内燃机排污净化9

第9章汽车排放污染物净化方案及分析讨论了汽油车和柴油车分别达到国II、国III和国IV及国V排放标准的一般净化方案。1)汽油车排放污染净化方案2)柴油车排放污染净化方案第一节汽油车排放污染净化方案一、汽油车的国2和国3排放标准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(第Ⅱ阶段)》(GBl8352.2—2001)(简称国Ⅱ)在2001年4月颁布，2004年7月1日实施。《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GBl8352.3—2005)在2005年4月颁布，并于2007年7月1日实施。(1)两标准对CO排放限值基本差不多；(2)国3对HC和NOX分别要求，与国2合在一起要求不同，且限值大幅降低；(3)试验方法有所不同，国3取消了40S怠速时间；(4)国3增加了低温冷起动试验方法和限值；增加了OBD试验及判定要求。二、对应的净化方案(1)对于国2标准，汽油车可采用闭环电控燃油系统加三效催化转化器以达到国2排放标准。(2)汽车排放从国2到国3，不是像国1到国2那样技术简单，而是上了一个台阶，需要三项技术。首先是增加了冷起动排放达标的要求，提高了尾气净化催化剂的要求，也是适合国2标准的催化剂达不到的。其次是在车辆电控系统中增加了专门监测排放控制系统工作状态的功能(OBD)。它能够随时监测汽车尾气排放状况，一旦出现超标，会做出提示。第三项是针对厂家提出的，要对车载诊断系统有保修措施。满足国3标准的汽油车可以采用的关键技术有：三元催化转化器；发动机的改进；更好的催化转化器活性层；催化剂加热；催化转化器的安装位置靠近发动机；二次空气喷射；带冷却装置的废气再循环系统；燃烧系统优化设计(燃烧室形状、缸内气流运动、多气门、可变进气、可变气门正时等)。例如：对二气门、非增压汽油机可采用闭环电控燃油喷射系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热；对于多气门、增压汽油机则可采用闭环电控燃油喷射系统加低起燃温度的三效催化转化器或紧凑耦合型三效催化转化器。三、汽油车的国3和国4排放标准2010年12月21日，环境保护部办公厅发布公告要求从2011年7月1日起，凡不满足国4标准要求的轻型汽油车将不得销售和注册登记。(1)国3和国4排放标准的差异国4阶段轻型汽油车的各项排放指标较国3阶段下降50%左右；国4标准对燃油质量要求更为严格。(2)汽油车国4排放的应对技术机内净化技术：涡轮增压、缸内直喷和电控策略优化机外净化措施：改善催化剂配方对于国4排放标准，二气门和非增压汽油机难以满足该标准，一般在多气门增压汽油机上采用综合控制的发动机管理系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热实现，同时采用废气再循环可进一步降低NOX排放。不过，从国3自然吸气汽油机升级到涡轮增压或缸内直喷难度和成本太高，目前主流厂商都选择加强后处理(增加贵金属含量)，结合电控策略优化的技术路线。整体上，汽油机从国3升国4不难，催化器成本增加(200-600元)。四、汽油车的国5排放标准1)基本情况2009年我国开始进行《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(第五阶段)》(国5)国家标准的前期研究工作，2011年环保部发布该标准的征求意见稿，2013年9月出台正式标准。汽油车国5标准的实施日期定于2018年1月1日实施，北上广进行先期试点运行。其中，北京在2013年2月1日实施（京V），上海于2014年4月30日实施。国5排放限值(草案)(1)增加了NMHC(非甲烷碳氢)和PM排放要求，其中汽油机PM仅针对直喷机；(2)排放耐久里程从10万km增加到16万km，道路试验规范变化，新增一些OBD监测要求。2)汽油车国5排放的应对技术对汽油车来说，达到国5排放主要在于减少NO排放、NMHC排放和PM排放(GDI)。为了减小以上排放，需要从两方面做工作。第一是发动机本体。通过采用新技术，如进排气VVT等，减少发动机的原始排放；第二是催化器，通过提高催化器的转化能力，在原始排放一定的情况下，减少发动机的最终排放。成本约增加800元左右相比排放要求，更为困难的是第三阶段乘用车油耗限值。2005年1月我国执行第一阶段油耗限值；2008年1月我国执行第二阶段油耗限值；2015年1月全面执行第三阶段油耗限值；2014年7月我国通过了第四阶段油耗限值标准审查（2020年达到5L/100km）。第三阶段燃油限值的目标，比第二阶段再下降20%，达到7L/100km。第三阶段燃油限值较为严格，计量标准不同（非单一车型，以车企为整体），第三阶段燃油限值将分步实施。