国Ⅳ柴油（精选九篇）
国Ⅳ柴油 篇1
1.采用后处理系统的必要性
柴油机废气排放物主要成份为一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)以及由碳烟、氧化硫及附着的HC等组成的微粒(PM)。如果这些废气被大量排入空气中,人类的健康将受到极大的危害,因此对机动车辆的废气排放进行严格限制是很有必要的。
燃烧系统是排放能否达标的关键,也是排放控制首要关注的对象。我国柴油机的排放法规是参照欧洲的排放标准制定的,其内容主要是针对排放物中的HC、CO、NOx和PM做了相关的规定。对于发动机厂商而言,重点关注的是如何降低废气中NOx和PM的排放。
传统上主要是通过如下3种方法来使柴油机达到排放标准:一是通过降低初始燃烧温度来减少NOx,二是通过提高燃烧速度来降低微粒物排放,三是通过缩短扩散燃烧周期来降低微粒物排放和改善燃油经济性。在燃烧室高温及氧气充足的情况下,PM排放量大大减少,燃油经济性虽然得到了一定改善,但却会产生大量的NOx。
通过优化进气涡流与燃烧室、提高喷油器喷射压力以及采用小孔径多孔喷射器等一系列的燃烧优化手段,在PM排放量及NOx排放量之间寻求一个最佳匹配,能够使柴油机满足国Ⅲ及国Ⅲ以下排放法规的要求。实践证明,仅仅通过机内燃烧优化的手段,而不考虑机前优化以及机外废气净化的后处理系统,柴油机的废气排放已经无法满足国Ⅳ排放法规的要求。后处理系统尽管增加了柴油机的制造成本,但柴油机废气排放要想满足国Ⅳ排放要求,必须将PM和NO、进行解耦。也就是说,在保证燃油品质的前提下,通过增加后处理系统并按一定的先后顺序对PM及NOx进行分别处理,才能使柴油机废气排放最终满足国Ⅳ排放要求。
2.柴油机国Ⅳ技术路线
实现柴油机国Ⅳ技术路线实际上是基于PM和NOx解耦思路上的技术路线。目前,在柴油机上广泛应用的国Ⅳ技术路线主要有2种,即SCR技术路线和EGR+DPF技术路线。SCR技术路线先通过机内燃烧优化降低PM的排放量,提高燃油经济性,然后再通过SCR后处理系统来处理废气中的NOx,从而使柴油机满足国Ⅳ排放标准。EGR+DPF技术路线对PM与NOx的处理过程与SCR技术路线恰好相反,即先通过废气再循环降低NOx的排放量,然后再用DPF处理废气中的PM。这2种技术路线的减排效果如图1所示。
(1) SCR后处理系统
SCR后处理系统为选择性催化还原系统,英文全称为selective catalytic reduction,主要用于选择性催化还原NOx。它的主要原理是将添蓝溶液(Ad-Blue,质量浓度为32.5%的尿素水溶液)喷入排气管内,尿素受热后分解成NH3和CO2,然后NH3将NOx催化还原成N2和H2O。SCR后处理系统中的主要化学反应方程式如下:
根据数据统计,在达到国Ⅳ排放的重卡车型中,博世的SCR喷射系统独占鳌头,之后是浙江银轮、苏州派格力、无锡凯龙及TENNECO厂家的SCR喷射系统;在工程机械领域,配套的SCR后处理系统几乎全部都被格兰富占领;在客车及运输车领域,几乎全部是博世的SCR喷射系统的身影。但是,不管SCR后处理系统配套的是博世喷射系统,还是格兰富尿素泵,它们都是以催化还原NOx、降低废气中的NOx排放为目的而形成的一整套控制系统。
SCR后处理系统由尿素泵(或喷射泵)、添蓝罐、DCU(SCR控制器,有些厂家将后处理控制器与柴油机控制器ECU集成在一个控制器内)、温度传感器、NOx传感器、喷嘴、催化消声器、冷却水电磁阀以及一些线束和管路等组成。通常情况下,配套国Ⅳ柴油机的车辆都会使用三种故障灯来分别显示柴油机及SCR后处理系统故障,即柴油机故障灯、SCR后处理系统故障灯及排放故障灯。配套博世SCR喷射系统的SCR后处理系统原理图见图2。
添蓝罐内部通常装有温度传感器和液位传感器。当液位传感器检测到添蓝罐内的添蓝低于某个等级(比如20%)时,后处理系统会激活故障灯来提醒驾驶员注意。当添蓝罐内添蓝的液位太低(比如低于10%)时,DCU会激活排放故障灯,并通过CAN总线告知ECU激活减扭矩功能,以对柴油机进行减扭矩处理。当添蓝罐内的温度传感器检测到添蓝温度低时(比如低于-10℃),DCU打开冷却水电磁阀,使柴油机热水从添蓝罐中的热水管内流过,以维持添蓝的喷射温度。此外,博世尿素泵与格兰富尿素泵内部都集成了电加热器,以防止添蓝结冰。NOx传感器安装在催化消声器的下游,主要用于测量废气中的NOx含量,并通过CAN总线将检测到的信息传递给控制器。当NOx传感器检测到废气中的NOx排放高(比如超过7g/(kW·h)时,NOx传感器通过CAN总线发布信息,DCU立即激活排放故障灯,同时ECU对柴油机进行减扭矩处理。催化器前、后温度传感器分别用于检测催化消声器上游、下游的排气温度,以确定添蓝喷射量的修正系数。
尿素的熔点在132.7℃,需要加热至160℃才分解并产生出NH3。为防止过多未及时分解的尿素在排气管内结晶以及发生过多的副反应生成硝酸铵(NH4NO3)和亚硝酸铵(NH4NO2),催化器前温度传感器只有检测到(或DCU根据MAP估算到)催化消声器上游的排气温度大于200℃时,SCR后处理系统才允许添蓝喷射到排气管内。一般情况下,添蓝的消耗量是柴油消耗量的3%～7%。
对于博世尿素泵而言,它的作用是将添蓝罐里面的添蓝汲取上来,并根据DCU指令建立合适的压力,以保证添蓝喷射量的准确性以及喷射时获得良好的雾化效果。对于格兰富尿素泵而言,它的作用是精确计算添蓝的喷射量,并通过压缩空气将添蓝输送给喷嘴。也就是说,博世尿素泵主要用于控制添蓝的喷射压力,而格兰富尿素泵主要用于控制尿素的喷射量。
博世尿素泵与格兰富尿素泵之间的功能差异,使得与它们相互匹配的尿素喷嘴也存在差异。博世的SCR喷射系统采用的是电控添蓝喷嘴,DCU通过控制喷嘴上面的电磁阀的开启和关闭,来实现对添蓝喷射时间及喷射数量精确控制。由于有压缩空气辅助喷射,对于配套格兰富尿素泵的SCR后处理系统而言,机械喷嘴完全满足其喷射要求,并能形成良好的雾化效果。博世尿素泵、电控喷嘴以及格兰富尿素泵、机械喷嘴结构如图3所示。
(2) EGR+DPF系统
EGR+DPF系统是一种实现柴油机国Ⅳ技术路线的典型代表,它通过牺牲柴油机一定的燃油经济性来达到国Ⅳ排放标准。与之相类似的系统还有EGR+DOC、EGR+POC、EGR+DOC+POC以及EGR+DOC+DPF。DOC是柴油氧化催化器,主要用于处理柴油机废气排放中的HC和CO。POC是微粒氧化催化器,主要用于处理柴油机废气排放中的PM。
EGR即废气再循环,主要用于降低废气中的NOx排放。EGR的原理是将冷却后的柴油机废气引入进气管内,通过降低汽缸内氧气浓度及燃烧温度,来达到破坏NOx生成环境、减缓燃烧速度、降低NOx排放的目的。根据控制方式的不同,EGR阀分为真空动作EGR阀、排气背压EGR阀及电控EGR阀。EGR系统设计的关键是使足够的废气回流到进气管中,并根据柴油机不同的工况找到与之相匹配的最佳EGR率。
实验证明,随着EGR率的增加,不仅NOx排放量明显降低,空燃比、涡前压力及中冷后压力也逐渐降低。当EGR率过高时,HG、CO及PM排放量增加,燃油经济性恶化,DPF对废气的处理负担增大。如果EGR率过小,NOx排放达不到国Ⅳ排放法规的要求,柴油机也容易产生爆振现象,因此EGR率必须根据柴油机工况要求进行控制。与此同时,能感知单位时间内空气进气总量的空气流量计也被广泛用于加强ECU对EGR率的控制。为达到国Ⅳ排放标准,柴油机一般采用15%以内的EGR率与DPF组合。EGR+DPF系统原理如图4所示。
