化硫、可吸入颗粒物、挥发性有机物，列为四大重点防控 对象；随即在2 0 1 0 年6 月份环境保护部首次明确表示，n o x 将作为约束性指标 纳入区域总量控制范畴。“十二五”期间，n o x 总量控制将在全国范围内实行。 氮氧化物总量削减比例参照“十一五”二氧化硫削减比例( 1 0 ) 。 1 1 2 研究工作的提出 北京市是我国的政治、文化和经济中心。经济总量大，2 0 0 9 年全市g d p 为 1 2 1 5 3 亿元，人均g d p 超过1 万美元，且每年以1 0 的速度增长；人口多、增 长快，2 0 0 9 年末常住人口1 7 5 5 万，且人口年均递增4 0 万以上；能源消耗量大， 2 0 0 9 年能源消费总量6 5 7 7 万吨标煤；机动车保有量大，增长迅速，从1 9 9 8 年 的1 3 8 万辆，到2 0 0 9 年底的4 0 0 万辆，截止到2 0 1 0 年底，北京市机动车保有 量已突破4 7 0 万辆。从北京市自然条件上看，三面环山，降水少，属温带大陆性 半湿润季风气候，不利于污染物扩散。这些因素造成了北京以机动车污染为主 的大气污染特征，如表1 1 所示： 表1 - 1 机动车排放对北京市主要大气污染物的的分担率表 污染物 浓度分担率( )排放量分担率( ) 一氧化碳 9 28 8 氮氧化物 6 45 1 碳氢化合物 5 1 4 9 综上各种经济、社会和自然条件，可以看出对北京市机动车污染排放进行 武汉理工大学硕士学位论文 控制显得尤为紧迫。 作为中国环保行列前沿以及历次新标准提前实施的示范地区，北京市近些 年来陆续实施了一系列机动车污染控制管理法规、标准和措施，重点加强对新 车排放的源头控制和在用车排放污染的监督管理。北京市自上世纪9 0 年代起在 全国率先开始了机动车污染控制的工作，在1 9 9 9 年实施国i 排放标准； 2 0 0 2 年实施国i i 标准；2 0 0 5 年实施了国i i i 排放标准；2 0 0 8 年3 月开始对轻型车实施 国家阶段排放标准，同年7 月对公交、环卫、邮政柴油和天然气发动机车辆 实施国i v 排放控制要求，同时还要求安装车载排放诊断系统( o b d ) 。通过这些 年不断的努力，北京市在近十年机动车保有量的高速增长的情况下，2 0 1 0 年n o x 和c o 的排放水平比1 9 9 5 年降低了大约十五个百分点。 虽然北京市已经在机动车排放控制管理方面取得了可喜的成绩，但是目前 北京的机动车保有量已突破4 7 0 万辆，在北京市2 0 1 1 年的新车限购政策出台前， 每年汽车保有量大约以5 0 万辆的速度递增。新政出台后，虽然对重型柴油车的 保有量增量不会产生大的影响，但总的保有量增长预期会有大幅度降低，对缓 解北京未来大气环境的污染程度起到一定的作用。然而根据相关资料【4 】，目前北 京市城区及近郊的各类大气污染源类中，机动车排放对大气n o x 浓度的贡献率 超过6 0 ，一些地区甚至高达7 4 ，污染物排放量分担率超过5 0 ，继续加大 n o x 减排力度刻不容缓。北京市面临的对机动车排放管理的压力仍然很大。 重型柴油车占北京市机动车保有总量不足5 ，但其污染物排放贡献率以氮 氧化物( n o x ) 为例超过3 0 ，颗粒物( p m ) 的排放所占的比例会更高。因此 加强对重型柴油车的排放控制，提高相应的排放标准( 即对重型柴油车实行国 家阶段排放标准) ，从环境费效比角度，在目前阶段是一个最优化的手段。 目前重型柴油车达到国排放标准的技术路线主要有两种：一条是优化燃 烧+ 选择性催化还原( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 路线，另一条是废气 再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，e g r ) + 微粒捕集器( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ， d p f ) 路线。 