车用柴油机超低排放控制技术-孙万臣

1、车用柴油机超低排放控制技术车用柴油机超低排放控制技术孙万臣孙万臣2010-04-15我国汽车排放控制趋势我国汽车排放控制趋势n 中国采纳欧洲汽车排放标准体系。中国采纳欧洲汽车排放标准体系。n 2005年发布国家第三年发布国家第三/四四/五阶段排放标准。五阶段排放标准。n 北京市北京市2005年底确定提前实施国家第三年底确定提前实施国家第三/四阶段排放标准。四阶段排放标准。n 总体来说，鼓励措施和提前强制实施相结总体来说，鼓励措施和提前强制实施相结合来促进低排放汽车的生产和使用。合来促进低排放汽车的生产和使用。我国轻型车新排放标准我国轻型车新排放标准1）技术上，等效采用）技术上，等效采用 欧欧I

2、II/IV的技术内容。的技术内容。2）各检测项目的实施时间将依据我国国情确定。）各检测项目的实施时间将依据我国国情确定。 全国范围内全国范围内2007/2010年分别开始实施年分别开始实施 技术推动和竞争需要，厂家部分提前；技术推动和竞争需要，厂家部分提前； 北京市提前于北京市提前于2005年年12月实施月实施III阶段。阶段。3）试验用基准油的指标根据国情微调。）试验用基准油的指标根据国情微调。我国重型车我国重型车/发动机新排放标准发动机新排放标准1）技术上，等效采用）技术上，等效采用 欧欧III/IV/V的技术内容。的技术内容。2）各检测项目的实施时间将依据我国国情确定。）各检测项目的实施

3、时间将依据我国国情确定。 预计于预计于2007/2010/2012年开始实施；年开始实施； 技术推动和竞争需要，厂家部分提前；技术推动和竞争需要，厂家部分提前； 北京市于北京市于2005年底提前实施年底提前实施IV阶段。阶段。满足新排放标准的技术措施满足新排放标准的技术措施 发动机改进发动机改进 燃烧室改进燃烧室改进 点火系统改进点火系统改进 EGR 电控喷射电控喷射 稀薄燃烧稀薄燃烧 排气后处理排气后处理 三效催化器三效催化器 NOx催化器催化器 汽油车汽油车 发动机改进发动机改进 燃烧室改进燃烧室改进 EGR燃烧过程控制燃烧过程控制电控高压喷射电控高压喷射 排气后处理排气后处理 DOC D

4、PF SCR，LNT 柴油车柴油车汽油车排放控制技术发展汽油车排放控制技术发展机内净化技术：机内净化技术：空燃比更精确控制；空燃比更精确控制； 汽油机缸内直喷的稀燃技术汽油机缸内直喷的稀燃技术 （降低排放，有大幅度改善油耗潜力）（降低排放，有大幅度改善油耗潜力）后处理技术：后处理技术：更先进配方的三效催化器；更先进配方的三效催化器； 存储式存储式NOx还原催化剂还原催化剂 （稀燃汽油机用（稀燃汽油机用 ）重型柴油车排放控制标准重型柴油车排放控制标准排放法规要求：1）PM 90%2）NOx 80% 排放法规年份CO/g(kWh) -1HC/g(kWh)-1NOx /g(kWh) -1PM/g(k

5、Wh) -1烟度m-1-注ECE- R49198514.03.518.0ECE-R49.01欧0199011.22.414.40.70欧1993.104.51.18.00.61/0.3685 kW/85 kW欧1996.104.01.17.00.25 Vh0.7 L/缸n3000r/min1998.104.01.17.00.15Vh0.7 L/缸欧2000.102.10.665.00.100.8ESC*或ELR*2000.102.10.665.00.13 0.8Vh3000r/min2000.105.45NMHC 0.78/CH4 0.160.16/0.21ETC欧2005.101.50.46

6、3.50.020.5欧2008.101.50.462.00.020.5欧2012.120.13（0.16）0.040.01注:“*”表示欧洲固定循环；“*”表示欧洲负荷响应。重柴排放控制技术发展重柴排放控制技术发展Exhaust Gas CoolerMVRVCharge Air CoolerDPF EGR Reed Valve Fuel InjectorsAir MeterEGR Valve with SRA for position controlVGT with SRA for vane controlSCR Urea Dosing SystemUrea DosingECUEGR Mixe

7、r (venturi) NOxWRAFHumidityPM control strategy for urban vehicles NOx control strategy for long haul ECU E3 实现欧实现欧4的技术策略的技术策略10废气再循环废气再循环EGR依靠将一部分发动机排出的废气再次导如发动机汽缸中，将引入的空气和循环废气混合，降低绝热的火焰温度并（在柴油机中）减少过剩的O2。废气还会增加混合气的比热，从而降低燃烧温度的峰值。降低汽车尾气中NOx 的生成。EGR通路内吸入空気侵入、逆流起防逆止弁採用。空気一方向流、EGR無駄燃焼室送込。 柴油车排放控制技术发展柴油车

8、排放控制技术发展柴油机机内净化技术：柴油机机内净化技术：1）EGR： 降低降低NOx。2）电控高压喷射技术，如共轨、泵喷嘴）电控高压喷射技术，如共轨、泵喷嘴 降低降低PM、NOx 上述措施可以满足欧上述措施可以满足欧3排放要求。排放要求。但上述机内净化技术不足以满足欧但上述机内净化技术不足以满足欧4、欧、欧5排放法规要求排放法规要求中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展中重型车用柴油机实现欧中重型车用柴油机实现欧应具有的基本条件应具有的基本条件中重型车用欧中重型车用欧柴油机必须建立在一台有良好基础的电控柴油机必须建立在一台有良好基础的电控欧欧发动机基础上。发动机基础上。国外典

