（光学工程专业论文）柴油车辆的排放及试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来由于柴油汽车的迅速发展，柴油车辆的排放问题越来越引起人们关 注，我国环保部门也陆续出台机动车排放法规，以期对日益严重的汽车排放进行 控制，并使我国的法规尽快与欧洲接轨。我国柴油车排放控制技术同国外还存在 较大差距，特别是在轻型高速柴油机排放方面差距更大，如何有效控制柴油车捧 放对我国柴油车的发展十分重要。 柴油品质对柴油车辆的排放有重要影响，并且与柴油汽车的排放控制技术关 系密切。目前美国、欧洲和日本都已经进行了车油计划，以建立燃油和发动机技 术之间的联系及它们对车辆排放的影响，但是我国目前在柴油组分与汽车排放的 相关性研究方面基本上处于空白状态。而对于车辆的排放测试技术研究方面，通 过车载仪器测量汽车的排放，进而评价汽车排放的影响因素的研究工作在国内也 是一个较新的课题。 通过对国内外车油项目的研究情况进行总结提炼，深入研究了柴油的硫含 量、十六烷值和十六烷指数、芳香烃、密度和粘度、馏程等主要参数对车辆排放 特性的影响，为制定符合我国国情的国排放标准的柴油标准提供了科学合理 的依据。 我国的捧放法规升级对于汽车行业和石化行业都是巨大的挑战，本文对比了 升级前后的法规在排放限值、试验循环等方面的差异，以期对控制柴油车辆的排 放提供一些思路。同时借助中国汽车技术研究中心的测试条件及先进的颗粒物测 试仪器e l p i 和车载气体污染物设备o b s 2 2 0 0 ，严密设计实验方案，进行了台 架和道路试验，探讨我国法规的升级带来的挑战及燃油和s c r 后处理装置对汽 车排放的影响，并且对实际道路条件下柴油汽车的排放特性进行了讨论。出于当 前国外对于颗粒物数量排放状况的关注，本文还利用e l p i 研究了颗粒物的数量 排放特征，探讨e l p i 在道路车载测试上的可行性。 关键词：柴油车辆，排放控制，燃油，测试，e l p i 武汉理工大学硕士学位论文 i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i e s e lv e h i c l e s ，e m i s s i o n sf r o m d i e s e lv e h i c l e sa t t r a c tm o r ea n dm o r ec o n c c r n s i no r d e rt oc o n t r o lt h es e r i o u sv e h i c l e e m i s s i o n ss i t u a t i o n sa n dm a k et h ei n t e r n a lr e g u l a t i o n si n t e g r a t ew i t he u r o p ea ss o o u a sp o s s i b l e t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n to fo u rc o u n t r yi s s u e sm o t o r v e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n ss u c c e s s i o n a l l y t h e r ei sg r e a td i s p a r i t yb e t w e e ni n t e r n a l a n df o r e i g nd i e s e lv e h i c l ee m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a u yi nl i g h td u t yh i g h s p e e dd i e s e le n g i n ee m i s s i o n s h o wt oc o n t r o ld i e s e lv e h i c l ee m i s s i o n se f f e c t i v e l yi s v e r yi m p o r t a n tf o rc h i n e s ed i e s e lv e h i c l ed e v e l o p m e n t f u e lq u a l i t yh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nv e h i c l ee m i s s i o n sa n di ti si nc l o s e r e l a t i o n s h i p w i t he m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g i e s a m e r i c a , e u r o p ea n dj a p a nh a d c a r r i e da u t o f u e l p r o j e c t s t oe s t a b l i s hc o n n e c t i o n sb e t w e e nf u e la n de n g i n e t e c h n o l o g i e s ，b u to u rc o u r t t