北京市重型柴油车主要采用s c r 技术路线作为实施国标准的技术方案。 而s c r 技术路线需要用尿素水解产生的氨气来降低n o x 含量，除了提高汽车行 业的制造水平外，也需要政府部门引导其它配套行业紧密配合。其中，化工行 业为采用s c r 技术路线的国重型柴油车提供标准的车用尿素溶液，建立储运 渠道，健全多级配套的加注网点，是保障北京市重型柴油车国标准顺利实施 的关键因素。 3 武汉理工大学硕士学位论文 因此，政府引导和制定一个适合实际情况、分期的车用尿素供应方案和推 进计划是实施新排放标准的前提保障之一。为此，针对北京市开展“推行国 重型柴油车车用尿素供应体系研究这一课题工作，所得到的研究成果可以配 合北京市重型柴油车国排放标准的升级，使之不会受到车用尿素供应的影响。 从而，以北京市为典型示范例子，根据这一套车用尿素供应体系的方案建议， 对未来我国其它重点城市以及全国范围内升级重型柴油车国排放标准提供指 导建议。 1 2 研究目的和意义 本文针对北京市国重型柴油车的车用尿素供应体系提出一套方案建议， 研究目的就是为了确保2 0 1 2 年北京市重型柴油车国排放标准的顺利实施，不 会因为车用尿素的供应而出现问题。 本文的主要研究范围是针对车用尿素的生产供应、储存及分销加注是否满 足北京市采用s c r 技术的重型柴油车尾气后处理装置的使用要求、相关产品的 生产准备是否充分等问题做出回答，提出具体的方案实施建议，同时为更有效 实施国v 排放标准提供决策依据。如果无法保证品质合格的车用尿素溶液加注 到重型柴油车中，会导致s c r 后处理系统无法正常工作，进而使国排放标准 的减排落空，同时造成大量s c r 的质保纠纷，最终会影响社会稳定。 本项目的研究成果将主要为北京市实施重型柴油车国排放标准的车用尿 素供应方案的制定提供科学的依据和建议；针对未来北京市车用尿素溶液的生 产、运输、储存和分销加注环节可能出现的问题，结合车用尿素溶液在不同使 用浓度条件下对s c r 系统运行效果影响的研究成果，提出监管建议，为相关管 理部i - j n 定政策提供科学支撑。 通过调研国内外车用尿素加注和监管等相关情况及存在的问题，借鉴国外 车用尿素推广过程中的经验，结合我国具体情况，制定包括车用尿素溶液的生 产、运输和加注等全过程的供应方案，以保障国排放标准实施达到预期的效 果，进一步改善北京市的环境空气质量，具有重要的经济、社会和环境效益， 并为今后我国其它重点城市以及全国范围内升级重型柴油车国排放标准提供 经验和决策依据。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究内容和方法 本文的研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 北京市重型柴油车现状调查及未来的预测( 包括种类、车辆类型分布、活 动状况、后处理技术及排放、所使用的油品情况) ； ( 2 ) 适用于s c r 技术的车用尿素溶液的生产供应现状调查( 包括车用尿素品质 保证、生产运输储运及分销加注的方式、可选方案的成本估算等) ； ( 3 ) 加油站的柴油供应现状调查以及预测； ( 4 ) 尿素供应方案、推进计划和监管的建议及论证，并给出加注点分期发展方 案( 建设时间、位置、加注量) 的具体建议； ( 5 ) 采用s c r 技术的国重型柴油车的达标效果评估( 车用尿素溶液在不同使 用浓度条件下，对s c r 系统运行效果进行评估) 。 本文的研究工作主要采用问卷调查、专家访谈、国内外实地调研、模型测 算等多种方式，科学预测重型柴油车国排放标准实施后的燃料和车用尿素的 需求，结合重型柴油车的活动特征和现有的柴油供应网络的状况，经专家广泛 论证，对车用尿素溶液的生产、运输和加注等配套设施在国标准实施前的准 备情况进行相关调研和系统地规划，并考虑未来可能的政策对它的影响，提出 一个适合实际情况、分阶段的车用尿素溶液供应方案、推进计划和实施建议。 