9、型的国外典型的121213 L 13 L 车用欧车用欧柴油机具有如下特征柴油机具有如下特征: :采用直列采用直列6 6 缸形式，缸形式， 单级带空单级带空- -空中冷涡轮增压系统，空中冷涡轮增压系统，同时匹配排气旁通阀和可变截面涡轮增压器或复合增同时匹配排气旁通阀和可变截面涡轮增压器或复合增压系统，或采用二级增压系统。压系统，或采用二级增压系统。控制进气温度很重要，进气温度每减低控制进气温度很重要，进气温度每减低11，NOxNOx可减可减少少0.5 %0.5 %0.67 %0.67 %。b. b. 采用铸铁缸盖、水冷、采用铸铁缸盖、水冷、4 4 气门结构，气门结构， 喷油嘴垂直中置。喷油嘴垂直

10、中置。4 4 气门结构有使发动机功率提高气门结构有使发动机功率提高15 %15 %左右、降低油耗左右、降低油耗4 4 % %左右的潜力。左右的潜力。c. c. 机体采用铸铁，水冷、湿式缸套，内置式机油冷却器。机体采用铸铁，水冷、湿式缸套，内置式机油冷却器。d. d. 采用整体铝活塞采用整体铝活塞/ /钢顶铝裙组合活塞钢顶铝裙组合活塞/ /整体钢活塞。整体钢活塞。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展e. e. 燃油系统采用电控共轨系统燃油系统采用电控共轨系统/ /电控单体泵电控单体泵/ /电控泵电控泵喷嘴喷嘴/HEUI/HEUI/高压喷射系统。高压喷射系统。n需电控、需电控、

11、3 35 5 次的多次喷射次的多次喷射( ( 包括预喷、主喷、后包括预喷、主喷、后喷喷) ) 能力和更高的燃油喷射压力。能力和更高的燃油喷射压力。n如采用共轨系统，额定工况时最大喷射压力要达到如采用共轨系统，额定工况时最大喷射压力要达到180 MPa180 MPa；n如采用电控泵喷嘴或电控单体泵，额定工况时最大如采用电控泵喷嘴或电控单体泵，额定工况时最大喷射压力要达到喷射压力要达到200 MPa200 MPa。n为使油耗降低，应缩短喷油持续期，使放热靠近上为使油耗降低，应缩短喷油持续期，使放热靠近上止点。止点。n借助于喷油规律实现柔和燃烧。表借助于喷油规律实现柔和燃烧。表2 2 为欧洲为欧洲1

12、21213 13 L L 车用柴油机燃油系统的构成及预估情况。车用柴油机燃油系统的构成及预估情况。、高圧化燃料蓄、各均一供給、燃焼室噴射。高圧燃料噴射完全燃焼PM減少、噴射複数回行燃焼室高温化防NOx低減。重要、燃料噴射圧力、噴射回数、噴射量、電子制御細。 中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展年份排放共轨单体泵泵喷嘴直列泵系统2002欧13%37%29%21%2005欧25%45%30%2010欧46%46%8%欧洲欧洲1213 L 车用柴油机燃油系统的构成及预估情况车用柴油机燃油系统的构成及预估情况 中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展中重型车用柴油机

13、实现欧中重型车用柴油机实现欧应具有的基本条件应具有的基本条件f. f. 进一步优化进气涡流和燃烧系统，采用直口或略进一步优化进气涡流和燃烧系统，采用直口或略微缩口燃烧室，进气涡流比为微缩口燃烧室，进气涡流比为0.50.51.51.5，压缩比为，压缩比为16.516.518.518.5。g. g. 缸内最大爆发压力可达缸内最大爆发压力可达181822 MPa22 MPa，升功率可达，升功率可达35 kW/L35 kW/L。h. h. 进一步控制燃油中的硫含量到进一步控制燃油中的硫含量到50501010-6-6 以下，燃以下，燃油的十六烷值提高到油的十六烷值提高到52 52 或十六烷指数提高到或十

14、六烷指数提高到4646。i. i. 严格控制活塞环、气门导管、增压器轴承等处的严格控制活塞环、气门导管、增压器轴承等处的机油泄漏量，机油泄漏量， 将发动机额定工况时机油耗与柴油耗将发动机额定工况时机油耗与柴油耗的比值控制到的比值控制到0.1 %0.1 %以下。以下。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展实现欧实现欧的两条主要技术的两条主要技术路线路线要实现欧要实现欧对对NOx 和和PM都较低都较低的限值，的限值， 目前有如图目前有如图1 所示的两所示的两条技术路线条技术路线: 1、优化燃烧优化燃烧+SCR路线：路线：先通先通过喷射系统优化和喷射定时提前过喷射系统优化和喷射定时

15、提前以降低颗粒物，以降低颗粒物， 再使用再使用SCR 来来降低因燃烧优化而产生的降低因燃烧优化而产生的NOx 排放；排放； 2、EGR+DPF 路线：路线：先通过废先通过废气再循环降低排放中气再循环降低排放中NOx 的成的成份，再用颗粒捕集器捕集因使用份，再用颗粒捕集器捕集因使用EGR 而略有增加的颗粒物，从而略有增加的颗粒物，从而达到同时降低而达到同时降低NOx 和和PM的效的效果。果。柴油机实现欧柴油机实现欧排放的技术路线排放的技术路线中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展路线路线1： 优化燃烧优化燃烧+SCRn此种路线在欧洲采用较多，此种路线在欧洲采用较多， 简称简称欧

