柴油機排放標準

1、柴油機滿足國山、國W所采取的技術措施摘要 :對柴油機而言，達到國川排放標準，最難的是降低顆粒和氮氧化物的排放，降 低顆粒的途徑有兩種： 一是提高燃油系統(tǒng)的噴射壓力， 二是降低發(fā)動機機油消耗。 對于氮氧 化物，最有效的辦法就是減少燃燒過程中的氧含量和降低燃燒溫度。 根據(jù)這些途徑有以下措 施。國W是在國川的基礎上增加了車載診斷系統(tǒng)(OBD、排放控制裝置的耐久性要求、微粒捕集器、采用更高一代的共軌壓力等。關鍵詞 :國川國W排放標準一滿足國山標準柴油機所采取技術措施1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)近幾年來 ,各種不同的要求 (如在小型廂式送車和客車上安裝直噴發(fā)動機)促進了各種柴直噴系統(tǒng)的發(fā)展 ,在這些噴射系統(tǒng)

2、的開發(fā)中均瞄準了特殊用途的要求,著重點不僅僅是增加了率而且也是適應減少燃油消耗、降低噪聲和減少排放的要求,與傳統(tǒng)的凸輪驅動系統(tǒng)相比 ,共軌噴油系統(tǒng)與柴油機的匹配方面表現(xiàn)出更好的適應性。 共軌式噴油系統(tǒng)于 20 世紀 90 年代中后 期才正式進入實用化階段。高壓共軌系統(tǒng)可實現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的功能,壓力產(chǎn)生與燃油噴射完全消除了彼此間的相互影響。 噴油壓力的產(chǎn)生不依賴于發(fā)動機轉速與噴油量 燃油在高壓下貯存于高壓蓄油器 (軌道 )中準備噴油 ,噴油量由司機確定 ,噴油始點與噴油壓力 由ECU(電子控制單元)根據(jù)已貯存的圖譜計算出來，ECU觸發(fā)電磁閥，每缸的噴油器可相應地 噴射燃油。其優(yōu)點主要

3、有 :(1) 共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調 ，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機綜合性能。可獨立地柔性控制噴油正時 ，配合高的噴射壓力(120200 MPa),可同時控制 NOx和微粒 (PM)的排放，以滿足排放法規(guī)要求。(3) 柔性控制噴油速率變化 ，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律 ，容易實現(xiàn)預噴射和多次噴射 ，既可降低柴油機 NOx 排放，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟性。(4) 由電磁閥控制噴油 ，其控制精度較高 ，高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機運轉范圍內 ，循環(huán)噴油量變動小 ，各缸供油不均勻可得到改善 ，從而減輕柴油機的振動 和降低 NOx 排放。但是 NOx 排放

4、降低的同時會使得發(fā)動機生成更多的煙炱 ，煙炱一旦進入 油底殼中 ，就很快與機油混合并隨著機油一起在發(fā)動機中進行循環(huán)，造成對油品性能的損害而影響發(fā)動機的正常運轉 ，縮短發(fā)動機的壽命。而解決由煙炱所引起的問題基本上是由潤滑油 來解決 ，因此隨著高壓共軌系統(tǒng)的廣泛應用 ，相應的潤滑油開發(fā)工作也應同時進行。2 采用增壓中冷技術不但可顯著提高發(fā)動機平均有效壓力， 降低排放和噪聲， 并能有效地提高燃油經(jīng)濟性， 這 一技術已應用到中、小缸徑的柴油機中。目前，美國 15t 以上柴油機貨車 1 00%采用渦輪增 壓，歐洲約 70%，日本 80 年代后也大量采用渦輪增壓。增壓中冷技術是滿足 1994 年美國 排放

5、法規(guī)的重要機內凈化措施之一。3 電子控制技術電子控制技術的應用可使柴油機排放控制與燃油經(jīng)濟性之間的矛盾得到有效的調和，通 過按最佳噴油定時與發(fā)動機轉速、 負荷之間的關系連續(xù)調節(jié)噴油定時， 使排放與經(jīng)濟性和發(fā) 動機運行工況良好匹配。利用電控技術可使顆粒排放降低40%以上，并且發(fā)動機過渡工況的排放性能也可顯著改善。 電控噴射可對噴油規(guī)律進行控制， 根據(jù)發(fā)動機運行工況實現(xiàn)最佳 噴油，同時通過控制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和改善其他性能。 通過電控噴油系統(tǒng)和可變幾何尺寸渦輪相連， 可控制發(fā)動機的空燃比， 有利于實現(xiàn)有效的機 外凈化措施， 所以未來的電控技術將是對發(fā)動機的全面控制，