1 4 本章小结 本章以重型柴油车升级国排放标准后，带s c r 系统国重型柴油车所面临 的车用尿素溶液供应体系的问题为出发点，从机动车污染防治工作的角度分析 此问题，逐一介绍了本文的研究背景、研究项目的来源、研究目的和意义以及 具体的研究内容和方法。本文的研究意义可以从两方面来阐述，一方面可以为 北京市重型柴油车国排放标准后车用尿素溶液的供应问题提供科学方案建 议，保障北京市重型柴油车国排放标准的顺利实施，解决北京市机动车防治 工作的当前问题；另一方面以北京为典型例子，未来对我国其它重点城市以及 全国范围升级重型车国排放标准提供经验和指导建议。 s 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第2 章重型柴油车实现国排放标准的技术路线 柴油机以其高压缩比而具有比汽油机更高的燃油效率，由于它具有良好的 燃油经济性、动力性、耐久性等优点而广泛应用于大功率车辆上【5 l ，如大型客车 和大型货车。近几年来由于柴油发动机领域的技术进步，柴油轻型乘用车开始 逐渐普及，目前欧洲的柴油轻型乘用车占轻型车总保有量已经超过5 0 ，而且这 一趋势还在继续。柴油车的h c 、c o 、c 0 2 的排放量比汽油车低，并能够作为生 物柴油等新能源的最佳使用平台，因此柴油车应用前景非常好，目前全世界柴 油车的生产量也是呈逐年上升的态势。但是柴油车排放的n o x 和p m 远高于汽油 车，且无法像汽油车那样使用三效催化剂而达到国排放。因此，柴油机排放 控制的重点是降低n o 和p m 排放。但是由于柴油机p m 和n o x 的排放具有 “t r a d e o f f ( 指此消彼长，矛盾) 的关系【6 l ，不能通过机内改造等措施大幅度 同时降低p m 和n o x 排放。 由于我国车用柴油品质的问题，使得柴油发动机在轻型车上的应用受到了 很大的限制，要满足国排放法规的严格要求( 见表2 1 ) ，仅依靠机内净化难 以实现，必须对排放的尾气气进行机外净化处理。 对于我国重型柴油机从国i i i 阶段过渡到国阶段，目前有三种技术方案： 机前处理、机内净化和排气后处理。机前处理主要是改进燃油品质，降低燃油 的硫含量等，用以降低p m 等污染物的排放；机内净化主要是通过优化缸内燃烧， 改善进气以及采用电控喷射技术等，目的是改善缸内燃烧，减少n o x 和p m 等的 生成；排气后处理则主要是采用各种尾气过滤净化装置或者催化转化器，对排 气进行处理。 表2 1 中国重型车用柴油机排放标准 c o n o x h c p m ( g k w h ) 烟度 标准实施时间 ( f k w h )( 8 k w h )( g k w h ) s 8 5 8 5 ( 历一1 ) 国i 2 0 0 0 9 2 0 0 4 8 4 58 01 10 6 10 3 6n o n e 国i i 2 0 0 3 9 2 0 0 8 74 07 01 10 1 5n o n e 国i i i 2 0 0 7 1 2 0 1 0 1 2 2 55 00 6 6 0 1 00 1 30 8 国 2 0 1 0 1 2 0 1 2 1 21 5 3 5 0 4o 0 20 5 国v 2 0 1 2 1 -1 52 00 4 60 0 20 5 注：适用于单缸排量小于0 7 5 l 且转速大于3 0 0 0 r r a i n 的柴油机瞪l 6 武汉理工大学硕士学位论文 后处理系统主要有两种技术路线，一种系统是s c r ( 选择催化还原) ，简称 s c r 路线；另一种系统是e g r + d p f ，简称e g r 路线。这两种路线在国际上已被广 泛采用，美国采用以e g r 作为主流技术路线，欧洲采用以s c r 作为主流技术路 线【埘。具体原因分析如下： 从n o x 和p m 的排放限值上进行比较：美国对p m 排放的限制较为严格， 而欧洲对n o x 排放的限制更加严格一些。 美国与欧洲比较，美国的燃油价格相对低而尿素价格相对较高，并且s c r 技术路线会带来更高的初始安装附加成本。