DPF是柴油微粒捕捉器的英文缩写,英文全称为:Diesel Particle Filter。它的过滤技术机理是当柴油机废气通过DPF时,微粒经过扩散、截流、惯性碰撞及重力沉降等被滤体捕捉。PDF的捕捉效率主要受到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素影响。
再生技术是DPF能否在后处理系统上正常工作的关键,一种好的再生系统应具有成本低廉、对柴油机性能影响小以及不对环境产生二次污染等特点。根据DPF的再生原理的不同,DPF的再生可分为被动再生和主动再生。被动再生要求DPF在设计上应满足微粒的总燃烧速度必须要大于微粒的总积累速度,它利用燃油添加剂或催化剂等降低微粒的着火温度,使微粒在柴油机正常排气温度下燃烧,从而实现再生。被动再生方式目前主要有催化涂层再生和燃油添加剂再生等。主动再生是利用外加能源,使DPF内的排气温度达到微粒的着火温度(500～600℃),然后通过燃烧微粒来实现再生。主动再生方式主要有电加热再生、微波加热再生、红外加热再生及喷油或燃气助燃再生等。
为判断DPF是否存在失效现象,通常在PDF上安装用于检测其两端压力差的压差传感器。DPF失效主要存在堵塞和烧结2种情况,前者会因排气阻力大而影响柴油机的动力性,后者会因无法正常捕捉微粒而导致排放超标。当压差传感器检测到DPF两端的压差值超出正常范围时,控制器会立即激活故障灯。
(3)2种技术路线对比
由于柴油机废气中的PM与NOx的生成条件存在互逆性,因此满足国Ⅳ排放在技术上出现了2种路线。从国外情况看,欧洲主要选择SCR技术路线,而美国主要选择EGR+DPF技术路线。目前,国内2种技术路线都有运用,中重型车辆主要采用SCR技术路线,轻型车辆主要采用EGR+DPF技术路线。出于成本考虑,部分中型车也采用了EGR+DPF技术路线。
在柴油机燃油喷射系统方面,高压共轨系统与单体泵系统在2种技术路线上都有运用。单体泵系统由于对油品清洁度的不敏感,常配套于一些使用环境比较恶劣的设备上。从目前发展状况来看,高压共轨系统极可能成为国Ⅳ柴油机配套的主流系统。2种柴油机国Ⅳ技术路线对比如附表所示。
国Ⅳ柴油 篇2
棉籽油生物柴油对欧Ⅳ柴油机排放特性的影响
文章在一台满足欧Ⅳ排放法规的柴油机上,对不同掺混比例的棉籽油生物柴油进行了负荷特性和外特性试验,监测其NOx,CO,HC以及碳烟排放.试验结果表明,加入生物柴油后,CO、HC和碳烟排放都有不同程度的.降低,降低的程度随掺混比例的增加而增大,NOx排放略有上升.另外,随生物柴油掺混比例的提高,表观燃油经济性有所降低,但有效热效率相差仅约1%.
作 者：刘强 于超 郑亮 史国强 肖建华 作者单位：刘强,史国强(中海油新能源投资有限公司,北京,100016)于超,郑亮,肖建华(清华大学汽车工程系,北京,100084)
刊 名：交通节能与环保 英文刊名：MARINE ENERGY SAVING 年，卷(期)： “”(2) 分类号：U4 关键词：棉籽油生物柴油 排放特性 欧Ⅳ柴油机国Ⅳ困局中的环保专家 篇3
中国环境科学学会副理事长，环保部原总工程师杨朝飞表示， 大气污染形势非常严峻，建立对地方“空气限期达标制度”非常重要，其实质就是要落实政府的责任。不是说企业达标不重要，关键是要对空气污染严重的地区进行限期达标监管。“强调政府的责任，政府对大气污染防治和空气质量达标负有不可推卸的责任。”
他建议，一定要把有关“空气限期达标制度”的评估机制、考核机制、追责机制和监督机制通过立法明确下来，确保政府对空气环境质量的责任落到实处。一个很好的制度关键在于落实，监督机制不仅是要保证客观评估、准确考核和严格处罚，还要同信息公开结合起来，将评估、考核和处罚的结果向全社会公开，形成强大的社会压力。针对燃油品质与价格之间的关系，他强调，经济手段也是一个很重要的问题，如能源价格的改革、环境税与资源税的改革，以及治污成本的合理分摊机制等，同样要高度重视。
“我很矛盾。”作为环保专家中国环境科学院副院长柴发合当然希望尽快实施更严格的环保法规，以利于环境保护，但是如果相关问题没有处理好，就匆忙实施造成虚假实施，也是柴发合同样不愿意看到的现象。柴发合表示，要建立一个不断更新的控制质量的管理体系，并要把许可证制度作为核心制度来建立，形成以一个制度为核心的制度体系，而不是多种制度并存。他建议治理柴油车尾气污染可从车、油、路等多方入手，即加严车标、提升油品、限制上路，同时理顺价格机制，引入外部竞争。
环保专家的建议
首先，利用价格杠杆引导，促使消费者选择高品质清洁化油品
建议有关部门提前下发油品提升时间表，监督企业及早研发技术、储备设备，制定统一的“油标不得慢于车标”的柴油油品供应时间表，可借鉴欧洲、日本等国家和地区的经验，给予炼油企业财政、税收的相关政策，减低高标准油品的价格。
其次，引入竞争，打破垄断，倒逼国有炼化企业提升油品
柴发合认为国标委至今仍被炼油企业所主导，这很不合理，他建议国务院领导考虑引入海外企业加入竞争，加速油品标准和质量的提升。
第三，明确部门职责，对制假、售假者加大执法力度
目前重型柴油车制假、售假所造成的污染问题已十分严重，柴发合建议国务院尽快出台司法解释，将相关监管职权授予环境行政主管部门，严厉处罚问题企业，规范市场秩序。
第四，堵住漏洞，完善柴油车排放标准
国Ⅳ车用汽、柴油技术质量要求解析 篇4
近年来随着我国经济技术的发展和人民生活水平的提高, 汽车消费不断增加, 汽车尾气排放成为城市大气污染的主要来源, 雾霾天气的增加, 使人们对我国汽、柴油的质量提出了疑问, 车用汽、柴油的质量问题成为全社会关注的主要话题。为了减少车用汽、柴油对环境的污染, 逐步提高车用汽、柴油的质量, 我国环保部门明确, 2013年7月1日车用汽油在现有的国Ⅲ基础上升级为国Ⅳ, 2015年1月车用柴油升级至国Ⅳ。国Ⅳ汽、柴油是指可以满足国家第四阶段机动车污染物排放要求的汽、柴油。国Ⅳ排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放要求的汽、柴油。国Ⅳ汽、柴油是车辆能够达到排放要求的基础, 是我国环保战略的一个重要方面。国Ⅳ汽、柴油和目前市场上使用的国Ⅲ汽、柴油在质量上有何差异, 成为消费者关注的主要问题。
2车用汽、柴油技术质量要求
2.1 《车用汽油 (Ⅲ) 的技术要求》与《车用汽油 (Ⅳ) 的技术要求》的区别
2012年5月国家标准化委员会发布了国家《车用汽油》GB17930-2011新标准, 新标准对正在执行的国Ⅲ车用汽油, 及将在2013年12月31日执行的国Ⅳ车用汽油技术要求和试验方法进行了规定, 为强制性标准。以下表1为国Ⅲ车用汽油和国Ⅳ车用汽油耜准技术要求。
从技术要求来看, 国Ⅲ车用汽油和国Ⅳ车用汽油技术要求存在以下的不同:
(1) 硫含量由原来的“不大于150mg/kg”修改为“不大于50mg/kg”。硫含量是汽油质量的重要参数之一, 对发动机的腐蚀和排放会产生重要的影响。当汽油中硫含量过高时, 会导致汽车尾气催化转化器的催化剂转化效率降低和氧传感器灵敏度下降, 从而不利于对车辆尾气排放量的有效控制。降低车用汽油中的硫含量已经成为各国提高油品质量的主要标志。目前通过加氢和S-zorb工艺能够生产满足国Ⅳ车用汽油的需要。
(2) 烯烃含量由原来的“不大于30%”修改为“不大于28mg/kg”。烯烃和芳烃是汽油中辛烷值的主要贡献者, 但是由于烯烃的化学活性, 会通过蒸发排放造成光化学污染, 同时它也容易在汽车发动机的进气系统形成沉积物, 影响发动机的正常工作。因此在汽油标准中对烯烃含量进行了控制, 并逐步减低。
