国Ⅳ排放

2024-05-01

国Ⅳ排放（精选八篇）

国Ⅳ排放篇1

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

[1]姚春德.内燃机先进技术与原理[M].天津:天津大学出版社,2010:136.

[2]林磊.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)与柴油机的匹配及其控制的研究[D].北京:机械与电子控制工程学院,2010:2-8.

[3]汪映,周杰,何利,等.冷EGR对DME PCCI-DI发动机燃烧和排放特性影响的试验研究[J].内燃机工程,2010,31(4):17-20.

[4]蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[5]帅石金.均质充量压缩着火燃烧技术及其研究进展[J].汽车技术,2003(1):13-17.

[6]木村修二,松井幸雄,小池正生.小型直喷式柴油机燃烧的新概念&第二部分:新概念燃烧在多缸机上的应用[J].国外内燃机,1998(3).

[7]欧阳强,罗马吉.柴油机颗粒捕集器捕集性能模拟研究[J].装备制造技术,2011(3):19-21.

[8]王天友,林漫群,张玉倩,等.燃油催化微粒捕集器微粒捕集与强制再生特性的研究[J].内燃机学报,2007(25):527-531.

[9]张爱敏,贺小昆,赵云昆,等.汽车尾气超低排放控制技术[J].汽车工程,2004,26(5):542-545.

[10]梁荣亮,李孟良,过学迅,等.重型柴油车辆尾气后处理控制技术的综合评价[C].SAE-C2008P144.

国Ⅳ排放标准实施势在必行篇2

“鉴于目前满足国Ⅳ标准需求的车用柴油供应仍不到位，严重制约国Ⅳ标准实施进度。为保证标准实施效果，根据车用燃料供应实际，决定分车型、分区域实施国Ⅳ标准。” 环保部对再次推迟实施国Ⅳ排放标准做出这样的解释。前一段时间，围绕油品问题的议论最多。事实上，内燃机行业在现有技术条件下，一直在尝试使用排放后处理系统，看排放物能否达到国Ⅳ标准。

“两大协会”积极推进

控制汽车排放是全社会的责任和共识，但是最终的落实需要内燃机、汽车行业的努力。3月28日，由中国内燃机工业协会和中国汽车工业协会联合发起召开了《贯彻落实国Ⅳ排放标准技术交流会》，中国内燃机工业协会和中国汽车工业协会都表达了积极落实、全力推进国Ⅳ排放的决心和态度。

节能减排和生态环境保护是我国工业经济转型升级的重要手段和促进因素，节能减排更是国家战略，是全社会关注的热点，也是企业创新发展的着力点。中国内燃机工业协会常务副理事长兼秘书长邢敏指出，排放标准已经成为引导汽车内燃机技术进步和升级的重要因素。

中国汽车工业协会常务副会长兼秘书长董扬在讲话中指出：“目前，我国汽车行业已全面达到国Ⅲ排放水平。在全行业积极努力和协调下，环保部、工信部等国家部委结合行业发展实际，把（国Ⅳ排放标准的实施）时间延后到2013年7月1日。对此，我国商用车（产销排名前）八家企业联合行动，共同承诺，积极采取措施，一定如期认真执行国Ⅳ排放标准。” 董扬在此前曾表示，排放标准实施条件不具备，大家应该共同协商、补足条件，不能因为条件不具备就坐等，就不向前推进。

中国内燃机协会副秘书长魏安力告诉记者，这次会议的目的就是帮助企业树立正向思维，在现有条件下，从自身找原因。魏安力表示，内燃机企业将坚决承担内燃机工业的产业责任—节能，社会责任——减排。

贯彻落实国Ⅳ排放技术交流会上，一汽、潍柴、玉柴等企业把自己的研发成果拿出来，这些内燃机行业的领头羊对推进国Ⅳ排放实施发挥了积极作用。“一些准备开发或尚未开发的企业可能需要花费一两个亿完成这些研发，通过这些技术交流就能节约大家的时间、精力。”魏安力对技术交流会表示满意。

企业应对挑战，积极研发

为迎接国Ⅳ排放标准实施，内燃机相关企业都在积极研发，应对挑战。

一汽解放无锡柴油机厂副厂长黄成海介绍说，锡柴从一开始就对EGR、SCR都做了研究，寻找更好的技术。但他们考虑更多的是如何适应用户的需求，而这只能由当时的环境条件和用户的接受程度来定。