16、洲路线欧洲路线。对于大。对于大多数制造商，发展现有的发动机技术是首选的途径。多数制造商，发展现有的发动机技术是首选的途径。n几种可选择的方案几种可选择的方案： n1、先在发动机机内处理、先在发动机机内处理NOx，再处理，再处理PM；或者两；或者两者都进行后处理。后者存在一个污染源回收的处理问者都进行后处理。后者存在一个污染源回收的处理问题。题。n2、没有、没有EGR 系统，系统， 在发动机机内处理在发动机机内处理NOx 是非常是非常困难的，并且燃油消耗更高。困难的，并且燃油消耗更高。n因此，制造商一般采用在发动机机内减少因此，制造商一般采用在发动机机内减少PM排放、排放、在废气中处理在废气中处

17、理NOx 的措施。的措施。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展SCR系统的解决方案系统的解决方案: n利用商业用的固体尿素和水利用商业用的固体尿素和水( 水溶液浓度为水溶液浓度为32.5 %0.5 %) ；n在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质；在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质；n 将将NOx( 主要是主要是NO) 还原为还原为N2 和和H2O。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展SCR 系统的工作原理中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展用于欧发动机的典型SCR 系统示意中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展优点：优

18、点：1、发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省、发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省5 %7 %，若扣除因尿，若扣除因尿素所增加的费用，还将有节油素所增加的费用，还将有节油2 %3 %的优势。的优势。2、对于燃油品质相对不敏感，、对于燃油品质相对不敏感， 戴姆勒戴姆勒克莱斯勒公司认为甚至含克莱斯勒公司认为甚至含硫量硫量35010- 6 以下的欧以下的欧燃油就可以满足要求。燃油就可以满足要求。缺点：缺点：n使用使用SCR 后不但要增加后不但要增加SCR 本身装置的质量约本身装置的质量约150300 kg，另，另外还要增加外还要增加1 个尿素溶液个尿素溶液(AdBlue) 箱和尿素溶液。按箱和尿素溶液。

19、按100 L 尿素溶尿素溶液运行液运行7 000 km 计算，一辆汽车损失的有效载荷在计算，一辆汽车损失的有效载荷在400 kg左右。左右。nSCR 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必须要与NOx 的浓度相匹配，在保证降低的浓度相匹配，在保证降低NOx 的同时，不能超过份的同时，不能超过份量。尿素的喷入量过少，量。尿素的喷入量过少， 则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过则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，多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须

20、有高灵必须有高灵敏度的敏度的NOx 浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。n尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成，加大了尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成，加大了装置的复杂性和保养的难度，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。而且这种装置的价格也是较为昂贵的。目前欧洲市场每升尿素溶液现价为目前欧洲市场每升尿素溶液现价为40 欧分，每升柴油现价为欧分，每升柴油现价为42 欧分。欧分。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展nSCR 作为新的后处理技术，系统成本高作为新的后处理技术，系统

21、成本高( 大约是车辆成本的大约是车辆成本的3 %5 %) 、初期投资高、操作和保养费用高、需要加、初期投资高、操作和保养费用高、需要加1 套较复杂的调节还原套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统。剂喷射量的控制系统。n要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断(OBD) ，同时需要车，同时需要车辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素也是目前实施这一路辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。线的现实困难。n在温度较低在温度较低( - 11 ) 的情况下，尿素的情况下，尿素- 水溶液会结冰，也使其在寒冷水溶液会结冰，

22、也使其在寒冷地区的推广使用受到限制，但现已可以通过尿素计量系统的适当加热措地区的推广使用受到限制，但现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决。施来解决。n在在SCR 技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有几年在柴油机上应用的经验，策略等技术问题，其使用耐久性好，已有几年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低但还需进一步解决降低SCR 装置成本以及尿素加注站的布局等问题。装置成本以及尿素加注站的布局等问题。n随着对随着对SCR 技术的开发研究和排放法规的日趋严格，相信技术的开发研究和

23、排放法规的日趋严格，相信SCR 技术在技术在欧欧机上很快会得到推广。机上很快会得到推广。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展路线路线2( EGR+DPF)该路线美国采用较多，该路线美国采用较多， 简称简称美国路线美国路线。n供油提前角和供油提前角和EGR 都对柴油机的都对柴油机的NOx 排放和排放和PM排放有较大的影响。减小供排放有较大的影响。减小供油提前角，可以使油提前角，可以使NOx 排放降低，排放降低， 但会使但会使PM排放和燃油消耗率增加；而增大排放和燃油消耗率增加；而增大EGR 率，率， 使废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度，使废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度，

24、 从而在燃烧过程中降低从而在燃烧过程中降低气体最高温度的同时可使气体最高温度的同时可使NOx 排放降低，排放降低， 但会使但会使PM排放增加。与减小供油提排放增加。与减小供油提前角相比，前角相比， 燃油消耗率变化不大，燃油消耗率变化不大， 所以在采用降低所以在采用降低NOx 排放的措施时应首选排放的措施时应首选EGR 系统。系统。nEGR 可有效地降低可有效地降低NOx 排放，排放， 但随着但随着EGR 率的增加，率的增加， 缸内较低的氧气浓度缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放，将会增加颗粒物的排放， 并使发动机的排气烟度增加，并使发动机的排气烟度增加， 在中小负荷时烟度值比在中小负荷时烟

