轻型车用柴油机的减排主要技术路线

浅谈轿车用轻型柴油机的浅谈轿车用轻型柴油机的 两大控制排放技术路线两大控制排放技术路线 学生姓名学生姓名 学院名称学院名称 专专 业业 学学 号号 20152015 年年 1212 月月 3131 日日 天津大学机械工程学院 1 浅谈轿车用轻型柴油机的两大控制排放技术路线浅谈轿车用轻型柴油机的两大控制排放技术路线 摘要 通过对轿车柴油化发展史的了解 通过对国外两种主流降低摘要 通过对轿车柴油化发展史的了解 通过对国外两种主流降低 NOxNOx 和和 PMPM 排放的途径 分析在我国推广所需条件的对比 提出适合我国国排放的途径 分析在我国推广所需条件的对比 提出适合我国国 国国 等排放等排放 要求的技术路线及建议 要求的技术路线及建议 关键词 内燃机 轿车柴油化 降低排放 技术路线关键词 内燃机 轿车柴油化 降低排放 技术路线 天津大学机械工程学院 2 目目 录录 引言 3 一 轻型车用柴油机的发展状况 3 1 国外车用柴油机的发展 4 2 国内车用柴油机的发展 4 二 主要污染物排放 5 1 柴油车与汽油车的性能差异 5 2 柴油机与汽油机排气污染物的一般比较 5 3 欧洲和中国排放法规对比 6 三 控制排放的两种技术路线及比较 7 1 SCR 路线 8 2 EGR 路线 9 3 国外主要生产企业产品技术路线状况 11 4 国内两种路线的应用状况 11 四 两种技术路径的发展前景 11 参考文献 12 天津大学机械工程学院 3 引言引言 节约能源消耗 降低排放污染直至实现 零排放 一直是内燃机研究的最 主要课题 也是推动车用发动机技术进步和不断创新的主要动力 柴油机由于具 有体积小 重量轻 低速扭矩和功率大 加速性好 热效率高 油耗低 温室 效应气体 CO2 排放量少 耐久性好 工作可靠等优点在工业 农业 工程建设 交通运输业等国民经济以及国防建设各领域得到了广泛的应用 过去十多年来 随着石油资源短缺矛盾日益突出 油价不断上涨 对控制温室 效应气体排放的呼声日益高涨 加上柴油机高压直喷燃烧技术 排放控制技术和 电子控制技术等取得了巨大的进步 将柴油机推到了一个崭新的技术高度 使得 我们对柴油机的认识发生了根本的变化 现代柴油机与传统柴油机相比已经发生了根本性的变化 不可同日而语 成 为一种排放清洁 节省能源的动力 应用范围进一步扩大 是国民经济建设的主 动力 但是 由于其特殊的燃烧方式 导致柴油机的 NOx 和 PM 排放较高 在 排放法规日益严格的今天 柴油机排放也成为制约其发展的主要因素 一 轻型车用柴油机的发展状况一 轻型车用柴油机的发展状况 毫不夸张地说 内燃机就是工业的心脏 无论对于经济建设来说 还是对于国 家安全而言 都至关重要 内燃机是将燃料在其燃烧室中燃烧产生的热能直接转 化机械能的一种动力机械 其中往复式内燃机应用最为广泛 1885 年第一辆汽 油机摩托车诞生 紧接着 1887 年第一辆汽油机汽车面世 1893 年鲁道夫 狄塞 尔发明了柴油机 其工作原理被命名为 狄塞尔循环 柴油机命名为 狄塞尔 100 余年来 内燃机得到了全面和迅猛的发展 目前全世界估计有 10 亿台内燃机 正在运转 被广泛应用于轿车 货车 大客车 城市公共汽车 船舶 工程机械 发电设备 农业排灌 铁路机车及工业 矿山等领域 成为每一个国家国民经济 生活中不可缺少的动力 伴随着全球性能源危机问题和排放污染问题的愈发严重 凭借着柴油机本身 所固有的节能和减排方面的优势 车柴油化的发展已经成为了目前汽车发展 的 天津大学机械工程学院 4 必然趋势之一 1 1 国外车用柴油机的发展 国外车用柴油机的发展 目前 在汽车市场较为成熟的欧美 柴油发动机的乘用车占其销售总量的 35 在美国 70 的交通工具采用的是柴油动力 包括飞机 轮船 铁路及汽车 欧洲 的这一比例更高 在汽车方面 美国 90 的商用车使用柴油机 美国与德国的最 大区别是在小汽车上较少使用柴油发动机 主要原因是美国的汽车价格十分便宜 以及政府在柴油车上没有税收上的优惠鼓励等 欧洲是目前轿车柴油化程度最高的区域 根据欧盟的统计 欧盟主要国家的 柴油轿车市场份额从 1991 年的 16 快速增长到 2003 年 44 的状态 至 2005 年 末 整个欧洲轿车市场上柴油车辆的比例已经达到 49 比利时最高达到 72 其次 是法国 70 西班牙 68 奥地利 66 据了解 目前欧美国家 100 重型车 90 轻 型车采用了柴油机 