东风商用车技术中心主任杨细元表示，东风已经完成两款SCR国Ⅳ发动机的开发，并指出了排放后处理技术开发中的成本问题、耐久性问题、总布置限制、热管理和维修保养时间间隔等主要问题。

潍柴动力技术中心佟德辉介绍了潍柴在针对产品开发中的SCR系统的尿素结晶结石、与整车匹配中的问题以及应对措施。

东风康明斯发动机公司副总卢卓华指出，东风康明斯在面对中国的国Ⅳ标准时主要有四方面的挑战：一是国外的路线可能成本偏高；二是我们国内使用的原料、油品、零部件都不太一样，还要根据中国国情做一些开发工作；三是中国地理情况复杂，从极冷到极热的变化情况也相对少，这都是企业要解决的；四是中国普遍存在超载，对发动机的使用会有很大不同。对康明斯而言，满足国Ⅳ排放的技术问题在很多年以前就已经解决了，现在更多的是在做产品化工作，其中一项重要的工作就是降成本。

全社会需共同努力

无论如何，贯彻落实国四排放标准还需要全社会共同努力。中国汽车工业协会副秘书长叶盛基指出，国Ⅳ排放标准的实施需要全社会方方面面的努力。实施国Ⅳ排放标准涉及到标准法规的成熟性和可操作性，也涉及到有关产品的准备和相关油料供应部门的配合支持。

目前，从内燃机行业看，国Ⅳ排放标准如期实施的障碍集中在符合排放标准的低硫油品供应不到位、缺少尿素加注站点。邢敏表示相信，随着国家国Ⅳ标准的执行，尿素问题、油品问题都会得到很好解决。否则，政府就会失去权威性。

同时，国Ⅳ商用车由于需要在现有车辆上增加后处理系统，将会使车的成本高出1万~3万元。对于购车者来说，这也是一个坎。黄成海表示，最担心的是用户承担不了成本的增加。成本的增加平均到每个产品上，轻型车大概50%左右，重型车大概20%左右。

美国西南研究院湛日景博士指出，如果在实施排放标准中将成本放在第一位，法规就只能将就了。

SCR助柴油商用车实现国Ⅳ排放篇3

在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时, 汽车也带来了大气污染。对汽车排气污染物的控制, 不但是城市大气污染治理的重中之重, 也是关系到我国民族产业前途命运的关键。近年来, 国家有关部门相继发布了一系列有关标准和法规性文件, 对保护大气环境, 指导机动车排放污染防治工作起到了巨大的推动作用, 同时也对国内汽车生产企业提出了更高的要求。

2 我国排放法规的发展

近年我国的尾气排放标准一年一个台阶:2004年7月1日, 全国范围内开始实施国Ⅱ排放标准;2005年12月30日, 北京实施国Ⅲ排放标准, 之前已上市并通过国Ⅲ标准的车型可延迟1年安装OBD;2006年12月1日, 北京禁止在京销售未装OBD的新车;2007年7月1日, 全国范围内开始实施国Ⅲ排放标准;工信部发布公告, 定于2014年12月31日废止适用于国家第三阶段汽车排放标准 (下称“国Ⅲ”) 柴油车产品《公告》, 2015年1月1日起国Ⅲ柴油车产品将不得销售。也就是说, 工信部将从明年1月1日起全面实施国Ⅳ的排放标准。北京拟将实行新车国V排放标准。

汽车排放的尾气是大气污染的重要污染源之一, 汽车排放污染物主要有HC (碳氢化合物) 、NOx (氮氧合物) 、CO (一氧化碳) 、PM (微粒) 等, 我国国IV排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准, 国Ⅲ标准的尾气污染物排放限值比国Ⅱ标准尾气污染物排放限值降低了30%, 而国IV标准将进一步降低60%, 如图1。

