（车辆工程专业论文）国Ⅳ重型柴油车辆排放控制技术研究.pdf

摘要 由于柴油机具有较好的燃油经济性、动力性、耐久性等优点使得柴油汽车在 近几年来零寻以迅速发展，由此引起的柴油车排放闯题，尤其是氯氧化会物( n o x ) 和固态颗粒物( p m ) 越来越受到人们关注，机动车作为主要的移动污染物，对城 市空气污染的贡献率不可估量，为降低机动车尾气排放对大气质量的污染程度， 全球共形成美国、欧洲、日本三大机动车撑放法规体系，对我圜制定符合本国国 情的车辆排放法规标准提供了依据和借鉴。 柴淮品质对柴洼车辆的荟 放有重要影响，并且与柴油汽车的捧放控制技术关 系密切。论文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捧 放标准提供了科学合理的依据；柴油机具有较高的热效率，柴油机技术在未来面 临的主要问题是不断降低p m 和n o x 的排放水平，只有不断改进和完善柴油机 机内净化技术才能满足不断升级的排放法规及不断降低的排放限值的要求。先进 的柴油机技术包括电控高压燃油喷射技术、废气涡轮增压及中冷技术、高效燃烧 技术、燃烧室结构优化及壤气霉循环技术；同时为满足冒撵放标准，重型柴油 车辆必须加装尾气后处理装置( s c r 技术及e g r d p f 技术) 来降低p m 和n o x 的 排放因子。 文章重点就技术连续性与可行性、应用成本等方面介绍了s c r 及e g 刚d p f 两种不同尾气后处理控制技术的对比分析，面对国际重型柴油车辆越来越多的采 用s c r 技术，重点研究了带s c r 囡柴油机的台架试验及道路测试试验的排放 特性，并对s c r 还原剂的用量统计进行分析，结合困际重型柴油车辆排放法规 的执行经验，对我国国车用尿素还原剂的供应及基础设旄建设提供了借鉴。 关键词：重型柴油车，排放法规，燃漓品矮，排放控制，执行经验 a b s t r a c t w i t hb e t t e rf u e le c o n o m y , p o w e ra n dd u r a b i l i t y , d i e s e le n g i n ea n dv e h i c l em a k e s ar a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , a st h em a i nm o b i l ep o l l u t a n tf o rt h e u r b a na i rp o l l u t i o n ，d i e s e lv e h i c l ee m i s s i o n se s p e c i a l l yn i t r o g e no x i d e s 科o x ) a n d p a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n dm a k e sa n i n e s t i m a b l ec o n t r i b u t i o nr a t et ot h ec i t ya i rq u a l i t y t or e d u c ev e h i c l ee x h a u s t e m i s s i o n s ，t h eu n i t e ds t a t e s ，e u r o p e ，j a p a na l r e a d yh a v es e tu pt h e i ro w nm 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 s ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sa n dr e f e r e n c ef o rc h i n a s v e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d sa n dr e g u l a t i o n sb a s e do n o u rc o u n t r y sc o n d i t i o n t h r o u g hs u m m a r i z i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a 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 y s u l f u rc o n t e n t s ，c e t a n en u m b e ra n do c t a n ei n d e x ，a r o m a t i c s ， d e n s i t gv 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 c w 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 ；d i e s e lh a sah i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , r e d u c i n gt h ep m a n dn o xe m i s s i o nl e v e li st h em a i np r o b l e mf o rd i e s e lt e c h n o l o g yi