中小功率车用柴油机国IV技术路线分析与应用_朝柴

1、中小功率车用柴油机国IV技术路线分析与应用朝柴4102国IV产品介绍东风朝阳柴油机有限责任公司2010年4月20日主要内容中小功率车用柴油机的定义国IV、V的技术路线综述朝柴应对国IV技术路线的原则及国IV产品介绍NO2和SO2问题的提出与相关试验朝柴对国IV、V技术路线的认识朝柴对国IV实施的建议中小功率柴油机的定义按照现行的国IV法规:这里所指的“中小功率车用柴油机”是指应用于3.5吨以上的商用车且排量介于36升的车用柴油机。国IV、V技术路线综述_国IV、V技术路线 国4、5技术路线_尾气后处理方案z冷却EGR+PM减少(机内降NOX+机外降PM其中:PM减少有两种技术措施,即:DOC+

2、POCDOC+DPFz SCR(机内降PM+机外降NOX美国、欧洲的技术路线选择美国:有许多因素促使EGR/DPF技术路线成为满足US2007的主流技术;美国的燃油价格比欧洲的低,而尿素价格相对较高;美国的尿素供应一直找不到一个合理的解决方案;政府担心,柴油车驾驶员为了缩减运营成本,实际使用中不添加尿素,目前这种担心可以通过技术手段解决;美国幅员辽阔,长距离的行驶及范围,要求保证尿素供应;另外,US2007标准对新车提出15万公里无维修,SCR明显违背了这个要求,因为大约5000公里就要添加一次尿素。采用SCR技术就要向美国EPA申请特别许可。欧洲:欧洲汽车工业协会(ACEA2003年7月发表

3、声明,宣布欧洲主要商用车制造商选择SCR技术路线来满足欧4排放要求;欧洲的一个明显趋势是,长途载重车通常采用SCR技术,而短途运输或者城市公交车则选择EGR/DPF技术;对于长途载重车来说是成本因素,燃油经济性是最主要的考虑因素,若尿素价格低于燃油价格,则SCR使用经济性好;柴油颗粒捕集器要求定期进行清洁再生,长途车难以保证,而对于短途车燃油经济性不是关键因素,定期维护容易,何况某些地方法规规定,没有加装颗粒捕集器的柴油车辆不得进入市区。各技术路线的特点分析颗粒转化率>85%颗粒转化率50%NOx转化率>85%转化效率炼油工业改造炼油工业改造建尿素供应体系配套设施需含硫15ppm

4、需含硫50ppm 含硫500ppm 高较高低燃油质量要求整车的13%,视不同类别整车整车的13%,视不同类别整车整车的35%,视不同类别整车系统成本增加冷却EGR,DOC+DPF催化器冷却EGR,DOC+POC催化器尿素喷射系统,SCR催化器新增系统大于国3大于国3可与国3相同燃油喷射压力增加46%增加35%降低57%,但要增加使用35%的尿素燃油经济性EGR+DPF EGR+POC SCR朝柴应对国IV技术路线的原则根据欧美应用现状并综合某些权威机构的意见,一般我们可以得到如下结论:1.当发动机排量大于6升时,采用SCR后处理方案为主流技术路线;2.发动机排量小于3升时,则多采用冷却EGR加

5、DOC+ DPF/POC;3.发动机排量介于36升时,则两种技术路线并存,视匹配车型、应用领域而采用SCR或冷却EGR加DPF/POC。朝柴应对国IV技术路线的原则朝柴认为在满足国家法规要求的前提下,采用何种技术路线将取决于如下条件:1.产品应用领域:城市物流、长途运输;运行工况,低速和高速(排气温度、后处理的效率。2.产品应用车型:载货汽车、城市公交/客车;发动机及后处理的布置方便性。3.产品使用方便性:维护保养;添加尿素。4.产品成本:制造成本/用户采购成本/运行成本。5.国家基础设施和燃油供给情况:尿素添加、含硫量。6.法规实施的监管:产品OBD自身控制、政府执法力度。7.用户要求:使用

6、方便性、购车成本/使用成本。朝柴应对国IV技术路线的原则朝柴主流产品为4102型柴油机,排量3.9升,主要为总重3.58吨载货卡车和中型客车车配套。所配套车型基本用于城市内、城市间短途客运和物流输送。一般而言,小型载重汽车整车布置空间狭小,维护保养不便,使用条件较为恶劣,用户对整车成本较为敏感等,宜于采用EGR方案;而客车一般应用于城市内或城市之间,使用条件相对良好,维护保养和添加尿素方便,整车布置空间较为灵活,且看重燃油经济性,因此可采用SCR方案。鉴于朝柴产品特点、配套对象、市场用户和我国燃油供给情况(含硫量、尿素加注、使用环境,同时根据欧美实施多年相当于国4法规的经验,朝柴确立了两种技术