柴油轿车在欧洲市场的占有率已达 40 而在德国 法国 西班牙等国更是高达 50 以上 2 2 国内车用柴油机的发展 国内车用柴油机的发展 1980 年以前 中国汽车工业主要生产载货汽车除占比例很小的重型车装用 柴油机外 其余 解放 东风 跃进 等中型车均装用汽油机 当时车用 柴油机仅上柴 135 杭发 120 等几个系列品种 2002 年 中国车用柴油机产量为 100 万台 客车市场柴油车占 31 5 我国柴油车生产比例 1998 年为 26 到 2003 年生产的汽车中 99 98 的重型载重汽车 91 84 的中型载货汽车 57 95 的轻型载货汽车 10 的大型客车和 86 82 的中型客车采用了柴油发动机 但 只有 14 8 的轻型客车采用柴油发动机 微型客车全部为汽油车 生产柴油轿车 只占轿车生产量的 0 31 6921 辆 但到 2008 年商用车柴油化的比例为 81 2 现在 我国生产小型高速多缸柴油机的企业约有 40 余家 约占我国内燃机主 机生产企业 总数约 200 家 的 20 约占多缸柴油机生产企业 约有 70 家 的 57 其中 相当大比例为缸径在 80 105mm 排量小于 3 5 L 功率在 100 kW 左 右及以下 缸数以四缸为主的高速轻型柴油机 天津大学机械工程学院 5 二 主要污染物排放二 主要污染物排放 1 1 柴油车与汽油车的性能差异 柴油车与汽油车的性能差异 1 11 1 混合气形成 点火及燃烧方式不同混合气形成 点火及燃烧方式不同 由于柴油的粘度大 蒸发性差 自燃温度低 约 500K 需要借助喷油泵和喷 油器将柴油在接近压缩终了时 以高速 高压的方法喷人燃烧室 所以柴油机吸 人气缸的纯空气 可燃混合气直接在燃烧室中形成 并依靠压缩后的高温空气自 行发火燃烧 混合和燃烧是重叠进行的 它有一个边喷边燃的在等压下推动活塞 运动的持续过程 这是柴油机燃烧不同于汽油机的最大区别点 1 21 2 经济性优于汽油车经济性优于汽油车 柴油机工作时充气效率高 负荷特性为质调节 其热效率高 为 30 40 燃烧热能更多地转变为机械能 同时 因有较大过量空气系数 柴油机油耗率比 汽油机少 30 左右 柴油机的动力性和经济性均优于汽油机 1 31 3 柴油机排放污染小于汽油机柴油机排放污染小于汽油机 柴油机是将燃油喷人大量的高温空气中进行燃烧 CO 和 HC 的生成量比汽油 机少得多 但是因空气过量和高温条件生成的 NOx 较多 大负荷时燃烧的后期是 在高温缺氧的情况下进行 易产生碳烟 1 41 4 柴油机的缺点 柴油机的缺点 排放的主要污染物是微粒 PM 和氮氧化物 NOx 处理技术复杂 后处理 成本高 柴油机的强化程度高 为保证零件的强度和刚度 零件都比较笨重 在 功率相同的情况下 尺寸和重量都比汽油机大 由于柴油的低温蒸发不易 造成柴油机的低温启动性能比汽油机差一些 柴油机爆压高 工作过程粗暴 噪声振动大 需要整车在 NVH 上投入 更多的工作 2 2 柴油机与汽油机排气污染物的一般比较 柴油机与汽油机排气污染物的一般比较 天津大学机械工程学院 6 内燃机排气有害成份随发动机种类及运转条件的改变而改变 就目前国内的 技术条件 可将四冲程汽油机和柴油机的排气有害物作如下比较 表表 1 1 柴油机与汽油机的排气有害成分比较柴油机与汽油机的排气有害成分比较 排气有害成份汽油机柴油机备注 一氧化碳 CO多少 碳氢化合物 HC多少 氮氧化物 NOx多中 二氧化硫 S02少多目前柴油含硫量高 碳烟少多 硫酸盐少多目前柴油含硫量高 未氧化的燃油无中 未氧化的机油两者相当主要取决于发动机油耗率 水平 微粒 铅化物多无柴油中不含抗爆剂四乙铅 表 l 中含量的多少仅是相对比较 并不表示在有害成份总量中所占的绝对量 大小 其中 SO2 发动机试验中不作检测 法规中也不作规定 因其量值同非发动 机发生源相比 所占比例很小 不是大气污染的王要因素 从表 1 可以看出 对肉 眼可见的微粒排放 柴油机要比汽油机高得多 但不可见的 CO HC 和 NOx 排放则 是汽油机远远超出柴油机 3 3 欧洲和中国排放法规对比 欧洲和中国排放法规对比 通过对比欧洲和中国的排放法规发展可知 欧洲轻型柴油车排放法规控制的 重点在 NOx 和 PM 而且二者的限值变得越来越小 而且降幅加快 如图 1 中箭头 所示 中国的排放法规基本参考欧洲法规 执行时间晚于欧洲 4 5 年但正逐渐与 之同步 天津大学机械工程学院 