n t h ef u t u r e ，t om e e tt h ee s c a l a t i n ge m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa n dt h el o w e re m i s s i o nl i m i t s r e q u i r e m e n t s ，t h eo n l yw a yi s t oi m p r o v et h ed i e s e le n g i n ec l e a n i n gt e c h n o l o g y c o n s t a n t l y ，s u c ha se l e c t r o n i cc o n t r o la n dh i g hp r e s s u r ef u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g y , e x h a u s tt u r b oa n dc o o l i n gt e c h n o l o g y , o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ec o m b u s t i o n c h a m b e r a n de x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o nt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，i no r d e rt om e e ts t a g e i ve m i s s i o n s t a n d a r d ，h e a v y d i e s e lv e h i c l e sa r e r e q u i r e d t oi n s t a l le x h a u s t a f t e r - t r e a t m e n td e v i c e s ( s c rt e c h n o l o g ya n de g r | d p ft e c h n o l o g y ) t or e d u c ep m a n dn o xe m i s s i o nf a c t o r s t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e so nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt w od i f f e r e n t e x h a u s t sa f t e rt r e a l m e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ( s c ra n de g r | d p f ) i nt h ef o l l o w i n g t h r e ea s p e c t s ，s u c ha st e c h n i c a lc o n t i n u i t y , f e a s i b i l i t y , c o s ta n ds oo n i nt h ef a c i n go f s c rt e c h n o l o g yb e i n gu s e dm o r ea n dm o r eb yi n t e r n a t i o n a lh e a v yd i e s e lv e h i c l e s ， a r t i c l em a k e sad e e pr e s e a r c ho ne 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 le n g i n ep a r a m e t e r t e s ta n dv e h i c l er o a dt e s tw i t hs c rt e c h n o l o g y , a n da l s om a k e sa na n a l y s i sa n d s t a t i s t i c so fu r e aa m o u n ti ns c rt e c h n o l o g y , t h ei n t e r n a t i o n a lh e a v yd i e s e lv e h i c l e e m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o ne x p e r i e n c ep r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h e l l u r e as u p p l yo fc h i n a s i v v e h i c l ea n di n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：h e a v y d u t yd i e s e lv e h i c l e ，e m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，f u e lc h a r a c t e r , e m i s s i o nc o n t r o l ，i m p l e m e n t a t i o ne x p e r i e n c e l l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：翌。