3 选择性催化还原 (SCR) 系统实现国IV排放要求

国IV标准的执行是控制汽车尾气污染的排放政策, 也已是对汽车生产厂家及社会各界的一项迫在眉睫、刻不容缓的责任, 要求在产品技术上不断改进创新。

目前, 国内汽车尾气排放处理方法大体分为:机内净化技术 (主要是改进发动机结构和改善燃烧状况) 和机外净化技术 (即尾气进行后处理) 两种。目前所使用的机外净化技术就是在汽车的排气系统中安装各种净化装置, 采用物理的、化学的方法减少排气中的污染物。

面对近期陆续执行的更为严格的排放法规 (如欧Ⅴ、美国2007、日本2008) , 各国所采用的柴油机后处理技术各有不同。应用在北美、欧洲和亚洲的重货、轻货和乘用车的各种创新解决方案和技术正在研发之中, 这些技术可以满足长期的更加严格的柴油商用车尾气排放法规。这里讨论的是目前国外较多应用的选择性催化还原 (SCR) 。SCR技术路线可帮助国内汽车生产企业生产出符合国IV标准的汽车, 而且, 通过升级改进, 和与其它后处理方式共同匹配, 也可实现满足我国后期施行的更严格的排放标准要求。

3.1 SCR系统原理

就目前的技术水平, 在降低柴油机排气中的NOx的方法只能是向排气中加入还原剂, 对NOx进行还原分解。还原NOx的方法通常有选择性非催化还原 (SNCR) 、非选择性催化还原 (NSCR) 和选择性催化还原 (SCR) 三种方式, 其中SCR在柴油机上的研究与应用最为广泛。如图2示出了降低NOx排放的各种技术及其净化率的比较。SCR使用尿素作为还原剂时NOx的净化率最高, 为65%;NSCR为30%;而SNCR的NOx净化率为18%。由此可见, 作为降低NOx排放的技术, 尿素SCR是有很广阔的前途的。欧洲各国尤其注重尿素SCR技术的开发, 日本也在这方面的有了大量的研究成果并应用。

以氨和氨水、尿素作为还原剂的选择性催化还原系统, 可以降低柴油机排气中绝大部分的NOx, 也能降低部分HC。根据还原剂的不同, SCR可以分为氨还原SCR和碳还原SCR。氨作为还原剂的SCR已经广泛应用在电厂或固定式柴油机上了, 其技术比较成熟, 是目前被认为是最好的NOx控制技术。而, 与氨或氨水相比, 尿素更易于储运, 而且它不具有氨或氨水的刺激味。因此, 以尿素替代氨为还原剂的SCR被认为最具有应用前景。其主要的反应如下:

3.2 SCR的结构

SCR系统的控制单元可与发动机的控制单元集成在一起, 主要用来执行SCR的控制策略, 并根据环境温度、排气温度、尿素液位、尿素温度、尿素压力、NOx浓度等传感器信号控制尿素计量单元, 根据需求定时定量将尿素溶液喷射到排气气流中, 如图3。SCR系统的主要构成部件有:尿素罐、尿素泵、尿素喷嘴、SCR催化转化器、排气温度传感器、氮氧化物传感器等。

SCR系统工作条件: (1) SCR催化转化器排气进口和出口温度都达到200℃以上; (2) 无与SCR系统相关的故障代码发生; (3) 尿素液位高于6%; (4) 压力气源高于0.4 MPa, 而尿素压力不低于0.3 MPa; (5) 尿素温度不低于-0.5℃; (6) 电控单元根据氮氧氧化物算法发出喷射指令。

3.3 SCR系统的推广应用

第25届CIMAC (国际内燃机学会) 国际会议认可了采用尿素作为还原剂对NOx进行选择性催化还原从技术和经济角度的可行性、优越性, 可改善柴油机性能, 节省燃油。用于柴油商用车可实现满足Euro4和Euro5排放指标。在欧洲, SCR技术是长途车辆降低排放的关键技术。尿素定量系统和催化层的改进更有助于提高SCR性能, 满足未来跟严格的排放要求。

由表1可看出, SCR是国际上近几年柴油机尾气后处理技术的主流。为了达到更严格的排放要求, SCR技术必将与各种柴油机技术、电子技术相结合, 形成更为有效的柴油机尾气后处理多元化系统。例如Jolnson Matthey公司就集成了CRT和SCR技术研制出SCRT系统, 它可以使发动机的排放水平满足欧Ⅴ和美国2007的排放法规;日产柴油机汽车公司生产SPACEARROW大型城际公路客车、旅游客车和SPACERUNNER大型道路客车、私人用客车搭载的轻量化紧凑型MD92发动机, 其特色是就采用共轨燃油喷射系统和FLENDS尿素SCR系统。