7、路线并存、先后实施的原则,即根据产品的特点和配套对象不同、应用的领域/区域不同,采用不同的技术路线。我们认为,上述原则是符合国家法规要求和上级主管部门的指示精神。朝柴国IV 产品介绍根据上述原则,朝柴确定首先采用“冷却EGR 加DOC +POC”的技术路线进行国IV 产品开发,主要技术规格和技术特征如下:天纳克后处理器封装依米泰克EMITEC 后处理器POC优美科UMICORE 后处理器DOC日本TRS EGR冷却器博格华纳冷却EGR阀BOSCH电控高压共轨燃油系统:东风多利卡DFA1080T载重卡车首配车型:3.9升排量:4102CE4B 型号:朝柴国IV产品介绍根据制订的产品技术路线,20

8、06年开始,朝柴主要在以下方面进行了相关工作:燃油及燃烧系统的匹配与标定增压器的匹配与优化EGR阀及其冷却器的匹配与标定后处理系统优化与匹配发动机热平衡试验后处理器耐久性试验整车“三高”标定与路试OBD标定2009年分别通过天津检测中心的排放性能检测、OBD系统和排放控制系统耐久性检测,相关报告已经在工信部备案。NO2和SO2问题问题的提出:2009年,朝柴在申报环保公告时与环保部机动车污控中心有关领导和专家进行了相关技术交流。交流中,有关专家和领导提出了“冷却EGR加DOC+POC ”技术路线存在NO2增量问题,及其后来又提到的SO2影响事宜。下面就针对NO2和SO2问题所做的试验情况及得到

9、的结果向大家做一个介绍DOC+POC的工作原理氧化催化器DOC安装在POC之前。DOC利用涂层中的有效催化成分使得排气中的CO、HC 与O2 发生氧化反应,以降低CO和HC;同时将排气中的NO氧化成NO2,NO2与后面POC 收集的碳颗粒发生反应,达到连续降低PM 以及清理POC 中收集的soot 的作用。另外,DOC 还能氧化颗粒中的一部分可溶性有机物成分SOF。POCDOC+POC试验说明本试验中,准备了三种DOC(氧化性强、中、弱和两种POC(长、短 ,采取组合不同的试验方案。按十三工况法进行试验、测取数据及加权计算。DOC+POC试验结论 1. 柴油机燃烧本身也将产生NO2，排气中NO

10、2占比NOx总量为9.8510.51。 2. DOC氧化性强，将能够产生大量的NO2，参与颗粒的反应后，仍有大量NO2排出。NO2增 加量占比NOx总量为17.74，而NO2占比NOx总量为29.32。该方案对颗粒减小效果好， 但贵金属用量大，不宜采用。 3. DOC氧化性强，则产生NO2的能力强，不带POC时，NO2增加量占比NOx总量为31.73， NO2占比NOx总量为42.92。 4. DOC氧化性适中，则产生的NO2被颗粒所消耗一部分后，仍有剩余的NO2被排出，NO2增 加量占比NOx总量为7.86，NO2占比NOx总量为18.35。贵金属用量适中，颗粒满足要 求，宜于采用。 5.

11、DOC氧化性弱，则产生的NO2量较少，不足以保证颗粒完全被消耗，NO2增加量占比NOx 总量为2.793.92，而NO2占比NOx总量为13.4114.43。结果显示可以使PM达到限 值要求，但裕度较小，不宜采用。 6. 试验显示，选取POC长度很重要，超过合适的长度对于颗粒的减小没有帮助，徒增费 用。 7. 本试验中，CO分析仪故障，故所有试验没有采集数据；而SO2数据采集精度较差，只 做参考。 SO2问题和朝柴所做的工作 问题的提出： 柴油中含有的S燃烧会产生SO2，经DOC氧化后会变成SO3， 再与 排气中的水分化合生成硫酸盐。因此，含硫燃油会对POC的净化 效果起到一定的影响。 另外，

12、从SO2的排放量来讲，DOC的存在会减少SO2的排放。原 机排放出的SO2经过DOC的催化还原之后会有1020%的减少。 SO2 + O2 SO3 硫含量的状态： 从我国目前能够供应的燃油品质来看，含硫量为50 ppm的燃油仅 能在北京、上海等大城市得到满足，而其他城市最多能够使用到 350ppm硫含量的柴油。 因此，实施国IV不仅仅是我们柴油机行业的事情。但考虑必须实 施国IV的紧迫性，朝柴也进行了相关的试验研究工作。 低温高硫台架老化试验 来自催化剂供应商 试验条件： (1 45小时2400ppm硫含量的台架老化，使催化剂中毒，温度如下图。 (2 然后做280, 320, 370, 420