r yi sb a s i c a l l yi nb l a n ks t a t ei nd i e s e lp a r a m e t e r sa n d v e h i c l ee m i s s i o n sc o t m e c t i o nr e s e a r c h a n di ti san e w e rs u b j e c tt oe v a l u a t et h e e m i s s i o ni n f l u e n c ef a c t o r si ni n t e r n a lv e h i c l ee m i s s i o nt e s tt e c h n o l o g i e sb yo n b o a r d i n s t r u m e n t s t h r o u g hs u m m a r i z i n g d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la u t o - f u e l p r o j e c t s ，d i e s e l p a r a m e t e r s ( m a i n l ys u l f u rc o n t e n t s ，c e t a n en u m b e ra n dc e t a n ei n d e x ，a c r o m a t i c a , d e n s i t y , v i s c o s i t ye t c ) i n f l u e n c eo nv e h i c l ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i cw a sd e e p l y i n v e s t i g a t e d ，w h i c hp r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s i sf o rc o n s t i t u t i n gt h ef o u r t hs t a g ed i e s e l s t a n d a r , dt oa c c o r dw i t ht h en a t i o n a lc o n d i t i o n s t h eu p g r a d eo ft h ei n t e r n a le m i s s i o nr e g u l a t i o ni sa l le n o r m o u sc h a l l e n g et ob o t h a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h i sp a p e rc o n t r a s t st h ed i f f e r e n c e s i ne m i s s i o nl i m i t s , t e s t i n gc i r c u l a t i o n se t co fr e g u l a t i o n sb e f o r ea n da f t e ru p g r a d e ，a n d e x p e c t st oo f f e rs o m ec l e w st oc o n t r o ld i e s e lv e h i c l ee m i s s i o n s b yv i r t u eo f c a t a r c st e s t i n ga b i l i t i e sa n da d v a n c e dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ss u c ha se l p if o r p mt e s t i n ga n do b s - 2 2 0 0f o rg a s e o u sp o l l u t a n t s , w ed e s i g n e dr i g o r o u se x p e r i m e n t s c h e m e ，c a r r i e do nb e n c ht e s ta n do n r o a de m i s s i o nt e s t ，d i s c u s s e dt h ec h a l l e n g e b r o u g h tb yt h eu p g r a d i n gr e g u l a t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ff u e la n ds c r ，a n d r e s e a r c h e de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e lv e h i c l e so nr e a lr o a dc o n d i t i o n s f o rt h e c o n c e r na b o u tp mn u m b e ri na b r o a da tp r e s e n t ，t h i sp a p e ra l s ou t i l i z e de l p it os t u d y p