墨曼1 日期：2 碰篮z 五! 萝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：黜导师签名：监日 期：丝 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 柴油车辆发展的必然性 作为一种经济、节能、高效率的动力系统，柴油机由于具有高的压缩比而使 其燃油效率比汽油机高，具有较低的燃油消耗率和较大的功率，以其良好的燃油 经济性、动力性、耐久性等优点，在大功率车辆如大型客车、大型货车上得到广 泛应用【1 ，2 捌。与汽油车相比，柴油车的h c 、c o 、c 0 2 排放量低，柴油机是环境 友好型发动机，并能够作为生物柴油、阳光燃料和阳光柴油等可再生燃料的最佳 平台，具有非常好的应用前景，全世界柴油车的生产量呈逐年上升的态势。 在欧洲，柴油车销量已占汽车总销量的4 0 ，美国市场的柴油车销售量也在 逐渐增加。2 0 0 2 年，美国市场柴油轿车的销售量达到3 1 2 2 0 辆，比2 0 0 1 年增加 了约3 5 。戴姆勒一克莱斯勒、大众、宝马、福特和通用等国际汽车巨头都对美 国的柴油车市场，特别是柴油轿车市场表现出极大的兴趣，甚至计划在力h , k h 这个 世界汽车排放法规最严格的地区推出低排放柴油轿车1 4 , 5 l 。可以看出，柴油机的 排放控制水平和技术的发展使柴油机能够满足不断严格的排放法规的要求。自上 世纪7 0 年代，随着全球石油资源短缺的加剧与c 0 2 减排压力的增加，国外出现 了车用动力柴油机化的态势，欧洲和日本率先实现了载货汽车和大型客车的柴油 机化；目前，欧洲轿车年产量中4 0 已采用柴油发动机；在法国、西班牙等国 家更高达5 0 以上；据预测，2 0 0 1 2 0 1 4 年，全球汽车销量将增长3 9 ，其中 汽油车辆将增长2 3 ，柴油车辆将增长9 7 。国外存在车用动力柴油机化的发 展趋势。 汽车是石油的消耗大户，高性能柴油机车辆具有良好的燃油经济性而降低车 用燃油的消耗，降低我国对石油进口的依赖具有重要的作用；同时，柴油车辆 h c 、c o 、c 0 2 排放量低，相对于汽油机相比是环境友好型发动机，所以采用高 性能的柴油车辆有利于我国建立能源节约型、环境友好型社会。 目前，我国载货汽车及大型客车基本实现柴油机化，但在轿车领域的普及率 很低，2 0 0 4 年国内共计销售柴油轿车1 2 6 5 4 辆，仅占年轿车销量2 2 5 万辆的0 6 ， 根据中国柴油技术和柴油车发展政策研究执行报告建议，至2 0 2 0 年柴油轿 车的比例将上升至3 0 ，所以在轿车领域实现柴油机化，发展潜力巨大。国内呼 吁环境友好的柴油机技术。 l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 重型柴油车辆应用的局限性 虽然柴油车h c 、c o 、c 0 2 排放量较低，但与装配了三效催化剂的汽油车相 比，由于混合气形成和燃烧的特点使n o x ( 氮氧化物) 和p m ( 颗粒物) 的排放远 高于汽油机车辆，成为制约柴油车推广应用的重要因素。n o x 可形成光化学烟雾， p m 排放对人体呼吸系统危害极大，引起慢性肺病甚至使人们致癌，美国环保局 ( e p a ) 的试验证明，吸附在柴油机排气微粒表面的可溶有机物具有诱变作用， 其组分的9 0 以上为致癌物质【6 , 7 1 。随着柴油车的广泛应用和排放法规的日益严 格，控制柴油机对环境污染的首要任务是降低n o x 和p m 的排放量，目前世界 各国都在致力于减少柴油机n o x 和p m 排放的技术研究，取得了实质性进展 【8 ，9 ，l o l o 1 2 车辆排放法规的延续发展 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己经形成了美国、欧洲和日 本三大体系。 1 2 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排放限 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c o 和h c 排放要求基本维持同一水平，并且逐步加严n o x 和p m 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f l l ，1 2 1 3 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表卜l 美国联邦重型柴油汽车排放限值( g k w h ) 实施日期 c oh c u o x p m 1 9 9 1 年 2 0 81 7 46 70 3 4 1 9 9 4 年 2 0 8 1 7 4 6 7 0 1 3 4 1 9 9 8 年2 0 81 7 45 40 1 3 4 1 2 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 ) 和欧洲瞬态循环( e t c ) ，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 ct 况。 