中重型车用柴油机实施欧IV排放的技木路径

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Ⅳ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Ⅳ应具有的基本条件中重型车用欧Ⅳ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12～13L车用欧Ⅳ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1℃NQ，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、3～5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180MPa；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200MPa[3〕。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12～13L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0.5～1.5，压缩比为16.5～18.5。g.缸内最大爆发压力可达18～22MPa，升功率可达35kW/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Ⅲ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Ⅳ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Ⅳ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Ⅲ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150～300kg，另外还要增加1个尿素溶液（AdBlue）箱和尿素溶液。按100L尿素溶液运行7000km计算，一辆汽车损失的有效载荷在400kg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Ⅳ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Ⅳ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10x10-6～15x10-6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Ⅴ、欧Ⅵ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Ⅳ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Ⅳ排放宜首选SCR技术路线。