mn u m b e re m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yt h a te l p iu s e do n r e a lr o a dm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：d i e s e lv e h i c l e ，e m i s s i o nc o n t r o l ，f u e l ，t e s t ，e u i n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 排放法规的发展 柴油发动机有着较高的燃油经济性、较好的动力性和耐久性，几乎所有的大 中型商用车都以柴油发动机为动力，并且随着柴油机轻型化技术的日益成熟，轻 型客车和轿车中柴油机所占的比例也越来越大。欧洲是汽车柴油化比例最高的地 区，根据德国调查公司f r o s t & s u l l i v a n 的预测报告，欧洲柴油车在新车中的比例 将从2 0 0 4 年的4 5 上升到2 0 1 2 年的5 3 。与此同时，机动车引发的环境污染 问题也越来越突出，空气质量监测表明，我国7 0 的城市空气质量超标，这不仅 对人造成了严重危害，还危及城市的经济建设和社会进步。为了治理机动车排放 引起的环境污染问题，世界各国相继对机动车的排放污染物提出了控制要求，制 定了相应的排放法规，以控制机动车污染物的排放。 美国是世界上最先对汽车排放物进行限制的国家，1 9 6 6 年美国加利福尼亚 州首先颁布了世界上第一个汽车排放法规。此后几十年间，排放法规多次升级， 同时也促进了汽车技术的升级和燃油法规的发展。到现在，世界各国的汽车排放 法规已经形成了美国、欧洲和日本三大体系。 1 1 1 美国体系 美国的排放法规体系较为复杂，美国联邦政府为车辆制定了基本的捧放限 值，而加利福尼亚州则被允许单独制定比联邦法规更加严格的排放标准，并且其 他州有权选择加州法规来替代联邦法规。表1 - 1 显示了美国联邦重型柴油汽车的 排放限值，采用e p a 瞬态测试循环。可以看到，从1 9 9 1 年开始，美国对重型柴 油车的一氧化碳( c o ，c a r b o nm o n o x i d e ) 和碳氢化合物( h c ，h y d r o c a r b o n ) 排 放要求基本维持同一水平，并且逐步加严氮氧化物( n o x ，n i t r o g e no x i d e ) 和颗 粒物( p m ，p a r t i c u l a t em a t t e r ) 的限值。美国从2 0 0 4 年起阶段性实施t i e r 2 排放 标准，并且将在2 0 0 9 年全面实行t i e r 2 排放标准。 实施日期 c o h c n o x p m 1 9 9 1 2 0 81 7 46 7 n 3 4 1 9 9 4 - 2 0 81 7 46 7 o 1 3 4 1 9 9 8 2 0 81 7 45 4 o 1 3 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 欧洲体系 欧盟国家已经统一实施了柴油车排放标准( 见表1 2 ) ，其内容包括新开发车 的型式认证试验和现生产车的生产一致性检查试验。在2 0 0 0 年以前，欧洲所用 的试验方法一直是稳态1 3 工况法。从2 0 0 0 年的欧i i i 阶段开始，试验工况改为 欧洲稳态循环( e s c ，e u r o p e a ns t e a d ys t a t ec y c l e ) 和欧洲瞬态循环( e t c ， e u r o p e a n t r a n s i e n t c y c l e ) ，允许制造商选择二种工况中的任意一种进行认证。从 欧开始则必须选择e t c 工况。 实施日期 c 0h cn o xp m e u r oi ( 1 9 9 2 - )4 99 01 2 3 o 4 e u r oi i ( 1 9 9 6 - ) 4 o7 o1 o0 1 5 e u r oi i l ( 2 0 0 0 - 1 )5 4 5 5 o 0 7 8 20 1 6 e u r oi v ( 2 0 0 5 1 )4 o3 5 o 5 5 20 0 3 注：1 ) 为e t c 工况限值。2 ) 为非甲烷碳氢限值 1 1 3 日本体系 日本根据本国特点制定了自己的排放法规。闩本的法规限值有两个数值，即 平均值和最高值。任何单个车辆或发动机的排放不能超过最高值；同时在一定规 定期内工厂按一定百分比抽检某一批型号的车辆或发动机，所测得的排放平均值 不得超过限值规定的平均值，测试中采用的循环工况为日本1 0 1 5 工况和1 1 工 况。并且为了进一步限制排放，日本还推出了新短期排放限值和新长期排放限值。 1 1 4 我国的排放法规 由于我国的道路状况和车辆状况接近欧洲，因此我国的捧放法规沿用欧洲体 系。我国最早在1 9 8 3 年颁布实施了第一批机动车污染物捧放标准，包括柴油车 自由加速烟度排放标准及测量方法和柴油车全负荷烟度排放标准及测量方法，对 柴油车的烟度排放进行控制，1 9 8 9 年又对上述标准进行了修订。