此外，车用尿素溶液的供应 习题问题一直没有一个合理的解决方案。另外，美国环境保护局 ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，简称e p a ) 2 0 0 7 年规定新车的后处 理系统要满足1 5 万公里无需维护的要求。而s c r 技术路线显然违背了 这个要求，其大约每隔3 0 0 0 5 0 0 0 英里( 相当于约5 0 0 0 8 0 0 0 公里) 需 要加注一次车用尿素溶液，因此采用s c r 技术路线需向e p a 提出特别申 请。 欧洲主要是采用s c r 技术路线，少部分地区采用e g r + d p f 技术路线。对 于长途运输来说，其燃油经济性较为重要( 这是采用s c r 路线的优势) ， 并且d p f 需要定期清洁不利于长途运输；但对于短途货运和公交车来 说，其经济性并非最关键因素，d p f 维护也容易实现，所以部分地区城 市要求强制加装d p f 。 2 1s c r 技术路线的介绍 s c r 技术广为人知是始于上世纪7 0 年代的火电厂脱销技术。通过在富氧的 尾气中喷入还原剂氨气，在催化剂表面把氮氧化物还原成无害的氮气和水。在 汽车领域采用尿素溶液替代氨气作为还原剂。 0s c r 系统后处理装置，如图2 1 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 。 。r 催化转化昭 图2 - 1s c r 系统后处理装置示意图 位 s c r 系统的主要组成说明 尿素溶液箱( 罐) ：尿素溶液的储存装置。因为尿素溶液有一定的腐蚀性， 因此其使用的储存和传输设备应选用特殊材料或者进行防腐蚀技术处理，以防 止或减缓腐蚀。此外，其引进一个尿素质量传感器到s c r 后处理系统，可消除 某种作弊风险或意外错误灌装，以确保加注正确，保证排放达标。 尿素溶液供给模块：供给模块是尿素溶液传输的动力装置，将尿素溶液输 送到计量设备中，并且保持一定的压力备用。 计量控制单元：其作为s c r 系统的控制器，是整个s c r 后处理系统的核心 部分，主要完成的工作包括：采集柴油机当前工况参数，根据控制器内存储的 控制程序计算并输出控制信号到尿素水溶液供给单元。s c r 控制器获取转速、 负荷等信号有不同的方式，可以通过传感器直接检测，也可以与柴油机电子控 制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，以后简称e c u ) 通信，获取工况参数。 尿素喷雾器：尿素喷雾器安装在排气管上，将计量设备送来的尿素与压缩 空气的混合物顺流喷射进入排气管中，并且尽量使喷出的尿素水溶液均匀雾化， 尿素水溶液的雾化程度，与尾气混合的均匀程度对s c r 反应的程度有极大的影 响。尿素水溶液的雾化对喷嘴的型式、数目等都有一定要求。此外，对喷嘴的 固 武汉理工大学硕士学位论文 安装位置也有一定要求。研究发现喷嘴到催化转化器的入口至少3 0 0 m m ，距离 越大混合的效果越好。 催化转化器：是n o x 发生还原反应的场所，一般采用蜂窝状的内部结构，为 了提高s c r 反应的程度要获得尽量大的的内表面积，同时也要尽量减小转化器 造成的排气背压升高。s c r 催化剂附着在催化转化器的内表面，工作时吸附在 表面上的n h 3 与n o x 在催化剂作用下发生反应。 圆s c r 系统的工作原理 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n o x 为代 价，降低发动机缸内的p m 排放。此过程中产生较高的n o x 排放通过机外排气后 处理，即通过选择性催化还原系统( s c r ) ，使n o x 降至排放标准范围，排气中 n o x 以n o 为主，约9 0 。 