注:SCR为选择性催化还原;DPF为颗粒捕捉器;LNT为NOx吸附还原;DOC为氧化催化器

SCR系统具有以下优点: (1) SCR提供了最低运行成本的解决方案; (2) SCR将使换机油间隔比欧Ⅲ发动机延长一倍; (3) 欧Ⅳ、欧Ⅴ和欧Ⅵ都可在同一个基础发动机平台实现; (4) SCR发动机比用EGR达到欧4的发动机燃油经济性好10%; (5) SCR不需要再生故而运行温度低, 发动机应力小从而更耐用。

SCR系统在国内的应用研究比国外起步较晚。广西玉柴机器股份有限公司于2006年2月推出的YC6L—40柴油机采用了SCR系统, 它也是我国第一台达到欧Ⅳ排放的柴油机。目前东风柳汽已研制出符合国Ⅳ排放法规的柴油商用车。近来, 国内发动机生产厂重视, 其他柴油机生产企业, 如:潍柴、锡柴、上柴、解放、东风、集瑞重卡等车企也在研制通过SCR系统以达到符合国Ⅳ排放标准的整车。

SCR系统的作用是明显的, 但在测试中发现SCR系统仍存在一些问题, 有待进一步解决和完善提高, 如: (1) 尿素喷嘴位置要求高于尿素泵, 安装在排气管顶部, 因此安装困难, 不利于整车的布置; (2) 发动机停车后, 倒吸不完全容易引起尿素结晶, 导致尿素泵内部元件故障、喷嘴、管道堵塞和积聚炭烟, 等等。

4 结束语

柴油机排气后处理技术是满足未来排放法规的重要手段, 它符合我国目前的产业政策, 特别是环保产业政策。SCR技术是实现国Ⅳ标准最快捷的途径, 能够有效的消除NOx, 也是实现国Ⅴ的必要技术手段。如果要在排放升级道路上加速前进, 少走弯路, 或尽量走捷径, SCR就是一条可供我们选择的捷径。

参考文献

[1]肖青云, 吕庭豪.SCR——一种新型环保装置[J].船海工程, 2002, (2) :41-44.

[2]佟德辉, 李国祥, 陶建忠.利用SCR技术降低车用柴油机NOx排放的控制策略研究[J].车用发动机, 2009, (5) :44-47.

国Ⅳ实施艰难前行篇4

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。

国Ⅳ排放篇5

1 概述

1.1 轻型柴油车排放法规

随着化石燃料的枯竭和石油价格的上涨,人们的节能和环保意识日益提高。近年来,柴油机以其燃油经济性的优势在国内发展很快,特别是高压共轨技术的应用,使柴油机达到更高的排放法规要求成为可能,柴油乘用车发展很快。

柴油机乘用车的后处理技术在欧洲已经得到广泛应用,但在国内发展较慢,加之柴油机水平参差不齐,未能形成明朗的技术路线。当前轻型柴油车排放标准见表1。

1.2 轻型柴油车满足排放法规的技术路线

在柴油机排放污染物的各组分当中,CO和HC通过氧化催化转化器(DOC)可以很容易被处理掉,因为DOC技术发展已经比较成熟,大多数的DOC都可以达到90%以上的转化效率。相比之下,NOX和PM的处理就困难得多。目前柴油机上广泛采用废气再循环系统(EGR)来减低NOX的排放,但NOX和PM是相互矛盾的,见图1所示。在通过EGR系统使NOX排放降到法规要求范围以内之后,PM值必然有所增加,这就需要有一套有效的PM后处理系统来降低颗粒物的排放。在欧洲和北美广泛采用DPF颗粒后处理技术,可以达到欧Ⅴ排放的要求,要实现欧Ⅵ就需要采用SCR等NOX后处理系统。就国内国Ⅲ/国Ⅳ阶段而言,能否避免使用DPF这样复杂的颗粒后处理系统呢?POC技术使上述构想成为可能。