1 9 9 9 年国家技 术监督局发布了g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气 污染物限值及测量方法，并于2 0 0 1 年重新颁布g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发 动机排气污染物排放限值及测量方法，表1 3 1 和表l - 3 2 列出了g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 中对我国重型柴油汽车( 总质量大于3 5 t ) 规定的第一和第二阶段排放限值。 实施阶段实施日期 c oh c n o x p m 。 8 5 k w l ) 1 ，等效欧l 2 0 0 0 9 i4 51 18 o 0 6 1o 3 6 2 ，等效欧l l 2 0 0 3 9 14 01 17 0 0 1 5 2 ) 0 1 5 2 ) 1 1 指发动机功率。 2 武汉理工大学硕士学位论文 实施阶段实施日期 c oh c n o x p m 、 8 5 k w l ) 1 ，等效欧12 0 0 0 9 14 9 1 2 39 00 6 8 0 4 0 2 ，等效欧 2 0 0 3 9 14 o1 17 o0 1 5 2 )0 1 5 2 ) 1 ) 指发动移助率。 为了改善大气环境，继续推动柴油机技术水平的发展，国家环境保护总局在 2 0 0 5 年发布了相当于欧i i i 的排放法规g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料 点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法，并计划在2 0 0 7 年实施。 对于车用柴油机来说，从欧过渡到欧m 的难度将比从欧l 过渡到欧i i 的难度 大的多。 欧m 法规在试验循环上与欧i i 法规存在巨大差异。欧法规采用的试验循 环是e c er 4 9 工况循环，由覆盖柴油机典型工作范围的1 3 个转速和功率工况组 成，测试的污染物包括碳氢化合物、一氧化碳、n o x 和颗粒物。欧l i i 及以后的 试验循环与欧i i 完全不同，欧i l l 有三个试验循环工况，即e s c 、e t c 和欧洲负 荷响应试验( e l r ，e u r o p e a nl o a dr e s p o n s et e s t ) 。对于普通的柴油发动机，应用 e s c 和e l r 试验循环；对于安装了先进排气后处理装置包括n o x 催化转化器和 或颗粒捕集器的柴油发动机，还需要应用瞬态循环e t c ，并进行烟度测试。e s c 循环也有1 3 个工况组成，测试的污染物包括气态污染物( 总碳氢t h c 、一氧化 碳、n o x ) 和颗粒物。 表1 - 4 列出了e c e r 4 9 循环与e s c 循环。e c e r 4 9 循环中的额定转速是指 发动机满负荷时或最大功率时的转速；中间转速是最大扭矩转速为额定转速的 6 0 7 0 时的转速，即最大扭矩转速，其他情况下为额定转速的。e s c 循环中的发动机转速a 、】b 、c 按如下公式计算： 转速a = n l o + 2 5 ( n k - n b ) 转速b = n 1 + 5 0 ( n m 嘶) ； 转速c = n b + 7 5 ( n m n 曲 其中高转速n m 是指7 0 额定最大净功率时的转速，低转速轧是指5 0 额 定最大净功率时的转速。 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 4e c e r 4 9 与e s c 试验循环的比较 e c e r 4 9 试验循环 工况号发动机转速负荷百分比加权系数运行时问 1 怠速 0 2 5 36 m i i l 2中间转速1 00 0 86 m i n 3 中间转速 2 50 0 86 m i n 4 中间转速5 0 o 0 86 m i n 5中间转速7 50 0 86 m i n 6 中间转速 1 0 00 2 56 m i n 7 怠速 o 2 5 36 r a i n 8 额定转速 1 0 00 1 06 m i l l 9 额定转速 7 50 0 26m i n 1 0额定转速5 00 0 26 r a i n 1 1额定转速2 50 0 26 m i n 1 2额定转速1 0o 0 26 m i n 1 3 怠速 0 2 5 3 6 m i n e s c 试验循环 工况号发动机转速负荷百分比加权系数运行时间 1怠速o 1 54 m i i i 2a1 0 0o 0 82 m i n 3b5 0o 1 02 m i l l 4b7 5o 1 02 l n l n 5a5 0o 0 52 m i i l 6a7 5o 0 52 m l n 7a2 5o 0 52 m i l i 8 b 1 0 0 o 0 9 2 m i l l 9b2 50 1 02 m i i i 1 0c1 0 0o 0 82 m i n 1 1c2 50 0 52 m i n 1 2c7 50 0 52 m i n 1 3c5 0o 0 52 m i n 由表1 - 4 可以看到，e s c 循环的工况点与e c er 4 9 不相同，避开了发动机 4 武汉理工大学硕士学位论文 最大功率点和最大转矩点的转速，并且各工况点的运行时间与加权系数也不同。 