表卜2 欧洲重型柴油汽车排放限值( g k w h ) 实施日期c oh c n o x p m e u r oi ( 1 9 9 2 - )4 99 01 2 3o 4 e u r oi i ( 1 9 9 6 一)4 o7 01 0o 1 5 e u r o l i i ( 2 0 0 0 - 1 ) 5 4 55 0o 7 8 20 1 6 e u r o l v ( 2 0 0 5 - i ) 4 03 5 0 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 2 3 日本体系 日本根据本国特点制定了自己的排放法规。日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 2 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，因此我国的排放法规沿用欧洲体 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排放标准，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 3 武汉理工大学硕士学位论文 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1 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 1 4 ，1 5 ，1 6 1 。 表1 3 1 型式认证试验排放限值( g k w h ) 实施阶段实施日期 c oh c n o x p m ：8 5 k w l )p m 8 5 1 c w l ) 等效欧i 2 0 0 0 9 14 51 1 8 0 o 6 1 0 3 6 等效欧i i 2 0 0 3 9 14 01 17 o0 1 5 2 0 1 5 2 1 ) 指发动机功率 表1 - 3 - 2 生产一致性检查试验排放限值( g k w h ) 实施阶段实施日期 c oh c n o x p m ：8 5 k w l )p m 8 5 1 c w l ) 等效欧i 2 0 0 0 9 14 91 2 39 00 6 80 4 0 等效欧i i 2 0 0 3 9 14 o1 17 0o 1 5 2 )0 1 5 2 ) 1 ) 指发动机功率 为了改善大气环境，继续推动柴油机技术水平韵发展，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，并于2 0 0 7 年实施。对于车 用柴油机来说，从欧i i 过渡到欧i i i 的难度将比从欧i 过渡到欧i i 的难度大的多。 欧i i i 法规在试验循环上与欧i i 法规存在巨大差异。欧i i 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h c 、c o 、n o x 和p m 。欧i i i 及以后的试验循环与欧i i 完全不 同，欧i i i 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 u 之一 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 ，并进行烟度测试旧。e s c 循环也有个1 3 工况组成，测试的污染物包括气态污染物( t h c 、c o 、n o x ) 和p m 。 表1 4 、1 5 列出了e c er 4 9 循环与e s c 循环。e c er 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 一7 0 时的转速，即最大扭矩转速，其他情况下为额定转速的6 0 。e s c 循环中的发动机转速a 、b 、c 按如下公式计算： 4 武汉理工大学硕士学位论文 转速a = n l o + 2 5 ( n h l - n 曲； 转速b = n l o + 5 0 ( n h i - n l o ) ； 转速c = n l o + 7 5 ( n h l n l o ) ： 其中高转速毗是指7 0 额定最大净功率时的转速，低转速n b 是指5 0 额定 最大净功率时的转速。 表1 - 4e c er 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间 1怠速o 2 5 36r a i n 2中间转速1 00 0 86m i l l 3中问转速2 5o 0 86m l r l 4中间转速5 0o 0 86r a i n 5中间转速7 50 0 86 r a i 。n 6中间转速1 0 00 2 56r a i n 7 怠速 0 2 5 ，36m l n 8 额定转速 1 0 00 1 06r a i n 9 额定转速 7 5o 0 26m l t l 1 0 额楚转速 5 0o 0 26m i n 1 1 额定转速 2 50 0 26r a i n 1 2 额定转速 1 00 0 2 6m i 。d 1 3 怠速0 2 5 3 6m l r l 表1 - 5e 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0 1 5 4m i 。l l 2a1 0 0 0 0 8 2r a i 。n 3b5 00 1 02m i l l 4 b7 5o 1 02r a i 。