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1、欧欧4柴油机技术的原理和应用柴油机技术的原理和应用 2004 12 08 内容提要内容提要 排放法规的发展和我们面临的形势排放法规的发展和我们面临的形势 柴油机主要排气污染物的形成条件柴油机主要排气污染物的形成条件 各类排气后处理系统的化学热力学原理各类排气后处理系统的化学热力学原理 排气再循环系统的应用条件排气再循环系统的应用条件 各种技术应用概况和玉柴的技术方案各种技术应用概况和玉柴的技术方案 玉柴玉柴 最大的内燃机制造基地最大的内燃机制造基地 活动污染源的治理中心活动污染源的治理中心 Manufacture Engine Reduce Moving Emission Source 0 5
2、0000 100000 150000 200000 250000 1990199520002005 年份年份 Year 发发动动机机销销量量 Engine Sales 玉柴发动机的销量和产品微粒排放总量玉柴发动机的销量和产品微粒排放总量 Engine Sales and PM Emission 发动机销量发动机销量 Engine 微粒排放量微粒排放量 PM 1994年以来年以来发动机销量发动机销量增加到增加到3 3倍倍 产品的产品的微粒排放总量没有增加微粒排放总量没有增加 0 50000 100000 150000 200000 250000 1990199520002005 年份年份 Yea
3、r 发发动动机机销销量量Engine Sales 玉柴发动机的销量和产品玉柴发动机的销量和产品NOx排放总量排放总量 Engine Sales and NOx Emission 发动机销量发动机销量 Engine NOx排放量排放量 1994年以来年以来发动机销量发动机销量增加到增加到3 3倍倍 产品的产品的NOx排放总量只增加了排放总量只增加了62 我们面临的形势我们面临的形势 北京实现今年北京实现今年62 好天气的目标困难重重好天气的目标困难重重 北京北京2008奥运承诺还有两项没有达标奥运承诺还有两项没有达标 珠三角及其它都市群出现了光化学烟雾的征兆珠三角及其它都市群出现了光化学烟雾的征
4、兆 1 3城市人口生活在严重污染的空气环境中城市人口生活在严重污染的空气环境中 排放法规会进一步加严排放法规会进一步加严 不断严格的排放标准不断严格的排放标准 0 0 1 0 2 0 3 0 4 02468 NOx g kWh PM g kWh 欧洲欧洲2 欧洲欧洲5欧洲欧洲4 欧洲欧洲3 6113 欧洲欧洲1 做发动机将象做钟表一样精确 做发动机将象做钟表一样精确 做发动机将象做钟表一样精确 做发动机将象做钟表一样精确 欧美未来的排放标准欧美未来的排放标准 0 0 05 0 1 0 15 012345 NOx g kWh PM g kWh 美国美国2004 欧洲欧洲5欧洲欧洲4 欧洲欧洲3
5、6113 美国美国 2007 排放指标大跳跃排放指标大跳跃 不如严控一致性不如严控一致性 Production Control is Important than new Emission Standard 柴油机主要排气污染物的成分柴油机主要排气污染物的成分 NOx 微粒 微粒 碳烟碳烟 HC 硫化合物和水硫化合物和水 杂质杂质 柴油机主要排气污染物的形成条件柴油机主要排气污染物的形成条件 ppm NO 500 100 60 20 碳碳烟形成烟形成 压缩终点时未燃混合压缩终点时未燃混合气气 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 00 51 01 52 0 过过量量空空
