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中重型车用柴油机实施欧IV排放的技木路径1 欧洲重型柴油机排放限值的演变 在一些国家和地区,中重型车用柴油机的排放在发动机对环境排放贡献度中要达到70%左右,因此中重型车用柴油机的排放一直是内燃机排放控制领域的重点。2005年欧洲车用发动机已开始实施欧排放法规,其对柴油机提出了更为苛刻的要求。表1为欧洲重型柴油机排放限值的演变,其中NOX排放限值自排放法规实施20年以来下降了81%;PM排放限值15年以来下降了97%。 2 中重型车用柴油机实现欧应具有的基本条件 中重型车用欧柴油机必须建立在一台有良好基础的电控欧111发动机基础上。国外典型的1213L车用欧柴油机具有如下特征: a.采用直列6缸形式,单级带空一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1NQ,可减少0.5%0.67%。 b.采用铸铁缸盖、水冷、4气门结构,喷油嘴垂直中置。4气门结构有使发动机功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潜力。 c.机体采用铸铁,水冷、湿式缸套,内置式机油冷却器。 d.采用整体铝活塞/钢顶铝裙组合活塞/整体钢活塞。 e.燃油系统采用电控共轨系统/电控单.体泵/电控泵喷嘴/HEUI/高压喷射系统。需电控、35次的多次喷射(包括预喷、主喷、后喷)能力和更高的燃油喷射压力。如采用共轨系统,额定工况时最大喷射压力要达到180 MPa;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200 MPa3。为使油耗降低,应缩短喷油持续期,使放热靠近上止点。要借助于喷油规律实现柔和燃烧。表2为欧洲1213 L车用柴油机燃油系统的构成及预估情况。 f.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0.51.5,压缩比为16.518.5。 g.缸内最大爆发压力可达1822 MPa,升功率可达35 kW/L。 h.进一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下,燃油的十六烷值提高到52或十六烷指数提高到46。 i.严格控制活塞环、气门导管、增压器轴承等处的机油泄漏量,将发动机额定工况时机油耗与柴油耗的比值控制到0.1%以下。 j.采用排气后处理装置。 为实现欧排放,在燃烧方面,目前技术状况下能采用的技术措施多已被采用,仅依靠燃烧系统的优化已无法满足要求,更多地是将其与机后净化措施相结合,来满足更为苛刻的排放要求。控制PM排放的措施有氧化催化器(可溶性颗粒物)、颗粒捕集器(固体颗粒物)。 研究开发中的柴油机NOX后处理方法,有选择性非催化还原(SNCR)、选择性催化还原(SCR)、非选择性催化还原(NSCR)和吸附还原催化剂,以及最新提出的低温等离子体技术,具有同时去除NOX和PM的潜力。 3 实现欧W的两条主要技术路线 要实现欧对NQx和PM都较低的限值,目前有如图1所示的两条技术路线:其一是先通过喷射系统优化和喷射定时提前以降低颗粒物,再使用SCR来降低因燃烧优化而产生的NQx排放;其二是EGR+DPF路线,即先通过废气再循环降低排放中NOx的成份,再用颗粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的颗粒、物,从而达到同时降低NOx和PM的效果6。3.1 路线1(优化燃烧+SCR) 此种路线在欧洲采用较多,简称欧洲路线。对于大多数制造商,发展现有的发动机技术是首选的途径。有几种可选择的方案:如先在发动机机内处理NQx,再处理PM;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题。没有EGR系统,在发动机机内处理NOx是非常困难的,并且燃油消耗更高。因此,制造商一般采用在发动机机内减少PM排放、在废气中处理NOx的措施。 在欧洲,目前采用的一种解决方案是:利用商业用的固体尿素和水(水溶液浓度为32.5%0.5%),在排气中喷人尿素、氨水等还原性物质,将NQx(主要是NO)还原为N2和H20。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。图2为SCR系统的工作原理。图3为用于欧发动 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%,若扣除因尿素所增加的费用,还将有节油2%3%的优势。此外,这一路线对于燃油品质相对不敏感,戴姆勒克莱斯勒公司认为甚至含硫量350x10-6以下的欧燃油就可以满足要求。 但使用SCR后不但要增加SCR本身装置的质量约150300 kg,另外还要增加1个尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液运行7 000 km计算,一辆汽车损失的有效载荷在400 kg左右。