7 图图 1 1 中国与欧洲排放标准的对比中国与欧洲排放标准的对比 三 控制排放的两种技术路线及比较三 控制排放的两种技术路线及比较 柴油机排放控制柴油机排放控制的难点是 NOx 和 PM 之间的矛盾性 如图 2 所示 此外 它们还与燃油消耗率构成矛盾 此消彼涨 然而进入国 国 等阶段后则要求同时降低 NOx 与 PM 排放和油耗 因此 解决柴油机排放问题 必须从系统的角度出发 综合考虑柴油机运行的各阶段 采取更有针对性的技 术方案 以降低排放 天津大学机械工程学院 8 图图 2 2 碳烟碳烟 NOx NOx 之间的关系之间的关系 为了满足欧 IV 欧 VI 排放法规 欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用 了两条排放控制技术路线 其一是 优化燃烧 SCR 选择性催化还原 技术路线 简称 SCR 路线 它是通过优化喷油和燃烧过程 尽量在机内控制微粒 PM 的产生 而在机外后处理过程中 采用尿素溶液对氮氧化物 NOx 进行选择性催化还原 这一技术路线在欧洲占主流 欧洲长途载货车几乎全部采用这一方案 其二是 EGR 十 DOC DPF POC 废气再循环 柴油氧化催化器 柴油颗粒过滤器 颗粒氧化 催化器 技术路线 其中以 EGR DPF 应用最广泛 简称 EGR 路线 它以 废气再循环为基础 在机内抑制 NOx 的产生 在机外后处理过程中采用柴油氧 化催化器 或柴油颗粒过滤器 或颗粒氧化催化器对 PM 进行氧化催化或过滤捕 捉 这一技术路线在北美市场占主流 欧洲短途运输和城市公交车也主要选择此 方案 1 1 SCRSCR 路线路线 SCR 作为一种新的后处理技术 系统成本高 大约是车辆成本的 3 5 初期投资高 操作和保养费用高 需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控 制系统 此外还必须保证行驶区域内对尿素需求的供应 需要车载诊断 OBD 图图 3 3 装有装有 SCRSCR 后处理装置的柴油机后处理装置的柴油机 1 11 1 SCRSCR 路线实现方式路线实现方式 主要是利用商业用的固体尿素和水 水溶液浓度为 32 5 0 5 在排气 天津大学机械工程学院 9 中喷入尿素 氨水等还原性物质 将 NOx 主要是 NO 还原为 N2 和 H2O 如市 面上销售的 AdBlue 它无毒 洁净 无气味 不易着火 无爆炸危险 但有一 点点腐蚀性 必须使用特殊的储存容器 1 21 2 SCRSCR 路线的优势路线的优势 采用这种净化方案的发动机燃油消耗率比较低 油耗可节省 5 7 若扣 除因使用尿素而增加的费用 它还将有节油 2 3 的优势 这一路线对于燃油品质相对不敏感 戴姆勒 克莱斯勒公司甚至认为含硫 量 350ppm 以下的欧 燃油都可以满足要求 这也可进一步降低这一路线的使 用成本 1 31 3 SCRSCR 路线的劣势路线的劣势 使用 SCR 后不但要增加 SCR 本身装置的重量约 150kg 300kg 另外还要 增加一个尿素溶液 AdBlue 箱和尿素溶液 按 100L 尿素溶液跑 7000km 计算 一辆汽车损失的有效载荷在 400kg 左右 应用这一系统时必须装有储存和喷射尿素的装置 SCR 系统中的尿素剂量 最终由发动机管理系统控制 尿素的喷入量必须要与 NOx 的浓度相匹配 在保 证降低 NOx 的同时 不能超过一定的剂量 尿素的喷入量过少 达不到应有的 处理水平 尿素的喷入量过多 则会使多余的氨气排入大气 导致新的污染 所以 必须要有高灵敏度的 NOx 浓度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置 尿素消耗较快 定期添加尿素的工作也必须由用户来完成 这就加大了装 置的复杂性和保养的难度 而且这种装置的价格也是较为昂贵的 需要车辆使用者有较强的环保意识 自觉及时地加尿素也是目前实施这一 路线的现实困难 2 2 EGR EGR 路线路线 EGR DPF 路线通 EGR 降低 NOx 从而会导致发动机经济性降低 1 3 但是 这个路线的初始安装成本比 SCR 路要便宜得多 同时不需要增加基础建设和维护 该路线的弊端在于柴油中的硫含量过高将导致 DPF 积灰 进而无法降低 PM 排放 所以使用时要求柴油的硫含量要小于 50 x10 6 天津大学机械工程学院 10 图图 4 4 采用采用 