s c r 系统在工作时，e c u 将采集到的柴油机转速、转矩和催化器的进口温度 等信息，按照控制策略需求形成控制尿素溶液流量的指令，控制尿素溶液与空 气雾化的混合物经喷嘴进入排气管。在排气管中尿素溶液经蒸发、热解以及水 解等一系列物理化学反应后分解成氨气( n h 3 ) 和水( h 2 0 ) 并与排气充分混合， 然后进入s c r 催化转化器。在催化剂的催化作用下，n h 3 与n o x 迅速反应生成 n 2 和h 2 0 ，随废气排入大气。 4 卿s c r 系统的反应机理 柴油机排放的尾气是由多种气体组分组成的混合气，n o x 仅是其中一种，因 此必须使用具有选择性的还原剂对n o x 的进行净化。在富氧、一定的催化剂和 温度条件下，n h 3 可以优先与n o x 反应，生成n 2 和h 2 0 ，具有较高的选择性， 并且二者反应要求的温度约为2 0 0 以上，一般工况下柴油机的排气温度大约为 3 0 0 “5 0 0 ，所以n h 3 是理想的还原剂。 对于s c r 后处理系统，在n o x 发生还原反应的过程中主要发生以下几个反 应眦1 3 1 ： 4 n h 3 + 4 们+ d 2 4 2 + 6 马d ( 2 - 1 ) 4 n h 3 + 2 n o + 2 n 0 2 4 2 + 6 也d ( 2 2 ) 6 n 0 2 + 8 n h 3 7 2 + 1 2 h 2 0 ( 2 - 3 ) 4 n h 3 + 3 0 2 _ 2 2 + 6 致d ( 2 - 4 ) 反应( 2 1 ) 称为标准s c r 反应。根据no ) ( 的生成机理，在一般燃烧温度条 9 武汉理工大学硕士学位论文 件下，柴油机排气中n o x 主要以n o 的形式出现，n o 与n 0 2 的比例一般在9 ：1 以 上。若不对柴油机尾气中n o 和n 0 2 比例进行调节，则s c r 催化器中主要发生标 准s c r 反应。 反应( 2 2 ) 称为快速s c r 反应。研究表明，此反应可以在较低温度下进行， 并且在较低温度下的反应速率是标准s c r 反应速率的1 7 倍。因此，提高n o x 中 n 0 2 的比例可以使s c r 系统在较低温度下发生快速s c r 反应，有利于提高n o x 转化率，尤其在低排温工况下更加有利。因此提高尾气中n 0 2 的比率是提高s c r 转化率的有效途径。 为了提高n 0 2 的比例，可采用在s c r 系统前面加装氧化催化转化器( d o c ) 的方法。其可以使n o 发生氧化反应生成n 0 2 ，从而提高n o x 中n 0 2 的比例。根 据快速s c r 反应的化学方程式可以看出n o 中n 0 2 与n o 的最佳比例为1 ：1 ，此 时可以最大限度的发生快速反应。但是，若n 0 2 与n o 的比例超过1 ：1 ，就有可能 发生反应( 2 - 3 ) 。这个反应的反应速率在三个还原反应中速率最低。因此若将 n 0 2 在n o x 中的比例提高到5 0 以上，s c r 反应的速率反而会降低；而且n 0 2 的 毒性是n o 的5 8 倍，释放n 0 2 到大气中危害会更大，因此氧化装置的作用应该 使n 0 2 与n o 接近最佳比例1 ，但不要超过1 。 反应( 2 4 ) 是在高温时发生的n h 3 的氧化反应，即此时n h 3 失去了优先与 n o x 反应的选择性，因此是应该避免的反应。但是在排气尾端可以在催化剂条件 下利用此反应对泄露的n h 3 进行清除。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2e g r + d p f 技术路线的介绍 空气冷却器 繁于d p f 的催化剂 图2 2 采用e g r 技术及d p f 后处理装置图 进气 排气 如图2 2 所示，e g r + d p f 技术路线先是采用e g r 技术降低缸内n o x 的排放量， 同时允许p m 有一定程度的升高，升高的微粒用d p f 进行捕集，从而达到同时降 低n o x 和p m 的效果。该技术路线主要在美国应用，故又称美国路线唧。 