25、度值比较小，较小， 而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大。而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大。n为达到欧为达到欧排放限值，排放限值， EGR 率一般控制在率一般控制在15 %以内，以内， 同时还需配合使用同时还需配合使用DPF 微粒捕集器。然而这项技术却潜伏着危险微粒捕集器。然而这项技术却潜伏着危险: 一方面燃料中的硫会使微粒捕一方面燃料中的硫会使微粒捕集系统中毒失效集系统中毒失效; 另一方面，另一方面， 废气中含有的灰分会逐渐地堵塞捕集器，废气中含有的灰分会逐渐地堵塞捕集器， 增加排增加排气背压，气背压， 使油耗恶化。使油耗恶化。n因此，因此， 有时在有时在DPF 的上游增加一个氧化催化转换器

26、的上游增加一个氧化催化转换器(DOC) ， 其基质用贵金其基质用贵金属如白金涂层，属如白金涂层， 就能够改进再生过程的效率，就能够改进再生过程的效率， 还将进一步降低还将进一步降低HC 的排放。图的排放。图4 为一典型的中重型车用柴油机配置的为一典型的中重型车用柴油机配置的EGR+DPF+DOC系统系统 (VGT 为可变截面为可变截面涡轮增压进气系统涡轮增压进气系统) 。在某些发动机上也有只用。在某些发动机上也有只用DPF 或或DOC 来转化来转化PM的。的。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展路线路线2( EGR+DPF)该方案成本比该方案成本比SCR 低，低， 但它不适

27、合停车起动操作，但它不适合停车起动操作， 因为此时发动机排温不可能因为此时发动机排温不可能达到达到300 ， 废气中的黑烟无法在颗粒过滤器中燃烧，废气中的黑烟无法在颗粒过滤器中燃烧， 同时还存在过滤器堵塞同时还存在过滤器堵塞的危险。它更适合发动机排温高而且比较稳定的长途运输使用。的危险。它更适合发动机排温高而且比较稳定的长途运输使用。典型的中重型车用柴油机配置的EGR+DPF+DOC 系统示意中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展n为使为使EGR 更有效，更有效， EGR 冷却系统和散热器必须比普通的大得冷却系统和散热器必须比普通的大得多，多， 甚至大于路线甚至大于路线1 中

28、尿素箱的尺寸，中尿素箱的尺寸， 可大多数发动机为了减少可大多数发动机为了减少噪声进行了空间压缩，这增加了冷却问题的解决难度。噪声进行了空间压缩，这增加了冷却问题的解决难度。n早期试验表明在欧早期试验表明在欧发动机中使用发动机中使用EGR 的燃油效率不如的燃油效率不如SCR。n这条路线对燃油品质的要求更高，这条路线对燃油品质的要求更高， 要求硫含量达到低于要求硫含量达到低于5010- 6 的水平，的水平， 理想情况要求达到理想情况要求达到1010- 61510- 6 的的水平，水平， 这对于我国的石油工业要在这对于我国的石油工业要在2010年前达到这一要求似有年前达到这一要求似有困难。困难。n要

29、在柴油机上实现微粒捕集器的再生，要在柴油机上实现微粒捕集器的再生， 一般需要附加能源，一般需要附加能源， 例例如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热，如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热， 这些也在一定程度上增这些也在一定程度上增加了这一路线的油耗和系统成本。加了这一路线的油耗和系统成本。n因为这些原因，因为这些原因， 许多生产厂商反对采用许多生产厂商反对采用EGR系统。当然，系统。当然， 这并这并不意味着欧不意味着欧、欧、欧发动机也不会采用。发动机也不会采用。n目前，目前， 采用这一路线的主要厂商有采用这一路线的主要厂商有SWRI、SCANIA、MAN 等。等。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴

30、油车排放控制技术发展两条技术路线比较中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展欧洲欧洲排放法规要点排放法规要点n2008 年欧盟正式提出欧洲年欧盟正式提出欧洲排放法规草案，相对于最早提出的欧洲排放法规草案，相对于最早提出的欧洲0 (NOx ) 和欧洲和欧洲( PM) 的限值均降低的限值均降低98 % ，已接近，已接近0 排放，相比欧洲排放，相比欧洲和和EEV法规也有大幅降低。法规也有大幅降低。n欧洲欧洲法规于法规于2012 年年12 月月31 日起开始实施，并于日起开始实施，并于2013 年年12 月月31 日前日前用于所有新车中。用于所有新车中。欧洲欧洲、EEV、欧洲、欧洲的的

31、NOx 、 PM排放限值的比较排放限值的比较表表2 列出了欧洲列出了欧洲排放法规中主要排放法规中主要有害排放物的限值。表中排放颗粒有害排放物的限值。表中排放颗粒数限值待定；数限值待定； PI 为正向点火为正向点火(positive ignition) ，火花点火发动机，主，火花点火发动机，主要指使用要指使用CN G燃料；燃料；WHSC ，WHTC 为全世界谐调的静态为全世界谐调的静态(S) 和和动态动态( T) 测试循环测试循环(World armonized dutycycle) ，将在制，将在制定后引入，这里是指它们与定后引入，这里是指它们与ESC 和和ETC 测试值相比的修正系数。测试值