6、气系气系数数 温温度度 K 燃烧混合燃烧混合气气 碳碳烟烟氧氧化化 浓冷燃烧浓冷燃烧 排气后处理的化学热力学基本要求排气后处理的化学热力学基本要求 化学平衡点和降低污染的目标吻合化学平衡点和降低污染的目标吻合 足够的化学反应速度足够的化学反应速度 汽油机排气后处理的基本原理汽油机排气后处理的基本原理 带氧传感器的闭环控制保证化学平衡点带氧传感器的闭环控制保证化学平衡点 催化器提高化学反应速度催化器提高化学反应速度 三元催化器三元催化器 Three Way Catalyst 的名称来源 的名称来源 NOx HC和和CO相互反应同时降低相互反应同时降低 柴油机排气后处理的特殊难点柴油机排气后处理的
7、特殊难点 过氧燃烧 排气中几乎没有还原剂过氧燃烧 排气中几乎没有还原剂 HC CO很少 很少 碳烟呈固态碳烟呈固态 柴油机排气后处理的主要技术柴油机排气后处理的主要技术 氧化催化器氧化催化器 SCR系统系统 NOX吸附器吸附器 微粒捕集器及微粒催化器微粒捕集器及微粒催化器 柴油机的氧化催化器柴油机的氧化催化器 氧化氧化HC 和和CO 间接降低微粒排放 间接降低微粒排放 对对NOx几乎不起作用几乎不起作用 结构简单 在轻型车上广泛应用结构简单 在轻型车上广泛应用 需要抑制硫酸根的形成需要抑制硫酸根的形成 已得到一定程度的解决 已得到一定程度的解决 柴油机的柴油机的SCR系统系统 Selectiv
8、e Catalytic Reduction 选择性催化还原选择性催化还原 SCR催化系统的原理催化系统的原理 还原反应还原反应 NO NO2 2NH3 2N2 3H2O 4NO O2 4NH3 4N2 6H2O 2NO2 O2 4NH3 3N2 6H2O 4NH3 5O2 4NO 6H2O SCR催化系统的原理催化系统的原理 尿素的分解尿素的分解 NH2CONH2 H2O 2 NH3 CO2 技术难点 低温结晶技术难点 低温结晶 柴油机的柴油机的SCR催化系统催化系统 在排气管中喷入尿素作为还原剂在排气管中喷入尿素作为还原剂 催化器保证化学反应速度及催化器保证化学反应速度及 还原反应的还原反应
9、的选择选择性性 有利于改善油耗有利于改善油耗 欧洲卡车欧欧洲卡车欧4的主流技术的主流技术 奔驰的奔驰的SCR催化器催化器 柴油机的柴油机的NOx吸附器原理吸附器原理 沿用稀燃汽油机的后处理技术沿用稀燃汽油机的后处理技术 吸附过程 吸附过程 NO在贵重金属催化下氧化成在贵重金属催化下氧化成NO2 NO2储存在碱土金属中储存在碱土金属中 再生过程 再生过程 过浓或有还原剂过浓或有还原剂 贵重金属催化下贵重金属催化下NO2还原成还原成N2 NO2 NOX的化学平衡曲线的化学平衡曲线 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 05001000 温度温度 C O NO2 NOX NOx吸附器的吸附器的NO
10、2转化效率转化效率 0 20 40 60 80 100 0200400600800 温度温度 C O NO2转 转化化率率 化学平衡曲线化学平衡曲线 转换效率曲线转换效率曲线 化学化学反反应应 速度速度限限制制 化学化学平衡平衡 限限制制 柴油机柴油机NOx吸附器的问题吸附器的问题 受化学平衡和化学反应速度限制 受化学平衡和化学反应速度限制 吸附温度范围比较窄吸附温度范围比较窄 再生所需的过浓状态很难形成再生所需的过浓状态很难形成 后喷燃油需要还原反应有较强的选择性后喷燃油需要还原反应有较强的选择性 吸附器对硫很敏感吸附器对硫很敏感 柴油机微粒捕集器柴油机微粒捕集器 机械式过滤器机械式过滤器