2 POC的工作原理和实际应用

2.1 柴油机颗粒物PM的主要组成部分

柴油机颗粒物PM的主要由三部分组成:SOOT碳烟等固体颗粒物,VOF挥发性有机物,Sulfates高硫含量柴油使用中附加产生的硫酸盐。

2.2 不同柴油颗粒物催化器的应用范围和特点

不同柴油颗粒物催化器由于其不同的工作机理,对颗粒物的转化效率不同,见图2所示。

2.2.1 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)

柴油氧化催化器可有效降低HC和CO,去除PM中的部分VOF,降低PM效率可达10%~30%。

2.2.2 POC(Particle Oxidation catalyst)

颗粒氧化催化器捕捉颗粒物(POC),通过氧化燃烧再生,降低PM效率可达30%~80%,没有明显的排气背压升高。

2.2.3 DPF(Diesel Particle filter)

柴油颗粒捕捉器需要附加主动再生系统;需要复杂的标定和试验过程,以模拟整车在各种道路条件下遇到再生的情况,确定合理的ECU处理方案;需避免背压升高和堵塞危险;降低PM效率可达80%~95%。

2.3 POC产品的特性

POC是开放式的过滤结构,可以捕捉柴油车尾气排放中的颗粒物。POC采用100%不锈钢结构,载体上有专业的化学涂层。由于POC需要较高的再生温度,因此需要与DOC配合使用。另外,POC质量轻,体积小,尺寸可变,易于集成到排气系统中。POC特殊的载体结构设计使得排气流体通畅的同时接触面积广,可以在保证背压的同时捕捉部分颗粒物并再生。POC的结构特点决定了其具有较好的热耐久性和机械性能。

2.4 POC的工作原理

2.4.1 捕捉颗粒物的原理

颗粒捕捉主要有三种形式:

a.压紧捕捉。较粗大的颗粒无法通过而被载体表层直接捕捉。

b.热泳捕捉。部分小颗粒沿着温度梯度从高温气流中泳向低温载体表层而被捕捉。

c.吸附捕捉。部分小颗粒在流经载体表面时被吸附捕捉。

2.4.2 POC再生燃烧去除颗粒物的原理

在前级DOC催化器的氧化作用下,一氧化氮与氧气结合生成二氧化氮,加上柴油机本身缸内的燃烧,产生一定量的NO2。NO2进入POC,在含有贵金属的特殊化学涂层的催化作用下,NO2分子键在较低温时(250°C左右)断裂,所需能量为305 k J/mol,产生的O与被捕捉到的C颗粒燃烧,生成CO2。这就是POC在柴油机车辆中去除碳颗粒的主要机理,大部分的普通行驶工况都能满足POC中的再生温度(250~500°C),从而有效去除颗粒物。

而在DPF中,O2的分子键断裂所需的能量较高,为498 k J/mol,需要达到500°C左右,这是大多数柴油机车辆行驶工况所不能达到的,所以DPF需要附加后喷或者电加热系统来辅助燃烧去除C颗粒,而POC则不需要。

2.5 POC产品的实际应用

POC产品的两种主要类型为POC-X型和POC-C型。

a.POC-X型的载体设计成波纹网状表面,成本较低。

b.POC-L型附加一层金属网膜在波纹状网眼层之间,可增加废气接触面积,增强催化效率,成本较高。

在一款排量为2.8 L的柴油车上试验,验证两种POC对颗粒物的转化效率见图3。

3 POC的耐久性

3.1 POC的抗硫原理

由于燃油中的S在前级催化器的氧化作用下,在一定的温度下,形成SO2(气态),SO3(固态),SO4(固态),如果大量的固态硫化颗粒物附着在催化器涂层表面而不能很好地清除,将会严重影响催化效果,引起催化器中毒。