13、 和500°C 按标准温度升温之后的DOC氧化性测试，每个温度 时长30分钟。 temperature / 癈 400 - Pre TC 涡前温度 - Pre cat 催化剂前温度 - In cat 催化剂中温度 - Rear cat 催化剂后温度 300 200 100 20000 time / sec 30000 低温高硫台架老化试验 试验结果 70 60 NO Konversion % 老化后的DOC 未老化之前的DOC 做 270°C for 30m的预处理 做 320°C for 30m的预处理 做 370°C for 30m的预处理 做 42

14、0°C for 30m的预处理 做 500°C for 30m的预处理 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 结论： 提高预处理温度直接导致 NO NO2转化率的提高；在30 分钟大于400度的预处理后， 即可恢复NO NO2转化率。 Temperatur °C 来自催化剂供应商 朝柴高硫油适应性试验试验结论:200小时高硫油耐久运行后,由于高硫使得DOC 活性下降,NO2生成量少,导致POC转换效率下降,且有部分硫酸盐生成,颗粒超标,可达0.025g/kW.h。换用低硫油运行1

15、小时(温度450,则可以恢复DOC的活性,颗粒值恢复到限值以下。朝柴高硫油适应性试验提取前期开发阶段几次高硫试验的数据(不同的样机、时间和地点0.015高温运行30分钟之后15ppm 0.025新鲜1000ppm0.017高温运行30分钟之后50ppm0.023用350ppm油老化50小时,未预处理50ppm0.025新鲜500ppm颗粒物催化剂状态试验硫含量试验结果可以表明如下几点:1. 用350ppm 及以上含硫量燃油,在不进行预处理情况下,硫酸盐过量导致颗粒物超标,在0.025左右。2. 用高硫老化之后,经过预处理之后,颗粒物恢复。3. 高温预处理(400度,30分钟即能有效恢复。朝柴高

16、硫油适应性试验高硫油路试:朝柴的国标定用车曾在国内历经“三高”试验,行程已达3万多公里,所用柴油来自国内各地加油站,燃油硫含量可达2000ppm,没有发现堵塞、失效等问题。另外的整车可靠性路试也得到了满意的结果。朝柴国IV产品排放性能工作总结按照目前国IV排放法规要求看,朝柴4102CE4B采用“冷却EGR加DOC+POC”技术路线的整机排放性能能够满足法规要求。对于后来业界有关专家提出的NO2和SO2问题,朝柴进行了相关的试验研究,结果表明:通过良好的“DOC+POC”匹配,可以控制NO2的排放量或排放比例。在采用50ppm硫含量国IV燃油的情况下,“冷却EGR加DOC+POC”技术路线能够

17、排放达标。使用350ppm硫含量燃油时,颗粒物超标,但重新使用50ppm硫含量国IV燃油后能够恢复排放达标,所谓的硫中毒具有可逆性。经过多项耐久试验,未发现POC堵塞、失效等故障。结论:冷却EGR加DOC+POC”是满足国4法规要求的技术路线之一,有其技术和应用优势,也是适合国情的一种技术路线。对国IV技术路线的认识关于中国的第4阶段法规实施问题,2006年开始就在进行不断的讨论之中,众说纷纭,截至到目前好像也没有统一的意见。下面对两种技术路线进行一下比较:SCR和EGR技术路线比较1. 系统价格比较:SCR路线:采用国3燃油系统,加装尿素供给系统及后处理器、NOx传感器等,约1.52.5万元

18、;EGR路线:采用国4燃油系统,加装EGR冷却器、电控EGR 阀、电控进气节气门及后处理器等,约1.32.0万元。结论:SCR系统价格高于EGR。考虑所配车型和应用领域的不同,我认为应该是各有各的市场,不能说SCR由于价格高而无人问津。比如,对于发动机为10万元的价格,其上升幅度仅为1525%;而对发动机为3万元的价格,其上升幅度则高达4067%。所以,不同的技术路线和价格会有不同的市场。SCR和EGR技术路线对比2. 经济性比较:采用SCR路线,当尿素价格是燃油价格的一半时,购车成本将在一定里程后收回,而使后来的使用成本降低。若尿素价格超过燃油价格,则运行成本将会高于EGRSCR和EGR技术路线比较3. 应用车型和用途方面比较:大型车由于空间较大,适合采用SCR路线。小型车布置空间狭小,适合更加紧凑的EGR路线。长途运输/大型车,较注重经济性,因此当尿素价格低于燃油价格时,经济性好,适合采用SCR路线。短途运输/小型车,则注重使用方便性,EGR路线结构较为简单,少维护。SCR和EGR技术路线比较4. 使用环保性比较:EGR路线在硫含量超过50ppm,或更高时,将使DOC中毒失去活性,从而使得颗粒超标。SCR路线同样在使用高硫燃油会使得颗粒超标,只是SCR催化器对硫含量的适应性好。如果充分保证供应50ppm硫含量的燃油,则两种路线相当。SCR和EGR技术路线比较通过几个方面的