(3) 锰含量由原来的“不大于0.016g/l”修改为“不大于0.008g/l”。甲基环戊二烯三羰基锰是在汽油无铅化进程中发展出来的一种代替含铅添加剂的汽油抗爆剂, 并且在不同时期内在不同的国家开始使用。但是抗爆剂在燃烧过程中的沉积物会对汽车造成一定的伤害, 因此, 国Ⅳ车用汽油标准中对锰含量进行更加严格的限制。
(4) 蒸汽压。每年11月1日～4月30日期间, 原来“不大于88kp”修改为“42～85kp”;每年5月1日～10月31日期间, 原来“不大于72kp”修改为“40～68kp”。
众所周知, 汽油的蒸汽压是衡量汽油挥发性的一个关键指标, 它与汽油的蒸发排放和发动机的启动性能有着密切的联系。如果汽油蒸汽压太高, 则会增加汽油蒸发排放, 导致空气中VOCS的增加。控制蒸汽压的一个主要目的就是减少VOCS的排放量。鉴于夏季和冬季气温的差别制定了冬季和夏季指标同时降低了3kp。同时为防止出现汽车的冷启动问题。所以, 增设汽油蒸汽压的下限。
2.2《车用柴油 (Ⅲ) 的技术要求》与《车用柴油 (Ⅳ) 的技术要求》的区别
随着汽车工业的发展, 在国外柴油车的应用越来越广泛, 我国柴油车的保有量也不断增加, 国家对柴油的排放要求也不断提高, 车用柴油质量升级工作在全国展开。国家标准化委员会制定了国Ⅲ车用柴油技术标准见表2 GB/T19147-2009, 此标准在2011年6月30日在全国实施。但是, 北京、上海、深圳等地早已开始实施达到国Ⅳ排放要求的地方标准, 2013年2月7日国家下发了《车用柴油》国Ⅳ标准见表3 GB/T19147-2013。
从国Ⅲ车用柴油和国Ⅳ车用柴油技术要求来看, 国Ⅲ车用柴油和国Ⅳ车用柴油技术要求存在以下的不同:
(1) 硫含量由原来的“不大于0.035%”修改为“不大于0.005%”。柴油中的硫化物在燃烧的过程中生产大量的二氧化硫和三氧化硫, 是造成环境污染的主要物质, 油品的质量升级目的就是降低油品中的硫化物的含量以达到环境保护的要求。通过加氢工艺柴油硫含量可以降低到几十个mg/kg甚至几个mg/kg, 因此硫含量将不再是困扰柴油质量的主要问题。
(2) 闪点由原来的5号、0号、-10号为55℃, -20号为50℃, -35号、-50号为45℃修改为全部牌号闪点“不小于55℃”。闪点作为安全性指标, 提高闪点会在使用过程中, 增加安全系数, 降低安全风险。
(3) 十六烷值由原来的5号、0号、-10号为49, -20号为46, -35号、-50号为45修改为5号、0号、-10号为51, -20号为49, -35号、-50号为47。十六烷指数由原来的5号、0号、-10号、-20号为46, -35号、-50号为43修改为全部牌号为46。十六烷值 (CN) 是代表柴油在发动机中着火性能的一个约定值。因为柴油机是压燃式的, 没有点火设备, 要求柴油喷入汽缸与压缩空气相混合, 在压缩行程气缸达到高温高压条件下很快地着火燃烧。十六烷值越高则表明柴油着火性能越好, 但当十六烷值CN大于65时, 由于着火时间太短, 反而使燃烧不完全而形成碳烟, 使排放增加。同时, 十六烷值与低温流动性呈反比, 十六烷值高, 则低温流动性降低, 且挥发性降低, 在启动过程中会影响柴油的雾化质量, 从而使低温启动性能降低。因此, 对于十六烷值这个指标而言, 不应追求过高的十六烷值, 适当的十六烷值才是最佳的。对国IV车用柴油的十六烷值比国Ⅲ适当的上调。
(4) 密度由原来的5号、0号、-10号为810～850, -20号、-35号、-50号790～840修改为5号、0号、-10号为820～845, -20号、-35号、-50号800～840。密度与油品的物理化学性质有关, 根据密度可初步确定油品的品种。柴油的密度一般在810 kg/m3～860 kg/m3之间。在使用性能方面, 如发现某油品的密度明显的过大或过小, 可以判断是混入了重质油或轻质油。另外, 发动机功率和燃料消耗也与燃料密度有关, 在活塞式发动机上, 燃料的消耗量与燃料的密度值的平方根成正比。为了使柴油具有更好的燃烧性, 所以对国IV车用柴油密度进行了进一步的要求。
3结论
国Ⅳ柴油 篇5
关键词：柴油机,国Ⅳ/国Ⅴ排放标准,关键技术,主流技术路线
1 引言
柴油机以热效率高、燃料消耗率低、低速扭矩大以及使用寿命长等优点被广泛使用。在欧美等发达国家,重型车几乎全部使用柴油机。尤其是欧洲,柴油机应用最广,约90%以上的商用车使用柴油机作动力,且轿车柴油化倾向越来越明显。近些年,由于我国的汽车业迅猛发展,柴油机也出现了井喷式发展。不但中、重型车基本使用柴油机,且轻型车柴油化的倾向越来越明显。像一汽大众的宝来(Bora)和捷达(Jetta)等均有以柴油机为动力量产的轿车;此外,昆明云内动力、广西玉柴等多家发动机生产商都在研发适用于轻型车的柴油机。虽然柴油机应用广泛,但是其排气污染也不容忽视。随着人们对环境问题的高度关注,同时也为了适应苛刻的国IV/国V排放法规,诞生了一系列先进的柴油机技术,以提高柴油机的综合性能,达到减排的目的。
2 柴油机缸内净化技术
2.1 电控燃油喷射技术
电控喷射技术是一个具有里程碑意义的技术突破,它使现代柴油机燃油喷射系统的喷油定时、喷射压力、喷油量及喷油速率等在各种工况范围内均实时可调,可降低尾气中烟度、PM、HC、CO的排放,同时还可使发动机保持较高的单位排量功率,且振动小、噪声低。现阶段,柴油机上应用的电控高压喷油技术主要有两种:电控高压共轨燃油喷射系统和电控泵-喷嘴燃油喷射系统。
(1)电控高压共轨燃油喷射系统:共轨式系统不再采用传统柱塞泵脉动供油,而是在共轨管内形成恒定高压,通过喷油器上的高速电磁阀来控制喷油。喷油量的大小由共轨压力、喷油时间决定。共轨式电控喷油系统能分别独立精确地控制喷油压力、喷油率等参数,这能大大降低烟度排放、减少噪声,减少成本,还提高了经济性;其缺点是需要有高压供油泵,使许多部件处在高压下工作,强度要求高。
(2)电控泵-喷嘴燃油喷射系统:泵-喷嘴系统把泵体和喷油嘴设计在一体,取消了高压油管,喷射压力可达100MPa以上;但因体积较大,在小型柴油机上较难使用。电控泵-喷嘴系统主要利用凸轮动力驱动柱塞产生高压,依靠设置在油道中的电磁阀来控制燃油喷射。由于它在喷油压力、喷射特性、供油效率和预喷射精度等方面性能优越,并且又有批量生产的成功经验,它在柴油机上的推广和应用是可以预见的。
2.2 多气门技术
进气流量特性直接关系到柴油机燃烧性能的好坏,像进气道的流通能力,进气量的大小,充量的运动形式都会影响缸内气体的混合、燃烧过程。所以说,多气门技术的开发成为各车企的热点。在众多的多气门结构中,最典型的四气门结构[1]:与传统二气门柴油机相比,它扩大了进气门的截面积,提高了柴油机高转速时的进气量,增加了发动机功率;而且有利于喷油嘴布置在中间,使燃油分布均匀;同时还可实现部分气道的启闭,使柴油机转速与进气涡流相适应。
2.3 可变喷嘴涡轮增压器
可变截面涡轮增压器(VGT)型式多样,有可变喷嘴型(VNT)、轴向变截面型、舌形变截面型等。其中,VNT是VGT增压器的一种主要型式,与其它型式的VGT增压器相比,它在工作效率和涡轮流速比等方面具有明显的优势,也是现代柴油机的关键技术之一[2]。VNT通过控制活动喷嘴环上叶片的张角,来改变排气进入涡轮的速度和角度以及涡轮的最小流通截面,以改变涡轮机的转速、压气机出口压力,达到减排的目的。
2.4 废气再循环