32、相比的修正系数。中重型柴油车排放控制技术发展中重型柴油车排放控制技术发展建议的欧洲建议的欧洲排放法规排放法规与欧洲与欧洲排放法规相比，排放法规相比， 欧洲欧洲有更严格的限制。有更严格的限制。a) 达到排放限值的使用寿命更长；达到排放限值的使用寿命更长；b) 除对除对PM 排放称重限制外，还对排放称重限制外，还对PM 颗粒数予以限制；颗粒数予以限制；c) 在在NOx 排放限值中，增加对排放限值中，增加对NO2 的限值，主要是因为在后处的限值，主要是因为在后处理系统中应用氧化催化器或微粒过滤器后，理系统中应用氧化催化器或微粒过滤器后，NO2 与与NO 的比值在的比值在增加，而增加，而NO2 是一种

33、有毒的强温室气体；是一种有毒的强温室气体；d) 建立建立WHDC (World Harmonized duty cycle) 和和ETC 测试结测试结果之间的关系果之间的关系(尚未完成尚未完成) ；e) 建立非使用状态下建立非使用状态下(off-cycle) 的排放限值的排放限值(Not-to-exceed) 以及引入全世界谐调的车载诊断装置以及引入全世界谐调的车载诊断装置(WWH-OBD) 。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n “欧盟绿色计划欧盟绿色计划”对新一代车用重载发动机的对新一代车用重载发动机的开发预定了开发预定了3 个目标：个目标：n有价格竞争力；有价格

34、竞争力；n高经济性，大力降低高经济性，大力降低CO2 和其他温室气体排放；和其他温室气体排放；n接近接近0 排放排放(包括非使用状态包括非使用状态) 。n研发对象是重型载货车、轨道牵引、大客车等研发对象是重型载货车、轨道牵引、大客车等城市运输动力，并能应用天然气、城市运输动力，并能应用天然气、GTL 、CTL 等替代燃料。等替代燃料。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n 机械开发机械开发n“绿色计划绿色计划”新一代柴油机平均有效压新一代柴油机平均有效压力的目标值力的目标值( Pme 3 MPa) ，最高燃，最高燃烧压力大于烧压力大于24 MPa ，因此，欧洲，因此，欧

35、洲柴柴油机的机械开发面临以下新挑战。油机的机械开发面临以下新挑战。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势na) 在材料选用和结构设计等方面应充分考虑发动机主在材料选用和结构设计等方面应充分考虑发动机主要零部件机械负荷和热负荷的增加；要零部件机械负荷和热负荷的增加；nb) 为了改善柴油机排放性和经济性，必须尽可能提高为了改善柴油机排放性和经济性，必须尽可能提高机械效率，要充分运用摩擦学的知识，改进活塞机械效率，要充分运用摩擦学的知识，改进活塞/ 环环组的密封，改进润滑系统和润滑油泵的设计，使用合组的密封，改进润滑系统和润滑油泵的设计，使用合成润滑油以减少灰分含量，改进轴承系

36、统设计，使机成润滑油以减少灰分含量，改进轴承系统设计，使机械效率提高到械效率提高到94 %以上，润滑油消耗率降到以上，润滑油消耗率降到0. 1 g/ ( kW h) 以下，润滑油更换周期提高到以下，润滑油更换周期提高到20 104 km以上；以上；nc) 仔细进行冷却系统的设计，依靠智能热管理系统，仔细进行冷却系统的设计，依靠智能热管理系统，随发动机工况随发动机工况(转速和负荷转速和负荷) 和大气温度的变化改变冷和大气温度的变化改变冷却水的流率，使有关零部件保持最佳温度状态，减少却水的流率，使有关零部件保持最佳温度状态，减少冷却水泵和风扇的驱动功率，在发动机停机后最好仍冷却水泵和风扇的驱动功率

37、，在发动机停机后最好仍能使冷却系统运行一段时间，以避免发动机内能使冷却系统运行一段时间，以避免发动机内“热热点点”(hot plot s) 产生。产生。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n燃烧系统燃烧系统n燃烧室形状、气缸内气流运动的组织及喷油系统是燃烧系统开发的主要燃烧室形状、气缸内气流运动的组织及喷油系统是燃烧系统开发的主要内容，它是影响柴油机性能和排放的最主要因素。内容，它是影响柴油机性能和排放的最主要因素。n尽量挖掘燃烧过程的潜力以减少对价格昂贵的后处理装置的要求。尽量挖掘燃烧过程的潜力以减少对价格昂贵的后处理装置的要求。n应用三维模拟软件，用来对气缸内的气流

38、运动、燃油喷射、混合气生成、应用三维模拟软件，用来对气缸内的气流运动、燃油喷射、混合气生成、着火等燃烧过程进行模拟计算；着火等燃烧过程进行模拟计算；n应用激光技术，用于观察气缸内宏观气流运动、油束生成及燃烧过程。应用激光技术，用于观察气缸内宏观气流运动、油束生成及燃烧过程。n减少优化燃烧过程的试验开发时间，降低开发成本。减少优化燃烧过程的试验开发时间，降低开发成本。n近近20 多年，人们曾集中力量研发多年，人们曾集中力量研发HCCI 燃烧方式，但研究表明，在高燃烧方式，但研究表明，在高EGR 率下应用率下应用HCCI 燃烧方式最高的燃烧方式最高的pme 值约为值约为1 MPa ，距离欧，距离欧

39、柴柴油机要求的油机要求的3 MPa 甚远，若采用双燃烧模式运行，在重载柴油机上不太甚远，若采用双燃烧模式运行，在重载柴油机上不太适合。因此，欧适合。因此，欧重载柴油机的燃烧方式仍然采用传统的扩散燃烧方式。重载柴油机的燃烧方式仍然采用传统的扩散燃烧方式。n为了进一步优化性能，将采用各种可变机构，如可变气门定时、可变进为了进一步优化性能，将采用各种可变机构，如可变气门定时、可变进气涡流等将会得到应用。气涡流等将会得到应用。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n燃油喷射系统燃油喷射系统n燃油喷射系统对柴油机混合气生成、燃烧和排燃油喷射系统对柴油机混合气生成、燃烧和排n放起着十

