轻型柴油车国IV排放技术调研报告.doc

轻型柴油车国IV排放技术调研报告J动力机械0702 冯洁 3071106033摘要：我国从2007年7月1日实施GB 18352.3-2005第阶段排放标准，2010年7月1日实施第IV阶段排放标准。这对轻型柴油车排放控制技术提出了更高的要求。柴油车排放污染物中含有碳烟颗粒物PM、烃类、CO、NOX，而颗粒污染物PM是城市里最大的污染源。通过考察POC的背压和整车排放性能，观察POC+DOC在整车排放试验中的效果，结果表明，采用柴油机颗粒氧化型催化器POC和氧化型催化转化器DOC可以有效减少HC，CO ，显著降低颗粒物PM排放，氮氧化物平均可以减少10%-15%。POC+DOC可以有效帮助柴油车满足国IV排放法规。关键词：颗粒氧化型催化器POC，氧化型催化转化器DOC，碳烟颗粒物PM，氮氧化合物NOX 轻型柴油车，国IV排放法规，整车排放试验，废气在循环EGR一.轻型车排放法规GB 18352.3-20051. GB 18352.3-2005我国为贯彻中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法，防治机动车污染物排放对环境的污染，改善环境空气质量，从技术上等效采用欧III/IV技术内容制订了GB 18352.3-2005。2. 适用范围适用于以点燃式发动机或压燃式发动机为动力、最大设计车速大于或等于50km/h、最大总质量不超过3500kg的M1类、M2类和N1类汽车。不适用于根据GB 17691（第阶段或第阶段）车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法规定，已获得型式核准的N1类汽车。按GB/T 150892001 规定：M1 类车指包括驾驶员座位在内，座位数不超过九座的载客汽车。M2类车指包括驾驶员座位在内座位数超过九座，且最大设计总质量不超过5000kg 的载客汽车。N1 类车指最大设计总质量不超过3500kg 的载货汽车。3.排放标准二. 柴油车排放控制技术在日益严格的排放法规下，近年来柴油车排放控制技术得到了很大的发展，这些技术为提高柴油车排放水平发挥了关键作用，人们对柴油车排放差的观念也得到了很大改观。这些技术可以分为2类：机内净化和机外净化。1. 机内净化对燃烧过程本身进行改进，以减少有害气体的产生。11 EGR系统废气再循环EGR是一种已被证明能有效降低NOX排放的技术。与常规“仅推迟喷油正时”的方法相比，采用EGR有利于改善油耗，在较低的油耗下改善NOX与PM之间的折中关系。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应，发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件，在强制加速期间更是如此。当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，在燃烧室内不参与燃烧。 它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少NOX的生成量，但是碳烟会有所增加。EGR是降低NOX的主要技术。12 喷油时刻喷油定时对柴油机的HC排放的影响比较复杂。它与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关，故不同机型的柴油机住往会得到不同的结果。喷油提前，滞燃期增加，使较多的燃油蒸汽和小油粒被旋转气流带走，形成一个较宽的过稀不着火区，同时燃油与壁面的碰撞增加，这会使HC排放增加。而喷油过迟，则使较多的燃油没有足够的反应时间，HC排放量也要增加。对NOX而言，喷油提前时，燃油在较低的空气温度和压力下喷入气缸，结果使滞燃期延长，导致氮氧化物的增加。推迟喷油会降低初始放热率，使燃烧室中最高温度降低，从而减少氮氧化物排放量。所以喷油定时的延迟是减少氮氧化物排放浓度的有效措施。但喷油延迟必将使燃烧过程推迟进行，最高燃烧压力降低，功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必须适度。大负荷时影响颗粒排放浓度的主要是固相碳，喷油延迟，烟度会增加，即颗粒中固相碳的比例增加。而在小负荷、怠速情况下推迟喷油，由于燃烧温度低，燃烧不完善，从而导致碳氢排量即颗粒中可溶性物质比例的增加。因此，将喷油延迟，颗粒的排放量在各种工况下都会增加。但喷油过于提前，会使得燃油在较低温度下喷入而得不到完全燃烧，也会导致烟度及碳氢排放的增加，更重要的是还会导致氮氧化物的增加。