e g r 的技术原理 e g r 技术降低n o x 的基本原理是将部分废气引入排气管，再循环到燃烧室内， 利用废气中的n 2 等惰性气体延缓反应的进行。同时，利用废气中比热较高的c o ： 和h 2 0 等，以降低缸内最高燃烧温度，从而减少n o x 的生成。再循环的废气对 新鲜混合气有稀释作用，降低了混合气中0 2 的浓度，破坏了n o x 的生成条件， 进而可以有效抑制n o x 的生成。 废气混入燃烧室的多少，通过e g r 率来表示。合理的e g r 率对降低n o x 的 排放有重要作用。有研究表明，大约6 0 7 0 的n o x 是在高负荷时产生的，此时 采用合适的e g r 率对于减少n o x 的排放是很有效的。e g r 率为1 5 时，n o x 排放 武汉理工大学硕士学位论文 可以减少5 0 以上；而e g r 率为2 5 时，n o x 排放可以减少8 0 以上；但是随着 e g r 率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性差，h c 排放和油耗增加。虽 然e g r 对柴油机缸内n o x 形成有明显的抑制作用，但同时会增加排气烟度，需 要采取相应的措施降低排气烟度。 d p f 的技术原理 d p f 是减少p m 排放的一种废气后处理装置，先用收集器过滤废气中的微粒 物质，然后通过对收集的微粒进行氧化来清洁捕集器。微粒过滤的机理通常有 碰撞吸附、惯性拦截、扩散拦截、重力沉降等。 d p f 把微粒从柴油机的排气中过滤出来，沉积在滤芯内，它本身不能清除微 粒。而微粒的积聚会增加排气流动阻力，增加柴油机排气背压，影响柴油机的 换气和燃烧，降低功率输出，增加燃油消耗。因此，必须及时清除d p f 中积聚 的微粒，解决d p f 的再生问题。再生的方法有两种：一种是被动再生，通过在 燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低p m 的燃点，使p m 能在较 低的温度下燃烧掉；另一种是主动再生，利用外界能量来提高d p f 内的温度， 以达到p m 的燃点，使p m 着火燃烧。 2 3 两种后处理技术路线的对比分析 表2 2 针对s c r 技术路线和e g r 技术路线进行了简单的比较分析。 表2 2 两种不同技术路线的比较n 5 1 比较项目 s c re g r + d p f 燃油经济性提高3 - 5 降f k 乇2 - 3 燃油喷射压力相对较低相对较高 燃油周期( 机油含碳量)换油周期长换油周期缩短 燃油含硫量 可使用国i 柴油 不能高于5 0 p p m ( 国) 与国i i i 结构比较本体基本不变本体增力i i e g r ，变化较大 排气系统 s c r 装置，需增基础设施d p f 装置，无基础设施要求 封装要求相对较高相对较低 武汉理工大学硕士学位论文 ns c r 技术路线的优缺点分析 优点： 提高发动机的燃油经济性：s c r 技术路线通过优化燃烧规律，可以使发 动机的油耗降低5 - i 0 。同时，尿素溶液作为还原剂的价格比较低廉， 约是柴油价格的一半，扣除尿素溶液的费用后，s c r 技术方案可使整车 经济性提高3 5 【1 6 1 。 s c r 技术使用的排气温度范围较广：在2 2 0 “5 0 0 。c 的温度范围内，n o x 的转化效率可以达到4 0 一8 5 ，而实际运行车辆排温的变化基本上处于 这一范围内，可以获得较高的n o x 转化率。 催化器对燃油中的硫不敏感：戴姆勒克莱斯勒公司研究认为含硫量 3 5 0 p p m 以下的欧i i i 燃油都可以满足国要求。因此，s c r 系统在燃油 品质差的国家和地区也可以使用。 在柴油机上应用s c r 技术不需要改变柴油机的内部结构，只需在排气管 中安装s c r 催化转化器，其它s c r 系统所需的组件可以根据现场空间安 装在发动机的周围，故s c r 系统安装简单，可以满足国及