n 5a5 0o 0 52m l n 6a7 5o 0 52r a i n 7a2 50 0 52 r a i n 8b1 0 0o 0 92r a i n 9b2 5o 1 02m l l r l 1 0c 1 0 0 0 0 82r a i n 1 1c2 50 。0 52m i l l 1 2c7 5o 0 52m i l l 1 3c5 00 0 52m l t l 由上表可以看到，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 s cr 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 - 6 和表1 7 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。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 6e s c 试验限值( 单位：g k w h ) 阶段c 0h c n o xp m 2 10 6 65 oo 1 00 1 3 ( 1 ) 1 50 4 63 50 0 2 v1 50 4 62 0 0 0 2 注：1 ) 为每缸排量低于0 7 5 d i n 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r r a i n 的发动机 表1 7e t c 试验限值( 单位：g k w h ) 阶段 c on m h c n o x p m i i i5 4 50 7 85 o0 1 60 2 1 t o 4 oo 5 53 50 0 3 v4 0o 5 52 00 0 3 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 3 柴油车辆排放污染物分析 柴油车法规排放污染物主要包括一氧化碳( c o ) 、气态总碳氢化合物( t h c ) 、 氮氧化合物( n o x ) 、颗粒物( p m ) 。由于柴油车大部分是在大于理论空燃比的 富氧条件下工作，因此大部分燃烧产生的c o 和t h c 已经被氧化掉，c o 和 t h c 的排放量就很少( 1 8 l 。柴油车排放污染物控制的主要对象是n o x 和p m ， 柴油车的n o x 排放水平与汽油车差不多，p m 排放是汽油机的几十倍，是非常 严重的污染物且具有致癌性【1 9 l 。柴油车的n o x 和p m 排放特性存在著名的 t r a d e o f f 关系，因此柴油车的排放主题永远是在寻求n o x 和p m 的良好折中 1 2 0 l o 1 3 1 一氧化碳( c o ) 生成机理 汽车尾气中的c o 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c o ：当氧气含量不足时，燃料不充分燃烧才生成c o 。 部分燃烧产物c 0 2 和h 2 0 高温吸热产生热离解反应生成c o ；另外在排气中，未 燃碳氢化合物的不完全氧化也会产生少量的c o 。柴油机在大部分运转工况下， 过量空气系数都在1 5 0 之间，c o 的排放量相当低，只有汽油车的1 1 0 t 2 。实 6 武汉理工大学硕士学位论文 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c o 。 c o 是一种无色无臭的窒息性有毒气体。由于c o 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 1 0 倍，因此，c o 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，危害神经中 枢系统，严重时会致人死亡。 1 3 2 碳氢化合物( h c ) 生成机理 汽车排放的碳氢化合物成分极为复杂，主要包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类 等。柴油机中产生h c 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1 2 2 】。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h c 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，约为汽油车的1 5 - - 1 1 0 。 排到大气中的碳氢化合物( h c ) 与氮氧化物( n o x ) 混合后，在阳光照射下易生 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，对人体健康和生态环境产生很大危害 【2 3 1 。不同的排放法规对h c 的定义有所不同，如表1 8 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1 - 8 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i 中国、日本及欧洲等国 非甲烷碳氢化合物f n m h c ) 除去甲烷的碳氢成分 i 美国联邦及其他适用国 非甲烷有机气体( n m o g )i 非甲烷碳氢化合物加羟酰类i 美国加州l e v 法规 注：羟酰类为酮类和醛类的有机化合物，美国加州大气资源局( c a r b ) 规定了1 3 种成分 1 3 3 氮氧化合物( n o x ) 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。