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1、天津大学机械工程学院浅谈轿车用轻型柴油机的两大控制排放技术路线学生姓名 学院名称 专 业 学 号 2015年12月31日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 NOx和 PM 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/国等排放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；技术路线目 录引言3一、轻型车用柴油机的发展状况31、国外车用柴油机的发展42、国内车用柴油机的发展4二、主要污染物排放51、柴油车与汽油车的性能差异52、柴油机与汽油机排气污染物的一般比较53、欧洲和中国排放法规对比6三、控制排放的两
2、种技术路线及比较71、SCR路线82、EGR+路线93、国外主要生产企业产品技术路线状况114、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
3、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
4、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.必然趋势之一。1、国
5、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%,
6、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、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
7、%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80105mm,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。二、主要污染物排放1、柴油车与汽油车的性能差异1.1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
8、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。1.2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。1.3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
9、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。1.4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、柴油机与汽油机排气污染物的一般比较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
10、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1 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微粒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,
11、但不可见的CO、HC和NOx排放则是汽油机远远超出柴油机。3、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。图1 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
12、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。图2 碳烟 -NOx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
13、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、SCR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3 装有SCR后处理装置的柴油机1.1 SCR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
14、气中喷入尿素、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。 1.2 SCR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。1.3 SCR路线的劣势使用 SCR 后不但要增加 SCR 本身装置的重量约 150kg300kg，另外还要
15、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、EGR+路线EGR+DPF路线通EGR降低NO