所以总有一个最佳喷油提前角，就是要在该提前角下柴油机功率大、燃油消耗率低、颗粒浓度也最低。1.3 增压1.3.1增压对CO排放的影响柴油机中CO是燃料不完全燃烧的产物，主要在局部缺氧或低温下形成。柴油机燃烧通常在过量空气系数大于1的条件下进行，因此CO排放量比汽油机要低。采用涡轮增压后过量空气系数还要增大，燃料的雾化和混合进一步得到改善，发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。1.3.2增压对HC排放的影响柴油机排气中的HC主要是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及燃烧反应中的中间化合物所组成，小部分是由窜入气缸的润滑油生成。增压后进气密度增加、过量空气系数大，可以提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，HC减少。1.3.3增压对NOX排放的影响氮氧化物中NO含量占90%以上。NOX的生成主要取决于燃烧过程中氧的浓度、温度和反应时间。其中，NO含量占90%以上。降低NOX的措施是降低最高燃烧温度和氧的浓度以及减少高温持续的时间。柴油机单纯增压后可能会因过量空气系数增大和燃烧温度升高而导致NOX增加。实际应用中，在柴油机增压的同时，常采用减小压缩比、推迟喷油定时和组织废气再循环等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度；推迟喷油定时可以缩短滞燃期，减少油束稀薄区的燃料蒸发和混合，降低最高燃烧温度；废气再循环在一定程度上抑制了着火反应速度，以控制最高温度。为解决因喷油定时推迟和废气再循环所导致的后燃期增加的问题，须增大供油速率，缩短喷油时间和燃烧时间。采用进气中冷技术可以降低增压柴油机进气温度，燃烧温度可以得到有效控制，有利于减少NOX的生成。 1.3.4增压对颗粒排放物的影响影响柴油机微粒物生成的原因较复杂，其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。一般柴油机中降低NOX的机内净化措施通常会导致颗粒排放物的增加。增压柴油机，特别是采用高增压比和空空中冷技术后，可显著增大进气密度，增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、电控共轨喷射、低排放燃烧系统和中心喷嘴四气门技术等，改善燃烧过程，则可有效地控制颗粒物排放。试验数据表明，采用增压中冷技术的柴油机可降低颗粒物排放约45%。在大负荷区，与颗粒物排放密切相关的可见污染物排放，也随着增压比的增大而显著下降。2. 机外净化通过内燃机工作过程的改善来降低排气污染物的排放，常常和提高功率及降低油耗发生冲突，不能两全。而且，改善内燃机工作过程与降低排放往往是矛盾的。例如，降低PM的排放会导致NOX排放增加。因此，各个工业国家都致力于研究发动机的机外净化技术即尾气后处理技术，在不影响发动机性能的同时，降低排气污染物。根据后处理方式不同，大致可以并将它们归以下几种：2.1 氧化型催化转化器（DOC Diesel oxidation catalyst）DOC主要用来氧化柴油车尾气中的CO、THC的排放量，氧化PM中可溶性有机物SOF，但同时也将尾气中的部分SO2氧化成硫酸盐。所以对含硫量高的柴油来说，PM中的硫酸盐比例增大，降低了氧化SOF的效果，甚至使PM的排放增加。2.1.1 DOC所进行的氧化反应SOF+O2CO2+H2OHC+O2CO2+H2OCO+O2CO2+H2OSO2+O2SO3+H2ONO+O2NO2+H2O2.1.2 DOC组成DOC的结构为流通式（Flow-through），主要由载体、垫层和壳体组成，载体上有涂层和催化剂。载体：分为陶瓷蜂窝（材料：堇青石）和金属蜂窝两种涂层：常用的活性涂层主要是-Al2O3，SiO2和TiO2等高熔点无机氧化物，具有多孔性、高比表面积(150300m2/g)、良好的粘合性和吸附性能，较难与贵金属成分发生反应。但是-Al2O3在1000-1100时可转化为相，使其比表面积降低，一般添加La、Pr、Nb、Ce等稀土氧化物。催化剂成分：主要是铂和钯，不含铑。铂的主要是转化CO和HC，钯在DOC中的作用与铂一样也是用来转化NO和HC，但对这两种有害排放物的氧化能力较铂弱。2.2 颗粒氧化型催化器（POC Particle oxidation catalyst）2.2.1 POC再生燃烧去除C颗粒的原理POC主要利用NOX氧化去除PM。