40、分重要的作用。放起着十分重要的作用。n对欧洲对欧洲重载柴油机而言，电控高压共轨式喷重载柴油机而言，电控高压共轨式喷油系统可能是目前唯一可供选用的方案，这一油系统可能是目前唯一可供选用的方案，这一系统最大的优点就是喷射压力与发动机的转速系统最大的优点就是喷射压力与发动机的转速和负荷无关。和负荷无关。n此外，欧洲此外，欧洲柴油机还要求对目前使用的共轨柴油机还要求对目前使用的共轨系统进行升级换代，其主要要求如下：系统进行升级换代，其主要要求如下：柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势na) 把最高喷射压力提高到把最高喷射压力提高到200 MPa 以上，为了避免共以上，为了避免共

41、轨系统的大部分元件承受高轨系统的大部分元件承受高压，一般均采用压，一般均采用压力放大系压力放大系统统，放大比为，放大比为2. 5 左右左右(例如例如BoschCRSN4. 2) ，这样就，这样就把把200 MPa 以上的高压集中以上的高压集中在喷油器下部的小范围内。在喷油器下部的小范围内。n图图3 示出欧示出欧柴油机对喷油柴油机对喷油压力的要求。压力的要求。nEGR 率越高，率越高，NOx 排放越排放越低，则对喷油压力的要求越低，则对喷油压力的要求越高，图上所绘的上下两条限高，图上所绘的上下两条限制线，是由于柴油机的燃烧制线，是由于柴油机的燃烧系统和空气系统不同所致。系统和空气系统不同所致。欧

42、柴油机对喷油压力的要求柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势nb) 在不同的轨压下，能够快速地开启和关闭针在不同的轨压下，能够快速地开启和关闭针阀，关闭速度从原来的阀，关闭速度从原来的1 m/ s 提高到提高到3 m/ s ，使喷油率曲线接近方波，这样可增大油束本身使喷油率曲线接近方波，这样可增大油束本身的动量，改善混合气的形成，这对低轨压和小的动量，改善混合气的形成，这对低轨压和小循环喷油量运行工况特别有意义。此外，接近循环喷油量运行工况特别有意义。此外，接近方波的喷油率也增加了循环喷油量，可以使柴方波的喷油率也增加了循环喷油量，可以使柴油机的功率输出提高油机的功率输出

43、提高10 %以上。以上。n石英石英-陶瓷动作器陶瓷动作器(piezo-ceramic act uator) 直接控制针阀启闭的喷油器就能满足上述要求。直接控制针阀启闭的喷油器就能满足上述要求。n直接作用式喷油器针阀开启迅速，喷油器持续直接作用式喷油器针阀开启迅速，喷油器持续期比常规电磁阀式喷油器缩短较多，喷孔处的期比常规电磁阀式喷油器缩短较多，喷孔处的节流作用减小，油束动量增加，卷吸空气量增节流作用减小，油束动量增加，卷吸空气量增大，混合气形成得到改善，烟度下降，为满足大，混合气形成得到改善，烟度下降，为满足NOx 排放限值排放限值(可采用可采用EGR 和推迟喷油提前和推迟喷油提前) 和改善燃

44、消油耗创造了条件。应用快速启闭针和改善燃消油耗创造了条件。应用快速启闭针阀可使阀可使NOx 和和PM 排放减少排放减少30 %。nc) 直接作用式石英直接作用式石英-陶瓷喷油器有极佳的多次陶瓷喷油器有极佳的多次喷射功能。一次喷射的最小喷油量为喷射功能。一次喷射的最小喷油量为0. 5 mg ，两次喷射之间的最小间隔可达两次喷射之间的最小间隔可达0s 。直接作用式喷油器DFI3 和常规电磁阀式喷油器FI1. 3 性能的比较柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势nd) 具备可变喷油率的能力。方波喷油率虽然优点很多，但由于进行具备可变喷油率的能力。方波喷油率虽然优点很多，但由于进

45、行预混燃烧的油量过多，伴随而来的就是预混燃烧的油量过多，伴随而来的就是d p / d过大，噪声增大，过大，噪声增大，虽然可以应用虽然可以应用12 次预喷射和先期喷射次预喷射和先期喷射(pilot ) 的方式来减少噪声，的方式来减少噪声，但增加了调试的工作量，最好能避免。但增加了调试的工作量，最好能避免。n对于电磁阀式喷油器，依靠结构设计，可以实现三角形、靴形和山对于电磁阀式喷油器，依靠结构设计，可以实现三角形、靴形和山坡形喷油率。对于直接作用式喷油器可依靠改变石英坡形喷油率。对于直接作用式喷油器可依靠改变石英2陶瓷片堆压陶瓷片堆压的方式来实现正常喷油率的方式来实现正常喷油率Nor-mal ra

46、te) 、慢速喷油率、慢速喷油率( slow rate) 和极慢速喷油率和极慢速喷油率(very slow rate) 。ne) 没有回油和燃油泄漏没有回油和燃油泄漏(No back-leak) 。在石英。在石英-陶瓷直接作用式陶瓷直接作用式喷油器内部包含一个较大的柴油体积，但不能有回油和漏油现象发喷油器内部包含一个较大的柴油体积，但不能有回油和漏油现象发生，这样就可简化安装，不需要回油管和燃油冷却器生，这样就可简化安装，不需要回油管和燃油冷却器(即使油压高达即使油压高达200 MPa) ，从而减少驱动高压油泵的功率，改善燃油消耗。在喷，从而减少驱动高压油泵的功率，改善燃油消耗。在喷射时，喷嘴