e s c 测试循环更加注重控制发动机中间转速范围的排放值，这样可以更好地控制 发动机在实际使用过程中的污染物排放量。 虽然e c er 4 9 循环与e s c 循环所测试的污染物种类相同，但是由于二者在 试验循环方面的巨大差异，其排放限值不具有直接可比性。表1 - 5 和表1 - 6 分别 是我国重型柴油机计划各阶段的e s c 和e t c 试验循环排放限值。 阶段 c 0h c n o xp m g ( t - w h 、g ( t - w j a )g ( k w h )g ( k w h ) h i2 10 6 65 0 0 1 0 ( 0 1 3 ) 1 ) i v1 50 4 6 3 5o 0 2 v1 50 4 62 0o 0 2 注：( 1 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 阶段 c on 瑚c n o x p m 1 1 15 4 5 o 7 85 o0 1 60 2 1 q i v4 0o 彤3 50 0 3 v4 00 5 52 oo 0 3 注：( 1 ) 对每缸排楚低于o 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r r a i n 的发动机 由于柴油机自身的工作特点及柴油燃料的特性，使得氮氧化物和颗粒物的排 放成为柴油机排放的主要特征，因此控制柴油汽车的排放主要就是控制氮氧化物 和颗粒物的排放，法规的升级正体现了这一特点。从第一阶段到第二阶段的排放 法规来看，一氧化碳和碳氢化合物限值的降幅并不是很大；而型式认证试验的限 值中，第二阶段的氮氧化物和颗粒物限值分别比第一阶段降低了1 2 5 和7 5 ， 并且从e s c 和e t c 试验限值的升级加严中，可以继续看到这一特点 1 2 排放污染物的生成机理 柴油机的有害排放物主要是c o 、h c 、n o x 和p m ，这也是目前我国法规的控 制对象。与相同排量的汽油机相比，柴油机的c o 和h c 排放低了很多，但是 n o x 和p m 的排放比汽油机高，尤其是柴油机颗粒物的排放是汽油机的几十倍。 因此，当前控制柴油机排放的主要目标就是控制n o x 和p m 的排放。 1 2 1 碳氢化合物 汽车排放的碳氢化合物成分极为复杂，包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类等， 主要来自未燃的燃料和润滑油。排到大气中的碳氢化合物与氮氧化物混合后，在 5 武汉理工大学硕士学位论文 阳光照射下易生成臭氧，从而形成光化学烟雾。而且碳氢化合物中的苯和多环烃 类都是致癌物质，这些致癌物质在人体内具有长期积累效应。不同的排放法规对 h c 的定义有所不同，如表1 - 7 所示，我国及欧洲大部分国家都将总碳氢化合物 ( t h c ) 作为h c 排放的评价指标。 表卜7不同排放法规对h c 的定义 名称定义适用范围 总碳氢化合物t h c所有碳氢化合物成分的总量中国、日本和欧洲等国 非甲烷碳氢化合物n m h c除去甲烷的碳氢成分美国联邦及其它适用国 非甲烷有机气体n m o g非甲烷碳氢化合物加羰酰类 美国加州l e v 法规 注：羰酰类为醛类和酮类的有机化合物，美国加州大气资源局( c a r b ) 规定了1 3 种成分。 一般柴油机中产生碳氢化合物的主要原因是混合不均匀，以及在燃烧过程后 期低速离开喷油器的燃油混合及燃烧不良所致。由于柴油机的燃烧是扩散燃烧， 燃油以高压喷入燃烧室后，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧，燃油在燃烧 室内的停留时间要比汽油机短得多，生成碳氢化合物的时间也相对较短，且由于 柴油机绝大部分工况的过量空气系数远大于汽油机，因此柴油机的碳氢化合物排 放量比汽油机少得多。 1 2 2 一氧化碳 一氧化碳是一种无色无臭的窒息性有毒气体。由于一氧化碳和人体内担负输 送氧气的血红素蛋白的亲和力比氧气和血红素蛋白的亲和力大2 0 0 3 0 0 倍，因 此，一氧化碳侵入人体后很快便会与血液中的血红素蛋白相结合形成碳氧血红蛋 白，使血液的输氧功能大大降低，从而造成人体内部缺氧，引起头晕、恶心等各 种症状，严重时会致人死亡。 汽车尾气中的一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物，理论上如果燃气中的氧气 充足时，燃料燃烧后不会存在一氧化碳；当氧气含量不足时，燃料不充分燃烧才 生成一氧化碳。柴油机在大部分运转工况下，过量空气系数都在1 5 3 之间， 因此柴油机排放的c o 远少于汽油机。实际燃烧过程中，由于柴油机扩散燃烧的 原因，其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方，燃料的氧化反应不可能完全，因 此排气中总会存在少量一氧化碳。 1 2 3 氮氧化物( n o x ) 的生成机理 n o x 是柴油机有害排放物控制的重点与难点之一。柴油机燃烧过程中主要生 成n o ，另有少量的n 0 2 ，统称n o x 。n o 经排气管排至大气中，在大气中会缓 慢地与0 2 反应，最终生成n 0 2 ，当大气中有臭氧( 0 3 ) 等强氧化剂存在时，其 氧化速度会加快。n o 是无色气体，低浓度时毒性不大，但高浓度的n o 会引起 6 武汉理工大学硕士学位论文 人体中枢神经的瘫痪和痉挛。