在进入POC的硫化物中,气态SO2可以直接排出,固态的SO3,SO4则会出现以下几种情况:

a.SO3,SO4的S-O键能较低,易断裂,在POC中,一部分SOx附着在C颗粒物上,不直接附着在贵金属和涂层上,其中的O离子与C结合,在涂层和贵金属的帮助下,生成CO2,随废气排出,重新还原生成的SO2也随废气排出。

b.另一部分SOx直接附着在涂层上,与涂层中的贵金属Pt,Pd结合生成Pt SO4,Pd SO4等物质,但是Pt-SO4之间的键能比Pd-SO4之间的键能低很多,易断裂,因此附着在Pt表面形成的硫化物可以在C颗粒的氧化反应作用下重新还原成SO2随废气排出。因此,在POC中仅仅使用贵金属Pt,而不使用Pd,也是出于更好地抗硫的原因。

c.由于POC在结构上属于开放式过滤催化器,另一部分SOx固态物也直接排出催化器。

d.在SO2(气态),SO3(固态),SO4(固态)的形成过程中,通常在400℃左右反应最剧烈,生成SO4最多,但是在轻型车的使用上,排气温度相对较低,因此生成的SO3和SO4也相对较少,有利于催化器抗硫。

e.还会有极少量固态SOx残留在催化器内部,但是根据国内外已经完成的实验结果来看,并不会造成POC催化器硫中毒现象。

3.2 耐久性实验结果

为了考核POC对国内油品的适应性,我们进行了10万km道路测试,监测排气温度和排气背压,并在前8万km中,每1万km进行排放测试,道路测试中的排气温度、排气背压以及排放测试的结果分别见图4、图5和图6。

实验表明,使用过程中无明显背压升高,测试到的最高载体温度为500°C,无机械性失效,使用后PM转化效率与新鲜催化器基本保持一致。

4 结论

POC作为降低颗粒数或者颗粒质量目标而优化设计的新型催化器,已被证明在轻型车与重型车上使用有效。为提高PM转化效率和氧化再生能力,需要特制的涂层,以保证机械性和热可靠性,可以从技术和成本角度弥补DPF的高成本、易硫中毒等缺陷。POC催化器在工作原理上最大程度地避免了高硫含量环境对催化器的不利影响。耐久性道路试验数据表明,POC的催化效能在高硫含量的环境中没有明显的恶化,不同的涂层和贵金属的选择使用是增强抗硫能力的关键。从经济成本和使用效果来看,POC催化器是帮助国内轻型车达到国Ⅲ、国Ⅳ标准的非常好的技术产品。

摘要：POC(颗粒氧化催化转化器)是一种全新的柴油机后处理设计理念,在欧洲是为欧Ⅳ、欧Ⅴ阶段设计的,它可以捕捉并氧化部分颗粒物。其结构是使废气通过一个多褶皱而不堵塞的通道,它可以降低颗粒物中可挥发的有机成分,对颗粒物的转化效率可达到60%以上。除此之外,POC与后处理系统配合使用,可将90%以上的CO和HC转化成H2O和CO2。

关键词：POC,后处理,轻型柴油车,排放

参考文献

[1]徐家龙,藤泽英也.柴油机电控喷油技术[J].内燃机燃油喷射与控制,2001,(1).

[2](德)Ralf Isenburg.Bosch公司开发的柴油机用共轨式电控喷油系统(上)[J].内燃机燃油喷射和控制,2000,(1).

国Ⅳ车用汽油硫含量超标篇6

抽查结果:合格53个批次, 抽样合格率为96.36%。主要问题:硫含量超标。

主要问题分析

柴油机国Ⅳ后处理系统综述篇7

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与国Ⅴ汽油质量生产工艺对比篇8

DSO技术采用全馏分FCC汽油作为原料, 主要由脱砷、预加氢, 然后在分馏塔内实现轻、重汽油分离, 重汽油进行加氢脱硫、加氢后处理和稳定塔几部分组成。其中反应器共四台, 分别为脱砷反应器、预加氢反应器、加氢脱硫反应器和后处理反应器, 各个反应单元的原理也不尽相同。

1装置概况和工艺特点

长庆石化60万吨/年催化汽油加氢装置于2013年11月24日一次开车成功, 装置采用了中国石油石油化工研究院的催化汽油选择性加氢脱硫DSO专利技术, 选择低压固定床加氢工艺, 通过优化工艺条件的最大程度降低烯烃的饱和及因烯烃饱和而带来的辛烷值损失。