即在前级DOC催化器的氧化作用下，NO+O2NO2，以及柴油车本身燃烧产生的一定量的NO2，NO2进入POC，在含有贵金属的特殊化学涂层的催化作用下，NO2NO+O，产生的O与被捕捉到的C颗粒燃烧生成CO2，C+OCO2。这就是POC在柴油车中去除C颗粒的主要机理。2.2.2 POC组成POC是开放式的过滤结构，主要包括2个部分：一种新型载体EcoCat 和一种新的低温涂层。EcoCat载体是由平板金属薄片和波纹片卷曲而成，并由凹槽装置固定，防止互相挤压叠欠。该载体的生产可以在一个生产阶段中由一条自动生产线完成。除了金属薄片外不需要其他任何材料。催化器两半外壳上有凹槽，使得载体与外壳紧密封装。和传统的直孔通道的载体相比，EcoCat独特的孔道设计相当好地平衡了背压损失和气流传质、传热方面的关系。除了新型载体外，还需要开发一种新型的低温涂层。新型KDN 1.3 涂层的起燃温度。和以前相比，HC 的起燃温度要低40度，而CO的起燃温度要低50度。在低温下, 新型涂层可以把一部分NO氧化成NO2和O2相比，对煤烟微粒，NO2是一种非常活跃的氧化剂。好的微粒氧化性能是建立在以下基础之上的：EcoCat载体在孔道收集“湿”颗粒的能力以及KDN1.3涂层把NO 氧化成NO2的能力。2.3 柴油颗粒捕捉器(DPF Diesel Particle Filter)DPF通过采用微孔吸附性材料对废气中的微粒进行过滤，可以有效降低颗粒物排放量。DPF需要附加主动再生系统，确定合理的ECU处理方案，避免背压升高和堵塞危险。2.3.1反应机理C+NO2NO+CO 260-300C+O2CO 600 HC/CO +O2CO2+NO+H2O2.3.2再生技术由于微粒在过滤体中的不断沉积，导致过滤体背压升高，从而引起柴油机性能的恶化，因而必须适时地清除过滤体积存的微粒，使背压恢复到原来的水平，即过滤体的再生。主动再生指利用外加能源（如：电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变以提高排气温度）使DPF内部温度达到颗粒物的氧化燃烧温度而进行的再生。被动再生是利用柴油机排气本身所具有的能量进行的再生。再生技术主要有以下几种：1在过滤器载体表面涂覆有催化剂的以催化剂为基础的再生。它是采用在过滤器表面涂覆贱金属或贵金属来降低颗粒的氧化燃烧温度的技术。2在DPF上游使用一个氧化催化剂的以催化剂为基础的再生。该技术是将氧化催化剂放在DPF上游来促进NO氧化为NO2。NO2与过滤器中收集的颗粒反应，大幅度降低过滤器再生所需的温度。3燃油添加剂形式的催化剂。该种技术是在燃油中添加一定量的Fe、Cu、Ce、Pt等金属元素，从而降低颗粒的点燃温度。4通过调整进气门实现进气节流的再生技术。抑制一缸或多缸的进气来增加发动机的排气温度和CO、HC浓度以促进过滤器的再生。5在柴油机上止点（TDC）后喷射燃油实现再生的技术。在上止点后喷射少量燃油，以在发动机的排气中产生少量未燃的燃油；也可在排气管中直接喷射燃油，未燃烧的燃油在过滤器中被氧化后燃烧颗粒。6在线使用燃烧器和电加热器的再生技术。在DPF的上游安装燃烧器或电加热器，将排温加热到足以燃烧DPF中收集的颗粒物的程度，从而实现再生。7 离线使用电加热器的再生技术。将DPF拆下来转移到再生站，在DPF中喷入热空气来燃烧颗粒物。2.4 选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原（SCR）是指安装在柴油汽车排气系统中，用于将柴油车排气中的氮氧化物（NO）进行选择性催化还原，以降低NO排放量的催化净化系统。NH3能在O2存在的情况下选择性地还原NOX，因此用NH3来催化还原NOX。SCR常利用尿素喷射于排气管中，由于高温转化为氨水（NH3）与CO2反应：(NH2)2+H2ONH3+CO2NH3+NON2+H2ONH3+NO2N2+H2OSCR优势在于无需对机体进行改动，即国电控裸机加上SCR 即可实现国；发动机耐久性好；燃油经济性好；对燃油和机油品质要求低；无催化器堵塞风险；技术升级连续性较好；维护费用低。劣势在于初始成本高；质量较大，单车损失有效载荷在400Kg 左右；对封装要求较高；低温失效问题，尿素在零下11 度会凝固，在黄河以北地区使用，需加装解冻装置，进一步增加了成本和损失了有效载荷；最主要的问题是随车携带的尿素一般可使用500010000Km，需及时补充，面临尿素的供应和配给问题。三柴油车国IV排放技术路线国IV排放标准对柴油车言，是一个技术的转折点。国IV标准之前，柴油车可以通过改进燃油喷射系统优化燃烧过程的机内净化技术来控制污染物排放，达到相应标准。而从国IV标准开始，机内净化措施已无法满足要求，更多