n 0 2 是一种红色的具有恶臭刺激性的气体，其毒性 约为n o 的五倍，对人的呼吸器官有刺激作用，会引起气管炎、肺炎和肺气肿。 n o x 在阳光下会和h c 相互作用形成光化学烟雾，造成巨大危害。 汽车发动机产生n o 的途径主要是扩大的捷氏反应机理，其主要反应可通过 以下三个方程式来表示： n 2 + c l o n + n o ( 1 ) n + o 广o + n o ( 2 ) n + o h h + n o 0 ) 其中( 1 ) 式和( 2 ) 式都是强烈的吸热反应，只有在大于1 6 0 0 的高温下才能 进行。根据n o 的反应机理，产生一氧化氮的三个要素是温度、氧浓度和反应时 间即在氧气充足的条件下，温度越高，反应时间越长，则n 0 的生成量越大 ， - 1 2 4 颗粒物的组成及生成机理 颗粒物可表示为p m 或p t ，主要包括碳烟( s 0 0 0 ，可溶性有机物( s o f , s o l u b l e o r g a n i cf f a c 曲n 1 和硫酸盐，其中碳烟聚合物和s o f 都具有致癌作用，严重危害人 体健康。一般柴油机排放的颗粒各组分含量如下表1 8 所采。 表1 - 8 柴油机颗粒的组成 成分 质量分数 碳烟 4 0 5 0 可溶性有机物3 5 - - 4 5 硫酸盐 5 - 1 0 柴油机颗粒的直径一般在1 0 u r n 以下，其中对人体和大气环境危害最大的是 2 _ s u m 以下的颗粒，记为p m 2 j 。并且颗粒尺寸越小，在大气中越不容易沉降， 在人体肺部内的沉积率也越高，对人体和环境造成的危害就越大。由于柴油机燃 烧是扩散燃烧方式，在扩散火焰中燃油较浓的燃烧区域必然会生成碳烟，这也使 得颗粒物排放成为了限制柴油机在轿车上大量应用的限制因素之一 当燃油喷射到气缸内高温中的空气中时，轻质烃很快蒸发气化，再经过氧化 热裂解及聚合等一系列复杂的化学和物理过程，最终会产生粒度相对较小的析出 型碳粒。而重质烃在高温缺氧条件下，直接脱氢碳化，成为粒度较大的焦炭状液 相析出型碳粒。重馏分的未燃烃、硫酸盐及水分等会在碳粒上吸附凝聚，最终形 成颗粒物排放。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 控制排放污染的技术措施 控制柴油车辆的排放需要综合考虑排放控制措施的成本和收益，主要可以通 过改善燃油质量、提高发动机燃烧技术和安装先进的排气后处理装置三个方向来 实现。 1 3 1 燃油 燃油的组成和性质对于车辆的捧放特性有着重大影响。一种燃料特性的改变 或许会降低一种污染物的排放，但同时可能会使另一种污染物的排放增加，并且 燃油性质对不同类型发动机的影响也不尽相同例如，提高柴油的十六烷值会减 少轻型_ 和重型直喷发动机的n o x 排放，但对轻型非直喷发动机却影响较小。因 此，常常采取一些折中的方案，通过改善燃油性质来改善汽车的排放 硫含量 柴油中的硫含量对颗粒捧放有很大影响，其在燃烧过程中形成的硫化物会存 在于排气中，并最终进入大气。当发动机采用氧化型后处理系统时，燃烧过程中 形成的二氧化硫会被继续氧化为三氧化硫，并进一步形成硫酸盐颗粒物。一些先 进的后处理器也往往对硫非常敏感，例如排气中的硫被氧化为硫酸盐后会大大降 低颗粒捕集器( d p f ) 的催化效率和再生效率。 十六烷值和十六烷指数 十六烷值是表征柴油着火性能的指标，数值越高则着火性能越好。十六烷指 数也是着火性能的评价指标，它是根据燃料2 0 c 时的密度和5 0 馏出温度由图 表或经验公式计算而得。 十六烷值越高，燃油喷射与着火之间的延迟期就越短，燃烧就越充分，从而 排放污染物就越少但是当十六烷值大于6 5 时，由于着火时间太短，反而会使 燃料因为燃烧不充分，部分烃类热分解而形成碳烟，造成排放增加。并且十六烷 值越高，柴油的低温流动性就越低，挥发性越差，从而影响发动机启动过程中的 柴油雾化质量，增加排放。因此柴油的十六烷值应该适中。 芳香烃 燃油中的芳香烃包括单环、双环及少量三环芳香烃，其中双环和三环芳香烃 统称多环芳香烃，是有毒致癌物质。由于芳香烃在燃烧过程中比较难以氧化，自 燃特性差，容易燃烧不完全而形成碳烟；并且由于其燃烧温度也较高，就更能促 进氮氧化物的形成，增加氮氧化物排放。芳香烃在高温下不易发生环破裂，而更 容易直接发生缩聚，生成多环芳烃的碳烟前体，从而增加颗粒物的排放。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 发动机技术 依靠机内净化技术对排放污染物进行源头控制无疑是控制污染的最佳方法。 由于柴油机排放控制的重点是颗粒和氮氧化物，而颗粒和氮氧化物的生成机理很 大程度上是截然相反的，颗粒和氮氧化物的控制方法也就存在着权衡( t r a d e o f f ) 关系，要削减一种污染物的排放往往同时会增加另一种污染物的排放。 结构优化 直喷式柴油机采用四气门技术是一个发展趋势。欧以前的重型柴油机一 般都是2 气门，由于结构的限制，2 气门柴油机的喷油器不能垂直布置在气缸中 心，造成喷油的不均匀。采用四气门后，可以使喷油器中置，喷油嘴喷出的油束 处于均匀分布的理想状态，实现最佳的空气利用率和燃气混合。另外，四气门机 构的发动机可以根据转速和负荷的变化关闭部分通道，形成和柴油机转速和负荷 相适应的涡流强度，使气缸内的空气运动在整个转速和负荷范围内保持最佳，改 善燃烧过程，有效降低排放。