47、内部较大的存油体积可以减少压力波的影响。射时，喷嘴内部较大的存油体积可以减少压力波的影响。n由于欧洲由于欧洲法规的法规的PM 排放限值很低，绝对不允许润滑油进入燃油排放限值很低，绝对不允许润滑油进入燃油系统，因此原来共轨系统中许多部件的润滑要重新设计。此外，高系统，因此原来共轨系统中许多部件的润滑要重新设计。此外，高压作用下喷油器工作的耐久性、可靠性需要重新设计，还要对材料、压作用下喷油器工作的耐久性、可靠性需要重新设计，还要对材料、加工工艺和热处理等多方面进行研究改进。加工工艺和热处理等多方面进行研究改进。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n涡轮增压和涡轮增压和EG

48、R系统系统n为了增大柴油机的单位排量功率及进一步改善经济性和瞬态特性，在欧洲为了增大柴油机的单位排量功率及进一步改善经济性和瞬态特性，在欧洲柴油机柴油机上可能应用以下上可能应用以下3 种涡轮增压系统种涡轮增压系统:n两级涡轮增压系统、复合式涡轮增压系统及电驱动可变几何参数涡轮增压器两级涡轮增压系统、复合式涡轮增压系统及电驱动可变几何参数涡轮增压器( E-V GT) 。n其中，尤以采用两级涡轮增压系统为首选方案。其中，尤以采用两级涡轮增压系统为首选方案。nE-V GT 方案的特点是电动机方案的特点是电动机/ 发电机和涡轮增压器采用同轴连接，其目的是增加发发电机和涡轮增压器采用同轴连接，其目的是增

49、加发动机低速时的增压压力及降低加速时因增压器滞后造成的动机低速时的增压压力及降低加速时因增压器滞后造成的PM排放增加。由于电动排放增加。由于电动机可以控制增压压力，因此也改善了汽车的排气制动性能。机可以控制增压压力，因此也改善了汽车的排气制动性能。n当发动机高速高负荷运行时，电机以发电机模式工作，可以限制增压器超速。当发动机高速高负荷运行时，电机以发电机模式工作，可以限制增压器超速。n一级涡轮增压器的增压比已达到极限，采用两级增压和复合增压可进一步提高增压一级涡轮增压器的增压比已达到极限，采用两级增压和复合增压可进一步提高增压压力。压力。n可见，采用两级增压可以进一步改善燃油经济性和增加平均有

50、效压力可见，采用两级增压可以进一步改善燃油经济性和增加平均有效压力25 %以上。以上。n其中高压级和低压级涡轮增压器可以分开布置，也可以做成一体，便于在发动机上其中高压级和低压级涡轮增压器可以分开布置，也可以做成一体，便于在发动机上安装。安装。n此外，为了降低此外，为了降低NOx 排放，发动机采用排放，发动机采用EGR 系统后会使系统后会使PM 排放增加，显然此时排放增加，显然此时采用高的增压压力采用高的增压压力(同时带来高的燃烧压力同时带来高的燃烧压力) 有利。有利。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n涡轮增压和涡轮增压和EGR系统系统在欧在欧柴油机上采用冷却柴油机

51、上采用冷却EGR 系统，就必系统，就必需采用两级增压，同时两级增压又为需采用两级增压，同时两级增压又为EGR 系统的设置和涡轮增压系统本身的控制提供系统的设置和涡轮增压系统本身的控制提供了多种方案，由于使用了多个中冷器和了多种方案，由于使用了多个中冷器和EGR 冷却器，必须对发动机冷却系统进行十分细冷却器，必须对发动机冷却系统进行十分细致的设计。致的设计。针对高压比要求的技术措施n二级增压 基本原理 高压级采用小体积流量实现级间匹配 不同的调节方式实现与发动机的匹配二级增压结构形式 一体化n可变特性涡轮 结构形式 废气放气阀 转动叶片式-性能更好，成本高 可变喷嘴 滑动叶片式可靠性和寿命更好

52、方便可靠的制动柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n排气后处理系统排气后处理系统n达到欧洲达到欧洲排放指标难度很大，单靠发动机本身燃烧过程的改进和使排放指标难度很大，单靠发动机本身燃烧过程的改进和使用含用含S 量低的柴油是不可能实现的。因此，对降低量低的柴油是不可能实现的。因此，对降低PM 和和NOx 均需采均需采用后处理装置，甚至对用后处理装置，甚至对NOx 仅仅应用仅仅应用SCR 装置还不够，要求冷却装置还不够，要求冷却EGR 和和SCR 结合应用。结合应用。柴油机氧化催化器柴油机氧化催化器(DOC)DOC 的作用是在催化剂的作用是在催化剂( 一般为一般为Pt/ P

53、d =0. 10. 3) 的帮的帮助下，使排气中的助下，使排气中的CO、HC(包括包括PM中的中的SOF) 、NO 及及H2 氧氧化成化成CO2、 H2O 和和NO2 。其主要化学反应式为其主要化学反应式为CO + 1/ 2O2 CO2 Cn Hm + ( n + m/ 4) O2 nCO2 + m/ 2H2O H2 + 1/ 2O2 H2O NO + 1/ 2O2 NO2 NO2 NO + 1/ 2O2 柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势降降NOx技术技术 NOx催化转化器（催化转化器（SCRSCR）：）：从外界喷入还原剂，如从外界喷入还原剂，如氨水氨水或尿素或者柴