废气再循环(EGR)工作时,将发动机部分排气引入进气歧管,通过电子控制单元采集发动机的转速、负荷、温度、进气流量和排气温度等参数,再根据这些参数使EGR电磁阀适时启闭以控制再循环废气量,从而改变混合气成分,降低NOx排放。废气再循环的作用是[3]:(1)减小缸内富氧区。通过掺入废气,减少混合气中氧的相对浓度;(2)降低燃烧速度。通过废气中所含大量的氮气和二氧化碳等惰性气体对新鲜空气进行稀释;(3)提高气体热容量。由于废气中含有H2O、CO2等三原子分子,比热大,可有效降低缸内最高燃烧温度,抑制NOx的生成。又因排气中含有大量接近惰性的气体的N2、CO2等,当它们部分回流至进气管后会稀释新鲜进气,减缓燃烧反应速率。由于现代柴油机多装有增压器,采用冷却的EGR可使进入缸内的冲量损失少,提高柴油机大负荷工况下的燃料经济性和排放性。
2.5 新型燃烧方式
传统柴油机的燃烧方式是扩散燃烧,当发动机活塞压缩至上止点附近时,缸内温度很高,混合气自燃着火。但由于燃油和空气的混合时间太短,混合极不均匀,并出现了高温过浓区和高温火焰区,从而导致碳烟和NOx的产生。因此,人们开始尝试其他新型的燃烧方式。例如:美国西南研究所在柴油机上开展了均质充量压燃(HCCI)研究[4,5],与汽油机进气道低压喷射方式类似,把柴油直接喷入进气管内,为加速柴油与空气的混合,对进气管进行加热,同时还应用废气再循环系统。结果表明预混的稀混合气经压缩后多点着火,抑制了扩散燃烧,降低了火焰温度,与普通柴油机相比,可减少NOx的排放98%以上,由于气缸内不存在局部混合气过浓区,因而可使碳烟的排放量减少27%,指示热效率有所提高。另外,像日本New ACE Institute CO.提出来的预混合稀气燃烧方式(PREDIC),即燃油早喷使之在气缸内形成稀薄的预混合气进行燃烧,与以往燃烧方式相比,PREDIC能起到大幅度降低NOx排放的作用。此外,日产提出的调谐动力(MK)方式与稀薄预混合不同,这种预混合燃烧依靠燃烧室形状、涡流比等控制气体的流动使燃料在开始着火前尽可能分布在氧分子周围,且要求在滞燃期中结束喷油[6],是一种旨在同时抑制柴油机NOx和颗粒排放的燃烧方式。
3 柴油机后处理技术
3.1 选择性还原催化转化器
选择性还原催化转化装置(SCR)的工作原理是将尿素水溶液喷入排气管,使其在高温及催化剂作用下发生热解和水解反应生成氨气,并与柴油机排气充分混合,然后进入SCR催化转化器将NOx还原成氮气和水,最终排入大气中,实现NOx的减排。SCR作为一种新的后处理技术,由于系统成本高,约为车辆成本的3%~5%,同时又需加装比较复杂的尿素喷射量控制系统等,因此在车用柴油机上还没有得到广泛应用。
3.2 颗粒捕集器
柴油机颗粒捕集器(DPF)通常被设计成体积不大的圆筒形,串联在排气管中。当排气流经捕集器时,其中的颗粒物会被收集在捕集器中,然后对其进行氧化、燃烧等,从而实现捕集器的再生。通常,这类装置可将柴油机排气中的颗粒物减少70%~90%。目前,用来捕集颗粒的常见过滤材料和结构主要有整体式陶瓷、金属丝网、纺织纤维圈、陶瓷纤维、泡沫陶瓷等多种类型[7,8,9]。
3.3 氧化催化转换器
柴油机氧化催化转化器(DOC)是净化排气中的未燃HC、CO和SOF的常用有效措施[10],同时也可以有效去除多环芳香烃和乙醛等有害成分。由于它的催化剂主要是铂(Pt)或钯(Pd),对燃料中的硫特别敏感,很容易引起催化剂中毒,因此使用柴油机氧化催化转化器时尽量采用含硫量较低的柴油。
3.4 其他技术
除了以上技术措施,各大柴油机制造商针对柴油机微粒氧化催化器(POC)、稀燃NOx捕集技术(LNT)、NOx储存还原催化剂(NSR)等技术也进行了广泛的研究和应用[11]。
4 国IV/国V柴油机主流技术路线
与目前国内普遍实施的国III标准相比,国IV标准要求的轻型车单车NOx排放降低50%左右,颗粒物排放降低50%以上;中重型汽车单车NOx排放降低30%左右,颗粒物排放降低约80%;而国V标准所要求的轻型车和中重型单车NOx排放均降低60%左右,颗粒物排放均降低近90%。柴油机要想实现从国III向国IV,甚至更严格的国V排放的跨越,主要有两条技术路线:
(1)欧洲路线(优化燃烧+SCR):通过优化喷油和燃烧过程,抑制颗粒物在缸内生成,同时又在机外采用尿素溶液对NOx进行选择性催化还原。
(2)美国路线(EGR+DPF/DOC):利用废气再循环系统来抑制NOx的产生,同时采用颗粒捕集器对颗粒进行收集。
目前,这两种路线各有利弊:采用欧洲路线无需对发动机作进一步强化处理,对燃油含硫量不敏感,后处理系统比较可靠,且在降低排放和降低油耗之间无直接矛盾;但要解决好以下几个问题:如何检测尿素罐中溶液的下限,以免缺少还原剂无法净化排气;尿素添加站的建设和完善;以及整车成本的增加等。而采用美国路线则无需增加额外的装置,但由于EGR冷却系传出的热量会转移到发动机冷却系,所以需对原发动机进行强化,另外,EGR率很难控制,EGR阀极易损坏,燃油经济性差,DPF对柴油含硫量要求严格等。总的来说,专家普遍认为国IV/国V阶段中,柴油车中高端市场会以SCR为主,低端市场主要采取EGR+DPF路线。
4 结语
电控燃油喷射技术、多气门技术、VNT、EGR、新型燃烧方式、DPF、SCR、DOC等一系列新技术的应用,使柴油机运行更高效、更经济、更环保。同时,这些技术的组合使用,尤其是优化燃烧+SCR方案和EGR+DPF/DOC方案,可以使现代柴油机更好地满足现有和未来排放法规的要求。
参考文献
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国Ⅳ柴油 篇6
1 工业装置①
1. 1 柴油组分构成
柴油,某炼厂加工的仪长原油,日加工量1. 48 万t,原油硫含量0. 92% ,原油API密度28. 1。主要柴油组分有: 1#常减压装置直馏柴油( 常一线、常二线、常三线和减一线) 、1#催化柴油、2#催化柴油和焦化柴油以及常一线用作航煤原料。扣除常一线后的实际柴油组分有18. 1 万t / 月,具体组分见表1。
1. 2 不同柴油组分性质
在现有原油性质的条件下,不同柴油组分性质差别较大,结合表1 的不同柴油组分量,该炼油厂柴油加权平均十六烷值为42. 53,硫含量0. 67% ,密度887. 8 kg / m3,具体组分性质见表2。
由表2 可知,常二线和常三线的硫含量和密度较低以及十六烷值较高,是优质的车用柴油和军用柴油组分。经过脱硫后的减一线和焦化柴油是高十六烷值的柴油组分; 而催化柴油具有较高的密度和硫含量以及较低的十六烷值,是必须压减的劣质柴油组分。
1. 3 装置结构
该炼油厂具备500 万t/a原油综合加工能力,主要有常减压、2 套催化裂化、延迟焦化、连续重整、汽油加氢、航煤加氢、3 套柴油加氢等装置。
1#加氢装置该装置设计规模为50 万t/a加氢装置,采用RS - 2200 柴油加氢催化剂,于1990 年建成,经过多次改造,由于总体操作压力低、空速大、循环氢无脱硫设施等原因,脱硫能力弱,基本以常二线为原料,生产军用柴油和国Ⅳ车用柴油。
2#加氢装置该装置为120 万t/a汽柴油加氢精制装置,加工原料为焦化汽柴油、直馏柴油和催化柴油的混合油,采用RS - 2000 柴油加氢催化剂。受循环氢系统无脱硫措施等因素的影响,在当前工况( 反应氢分压5. 8 MPa,反应温度300 ℃ ) 下,原料硫含量在9 000 ~ 10 000 μg / g时,加氢精制柴油硫含量能够脱除至700 ~800 μg / g,未达到普通柴油质量要求。
4#加氢装置该装置为150 万t/a液相柴油加氢装置,采用中国石化开发的SRH液相循环加氢工艺和FHDUS - 2 柴油加氢催化剂,该工艺技术要求原料须以直馏柴油为主,掺炼少量焦化柴油。