2012年为导入期，允许企业平均燃油消耗量比目标值高9%；2013年，允许企业平均燃油消耗量比目标值高6%；2014年，允许企业平均燃油消耗量比目标值高3%。到2015年全面实行第三阶段燃油消耗限值标准。为了满足第三阶段油耗标准，需采用提高压缩比、排气VVT、电子节温器、选择低摩擦阻力的活塞环和顶柱、重新匹配标定、弱混技术或者增压减排量等技术手段，能够减少油耗18％左右，成本增加2900元左右。第二节柴油车排放污染净化方案一、柴油车的国2和国3标准2001年4月我国起实施相当于欧I、欧Ⅱ法规的《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》(GB17691-2001)。2005年《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)》(GB17691-2005)，对重型柴油机排放进行了法律规范。第Ⅲ阶段将于2007年1月1日、第Ⅳ阶段为2010年1月1日、第V阶段为2012年1月1日起实施。第Ⅳ、第V阶段是预告性要求，将提前12个月重新确认，并对有关内容做必要的补充和修订。(1)排放限值更为严格，修改了排放限值测量方法，针对不同车型或不同控制阶段应用不同的试验工况；(2)增加了在用车符合性检查，增加了新型发动机和汽车型式核准规程。二、柴油车国2和国3应对技术(1)柴油车国2应对技术仍基于传统供油系统，大幅提高喷油压力和速率；采用多孔P型喷油器，改善雾化和燃烧，小排量柴油机采用无压力室喷油器；采用增压中冷技术；部分小排量柴油机采用氧化型催化转化器，降低THC和CO排放。(2)柴油车国3应对技术进一步提高喷油压力，采用高压共轨(或电控机械泵、单体泵、泵喷嘴)等供油系统；增压中冷、多气门和喷油器中央垂直布置；EGR技术、DOC技术三、柴油车国3和国4排放标准(1)基本情况柴油车国4排放标准原定2011年1月1日执行。2010年12月21日，环保部将3.5吨以上柴油车国Ⅳ标准执行时间推迟到2012年1月1日正式实施，2012年3月再次推迟到2013年7月1日。国4阶段轻型柴油车较国3阶段排放指标，CO下降约20%，NOX下降约50%，PM下降约40%。国4阶段重型柴油机较国3阶段排放指标，CO下降约20%，HC下降约30%，NOX下降约30%，PM下降约80%。(2)柴油车的国4应对技术从机外净化角度看，柴油机国4阶段面临的首要问题是降低NOX和PM，因此目前主要路径有两条：改变柴油机控制策略，以增大NOX的原始排放为代价，降低PM原始排放，然后采用SCR后处理系统处理NOX排放，从而达到法规标准。采用EGR技术，控制燃烧温度和含氧量，以增大PM的原始排放为代价，降低NOX原始排放，然后采用DOC、POC、DPF等后处理装置的一种（或某两种后处理装置的组合）处理PM，从而达到法规标准。柴油车国4排放应对技术路径技术方案优点缺点SCR燃油经济性较国Ⅲ发动机提高约5%；对燃油中硫含量不敏感；后续改善空间大，仍可满足国5要求；燃油喷射压力要求相对较低；对机油质量不敏感需要定期补充尿素溶液；对整车装备质量增加较多；装备成本最高；-11℃尿素溶液凝固，北方冬天需要加热。EGR+DOC+DPF装备成本较低PM捕集效率较高排气背压高，燃油经济性较差；对燃油硫含量敏感；对冷却系统要求较高；发动机控制策略需重新标定；燃油消耗较国Ⅲ增大约2%，且若后续升级到国5经济性更差；标定工作量大；后续改善空间小，难以满足国5要求。EGR+DOC+POC装备成本最低排气背压高，燃油经济性较差；对燃油硫含量敏感对冷却系统要求较高；NO2排放量增加，加速时可能产生黑烟，PM过滤效率一般；对冷却系统要求较高；燃油消耗较国Ⅲ增大约2%，且若后续升级到国5经济性更差。重型柴油机国4技术对策对比技术方案优点缺点SCR燃油经济性较国Ⅲ发动机提高约5%对燃油硫含量不敏感后续改善空间大，仍可满足国5要求燃油喷射压力要求相对较低对机油质量不敏感需要定期补充尿素溶液对整车装备质量增加较多装备成本最高-11℃尿素溶液凝固，北方冬天需要加热EGR+DPF微粒转化效率90%以上，高于POC的60%装备成本高对硫含量敏感，硫含量过高容易堵塞催化器EGR+POC装备成本较DPF低NO2排放量增加，微粒物转化效率一般，约60%加速过程有可能产生黑烟EGR+DOC装备成本最低HC，CO转化效率高微粒转化效率低，约为20-30%受燃料含硫量影响较大轻型柴油机国4技术对策对比2014年9月环保部透露正在进行国6排放标准前期研究工作，第六阶段排放标准研究主要涉及道路实际工况调查、燃油蒸发排放控制、高海拔地区特征、油品实际特性等。具体国6排放标准目前尚无消息，但是，是参考欧洲体系还是参考美国体系，目前，正在争论。汽油车的国六应对技术是GDI技术、增压技术、进排气VVT技术以及三效催化器的进一步优化。柴油机国五的应对之策与国4应对之策相同，仍是DPF和SCR路线之争；柴油机国六的应对之策则是需要两者的结合，也就是说SCR和DPF必须都要上。