11、过滤效率在过滤效率在95 以上以上 捕集器再生是最大的技术难题捕集器再生是最大的技术难题 轿车柴油机微粒捕集器的再生技术轿车柴油机微粒捕集器的再生技术 后喷提高排温后喷提高排温 燃油添加剂提高碳烟活性燃油添加剂提高碳烟活性 柴油机微粒捕集器的柴油机微粒捕集器的CRT再生技术再生技术 前置氧化催化器将前置氧化催化器将NO氧化成氧化成NO2 活跃的活跃的NO2还原成还原成NO时氧化碳烟时氧化碳烟 CRT微粒捕集器的微粒捕集器的NO2转化效率转化效率 0 20 40 60 80 100 0200400600800 温度温度 C O NO2转 转化化率率 化学平衡曲线化学平衡曲线 转换效率曲线转换效率
12、曲线 化学化学反反应应 速度速度限限制制 化学化学平衡平衡 限限制制 柴油机柴油机CRT微粒捕集器的问题微粒捕集器的问题 受化学平衡和化学反应速度限制 受化学平衡和化学反应速度限制 NO2形成温度范围比较窄形成温度范围比较窄 氧化催化器对硫很敏感氧化催化器对硫很敏感 NOx 排放较高排放较高 NOX C 8 还原反应不彻底还原反应不彻底 柴油机微粒催化器柴油机微粒催化器 氧化还原反应原理同氧化还原反应原理同CRT微粒捕集器微粒捕集器 问题同问题同CRT微粒捕集器微粒捕集器 区别是 开式的微粒捕集器 不需要再生区别是 开式的微粒捕集器 不需要再生 MAN的微粒催化器的微粒催化器 选用后处理系统所
13、需关注的参数选用后处理系统所需关注的参数 温度窗口及转换效率温度窗口及转换效率 排气阻力排气阻力 空间速度及体积空间速度及体积 应用排气再循环系统的条件应用排气再循环系统的条件 NOX排放需要进一步降低排放需要进一步降低 提高增压度以保证功率密度提高增压度以保证功率密度 EGR中冷温度到中冷温度到150OC左右左右 12345678 过过量量空空气系气系数数 EGR率率 0 8 0 6 0 4 0 2 0 气气缸充缸充量量中中O2的的摩尔摩尔分分量量 0 20 0 19 0 18 0 17 0 16 0 15 0 14 predicted 10 10 in addition 80 extern
14、al NOx Reduction required predicted V 0404 IV EGR率 过率 过量量空空气气系数系数和氧和氧摩尔浓度摩尔浓度 各公司的技术策略各公司的技术策略 SCR催化器催化器 尿素尿素 Mercedes Benz Volvo IVECO DAF SCANIA的的V8 EGR 微粒催化器微粒催化器 MAN Navistar 无排气后处理系统无排气后处理系统 SCANIA SCANIA的无排气后处理方案的无排气后处理方案 带中冷的排气再循环系统带中冷的排气再循环系统 高压比增压系统高压比增压系统 降外特性的原理降外特性的原理 两级涡轮 第二级涡轮通过液压系统和动力
15、两级涡轮 第二级涡轮通过液压系统和动力 输出相连以弥补动力损失输出相连以弥补动力损失 尽管如此 还是少了 尽管如此 还是少了5 左右 左右 SCANIA的两级废气涡轮的两级废气涡轮 Turbo Component 发展趋势发展趋势 欧洲主导技术是欧洲主导技术是SCR技术技术 鉴于微粒捕集器在轿车上的应用 鉴于微粒捕集器在轿车上的应用 德国环保部门要求在公交车上使用 德国环保部门要求在公交车上使用 但目前技术不成熟 但目前技术不成熟 美国美国07年要求用微粒捕集器年要求用微粒捕集器 若技术不成功 仍可能接受若技术不成功 仍可能接受SCR技术技术 玉柴欧玉柴欧4的两种技术路线的两种技术路线 0 0 05 0 1 0 15 02468 NOx g kWh 微微粒粒 g kWh 欧洲2 欧洲5欧洲4 欧洲3 SCR 微粒微粒捕集器捕集器 EGR 燃油品质的两个方面燃油品质的两个方面 考量燃油品质有两个方面 考量燃油品质有两个方面 对零部件可靠性的影响对零部件可靠性的影响 如清洁度 含水量等 如清洁度 含水量等 对排放的影响对排放的影响 如含硫量等 如含硫量等 即使油品含硫量较高 即使油品含硫量较高 低排放发动机仍然有其环保效果低排放发动机仍然有其环保效果 谢谢大家 谢谢大家 用卓越和领先用卓越和领先 满足公众的动力需求满足公众的动力需求