喷油器也基本上采用5 孔以上的孔数，孔径一般在 0 1 8 r a m 以下，喷嘴为无压力室式1 1 l 。这样可以得到较高的燃油与空气的相对速 度：喷油更加细化，更加均匀，还可以减少燃烧后期进入燃烧室的燃油，改善燃 油经济性，同时使h c 排放量显著下降。 柴油机的燃烧室应尽可能产生适当的湍流运动，以使燃油和空气混合良好， 避免局部混合气过浓或过稀。目前，国外轿车用小型高速柴油机燃烧室的发展趋 势是由深坑型向浅盆型，由较小的缩口直径向较大的缩口直径发展。此外，由于 发动机的结构设计要满足高效低排放、高气缸内最高燃烧爆发压力和高热负荷的 要求【2 j t 许多重要的结构设计概念特别是5 c ( 缸盖、缸体、曲轴、连杆和凸轮 轴) 和5 s ( 喷油系统、配气系统、润滑系统、冷却系统和前后轮系) 的结构设 计都具有关键性的影响。 冷却废气再循环 废气再循环( e g r ，e x h a u s tg a sr c c i r c u l a t i o n ) 技术主要用于降低排气中的 氮氧化物。e g r 将一部分废气引入到柴油机的进气系统中，再循环到燃烧室内， 使得进气中c 0 2 、n 2 和水蒸气等惰性气体的比例增加，有效稀释了混合气中的 氧气浓度，从而可以降低燃烧最高温度，减小燃烧速度，进而减少氮分子和氧气 的结合与反应概率，抑制n o x 的生成。当采用e g r 时气缸内的温度会比无e g r 的基本型发动机高，此时在燃烧室内参与燃烧的p m 更有可能在燃烧过程中被氧 化，从这个角度看采用e g r 有助于降低p m 中的可溶性有机物成分；但是采用 e g r 时，由于再循环废气中的氧气浓度很低，而且较高的进气温度也使进气质 量减少，这两者都会导致混合气的实际空燃比减小，从而加剧高负荷下的烟度生 成。图1 - 1 针对一台重型车用高增压多次喷射柴油机表明了这种关系1 3 】，因此美 9 武汉理工大学硕士学位论文 国和日本的柴油机生产商大都采用e g r + d p f 的技术路线，应用e g r 作为降低 n o x 的主要手段，同时使用d p f 来进一步降低p m 。 已有大量研究表明1 4 1 5 1 ，通过冷却再循环的废气，可以增加燃烧室中的氧气 量，降低p m 的排放：同时冷却e g r 后，可以使燃烧的最高温度降低，导致n o x 排放的降低。但是当e g r 冷却到4 0 0 k ( 1 3 3 ) 以下时，继续降低e g r 的温 度，n o x 的降低不再明显。由于废气中含有水蒸气和硫化物，过低的e g r 温 度，会使水蒸气和硫化物凝结，造成气缸壁和活塞的腐蚀和磨损1 6 j 。 z 堪 器 鏊 越 境 宝 e g r 率。 图1 1 不同e g r 率下的n o x 和烟度排放 增压和中冷 采用涡轮增压可以增加进气密度，提高燃烧的过量空气系数，因而可以使燃 烧完全，减少排放污染物。但是由于增压会导致进气温度升高，最终导致燃烧温 度升高，有可能造成n o x 排放量升高，因此常常采用增压中冷的方法使迸气温 度降低，以控制n o x 掉放，同时对降低颗粒物的摊放也能起到一定作用。增压 柴油机采用中冷技术后，因迸气温度降低，进气量增加，过量空气系数增加，从 而降低峰值温度，可以使重型柴油机的n o x 排放降低8 0 i 一。在美国，柴油机 几乎全部采用增压中冷，在柴油机上采用增压中冷技术已经成为了柴油机发展的 趋势。 采用电子控制系统 电控共轨式燃油喷射系统在1 9 9 7 年由b o s c h 公司开发推入市场，高压油泵先 把高压燃油输送到公共供油管，电控单元对这个共轨管内的油压进行精确控制。 电控喷油器是这个系统的核心部件，当时的喷油压力只能达到1 3 5 m p a ，但是共 轨电控系统在短时间得到了快速发展，目前已经发展到了第三代，喷油压力达到 1 8 0 0b 盯。b o s c h 公司目前正在研发用于第四代共轨系统的共轴向可变喷嘴和油 1 0 蛳珊瑚锄锄渤锄伽枷喜罨蚕l n n n n a n n n 仅q n 武汉理工大学硕士学位论文 压增压器，将进一步提高喷射压力，改善柴油的雾化品质陬9 l 。 图1 - 2 是一个典型的高压共轨电控燃油系统的结构图，该系统主要由高压油 泵、共轨油管、电控喷油器、电控单元及各种传感器组成，有两个闭合回路。低 压油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压输入到高压共轨管。高压共轨 管上安装有液流缓冲器( 限流器) 、压力限制器和压力传感器，液流缓冲器保证 在喷油器出现燃油泄漏故障时切断喷油器的供油，并且可以限制共轨管内的压力 波动；压力限制器保证在共轨管出现压力异常时，将共轨管的压力放泄；压力传 感器向电控单元提供共轨管内的压力信号，电控单元再根据这个压力信号，通过 高压油泵反馈调节共轨管内的燃油压力。 图1 2 高压共轨电控燃油喷射系统组成及工作示意图 传统的柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板的位置决定的，采用电 控喷射技术后，电控单元根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计 算出所需的基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器信号，对 这个基本喷油量进行修正，确定最佳喷油量喷油量取决于共轨管的压力和电磁 阀的开启时问。