柴油机达到欧4标准的有效措施和比较1.doc

欧洲制定的新排放法规中规定：自2006年10月起，柴油发动机载货车排放极限须达到欧4标准；自2010年1月起，开始执行欧5极值标准。从欧3到欧4颗粒物的排放下降了80%，NOx下降了30%。降低颗粒物和NOx的排放是柴油机达到欧4标准主要需要解决的问题，本文着重介绍柴油机达到欧4标准的几种有效措施和技术，并对各种技术的工作原理、限制因素等加以分析。 SCR选择催化还原技术 SCR已经是较成熟的降低NOx的技术。SCR法采用在尾气中喷射32.5%符合DIN 70070标准的雾状尿素水溶液“AdBlue”的方法，将NOx还原成氮气及水份。NOx的消除量与尿素的用量成比例，为达到Euro4的规定，尿素消耗量约占柴油燃料的6%。进行长途运输的卡车，2L尿素可行驶100km，如配有100L的燃料罐，补充一次尿素可行驶5000km。据说配备SCR系统的维修等方面的成本不会增加，具有无须使用低硫磺柴油燃料的优点。 SCR的基本原理是在热的尾气中添加尿素溶液AdBlue，尿素溶液在其后的scr最护其中与NOx反应，使之转化成氮气和水蒸气。尿素溶液是通过一个加热的管道从尿素中吸取，然后通过压缩空气使之均匀吹入尾气中，为其中的尿素溶液被气化并释放出氨气，然后在scr系统的催化器中使NOx加速转换成纯净的氮气和水。其基本的化学反应方程式是：尿素热解：（NO2）2COHNCO+2NH3 水解：HNCO+H2OCO2+2NH3 合成：(NH2)2CO+H2OCO2+2NH3 NOX转换：4NO+4NH3+O2CO2+2NH3 6NO2+8NH37N2+12H2O 由于转换率高达40-80%，因此一方面可大大降低颗粒物的排放，另一方面还可达到节省油耗的目的。据戴克公司的测试结果表明，SCR技术与欧标准的汽车相比，能够节省燃油，的排放可低于欧限值，若对SCR进行进一步的优化，则达到欧限值也毫无问题。尿素溶液的成分在DIN70071标准中作了规定，属于一种无毒、无色、无臭的液体。这种溶液实际上早已在农业、纺织、化妆品生产和制药业等领域得到应用。要在汽车中得到使用，目前需要解决的主要问题是在加油站、仓库和其他供给系统建设尿素加注装置。由于一辆加装SCR催化器的载货车每100km需要消耗100L的尿素罐，因此，汽车上需另外安装一个容量为100L的尿素罐，汽车每行使1000km需加注一次尿素。SCR催化器不需维护，并且系统对柴油是否含硫无特别要求。 SCR技术的最大优点在于，不仅可以达到欧限值，而且只要增加还原剂的剂量，还可一下子解决欧5限值的问题。当然，其缺点也是显而易见的：这种方案会增加汽车的自质量，因为需要在汽车上额外加装一个尿素罐，一加注液态尿素溶液（即AdBlue）,而AdBlue加注站目前在欧洲屈指可数，这是一个急需解决的问题，另外，一旦尿素耗尽又不能得到及时加注，则该种类型的汽车排放可能连欧1标准都难以达到。 EGR废气再循环技术 EGR技术是现在柴油机降低NOx排放的主要技术措施之一。EGR在所有的负荷条件下均能降低NOx的排放。其工作机理是将定量的废气引入柴油机的进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火的延迟，增加了参与反应物质的比热容以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而降低燃烧最高温度、减少NOx的生成。大约6070的NOx是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOx的排放是很有效的。废气再循环率为15时，NOx排放可以减少到50以上。而废气再循环率为25%时，NOx排放可以减少80以上，但是随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性差，HC排放和油耗增加。若采用“热EGR”还可以在减少NOx排放的同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，在中低负荷时净化效果更佳。 EGR虽然使进气温度增加，但是由于其废气的惰性作用使得滞燃期反而有所延迟，抑制了在滞燃期中可燃混合气的形成，并且再循环的排气比容大，以此限制最高温度。同时EGR降低了气缸内氧气的浓度，因此抑制了NOx的形成。而且EGR对NOx排放量的降低效果基本上与喷油器的喷孔直径以及进气涡流状态无关，但随转速的增加其效果降低。不同的EGR率随负荷、转速的变化对柴油机排放有不同的影响。在中、低负荷时，NOx随负荷的增加而增加，故用较大的egr率以减少混合气中的氧分子的含量；在高负荷时，由于减少了供氧量，使碳烟颗粒物排放增加，故应减少EGR率；全负荷时不用；在转速提高时应降低EGR率以提高新鲜空气充量。因此，废气再循环技术的关键在于：根据柴油机运行的工况、进气温度、冷却水温度等条件，对废弃再循环量加以精确控制。其主要的研究内容包括：EGR率全工况优化设计，可变界面涡轮增压器VNT技术，带温度控制的冷EGR技术。虽然EGR对柴油机缸内NOx形成有明显的抑制作用，但同时增加排气烟度。所以，EGR虽是降低柴油机NOx排放量的有效措施，但需要采取相应的措施降低排气烟度。而且如何选取适当的EGR率对改善柴油机的性能至关重要 VGT(可变涡轮增压) 在宽广的转速和负荷范围内，VGT在匹配和控制发动机空气冲量方面显示了突出的灵活性 VGT有如下的优点和功能：可以增加比功率输出，在很宽的速度范围可以产生均匀的空燃比。