54、油，或尿素或者柴油，将将NOxNOx还原，在柴油车使用过程中要不断地还原，在柴油车使用过程中要不断地喷入适量还原剂，喷入量由排气中喷入适量还原剂，喷入量由排气中HCHC和和NOxNOx比例决定。该方法比例决定。该方法可靠性高，但需携带存储还原剂的装置。可靠性高，但需携带存储还原剂的装置。 NOx吸附器（吸附器（LNTLNT）：）：一般由吸附剂和三效催化器组成，一般由吸附剂和三效催化器组成，因此，除了因此，除了NOxNOx外，它也能净化外，它也能净化HC、CO以及以及SOF。实际使用。实际使用中需要一套发动机管理系统（如电控系统），以便及时探测中需要一套发动机管理系统（如电控系统），以便及时探测

55、吸附器饱和状况，进而改变发动机工作状况而产生富燃条件吸附器饱和状况，进而改变发动机工作状况而产生富燃条件，从而将从而将NOx还原。还原。柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n选择性催化还原器选择性催化还原器(SCR)SCR 的作用是利用机外加入的还原剂，在催化剂的帮助下，把废气的作用是利用机外加入的还原剂，在催化剂的帮助下，把废气中的中的NOx 还原成还原成N2 和和H2O ，SCR 常用的还原剂是称为常用的还原剂是称为AdBlue 的的水水-尿素尿素(water-urea) ，常用的催化剂为，常用的催化剂为V2O5-TiO2 ，整个系统称，整个系统称为为“钒钒/ 尿素

56、尿素-SCR 系统系统”( vanadium urea-SCR 系统系统) ，其主要，其主要化学反应为：化学反应为：(N H2 ) 2 CO + H2O 2N H3 + 2CO2 4N H3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O 2N H3 + NO + NO2 2N2 + 3H2O 4N H3 + 3NO2 3. 5N2 + 6H2O 4N H3 + O2 4NO + 6H2O 研究表明，使用金属基堇青石研究表明，使用金属基堇青石(Base-metal-zeolite) 催化剂，特催化剂，特别是用别是用Fe ，Cu 置换的置换的2堇青石作为催化剂的堇青石作为催化剂的“金属基金属基/ 尿

57、素尿素SCR 系统系统” (Base-mental urea-SCR 系统系统) ，比，比“钒钒/ 尿素尿素SCR 系统系统”的性能要好。的性能要好。因此对因此对-堇青石作为催化剂的堇青石作为催化剂的SCR 装置的深入研究，是欧洲装置的深入研究，是欧洲柴柴油机发展的一个重要课题。油机发展的一个重要课题。重型柴油车排放控制重型柴油车排放控制SCR技术技术排气管柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n柴油机微粒过滤器柴油机微粒过滤器(DPF)DPF 的主要任务是把微粒中的炭粒氧化，在非催化的主要任务是把微粒中的炭粒氧化，在非催化式滤清器式滤清器( Non-Catalyzed

58、Filter ) 中，中， 炭粒炭粒( soot) 由由O2 和和NO2 进行氧化，主要化学反应式为：进行氧化，主要化学反应式为： C + aO2 ( a - 0. 5) CO2 + 2(1 - a) CO C+ aNO2 aNO + (2 - a) CO + ( a - 1) CO2柴油车排放控制技术发展柴油车排放控制技术发展柴油机后处理技术：柴油机后处理技术：1）降）降PM技术：技术：DOC；DPF；C-DPF颗粒捕集器再生技术颗粒捕集器再生技术柴油机达欧洲柴油机达欧洲排放法规的研发趋势排放法规的研发趋势n后处理装置的组合后处理装置的组合n图示为图示为3 种不同的种不同的DPF + SCR

59、 的组合方案。的组合方案。A 方案方案DOC 紧靠排气出口，紧靠排气出口，DOC 出口是尿素出口是尿素计量和混合处，计量和混合处， SCR 放在放在DPF 的前面，的前面， 称称“DOC-SCR-DPF”方案。方案。B 方案为方案为DOC 之后紧连着之后紧连着DPF ，在，在DPF 后的后的连接管中引进尿素喷射、计量和混合，最后是连接管中引进尿素喷射、计量和混合，最后是SCR ，称为，称为“DOC-DPF-SCR”方案。方案。C 方案是把方案是把SCR 的催化剂集成在壁流式滤清器的催化剂集成在壁流式滤清器上上(WSCR) ， 称为称为“DOC-WSCR”方案。方案。DOC ， SCR ，DPF

60、 的结构形式、催化剂种类、的结构形式、催化剂种类、体积大小、连接管的直径、长短及有无绝热保体积大小、连接管的直径、长短及有无绝热保护层等将影响后处理系统的热状态和热响应时护层等将影响后处理系统的热状态和热响应时间，从而影响催化剂的起辉特性。间，从而影响催化剂的起辉特性。针对有害成分的转化效率以及对再生的要求，针对有害成分的转化效率以及对再生的要求，目前已有的分析程序可对上述各项进行模拟计目前已有的分析程序可对上述各项进行模拟计算，并进行了各种后处理装置组合方案的比较。算，并进行了各种后处理装置组合方案的比较。C 方案的结构最为简单，但方案的结构最为简单，但WSCR 仍处于研发仍处于研发阶段，下