从柴油加氢装置规模来看,3 套装置总加工能力为320 万t/a,完全满足当前柴油精制处理的要求。但加氢装置原料性质要求与柴油组分资源不匹配,二次加工柴油比例高,硫含量密度高,十六烷值低,仅通过2#加氢装置精制后无法满足产品质量要求; 4#加氢装置规模大,处理能力强,但不能处理二次加工柴油,加工负荷大部分放空,虽然该装置生产精制柴油可达国Ⅳ柴油质量标准,但都必须与2#加氢装置精制柴油调和才可满足普通柴油出厂要求,从而限制了国Ⅳ柴油的生产,目前仅能通过1#加氢装置生产4. 5 万t国Ⅳ柴油和军用柴油。
2 存在问题及改进措施
该炼油厂增产国Ⅳ车用柴油的主要问题有:( 1) 二次柴油尤其催化柴油密度和硫含量偏高;( 2) 柴油加氢能力与柴油组分性质不匹配; ( 3) 柴油十六烷值资源不足。
增产国Ⅳ车用柴油的优化思路及措施有:( 1) 从源头降低仪长管输原油硫含量; ( 2) 在兼顾密度的条件下,适当提高减一线和焦化柴油产量,缓解十六烷值的不足; ( 3) 大力压减催化柴油; ( 4) 优化3 套加氢装置原料和反应深度以及全厂柴油调和方案,在满足普柴质量的情况下,最大限度增产国Ⅳ车用柴油。
3 改造内容
3. 1 调整原油性质
通过运用美国KBC公司SRIM软件,对原油结构进行调整,选择一些能够生产十六烷值高柴油的低硫原油。降低了胜利油比例,增加了ESPO、南巴、马希拉等十六烷值较高的轻质资源,见表3。
由表3 可知,原油结构变化后,柴油组分十六烷值资源增加了0. 69 个单位,硫含量下降,4#加氢装置可单独出部分车用柴油,在现有加工和调合方案下可增产1. 1 万t/月车用柴油,同时因轻质油收率上升,产品结构得到一定改善,增效717 万元/ 月,但原油结构调整造成原油成本增加了1 502 万元/月,实际成本增加了785 万元/月。
3. 2 压减催化柴油产量
3. 2. 1 调整催化柴油的95% 馏出点
为解决催化柴油十六烷值低、密度高及硫含量高的问题,通过降低催化柴油的95% 馏出点温度,从而压减了催化柴油量并改善了其性质,具体数据如表4 所列。
由表4 可知,随着催化柴油95% 馏出点温度的下降,催化柴油产品性质变化较为显著,质量得到改善。将催化柴油95% 馏出点温度从355 ℃下降至345 ℃,装置催化柴油收率下降1. 03% ,有利于提高车用柴油比例。
3. 2. 2 催化柴油加氢后再回炼
加氢柴油经过催化裂化反应后,汽油转化率可达48% ~ 70%[2],这是由于催化柴油经过加氢处理可脱芳烃,其中一部分二环或三环芳烃加氢后可转化为单环芳烃,部分芳烃再转化为环烷烃,在催化裂化工况下,加氢柴油单环芳烃因断侧链后沸点下降而进入汽油馏分,烷烃组成则可裂化转化为汽油组分,从而大幅度降低催化柴油产量。为此将1#催化柴油作为1#加氢装置原料进行加氢处理,加氢后的催化柴油分别送至1#和2#催化装置加工,形成压减催化柴油的“催化―加氢—催化”组合工艺,1#加氢装置不再生产车用柴油和军柴( 见图1) 。
由表5 可知,通过实施上述2 个压减催化柴油的措施,催化装置柴油收率下降7. 72 个百分点,按照2 套催化加工量6 400 t/d计算,每月2 套催化装置少产催化柴油1. 48 万t,相当于压减了1 套催化装置生产的柴油量,同时每月还增产汽油7 600 t,因汽油市场价高于柴油,效益十分可观。从汽柴油的性质看,汽油辛烷值和柴油十六烷值都呈上升趋势,有利于改善炼油厂的汽油辛烷值和柴油十六烷值资源。
3. 3 增产焦化柴油
由于焦化柴油十六烷值、密度和硫含量较高,而且焦化装置生产低价值的石油焦,因此按照效益最大化的原则,不仅要控制好焦化装置运行负荷,调整柴油95% 馏出点温度而加工全部多余的催化油浆。提高焦化柴油的95% 馏出点温度有利于增加柴油十六烷值资源,但要兼顾加氢装置脱硫能力,因此以焦化柴油产量与其十六烷值的乘数值最大化为目标,控制焦化柴油的95%馏出点,适度增产焦化柴油,焦化柴油的95% 馏出点已由360 ~ 365 ℃ 调整下降至350 ~ 355 ℃,达到十六烷值资源利用率最大化的目的。
3. 4 实施2#加氢与4#加氢装置组合工艺
由于2#加氢装置能力不足,4#加氢装置对原料性质的限制,同时为有效发挥4#加氢装置处理量大的优势,根据柴油组分性质进行加工路线优化: ( 1) 2#加氢装置加工全部的焦化汽柴油和剩余的催化柴油以及部分常三线,以满足装置加氢后的精制柴油可满足出厂普通柴油质量要求。( 2) 为实现4#加氢装置满负荷运行生产国Ⅳ车用柴油,4#加氢装置加工全部的常二线、减一线,在满足国Ⅳ柴油质量要求的前提下,同时尽可能再处理2#加氢装置的精制柴油,即形成了柴油加氢的2#加氢与4#加氢装置加氢组合工艺( 见图1) ,各柴油组分分别进两套柴油加氢装置的流量匹配见表6,从而实现最大限度生产国Ⅳ车用柴油。
3. 5 改进助剂
用十六烷值改进助剂可提高柴油十六烷值2. 0 ~ 4. 0 个单位,不同性质的基础柴油对助剂的感应性不一样,需要根据基础油性质找出最佳加注浓度[3]。因此按照加剂浓度不大于800 μg /g的要求,在普通柴油和国Ⅳ车用柴油调合过程中实施加注柴油十六烷值改进助剂,以弥补柴油十六烷值资源不足的问题,从实际调和情况看,通过加注助剂,普通柴油十六烷值可提高1. 4 ~1. 7 个单位,国Ⅳ车用柴油十六烷值可提高2. 8 ~3. 1 个单位。
4 实施效果
实施上述优化措施后,由表7 列出的精制柴油调合表可知,国Ⅳ车用柴油增产12. 4 万t/月,比优化前增加了近7. 9 万t/月,同时由表可知还增加了0. 76 万t/d汽油组分,实现了无需外购优质柴油组分和外卖劣质柴油组分增产车用柴油的目标。
国 Ⅳ 车用柴油增加7. 9 万t/月,增效2 496 万元/ 月,同时因炼油厂加工路线进行了较大调整,虽然增加了催化汽油产量,但催化装置液体收率下降,焦化装置负荷适度增加,导致炼油厂干气和石油焦量有所增大,从而影响效益降低320 万元/月,另外原油成本增加785 万t/月,实际增效1 390 万元/月。
5 结束语
在炼厂装置没有进行升级改造的条件下,通过调整原油结构、压减催化柴油产量、优化柴油加氢加工路线、适度增加焦化柴油产量以及改进助剂等一系列措施,实现了国Ⅳ车用柴油产量达到12. 4 万t/月,增产了7. 9 万t/月,炼油厂经济效益增加1 390 万元/月,为市场供应了优质清洁燃料,经济和社会效益十分显著,是典型的通过优化加工路线而不费投资的增效案例,对炼厂增加国Ⅳ车用柴油和提高经济效益有参考借鉴作用。
参考文献
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国Ⅳ车辆燃用国Ⅲ柴油的影响研究 篇7
按照国家环保部规定,原定自2013年7月1日起在全国范围内实施国家第Ⅳ阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准,但由于全国范围内国Ⅳ车用柴油供应不到位、尿素加注设施不完善,加之国Ⅳ较国Ⅲ车辆成本增加2～3万元,导致全国各地国Ⅳ排放的实施情况参差不齐,鉴于目前国内大部分地区可以普及国Ⅲ车用柴油,因此,本文针对国Ⅳ车辆使用国Ⅲ柴油对整车性能及排放的影响进行研究,得出国Ⅳ车辆在短期内限定工况下可以使用国Ⅲ柴油,但不宜长期使用的结论,为国Ⅳ产品的设计、售后服务及相关标准法规的制修订提供参考。
1、国Ⅳ车辆燃用国Ⅲ柴油对排放的影响
针对两款不同品牌的国Ⅳ发动机带后处理系统燃用相同状态的国Ⅲ柴油及国Ⅳ柴油进行台架排放试验,试验数据见下表1:
注:试验使用的发动机及油品状态见表2:
根据GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段),国Ⅳ排放限值见表3:
从上表中可以看出:尾气中的NOx及PM含量有所超标,其他成分都能够达到国Ⅳ排放标准。
同时经过对更多的样本发动机进行试验比较,并对试验数据进行整理分析,国Ⅳ车辆燃用国Ⅲ柴油对尾气中四种主要成分:一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)的影响分析如下所述:
1.1 对CO排放的影响
由图1可见,燃用国Ⅲ柴油CO排放具有较大裕度,可以达到GB 17691-2005 CO限值。
1.2对HC排放的影响
由图2可见,燃用国Ⅲ柴油HC排放具有较大裕度,可以达到GB 17691-2005 HC限值。
1.3 对NOx排放的影响
由图3可见,燃用国Ⅲ柴油对NOx排放稍有影响,增加比例在3%以下,个别机型增加比例在10%以上,基本可以达到GB 17691-2005 NOx限值。
1.4 对PM排放的影响
由图4可见,SCR方案燃用国Ⅲ柴油对微粒排放有一定影响,造成ESC排放和ETC排放超过现有限值。多数机型微粒排放较燃用国Ⅳ柴油增加0.01g/kWh左右,ESC排放和ETC排放分别达到0.025g/kWh和0.04g/kWh,不能达到GB17691-2005 PM限值。
综上,可得出以下结论,如表4所示:
2、国Ⅳ车辆燃用国Ⅲ柴油对整车性能的影响
2.1 对SCR催化剂可靠性的影响
长期使用350ppm硫含量的燃油,会导致SCR催化消声器的起燃温度升高,存在尿素结晶风险,从而导致SCR转化效率下降,排放不达标,同时车辆排气系统排气背压增大。
2.2 燃油硫含量对OBD监测的影响
目前OBD监控策略为:当NOx排放量超过5.0g/kWh时,激活故障指示灯。当NOx排放量超过NOx限值7.0g/kWh,扭矩限制器起作用,最大仅输出75%的外特性扭矩。燃油含硫量高导致OBD监控存在问题,故障指示灯(MIL)会提早点亮,会很快触发扭矩限制器起作用点,导致柴油机动力性下降、油耗增加。
2.3 以上问题将会导致售后车辆发动机及后处理系统、电控系统故障率增加,用户投诉增多,整车及零部件生产企业所要承担的索赔及维修费用也将增加。
3、结束语
通过试验数据分析对比及实地售后调研,国Ⅳ车辆在短期内可以使用国Ⅲ柴油,但排放水平并不能完全达到国家第Ⅳ阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准,PM排放明显超标,且国Ⅲ柴油硫含量限值(≤350ppm)较国Ⅳ柴油(≤50ppm)高,会加速SCR后处理系统的劣化,最终导致NOx排放超标,OBD报警,影响车辆的性能及使用,因此建议国Ⅳ车辆使用与之匹配的国Ⅳ车用柴油为宜,国Ⅲ柴油不建议长期使用。
摘要：本文通过对国Ⅳ车辆使用国Ⅲ柴油时的整车性能及排放进行试验数据分析及研究,得出国Ⅳ车辆在短期内限定工况下可以使用国Ⅲ柴油,但排放不能完全达到国家第Ⅳ阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准,且影响车辆性能不宜长期使用的结论,为国Ⅳ产品的设计、售后服务提供依据和参考。
关键词：国Ⅳ,SCR,NOx排放,PM排放
参考文献
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浅谈柴油机满足国Ⅳ两条技术路线 篇8
机动车保有量的快速增加,使机动车污染防治的重要性和紧迫性日益凸显。监测表明,我国城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点。一些地区灰霾、酸雨和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生,这些问题的产生都与车辆尾气排放密切相关。同时,由于机动车大多行驶在人口密集区域,尾气排放直接影响群众健康。轻型柴油车将开始实施国Ⅳ标准,可见近几年来排放法规对柴油机汽车的排放控制要求有多么严格,当然正是这么严格的排放法规促进了汽车排放控制技术不断向前发展。
目前由于机内控制排放并不能完全起到净化效果,因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理,采取机外控制技术显得很有必要。对汽车柴油机排放控制技术的研究,特别是机外排放控制技术以及关于满足国Ⅳ排放标准的柴油机排放技术的研究有现实意义。
1、柴油机排放控制两条主流技术路线
氮氧化物和颗粒排放的矛盾和关系,我们通过缸内优化,尽可能通过缸内优化把这个线往座标原点方向移。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;其二是“EGR+DOC/DPF/POC (废气再循环+柴油氧化催化器/柴油微粒捕集器/颗粒氧化催化器)”技术路线,其中以“EGR+DPF”应用最广泛,简称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、或柴油微粒捕集器(当今主流)、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)优化燃烧+SCR (选择性催化还原)技术路线。
如图3.1所示,国Ⅳ之前,通过增压、中冷技术和电控高压燃油喷射等机内净化技术,然后再采取NOx,和PM折中的方法,就可以使NOx和PM都达到国Ⅲ限值。优化燃烧+SCR技术是先通过进一步优化喷油和燃烧过程,尽量在机内控制PM颗粒物的产生,但是这会使NOx急剧增加,大大超过限值,然后在机外后处理过程,采用SCR技术,向尾气中喷射尿素溶液对NOx进行选择性催化还原,降低NOx排放,达到国Ⅳ甚至国V阶段限值。
(2) EGR (废气再循环)+DPF(颗粒捕集器)技术路线
它以EGR为基础,在机内抑制NOx的产生,在机外后处理过程中采用颗粒捕集器对PM进行颗粒捕捉,从而达到同时降低NOX和PM的效果,如图1是EGR+DPF曲线所示。
2、两条技术路线的比较
燃烧优化+SCR的优点是燃油经济型好,燃油喷射压力要求相对较低,对机油含碳要求低,对燃料内含硫不敏感(可接受500ppm),对原国Ⅲ发动机结构不需修改。缺点是:需要尿素供应基础设施建设,需要防止氨气排泄技术,要求降低发动机对润滑油的消耗,对系统布置空间要求高(需要添加尿素箱)。SCR技术可以采用加油时加尿素,或加几次油加一次尿素,取决于尿素箱与油箱容积比例及运行工况。SCR一个很重要的方面体现在OBD上,OBD策略比EGR要复杂的多。
EGR+DPF相比燃烧优化+SCR的优点有不需要尿素供应系统,系统体积小。缺点是由于EGR系统导致燃烧爆发压力高,对燃油中硫含量敏感(不超过50ppm),燃油滞后喷射有机油含碳问题,多数情况下需要改变国Ⅲ发动机的现有结构,DPF的清洁再生复杂而且常常不能保证效果。可见,两种技术路线各有优缺点。表1给出两条技术路线优缺点比较。
3、总结和展望
发动机燃烧控制技术、燃油品质提高技术、排气后处理技术是发动机3个相辅相成的技术。一方面发动机新型燃油喷射和燃烧控制技术,可以灵活方便地为排气后处理提供合适的温度和组分环境;另一方面,燃油品质的提高,特别是柴油硫含量的逐渐降低,在使燃烧本身产生较少污染的同时也提高了发动机后处理技术的耐久性和可靠性。因而柴油机排气污染问题的解决,也必须依靠以上三方面技术的发展。
未来,氮氧化合物减排系统因排放法规的要求要更多运用,并且会包括氮氧捕集技术或者选择性还原技术,通过采用氨水溶液中的氨。当这些方法充分地发展以后,四元催化多功能系统会快速发展,这和传统汽车乘用车上的三元催化系统很类似。