可以通过发动机制动和通过EGR驱动新型涡轮增压器主要是由可变叶片和喷管组成，并且是电子控制和电子协助型的。可变尺寸涡轮增压器可能在发动机装备中取得很重要的地位。电子控制取代了真空控制，使这些增压器可以根据不同的发动机负荷来调整自己，减少增压滞后。一个由电子设备协助的涡轮增压器不仅仅只是依靠废气流动的能量，当发动机速度很低时，一个电子控制的电机就会对发动机的负荷做出反应，并且加速涡轮增压器，使其达到高压速度，阻止滞后现象的出现。这项技术同时还允许汽车生产商安装体积较小的发动机，这样也就提高了燃油经济性。 工作原理：一个涡轮增压器实质上就是一个空气泵。废气流过时使涡轮转轮旋转，这个转轮是通过一根轴连接在压缩转轮上的。压缩转轮带进外面的空气，并且用很高的压力迫使这些空气通过中冷器进入发动机内。然后通过一个多余气排放口将超出预定压力的压力释放掉。 对于一个由电子协助的涡轮增压器来说，在压缩转轮和涡轮转轮之间的轴上装有一个电机。这使涡轮可以在更短的时间内达到一定的速度。电机还可以被当作一个发电机，借助以普通速度旋转的涡轮产生电流（在高速发动机里会产生足够的废气带动涡轮转轮的旋转）。 HCCI 目前，发动机技术人员正致力于开发一种新型发动机。所有的商用车生产商都对此项技术给予了厚望。该发动机被称为HCCI发动机，这是一栋汽油机和柴油机相结合的新型发动机，其NOx排放非常低，且无炭黑颗粒排放。1998年，斯坎尼亚公司首先开始对该项技术的研究。目前，几乎所有的欧洲商用车公司都已招收深入研究该项技术，甚至一些轿车公司也对此话有浓厚的兴趣。 HCCI(Homogeneous Change Compression Ignition 质充量压缩点燃)是一种均质充气压缩点火发动机。采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气进行预混合的。 采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。它能在降低尾气排放的同时提高发动机的效率，并节省燃油。其与传统发动机的最大不同之处在于它采用了一种全新的燃烧方式。对于商用车生产商普通采用的SCR催化器，颗粒过滤器以及尾气再循环装置来说，要达到欧6的标准，一方面技术上太难，另一方面成本过高。而采用HCCI技术，可能只需要一个小小的氧化催化器就足够了。 HCCI吸收了汽油机与柴油机的优点。一方面，他继承了汽油机无颗粒排放的长处，另一方面，从柴油机发动机那里，HCCI吸收了其通过压缩而自行点火的原理，传统的柴油机因喷射而形成的混合气很难保证均匀，在瞬间温度达到很高而燃烧，而HCCI发动机形成的混合气非常均匀，能够完全燃烧，燃烧温度也比较低， 因而NOx排放能保持非常低的水平。热效率的观点来看，HCCI燃烧看上去具备非常优越的特点。一个特点是低的热损耗。由于它的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，且无烟的燃烧能够减少辐射热的传递。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。利用这些特点，有可能使得它的循环十分接近奥托循环。已经可以实现高达50%的指示热效率，废气中未经处理时只有几个ppm的NOx排放原则上，HCCI发动机可使用包括汽油在内的多种燃料。目前，令研发人员最感头疼的是这种发动机在负荷较高时燃料烧绕噪声过大。为此，技术人员提出了一种双轨运行方案：在发动机负荷较低时采用HCCI燃烧方式，负荷升高时则转换为传统的火花塞汽油机。不过，这一方案的结果究竟如何还有待进一步的检验。据雷诺公司称，HCCI可节省16%的燃油消耗，其NOx排放低于0.1g/(kwh) 但是，短的燃烧周期和迅速的放热，有时候会使得类似“爆震”的燃烧噪声增加。此外，HCCI燃烧需要高稀释度的空气/燃油混合气以限制燃烧强度，这会使得功率密度变差；而且高稀释度的混合气带来了低的排气温度，使得发动机难以采用涡轮增压。这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。目前，HCCI发动机的研发工作尚处于起步阶段，技术上还不成熟，需要解决很多问题。其中一个问题噪声过大，由于柴油的易燃性，特别是在发动机负荷和转速较高时，燃料会出现瞬间突然燃烧，这不仅会产生很大的噪声，而且由于压力突然升高，发动机要出现“敲缸”现象，即燃料突然形成的冲击力，这对HCCI发动机的力学强度提出了非常高的要求。另外，发动机的效率随着燃烧的逐渐减弱而削弱，特别是在满负荷工况下。对于发动机的力学强度问题，研发人员认为通过采用新型优化材料可以解决，但是，HCCI的冷启动问题至今还未找到解决方法。等离子技术等离子体是物质存在的第4种状态，是由电子、离子、原子、分子和自由基等粒子组成的集合体，具有宏观上的电中性和高导电性。等离子体中的离子、电子和激发态原子都是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得十分快速。 等离子体放电降低NOx的排放主要有电晕放电、介质阻挡放电以及与催化剂或添加剂结合等方式。在怠速和低负荷下，即NOx初始浓度较低时时均获得较高的去除效率，但高浓度NOx去除存在困难。同时单一的非热等离子体放电对NOx去除的效率不高，因此，等离子体技术常与催化剂或添加剂技术联合使用，当各种HC和NOx被导入等离子体时，将形成活化原子团，这些原子团可以在催化器的下游顺利反应，在有效燃油损失为4%-6%时，可以还原60%-70%的NOx。这项技术特别有意义，因为他对燃油中的