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,不能超过份量。尿素的喷人量过少,则达不到应有的处理水平,尿素的喷人量过多,则会使多余的氨气排入大气,导致新的污染。所以,必须有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。而且尿素消耗较快,定期添加尿素的责任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。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42欧分。 SCR作为新的后处理技术,由于系统成本高 (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1套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因,在车用柴油机上还没有得到推广。其还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。此外,在温度较低(-11)的情况下,尿素-水溶液会结冰,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施来解决。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SCR装置成本以及尿素加注站的布局等问题。随着对SCR技术的开发研究和排放法规的日趋严格,相信SCR技术在欧机上很快会得到推广。 3.2 路线2(EGR+DPF) 该路线美国采用较多,简称美国路线。 供油提前角和EGR都对柴油机的NOx排放和PM排放有较大的影响。减小供油提前角,可以使NOx排放降低,但会使PM排放和燃油消耗率增加;而增大EGR率,使废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度,从而在燃烧过程中降低气体最高温度的同时可使NOx排放降低,但会使PM排放增加。与减小供油提前角相比,燃油消耗率变化不大,所以在采用降低NOx排放的措施时应首选EGR系统。 EGR可有效地降低NOx排放,但随着EGR率的增加,缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放,并使发动机的排气烟度增加,在中小负荷时烟度值比较小,而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大,所以为达到欧排放限值,EGR率一般控制在15%以内,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:一方面燃料一中的硫会使微粒捕集系统中毒失效;另一方面,废气中含有的灰分会逐渐地堵塞捕集器,增加排气背压,使油耗恶化。因此,有时在DPF的上游增加一个氧化催化转换器(DOC),其基质用贵金属如白金涂层,就能够改进再生过程的效率,还将进一步降低HC的排放。图4为一典型的中重型车用柴油机配置的EGR+DPF+DOC系统(VGT为可变截面涡轮增压进气系统)。在某些发动机上也有只用DPF或DOC来转化PM的。 该方案成本比SCR低,但它不适合停车起动操作,因为此时发动机排温不可能达到300,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。 为使EGR更有效,EGR冷却系统和散热器必须比普通的大得多,甚至大于路线1中尿素箱的尺寸,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。早期试验表明了在欧W发动机中使用EGR的燃油效率不如SCR。而且这条路线对燃油品质的要求更高,要求硫含量达到低于50x10-6的水平,理想情况要求达到10x10-615x10-6的水平,这对于我国的石油工业要在2010年前达到这一要求似有困难。另外,要在柴油机上实现微粒捕集器的再生,一般需要附加能源,例如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热,这些也在一定程度上增加了这一路线的油耗和系统成本。 正因为这些原因,许多生产厂商反对采用EGR系统。当然,这并不意味着欧、欧发动机也不会采用。 目前,采用这一路线的主要厂商有SWRI,SCANIA、MAN等。 表3给出了上述两条技术路线的比较。 4 结束语 a.要实现欧对NOx和PM都较低的限值,目前大致上有两条技术路线:其一是先通过优化燃烧,再使用选择性催化还原来降低因燃烧优化而产生的NOx排放,NOx转化率达85%以上;其二是使用EGR使NOx降低,但会导致PM增加,因此要加DPF将PM转化。使用DPF的PM转化率可达80%90%,单独使用DOC时PM转化率大于50%。 b.考虑到中国能源短缺,而尿素生产比较普遍,因此我国中重型车用柴油机实施欧排放宜首选SCR技术路线。
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