生成于汽缸中高温高压的 条件下，其主要成分为n o 和少量的n 0 2 。车用发动机产生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 + o n o + n ( 1 ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 n + 0 2 o + n o n + o h - - h + n o 其中式( 1 ) 和式( 2 ) 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。根据高温n o 的反应机理，产生n o 的三要素是温度、氧浓度和反应时间， 即在足够的氧浓度下，温度越高和反应时间越长，则n o 生成量越大，这给我 们机内净化控制n o 提供了方向。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。所以柴油车的n o x 在大负荷时接近汽油车的水平，而中小负荷 要远低于汽油车的排放水平【硎。 n o 是无色气体，低浓度时毒性不大，但高浓度的会引起人体中枢神经的瘫 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 遇水易溶解， 故其累积浓度不会过高，单独对大气环境的危害不如c o 严重，但n 0 2 参加大 气中的光化学反应，形成光化学烟雾，毒性更大p 】。 1 3 4 颗粒物( p m ) 的组成及生成机理 颗粒物可表示为p m 或盯，存在于柴油车排出的黑烟中，柴油车的扩散燃 烧方式决定了颗粒排放是柴油车区别于汽油车的显著特点，排出的颗粒是汽油车 的3 0 6 0 倍【2 6 j 。美国环保局( e p a ) 定义柴油车排气颗粒为：柴油车颗粒是稀释到 5 1 7 以下的柴油车排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，所收集到的除水以 外的所有物质。p m 是一种固体和流体的复杂聚合体，它最初是烃类燃料在气缸 内燃烧时，由于高温缺氧而裂解生成的碳颗粒，然后进一步组成大量烧结物的同 时结合了几种其他物质，其中包含有机物和无机物，成为柴油废气的组成部分。 p m 主要包括干碳颗粒( c ) 俗称碳烟、可溶性有机物( s o f ) 、硫酸盐( s 0 4 ) 和灰 分( a s h ) 。碳烟是聚集物的核心部分；可溶性有机物( s o f ) 即被吸附和凝结 在碳颗粒表面的重烃，其来源可分为未燃燃料和未燃润滑油；硫酸盐物质( s 0 4 ) 即硫酸盐水合物，由于燃料中含硫而产生；灰分( a s h ) ，即润滑油燃烧后的产 物，主要包含c a 、p 、s 、z n 、m g 、p m 等金属物质 2 s l 。柴油机的负荷和转速决 定了p m 的具体混合成分和比例。一般柴油机排放的颗粒各组分含量如下表1 - 9 所示【2 9 j 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 9 柴油机颗粒物的组成 成分质量分数 碳烟( c )j 4 0 一5 0 可溶性有机物( s o 硫酸盐物质( s o 。 灰分( a s h ) 一一一一 f )l 3 5 4 5 5 一1 0 3 6 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。 柴油机颗粒的直径一般在1 0 u m 以下，其中直径在2 5 u m 以下的颗粒记为 p m 2 5 ，将会是最严重的城市污染问题【刈，对人体和大气环境危害最大。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。卫生学家的研究结果表明，许多人类发病率的增高与空 气中的颗粒物，尤其是柴油车排出的细颗粒物密切相关，美、德等国研究指出， 吸入的颗粒浓度与患肺癌的概率相关1 3 1 j ；美国环保局( e p a ) 试验证明，吸附在颗 粒表面的s o f 具有诱变作用，其组分的9 0 以上为致癌物质。因此，颗粒排 放的严重危害性一直是制约柴油轿车在我国大规模使用的主要原因【3 2 l 。 1 4 我国重型柴油车辆排放控制现状 柴油车尾气排放的n o x ( 氮氧化物) 和p m ( 颗粒物) 是目前许多中国城市环 境空气质量面临的最大问题。城市大气污染发生演变，从以s 0 2 为特征的烟煤型 污染转向以n o x 为特征的光化学烟雾型和以p m 为特征的灰霾型。柴油车尾气 n o x ( 氮氧化物) 与汽油车相当，但p m ( 颗粒物) 排放却是汽油车的几十倍，p m ( 颗粒物) 严重超标，部分城市出现灰霾天气，如下图所示。光化学污染威胁严 重；交通微观环境空气质量差，许多城市中柴油车黑烟投诉比例高。 9 武汉理工大学硕士学位论文 盛一j淄一 图1 - 1 广州( 2 0 0 4 1 2 ) 图1 - 2 北京( 2 0 0 4 1 1 )图1 - 32 - 海( 2 0 0 4 1 1 ) 我国对第、阶段车辆排放限值如表1 1 0 所示。汽油车辆可以在排气管 中加装三元催化转化后处理装置，大幅度削减h c 、c o 和n o x 的排放，但对于 柴油机而言国内还没有技术成熟的后处理技术得到，“泛应用。 