摘要：近年来,随着人们对环境保护的日趋重视,世界各国对内燃机废气排放的要求变得越来越严格,轻型柴油车开始实施国IV标准。目前由于机内排放控制并不能完全起到净化效果,因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理,采取机外控制技术显得很有必要。PM和NOx是柴油机主要排放污染物,如何同时降低这两种尾气组成,达到国Ⅳ排放水平,是当今世界柴油机技术的难点和研究热点。本文介绍目前国内满足柴油机国Ⅳ排放标准的SCR和EGR DPF/DOC两种主流技术路线。通过对比分析两种系统的原理和优缺点得出适合国内发展的路线,并浅谈未来柴油机排放控制的发展方向。
关键词：柴油机,排放,机外,PM,NOx,国IV
参考文献
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国Ⅳ实施艰难前行 篇9
重型柴油车国Ⅳ标准实施先行一步
2013年以来, 多地发生的持续多日雾霾天气, 引起了人们对环境问题前所未有的重视, 作为重要污染源头之一的重型柴油商用车, 采取有效措施减少废气污染更是迫在眉睫。国家环保部有关人士明确表示, 2013年7月1日, 坚决实施重型车第四阶段排放标准, 没有推迟的可能。
在国Ⅳ排放大限将至前夕, 2013年6月14日, 国务院总理李克强在主持召开的国务院常务会议上, 部署大气污染防治10条措施。其中第一条就特别强调要提升燃油品质, 限期淘汰黄标车。机动车尾气排放被列为治污重点。
随后, 北京、上海、南京等多地政府纷纷出台了7月1日按时实施国Ⅳ排放标准的管理办法。尽管各地政府下发实施国Ⅳ排放细则的部门, 多属当地环保局, 但上海、成都等地的交通局、车管所相关联部门也参与其中。
此外, 已经明确要求实施国Ⅳ排放的各地政府, 虽然已有关于国Ⅳ排放的具体管理办法, 但执行力度也有所不同。总的来说, 这些区域的地方政府都已明文规定, 7月1日起, 柴油车必须符合国Ⅳ排放标准, 且国Ⅲ车不予销售和上牌, 并对不符合国Ⅳ排放标准的外省市机动车辆, 不予办理转入手续。可见, 已经明确要求实施国Ⅳ排放的各地政府, 对于实施国Ⅳ排放的决心非常大。
一直备受大家关注的油品问题, 此时也传来捷报。中石化集团有关人士6月中旬表示, 随着最后一家炼油厂的普通柴油按新标准出厂, 其生产的柴油全部达到国Ⅲ标准要求, 提前一个月完成升级任务。
国Ⅳ标准等效于欧洲的欧Ⅳ标准。在排放控制上, 国Ⅳ标准机动车需要在国Ⅲ基础上再进一步降低30%～50%的污染物才能达标。2013年以前, 只有北京、上海、珠三角地区实施该标准。研究表明, 一辆符合国Ⅳ标准的汽车污染物排放, 比同类型国Ⅲ标准的车可降低50%。同时, 国Ⅳ车配合国Ⅳ油的使用, 将可使全国机动车污染物排放总量减少15%～20%。
据了解, 目前国内大部分车企的重型柴油车均达到了国Ⅳ排放标准。五年前, 一汽解放商用车实施国Ⅲ排放标准时, 就针对商用车国Ⅳ排放标准进行了相关的技术储备。与大多数企业类似, 公司在重型柴油车排放标准技术升级方面做了两手准备, 既从事S C R (选择性催化还原) 技术路线, 同时也提供EGR DOC DPF的技术路线。目前从市场上整体应用情况来看, S C R技术路线是商用车排放标准的主流应用路线。主要原因是重型车等大型商用车的污染物排放相对较多, S C R技术路线在控制污染物排放方面更为有效。此外, 与E G R (语废气再循环系统) 技术路线相比, S C R的优势在于无须对发动机进行大的技术改动, 技术升级连续性较好, 维护成本也相对较低。但这并不意味着E G R技术路线就没有市场, 对于使用小排量车的私营业主而言, 其更注重获得成本较低的解决方案。
北汽福田欧曼全系也早已做好了国Ⅳ排放升级的准备。欧曼重型汽车厂有关人士表示, 欧曼全系重型车均达到了国Ⅳ排放标准的要求。
早在三年前, 潍柴动力就成功开发了达到国Ⅳ、国Ⅴ排放水平的蓝擎系列W P10/W P12柴油发动机, 这是潍柴动力与A V L等知名公司强强联合, 与世界优秀的汽车零部件供应商协同开发, 充分融合当今世界内燃机前沿科技, 倾力打造的潍柴动力旗舰产品。潍柴动力对蓝擎系列拥有完全的自主知识产权, 产品实现了经济性与环保排放的最佳平衡。
潍柴动力作为内燃机行业的龙头企业, 一直极其重视社会责任, 提前启动研发低排放的绿色环保发动机。蓝擎系列国Ⅲ机研发项目于2003年启动, 2006年完成了样机性能试验、排放试验、燃烧开发试验、油耗经济性试验、耐久试验、整车匹配试验和三高 (高寒、高温、高海拔) 试验等。2006年11月通过国家科技部项目验收, 并于当年7月开始批量供应市场, 到目前已累计向市场投放数万台。2007年, 潍柴动力又相继成功开发了国Ⅳ、国Ⅴ柴油机, 并通过了国家认证和标定试验。
蓝擎系列发动机采用博世电控高压共轨、S C R技术, 通过燃烧室、燃油系统和进排气系统的匹配, 以及后置齿轮室、低噪声齿轮传动等先进手段打造产品。利用A V L先进的开发手段和先进设备, 潍柴技术开发人员对整个柴油机进行性能模拟计算、流体动力计算、轴系扭振计算、配气机构动力计算、排放与油耗区域智能调节计算等;对气缸体、曲轴等主要零件进行有限元分析和模拟试验。该机排放已经完全达到国Ⅳ、国Ⅴ水平, 主要的个性化油耗智能调节技术、经济技术指标在国内处于领先水平。
中国重汽在2010年推出了E G R共轨D P F的10L国I V发动机和高压共轨S C R的10L国I V发动机。据中国重汽集团有关人士介绍, 中国重汽是国内惟一一家同时掌握EGR国IV和SCR国IV两套成熟方案的汽车企业。
除了自己研发国I V发动机, 中国重汽还通过与德国曼公司的战略合作, 获得了符合欧IV及欧V排放标准的D20和D26发动机, 以及相关零部件在中国的独家及不可转让权利使用许可技术和专门技术。此次合作不仅有效弥补了重汽在高压共轨柴油发动机上的短板, 也使其在进入国Ⅳ前占据了行业先机。
陕汽也开发了全系列达国I V排放标准的重型柴油车。这是陕汽响应国家节能减排号召, 同时也为响应全国实施国IV排放标准而推出的系列新产品。
据了解, 陕汽康明斯国I V系列重型柴油车采用的是康明斯I S M系列11L国Ⅳ发动机。该发动机由康明斯中国、西安康明斯和陕汽集团三方经过近两年的携手合作而共同联合开发的, 它是国内首家同时获得国家环保排放认证、欧盟及俄罗斯认证的欧Ⅳ发动机, 并率先拿到了出口海外市场的“通行证”。陕汽康明斯国I V系列重型柴油车的上市, 标志着陕汽已经掌握了国I V重型柴油车的关键技术, 成为国内拥有成熟国I V重型柴油车技术的企业之一。
达国Ⅳ标准的柴油机关键件自主批量仍不大
尽管目前上市的达到国Ⅳ排放标准的环保重型柴油车多数为自主品牌, 柴油发动机大量也是自主品牌, 但遗憾的是, 高压共轨技术、尾气后处理等核心技术多被外资企业掌控。也就是说, 达到国Ⅳ排放要求的柴油发动机关键零部件, 以外资企业提供配套为主。而本土企业中虽然也能提供一定数量的配套产品, 但是真正具有一定规模且掌握核心先进汽车零部件技术的生产厂家并不多。
目前, 共轨燃油喷射系统应用十分普遍, 博世、电装、德尔福占据了高压共轨90%以上的市场份额。尤其是博世公司处于垄断地位, 迄今为止已生产出2500万套共轨系统, 并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂, 实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机, 此外奥迪、奔驰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。我国部分大学、研究所和企业也通过合作或自主研发, 取得了一些研究成果, 并有数十项专利公布。但总体来说, 与国外技术还存在差距, 主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制方面。此外, 国内共轨系统相关配套体系不健全, 部分零部件还依靠进口, 如单片机芯片、共轨压力传感器等。