电控单元根据发动机的运行状态，从预设的三维控制数据库m a p 图中确定合适的喷油定时和喷油持续期，并通过电液控制的电控喷油器将燃油喷 入气缸。电控燃油喷射系统通过对燃油的喷射速率、喷射定时、喷射压力及喷油 量进行综合控制，可以在发动机的整个稳态工况范围内，按照性能最佳的方式确 定发动机的工作特性，改善排放。 电子控制技术还可用于增压压力控制和废气再循环控制中。电子控制单元根 据进入气缸的总空气量和e g r 的回流量，计算出新鲜空气和废气的比例，可以 实现对e g r 率的闭环控制。当废气再循环结合增压压力控制后，可以使柴油机 空气和燃油的匹配更加精确，从而有效降低氮氧化物和颗粒物的排放。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 排气后处理 单靠机内净化很难使柴油车辆的排放尤其是颗粒物的排放满足越来越严格 的排放法规，大量研究分析表明要满足欧m 以上的排放法规，单纯依靠机内净化 还远远不够，必须同时采用机外净化的后处理装置。当前用于降低柴油机排气中 的n o x 和p m 的后处理装置主要有氧化催化器、颗粒捕集器和选择性催化还原 系统。 氧化催化器 氧化催化器面世已经3 0 多年，在柴油机上应用较多，技术也较成熟。氧化 催化器主要用于降低排气中的c o 和h c ，对n o x 没有明显效果，对p m 的作用 表现在它能够氧化掉p m 中的一部分可溶性有机物，但同时也会将尾气中的部分 二氧化硫氧化成硫酸盐，使p m 摊放中的硫酸盐比例增大。因此柴油中硫含量的 高低对氧化催化器的工作效能有很大影响。如果使用含硫量过高的柴油，由于可 溶性有机物降低与硫酸盐增加的矛盾，甚至会使p m 排放的总量增加。另外柴油 中的硫还会引起催化剂中毒，降低氧化催化器的净化效果和使用寿命。 典型豹氧化催化器外壳由不锈钢罐构成，内含蜂窝状催化剂载体。催化剂主 要是陶瓷或铂( p t ) 、铑( r h ) 、钯( p d ) 等贵会属，通常还在催化剂表面涂上一层多孔 的氧化铝涂层，以降低有害物的排放。为了既抑制硫酸盐的生成，又要维持催化 器对于h c 和c o 的高活性，j o h n s o nm a t t h e y 公司研究出了两种方法，一是将 p t a 1 2 0 3 催化剂在1 0 5 0 c 的高温下煅烧6 小时以增大铂晶粒的尺寸。实验表明， 煅烧后催化器能大幅降低对二氧化硫的氧化而且对h c 和c o 的转化效率影响很 小。二是向p t a 1 2 0 3 中添加一定量的钒，实验表明，调整催化剂成分后的催化器 可以较好她抑制对二氧化硫的氧化同时能够保持对c o 的活性 颗粒捕集器 颗粒捕集器也称柴油机捧气颗粒过滤器( d p f ，d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) ，是 国内外近些年的研究热点。颗粒捕集器的过滤材料要求具有高的过滤效率、低的 排气流动阻力和较高的机械强度，一般为陶瓷蜂窝载体、陶瓷纤维编织物、金属 蜂窝载体或金属纤维编织物。目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集器，其 壁内小孔的尺寸都在微米级，排气通过颗粒捕集器后，p m 会被过滤在捕集器的 通道壁面上。它对p m 的过滤效率可达9 0 以上，同时也能部分收集高沸点的 h c 。 颗粒捕集器只是一种物理性的降低排气颗粒的方法。随着过滤下来的颗粒的 积累，过滤体逐渐被堵塞，造成排气系统阻力增大，排气背压增加，导致发动机 的动力性和经济性恶化。因此，必须及时清除沉积在过滤体中的颗粒，以便继续 工作。颗粒捕集器的再生技术是当前的难点，可分主动再生和被动再生。主动再 武汉理工大学硕士学位论文 生是指用外界能量来提高捕集器内的温度，使颗粒着火燃烧。被动再生一般利用 燃油添加剂或催化剂来降低颗粒的着火温度，使颗粒能在正常的柴油机排气温度 下着火燃烧。现在常倾向于被动再生与主动再生相结合，如法国p s a 标致雪铁 龙公司使用的后处理系统中利用燃油添加剂降低颗粒的着火温度，并且结合高压 共轨喷射系统产生二次喷射来提高尾气温度，使捕集器再生。 选择性催化还原( s c r ) 选择性催化还原( s c r ，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 ) 技术在2 0 世纪7 0 年 代就被广泛用于工业固定燃烧装置的n o x 处理，一般可以达到7 5 珈的n o x 除去率，面对未来排放法规的压力( 例如欧v 标准对重型发动机的n o x 排放要 求在e s c 和e t c 工况下均要求达到2 0 ( g k w h ) ，相比欧l v 标准3 5 ( g k w h ) 的 限值，下降了4 3 ) ，s c r 技术成了一种非常可取的选用方案，目前欧洲的中重 型柴油机生产商多采用先通过高压喷射和优化喷油时间降低p m ，同时利用s c r 催化器降低n o x 的技术方法来达到排放要求。欧洲在1 9 9 3 年的一项基础研究中， 对s c r 技术的潜力进行了评估，结果表明，发动机无论在稳态还是瞬态工况下， n o x 均显著降低，而不同技术方案的比较证明，采用尿素中获得氨作为n 0 x 的 还原剂，对于商用车发动机更是可取的方案l l o t 。 图1