阶类 麓 汽油 柴油 汽油 汽油柴油 柴油柴油 段别 第 一 类 i2 3 06 402 0 1 50505 6 00 5 书 m 第i2306 40 20 1 5050 5 60 0 5 二 i i4 1 7+ 08o2 50 1 806 50 7 2：0 0 7 类 圭 5 2 209 5 第 一 11050 l00 80 0 2 5 类 主 第i1 050 100 8 0 0 2 5 i i ：18 1 06 30 1 3 0 1 0 0 4 豢i i i i 西7 o7 4 6协1 0 3 9 04 6 可以看出，我国柴油车对n o x 和的h c + n o x 的国l 、排放限值大大高于 同类汽油车辆，相对丁汽油机车辆尾气后处理技术，这也从侧面反映出我国对柴 油车辆尾气排放控制技术的不成熟，还需要更加先进更加成熟的尾气排放控制技 术。 1 5 课题来源及论文研究的内容、意义 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机以其优良的动力性、经济性、耐久性在汽车中得到了越来越广泛的应 用，尤以大功率载重车、大中型客车和特种车为主，全世界柴油车的生产量呈逐 年上升的态势，但柴油车辆的排放问题也越来越引起人们关注，尤其是n o x ( 氮 氧化物) 和p m ( 颗粒物) 的排放成为制约柴油车推广应用的重要因素。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相比还存在较大差 距，如何有效控制柴油车排放对我国柴油车发展十分重要。 对于运行在城市内的重型常规柴油公交车，由于运行数量多、运行时间长、 运行工况复杂多变，对市内空气污染的贡献率不可估量，是比较严重的污染源。 所以对重型柴油车尾气排放污染的控制是节能减排的重要一环。 本论文依托中国汽车技术研究中心承担的科技部“8 6 3 ”电动汽车重大专项 混合动力公交车示范运行与技术考核研究和美国能源基金会和北京环保局重 大专项项目课题北京市重型车排放测量与评估。以北京市满足国排放的常 规柴油公交车为研究对象，介绍新排放法规下的重型柴油车辆排放限值及改善重 型柴油车排放的三大技术措施，对国际重型柴油车不同的排放后处理技术路线进 行对比分析，并结合我国国情分析我国重型柴油车辆选用选择性催化还原装置 ( s c r ) 的可行性，对带s c r 国重型柴油车台架试验及道路车载排放特性进行研 究，在对s c r 尿素还原剂用量进行统计分析的基础上对国际s c r 配套的基础设 施建设进行技术成本分析，在重型柴油车领域，借鉴先进的国际排放法规执行经 验，建立我国国重型柴油车辆排放控制技术体系。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第二章重型柴油车辆排放控制技术 我国重型柴油车排放标准是参照欧洲法规修改制定的，表2 - 1 、图2 - 1 、图 2 2 为欧洲重型柴油车辆发动机稳态测试循环( e s c ) 下的排放限值。 表2 1欧洲重型柴油发动机n o x 和p m 各阶段排放限值 欧洲排放标准实施年份 n o x 限值( g k w h ) 。p m 限值( g k w h ) o 1 9 9 01 4 4 无限值 i ( 相当于国i ) 1 9 9 28 o 3 6 i i ( 相当于国i i ) 1 9 9 57：0 1 5 i i i ( 相当f 国i i i ) 1 9 9 95 o 1 0 i v ( 相当于国i v )2 0 0 5 3 50 0 2 v ( 相当丁国v ) 图2 - 1 欧洲重型柴油机n o x 排放限值图2 2 欧洲重型柴油机p m 排放限值 从上述图表可以看出排放法规对于柴油机n o x 和p m 的排放限值越来越严 格，欧v 标准n o x 的排放限值比欧i i i 降低6 0 ，p m 的排放限值相应下降8 0 。 为满足新的排放法规的要求，如何协调柴油机油耗和降低排放，相关领域的技术 专家从燃油品质、柴油机机内净化技术、机外净化技术( 尾气后处理技术) 等方 面寻求策略。 2 1 改善燃油品质 我国的柴油质量也正在逐步提高，当车用柴油同轻柴油区别开来之后，车用 柴油质量更有了保证，特别是硫含量的降低，保证了我国各汽车排放法规的顺利 执行。表2 2 列出了我国目前柴油主要技术指标和国外柴油的比较，从表中可以 看出，同国外柴油相比，我国柴油主要是硫含量相对偏高，其他指标较为接近。 目前我国柴油硫含量偏高，这与我国柴油加工过程中加氢能力严重不足，以及脱 硫脱芳烃能力不足等有关，因此应当加大新技术、新装置的应用，并大力发展深 度脱硫等技术，以满足日益严格的汽车排放要求。同时也应注重改善柴油的十六 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 烷值、密度、芳香烃、低温流动性等指标。 表2 2 国内外柴油技术指标对比 项目 中国2 0 0 2 年 北京2 0 0 5 年 欧i欧世界燃油规范 ( g b 2 5 2 - 2 0 0 0 )( d b l l 2 3 9 2 0 0 4 ) 十六烷值 不小于 4 55 15 1 5 1 5 5 密度， 8 2 0 - 8 4 58 2 0 - 8 4 58 2 0 一8 4 58 2 0 8 4 0 k g m 3 多环芳烃， ( v v ) 不大 无规定1 1 1 11 12 于 t 9 5 ，不 3 6 53 6 03 6 03 4 0 大于 硫含量。 ( m m ) 不 0 20 0 3 50 0 3 50 0 0 50 0 0 3 大丁= 2