欧4柴油机技术的原理和应用

欧4柴油机技术的原理和应用2004.12.08.内容提要•排放法规的发展和我们面临的形势•柴油机主要排气污染物的形成条件•各类排气后处理系统的化学热力学原理•排气再循环系统的应用条件•各种技术应用概况和玉柴的技术方案玉柴—最大的内燃机制造基地活动污染源的治理中心ManufactureEngineReduceMovingEmissionSource0500001000001500002000002500001990199520002005年份Year发动机销量EngineSales玉柴发动机的销量和产品微粒排放总量EngineSalesandPMEmission发动机销量Engine微粒排放量PM1994年以来发动机销量增加到3.3倍产品的微粒排放总量没有增加0500001000001500002000002500001990199520002005年份Year发动机销量EngineSales玉柴发动机的销量和产品NOx排放总量EngineSalesandNOxEmission发动机销量EngineNOx排放量1994年以来发动机销量增加到3.3倍产品的NOx排放总量只增加了62%我们面临的形势•北京实现今年62%好天气的目标困难重重•北京2008奥运承诺还有两项没有达标•珠三角及其它都市群出现了光化学烟雾的征兆•1/3城市人口生活在严重污染的空气环境中→排放法规会进一步加严不断严格的排放标准00.10.20.30.402468NOx(g/kWh)PM(g/kWh)欧洲2欧洲5欧洲4欧洲36113欧洲1做发动机将象做钟表一样精确！做发动机将象做钟表一样精确！欧美未来的排放标准00.050.10.15012345NOx(g/kWh)PM(g/kWh)美国2004欧洲5欧洲4欧洲36113美国2007排放指标大跳跃不如严控一致性ProductionControlisImportantthannewEmissionStandard柴油机主要排气污染物的成分•NOx•微粒：–碳烟–HC–硫化合物和水–杂质柴油机主要排气污染物的形成条件ppmNO5001006020碳烟形成压缩终点时未燃混合气30002500200015001000500000,51,01,52,0过量空气系数温度K燃烧混合气碳烟氧化浓冷燃烧排气后处理的化学热力学基本要求•化学平衡点和降低污染的目标吻合•足够的化学反应速度汽油机排气后处理的基本原理•带氧传感器的闭环控制保证化学平衡点•催化器提高化学反应速度•三元催化器(ThreeWayCatalyst)的名称来源：NOx,HC和CO相互反应同时降低柴油机排气后处理的特殊难点•过氧燃烧，排气中几乎没有还原剂（HC、CO很少）•碳烟呈固态柴油机排气后处理的主要技术•氧化催化器•SCR系统•NOX吸附器•微粒捕集器及微粒催化器柴油机的氧化催化器•氧化HC和CO，间接降低微粒排放•对NOx几乎不起作用•结构简单。在轻型车上广泛应用•需要抑制硫酸根的形成（已得到一定程度的解决）柴油机的SCR系统SelectiveCatalyticReduction选择性催化还原SCR催化系统的原理还原反应NO+NO2+2NH3-2N2+3H2O4NO+O2+4NH3-4N2+6H2O2NO2+O2+4NH3-3N2+6H2O4NH3+5O2-4NO+6H2OSCR催化系统的原理尿素的分解NH2CONH2+H2O-2NH3+CO2技术难点：低温结晶柴油机的SCR催化系统•在排气管中喷入尿素作为还原剂•催化器保证化学反应速度及还原反应的选择性•有利于改善油耗•欧洲卡车欧4的主流技术奔驰的SCR催化器柴油机的NOx吸附器原理沿用稀燃汽油机的后处理技术吸附过程：•NO在贵重金属催化下氧化成NO2•NO2储存在碱土金属中再生过程：•过浓或有还原剂•贵重金属催化下NO2还原成N2NO2/NOX的化学平衡曲线00.20.40.60.8105001000温度（CO）NO2/NOXNOx吸附器的NO2转化效率0204060801000200400600800温度（CO）NO2转化率化学平衡曲线转换效率曲线化学反应速度限制化学平衡限制柴油机NOx吸附器的问题•受化学平衡和化学反应速度限制，吸附温度范围比较窄•再生所需的过浓状态很难形成•后喷燃油需要还原反应有较强的选择性•吸附器对硫很敏感柴油机微粒捕集器•机械式过滤器•过滤效率在95%以上•捕集器再生是最大的技术难题轿车柴油机微粒捕集器的再生技术•后喷提高排温•燃油添加剂提高碳烟活性柴油机微粒捕集器的CRT再生技术•前置氧化催化器将NO氧化成NO2•活跃的NO2还原成NO时氧化碳烟CRT微粒捕集器的NO2转化效率0204060801000200400600800温度（CO）NO2转化率化学平衡曲线转换效率曲线化学反应速度限制化学平衡限制柴油机CRT微粒捕集器的问题•受化学平衡和化学反应速度限制，NO2形成温度范围比较窄•氧化催化器对硫很敏感•NOx排放较高–NOX/C8–还原反应不彻底柴油机微粒催化器•氧化还原反应原理同CRT微粒捕集器•问题同CRT微粒捕集器•区别是：开式的微粒捕集器，不需要再生MAN的微粒催化器选用后处理系统所需关注的参数•温度窗口及转换效率•排气阻力•空间速度及体积应用排气再循环系统的条件•NOX排放需要进一步降低•提高增压度以保证功率密度•EGR中冷温度到150OC左右12345678过量空气系数[-]EGR率[-]0.80.60.40.20气缸充量中O2的摩尔分量[-]0.200.190.180.170.160.150.14predicted10*10**inaddition80%externalNOx-ReductionrequiredpredictedV0404IVEGR率、过量空气系数和氧摩尔浓度各公司的技术策略•SCR催化器+尿素(Mercedes-Benz,Volvo,IVECO,DAF，SCANIA的V8)•EGR+微粒催化器(MAN，Navistar)•无排气后处理系统(SCANIA)SCANIA的无排气后处理方案•带中冷的排气再循环系统•高压比增压系统•降外特性的原理•两级涡轮，第二级涡轮通过液压系统和动力输出相连以弥补动力损失（尽管如此，还是少了5%左右）SCANIA的两级废气涡轮TurboComponent发展趋势•欧洲主导技术是SCR技术•鉴于微粒捕集器在轿车上的应用，德国环保部门要求在公交车上使用，但目前技术不成熟。•美国07年要求用微粒捕集器若技术不成功，仍可能接受SCR技术玉柴欧4的两种技术路线00.050.10.1502468NOx(g/kWh)微粒(g/kWh)欧洲2欧洲5欧洲4欧洲3SCR微粒捕集器EGR燃油品质的两个方面•考量燃油品质有两个方面：-对零部件可靠性的影响（如清洁度、含水量等）-对排放的影响（如含硫量等）•即使油品含硫量较高，低排放发动机仍然有其环保效果谢谢大家！用卓越和领先满足公众的动力需求