EGREGR 技术及技术及 DPFDPF 后处理装置的柴油机后处理装置的柴油机 2 12 1 EGR EGR 路线实现方式路线实现方式 EGR 路线主要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通过 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 2 22 2 EGR EGR 路线的优势路线的优势 1 初始成本低 后处理催化器一个 DOC 的价格可能不超过 1000 元 即 使 DPF 的价格相对较高 但也不会高过 SCR 升级成本 2 无需建立复杂的尿素供应体系及其相关基础举措措施建设 3 对封装要求低 2 32 3 EGR EGR 路线的劣势路线的劣势 1 升国 或更高需要对国 主机技改 标定更为复杂 增加了开发成本以 及标定难度 2 对超低硫含量的燃油及高品质润滑油的依赖 3 燃油经济性差 4 国 之后技术升级连续性相对较差 5 由于易堵塞 维护费用高 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 以上对两种路线特点作了分析比较 从原理上分析 不同技术路线并没有 天津大学机械工程学院 11 先进与落后之分 评价一个技术路线是否可行 首先应观察其性能指标是否符 合国家标准等规定 其次要看是否具备可持续能力 下面表 2 对两种不同技术 路线的比较进行了简要的总结 表表 2 2 两种路线的优缺点对比两种路线的优缺点对比 项目 SCREGR DPF 燃油经济性提高 3 5 降低 2 3 燃油喷射压力相对较低相对较高 换油周期 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 III 柴油不能高于 50ppm 国 IV 20ppm 国 V 与国 III 结构比较本体基本不变本体增加 EGR 变化较大 排气系统SCR 装置 需增基础 设施 DPF 装置 无基础设施要求 封装要求相对较高相对较低 3 3 国外主要生产企业产品技术路线状况 国外主要生产企业产品技术路线状况 目前欧美实行更严格的排放法规 为满足欧 V VI 排放及 EPA2007 2010 排 放 欧美 SCR 及 EGR 两种技术路线都有采用 其中欧洲以 SCR 为主 美国以 EGR 为 主 欧洲采用 SCR 路线的主要有 Renault Benz Volvo Fiat Iveco DAF MAN 及 Scania 公司则 SCR 及 EGR 两种路线并存 美国 Navistar John Deere 公司采用 EGR 路线 Caterpillar 公司 ACERT 方案实际也是 EGR 路线 Cummins DDC 公司两种路线并存 Cummins 公司 SCR 方 案用于 10L 以下柴油机 10L 以上产品采用 EGR 方案 4 4 国内两种路线的应用状况 国内两种路线的应用状况 我国不同于欧洲 欧洲目前已经有 6000 多个尿素供应点 而我国还没有 所以 在我国国 IV 实施初期阶段 采用 SCR 路线的汽车对于用户来说 使用成 本会较高 而便利性也很差 EGR 发动机就完全没有上述问题 EGR 发动机不需 要添加尿素的基础设施 不需要定期添加尿素 EGR 发动机和 SCR 发动机的价 格也不会有明显的差异 从这一方面来看 EGR 发动机的使用成本低于 SCR 天津大学机械工程学院 12 四 两种技术路径的发展前景四 两种技术路径的发展前景 目前我国轿车普遒釆用油耗较高的汽油机 而发展柴油轿车将有效缓解当前 的能源危机问题 能够实现节能减排的目标 由于优化燃烧 SCR 技术路线有更 好的燃油经济性以及对燃油脱硫的要求不高等优点 以及尿素溶液的获取也较 为容易 促进了该技术路线在我国的实施 也为国内燃油品质的提升争取时间 短途运输对油耗不敏感 EGR 方案的初始较成本以及部分城市公交强制加装 DPF 的要求使后两者更倾向于选择 EGR 路线 天津大学机械工程学院 13 参考文献参考文献 1 史绍熙 内燃机燃烧研究的现状和动向 J 西安交通大学学报 1994 05 31 40 72 2 赵静 内燃机发展史及未来趋势 J 中国高新技术企业 2012 17 22 23 3 魏善镇 内燃机低污染化 J 柴油机设计与制造 1999 01 3 15 4 帅石金 唐韬 赵彦光 华伦 柴油车排放法规及后处