本装置所加工的原料为催化裂化汽油。原料油的硫含量为137 ppmw, 烯烃含量38% (V/V) , 二烯烃含量1.51 ppmw, 砷含量58 ppmw, RON辛烷值89.5。正常工况下为100%热进料, 由上游催化裂化装置直供。非正常工况下为冷进料, 通过罐区进装置。

催化裂化汽油重汽油加氢 (DSO) 加氢工艺技术:针对国内催化汽油组成特点, DSO技术采取了轻重汽油切割、重汽油加氢的流程。从装置的运行与标定情况来看, 与国内外其他技术相比, DSO技术反应条件缓和, 脱硫率高, 辛烷值损失小, 稳定性好, 抗毒能力强, 能够满足装置长周期运行的要求。长庆石化公司的重质催化汽油馏分 (HCN) 进行加氢采措施是:

(1) 催化裂化汽油进入预加氢反应器, 进行全馏分预加氢处理。催化汽油在一定的温度、压力和氢气存在的条件下, 在催化剂的作用下, 主要发生双烯烃选择加氢转化为单烯烃, 全部硫醇和部分轻硫化物转化为重硫化物, 烯烃异构化等反应。

(2) 预加氢汽油进入产品分馏塔将预加氢产品汽油分割成轻、重汽油两个组分。

(3) 对重质催化汽油馏分 (HCN) 进行加氢精制脱硫脱杂质等, 同时使烯烃饱和;即重质催化汽油加氢精制单元。

2国IV与国V汽油生产工艺对比

60万吨/年催化汽油加氢装置汽油产品作为国五和国四汽油的调和组分, 其硫含量要求低于50 ppm和10ppm, 由反应器的反应原理可知, 汽油产品的硫含量与反应器的各工艺参数有关。

国Ⅳ/国Ⅴ对比分析:二者的不同主要在反应器中反应温度的不同, 并且主要在加氢后处理反应器中体现这一不同。其中生产国IV汽油时反应温度控制在275℃, 生产国V汽油时反应温度在285℃。

反应温度是加氢汽油产品质量控制的主要工艺参数之一, 反应温度一般指反应器入口温度。汽油加氢装置在操作压力、体积空速和氢油体积比确定之后, 反应温度则是最灵活、有效的调控手段。通过调节反应温度对加氢反应的速度和反应深度进行控制。提高预加氢反应器反应温度可以加快轻质硫重质化的反应速率, 提高硫醇脱硫深度;提高加氢脱硫和后处理反应器的反应温度可以降低重汽油中的硫醇和硫含量。

但反应温度过高, 烯烃加氢饱和反应和缩合生焦反应速率也都加快, 烯烃饱和率增加, 辛烷值下降, 催化剂上积炭沉积造成催化剂结焦失活速率加快, 将缩短催化剂寿命和装置运行周期。相反, 如果反应温度过低, 反应的转化率低, 产品质量不能达到生产要求, 造成液收下降。

因此, 正常生产中反应器进口温度和催化剂床层温升是要严格控制的参数, 应尽量保持其平稳。确保操作受控和产品质量的达标达产。

在生产国Ⅴ汽油时后处理反应器的反应温度比国Ⅳ汽油生产时要高出5~7℃, 此外, 分馏塔中轻重汽油的分割比例也会相应的改变, 轻汽油的抽出在改为国Ⅴ生产时会相对减少2~3 t/h, 分馏塔的压力在实际生产时保持不变。

但是, 在调整操作时有可能出现分馏塔压力波动的情况, 当出现这种情况时一定认真调节, 使其趋于平稳, 因为分馏塔压力如果出现大幅波动, 会对后续生产带来很大的不理影响。

3结论

经过对本装置国四汽油和国五汽油生产对比, 我们得出以下结论:

(1) 温度和轻汽油抽出量是决定出国IV还是国V的主要因素。

(2) 国V汽油生产时后处理反应温度要比生产国IV汽油时高出10℃左右。

(3) 生产国V汽油时分馏塔中轻汽油的抽出量较生产国IV时少3~5 t/h。

(4) 调整操作时可能出现的一些问题, 如分馏塔顶压力波动、炉子升温或者降温过快倒是氧含量的波动等, 这些在调整操作时要特别注意。

(5) 提高温度对脱硫有利但并不是越高越好。

参考文献