2013年7月1日全国实施的国Ⅳ标准, 对柴油发动机提出了更高的要求, 非国Ⅳ标准的商用车被禁止销售后, 商用车整车厂将向外资和合资企业大量采购符合标准的配套零部件, 本土的零部件厂商面临着严峻的生存挑战。
此外, 针对柴油车国Ⅳ标准, 国内商用车企业在面临供油系统以及排气后处理系统技术升级的同时, 还有技术选择的困境。有关专家表示, 发动机的进气系统、供油系统和排气后处理系统均与排放水平有关。而针对这次商用车国Ⅳ标准的实施, 主要是对供油和后处理系统有更新和升级的要求。供油系统本身有共轨、单体泵、直列泵等技术路线可以选择, 而后处理系统方面, 现在国内以S C R和E G R两种技术路线为主, 这些技术路线各有利弊。暂且不论应当采用哪些技术路线, 从商业角度而言, 市场的认可度是检验技术可行性的硬标准。在当下的中国汽车市场上, 主要考量的因素包括:油品质量、规模生产情况下的产成品品质 (一致性) 以及终端客户对价格增加的敏感程度。而这些因素本身具有难以量化及不可控的特点。
随着排放标准的提高, 柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等, 和国外先进技术比, 自主企业还不具备对等的实力, 急切要解决的问题是:加快产业化进程, 早日形成达国Ⅳ排放标准的柴油机关键零部件的批量生产。
油品供应拖后腿, 轻型柴油车国Ⅳ标准将推迟
车用柴油标准是由国家质检总局和国家标准化管理委员会 (以下简称标准委) 共同颁布实施的。2013年7月1日实施的国Ⅲ柴油标准, 其实已于2009年6月12日正式颁布, 原定于2010年1月1日实施, 后因技术原因推迟至今。
受2013年初多地大范围空气污染的刺激, 中央政府坚定了节能减排的决心。2013年2月6日, 前国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议上决定要加快油品质量升级。为落实国务院常务会议决定, 国家质检总局、国家标准委于2013年2月7日批准发布了《车用柴油 (Ⅳ) 》国家标准, 确定自发布之日起实施, 过渡期至2014年12月31日, 即2015年1月1日正式实施。标准规定了第四阶段车用柴油的硫含量不大于50p p m (1p p m=1×10-4%) 。2013年6月8日, 国家质检总局、国家标准委再发公告, 批准发布了《车用柴油 (Ⅴ) 》国家标准, 自发布之日起实施, 过渡期至2017年12月31日。该标准规定了第五阶段车用柴油的硫含量不大于10ppm, 这一指标达到了目前欧盟标准的水平。另外, 根据国务院常务会议的安排, 2013年年底前, 第五阶段车用汽油标准 (硫含量不大于10ppm) 也将发布, 过渡期同样至2017年底。据悉, 目前国内除北京率先使用京Ⅴ (相当于国Ⅴ) 标准的油品, 上海、江苏、浙江、广东等地的部分城市实施国Ⅳ汽油标准外, 国内其他地区仍实施国Ⅲ汽油标准。
有关专家表示, 国Ⅲ排放标准切换国Ⅳ排放标准, 最大的阻碍其实就是油品质量。油品质量不达标, 说什么都没用。一位多年从事重型载货车销售的业内人士表示, 目前的燃油质量远远达不到国Ⅳ排放标准, 即便实施国Ⅳ排放标准, 最大的阻碍不是产品技术升级, 而是油品质量的提升。
“车油不配套”是重型载货车生产企业最担心的问题。笔者了解到, 目前, 全国各地油品供应差别很大, 国Ⅳ排放标准实施后, 一些地区油品质量很难达到环保部的要求。
中国重汽济南商用车有限公司相关领导表示, 实施国Ⅳ排放标准后, 油品质量不仅关系到车辆排放是否达标, 最重要是直接影响到车辆的正常使用和发动机的寿命。国Ⅳ排放标准重型载货车如果使用不达标的油品, 势必会影响发动机的正常运转, 增加车辆的维修成本。
环保部有关人士介绍, 重型柴油车国Ⅳ标准按期自2013年7月1日起实施, 不过, 由于国内油品供应满足不了要求, 占柴油车保有量近半的轻型柴油车国Ⅳ标准全国实施日期将再度推迟, 且具体实施时间未定。至此, “车油不同步”导致的大气污染物排放困境仍无法得到彻底解决。
上述人士解释称, 国Ⅳ轻型柴油车采用的技术只适用于硫含量50ppm (国Ⅳ标准) 的柴油, 而350ppm (国Ⅲ标准) 的柴油直到2013年7月1日起才向全国供应, 国Ⅳ标准柴油何时向全国供应更是遥遥无期, 现行油品无法满足新标准下柴油发动机和尾气后处理装置的要求。
据了解, 这是轻型柴油车国Ⅳ标准第二度推迟。2005年颁布的轻型柴油车国Ⅳ标准规定, 自2010年7月1日起执行第四阶段的形式核准, 该日期后一年起, 即2011年7月1日起, 所有制造和销售的轻型汽车污染物排放必须符合本标准要求。
然而, 2010年底, 环保部表示, 推迟国Ⅳ标准实施。环保部称, “由于国Ⅳ车用燃油标准尚未出台, 还无法确保在全国范围内供应相应车用燃油, 给全面实施机动车国Ⅳ标准带来一定困难”, 因此, “对轻型柴油汽车, 暂定推迟两年实施国Ⅳ标准, 即从2013年7月1日起, 凡不满足国Ⅳ标准要求的轻型柴油汽车不得销售和注册登记”。
与轻型柴油车排放标准延期实施相比, 重型柴油车国Ⅳ排放标准虽已如期执行, 但此前也曾两度延期执行。对此, 业内认为原因有三:燃油品质较低制约车辆使用和排放效果;我国商用车及重型柴油机制造商多为自主品牌, 技术储备不足;满足更高排放标准的商用车及重型柴油机往往要增加一万元至数万元的成本, 用户对其接受度不高。其中, 油品问题被认为是主要原因。
标准实施对重型车销售是否利好存在意见分歧
据了解, 从国Ⅱ升级到国Ⅲ标准, 国内企业光是从国外采购零部件就花费了几百亿元, 而国Ⅲ到国Ⅳ就意味着需要更多的资金支持。车型淘汰, 厂商成本增加。而高标准的车伴随着车费、油费、维修费的上涨同样增加了车主的成本。而高成本带来的环境问题的改善却不能带来现实的经济收益。
有业内人士表示, 由于行业竞争越来越激烈, 载货车企业的利润日渐微薄, 排放升级后, 载货车企业只能将提高的成本均摊给消费者。也有人认为, 重型载货车价格上涨, 并不会严重影响国内载货车企业的销售, 因为国外品牌的重型载货车为了能在中国销售, 也需要符合新的排放标准, 进而对发动机进行改进。这样销售的价格会在原基础上高出15%左右, 如一款价格在50万元左右的国外品牌重型载货车, 为了符合国Ⅳ排放标准, 对发动机进行了更换, 如此, 这款载货车的价格就会提高到60万元左右。而国内自主品牌重型载货车目前的均价在30万～40万元, 就算成本提升4万元, 也和国外品牌存在10万�20万元左右的价格差, 所以国内自主品牌重型载货车还是具有一定的价格优势。
有一位商用车企业负责人表示, 为了开发出符合国Ⅳ排放标准的车型, 自主企业在产品技术升级同时也带来了生产成本的增加, 并进一步反映到产品的销售价格上, 在一定程度上会影响商用车的销售。升级共轨系统, 同时配备一套尾气排放处理系统, 产品成本将比原来多出几万元, 中重型车辆多是运输企业采购, 成本增加几万元也只占到整车价格的1/10左右, 运输企业基本能够承受。但是轻型货车、轻客有很多是私人购买, 整车价格相对也较低, 购车成本的大幅度增加, 会直接影响到人们购买的积极性。