6、以達到發(fā)動機工作過程的最佳 匹配。4 廢氣再循環(huán) (EGR)廢氣再循環(huán) (EGR) 可有效地控制 NOx 排放量。這一技術由于減少了進氣充量中含氧量,廢氣的熱容量增加而使最高燃燒溫度 TZ 下降 ,所以只有在部分負荷或空燃比足夠大的工況下 采用，以不使HC和PM排放量明顯增加。EGR技術的關鍵應使 NOx在最大程度降低情況下， 又不影響柴油機經(jīng)濟性和 HC 與 PM 排放。 采用有效的調整裝置來優(yōu)化柴油機整個工作范圍 內的廢氣再循環(huán)量 ，電控技術可有效地解決這一矛盾，和增壓中冷技術的結合使用 ，可提高發(fā)動機的整機性能。二 滿足國山標準柴油機所采取技術措施國W是在國川的基礎上增加了車載診斷系統(tǒng)(

7、OBD、排放控制裝置的耐久性要求、微粒捕集器、采用更高一代的共軌壓力等。1 車載診斷 (OBD) 系統(tǒng)診斷 (OBD) 系統(tǒng)。 OBD 是英文“ On Board Diagnostics ”的縮寫 ，中文翻譯“為車載自診斷 系統(tǒng)”。 OBD 是國際上在用車排放治理中最有效的手段， 這個系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機的運行狀況隨 監(jiān)控汽車尾氣是否超標 ，一旦超標馬上發(fā)出警示。 簡單地講 ，OBD 就是監(jiān)測所有與排放有關的 車輛系統(tǒng)和零部件的工作情況 ，其中包括：排氣催化轉化器的工作效能 ；入傳感器的失效或輸 出信號減小 ;點火系統(tǒng)故障 ;燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)控制電路 ;燃油噴射系統(tǒng)控制電路 ;其它與 排放有關的

8、車輛部件的損壞或失效 (排放超出限值 )情況等。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時 ，故障燈 (MIL) 或檢查發(fā)動機警告燈(CHECKENGINE)點亮，同時動力總成控制模塊 (PCM)將故障信息存入 存儲器。通過一定的程序 ，可以將故障碼從 PCM 中讀出。根據(jù)故障碼的提示 ，維修人員能迅 速準確地確定故障的部位和性質 ，以便有效地對故障進行修復2 顆粒過濾及再生技術顆粒過濾及再生系統(tǒng)由兩部分組成， 即顆粒過濾器和再生裝置， 顆粒過濾器通過其中有極 小孔隙的過濾介質 (濾芯)捕集柴油機排氣中的顆粒， 其中絕大部分是固態(tài)碳粒和吸附了可溶 性有機成分的碳煙。一般對碳的過濾效率較高，可達到60%一 90%。濾芯應

9、滿足較的性能指標 ：(1) 具有較高的過濾效率。(2) 耐熱沖擊性好，具有較強的機械性能指標。(3) 熱穩(wěn)定性好，能承受很高的熱負荷。(4) 通過特性好，流通阻力小，同時它還要適應再生方法的要求。目前，最常使用的過濾材 料為荃青石， 它具有一定的機械強度和較好的抗熱沖擊能力， 熱脹系數(shù)小， 但它的弱點是耐高溫能力不足，一般不超過 12加C,導熱系數(shù)小，在再生時，內部燃燒的熱量不易傳出， 致使濾芯燒融或破裂。近年來，出現(xiàn)了一些新的濾芯材料應用到柴油機粒過濾器中，如SIC是一種比較好的新型過濾材料， 它和荃青石相比孔徑更均勻， 并具有流通性好、 過濾效率高、 耐高溫（超過1600C ）、通用性好等

10、特點，為解決再生系統(tǒng)復雜化及再生難的問題提供了廣闊 的前景。在濾芯結構的設計中， 再生方式即外加能量的再生方式， 主要有噴油助燃再生、電 加熱再生、 逆向噴氣凈化再生、 電自加熱再生和微波再生等幾種形式。 噴油助燃再生是適時 地向過濾器上游空間噴人一定量的燃油和供給一定的空氣，然后點燃噴人的燃油， 使顆粒著火燃燒。電加熱再生則是利用電能加熱空氣或廢氣，使顆粒著火燃燒，近年來，提出一種逆向再生技術， 即將電加器安裝在過濾器出口側， 使顆粒更易著火燃燒及火焰?zhèn)鞑?，降低過濾器的熱負荷。 逆向噴氣凈化再生是在再生時， 將壓縮空氣從過濾體出口高速噴人，將顆粒從過濾體表面清除， 落人顆粒漏斗中， 由電加熱

11、器加熱燒凈， 電自加熱是利用高導電性的結晶 siC 作為過濾材料，再生時直接將過濾體作為加熱元件通電加熱，使顆粒燃燒。微波再生則 是利用微波所獨具選擇加熱及體積加熱特性， 對過濾體的顆粒對微波具有極強吸收能力以及 過濾體本身進行加熱， 使顆粒迅燃燒。 這些再生方式在實現(xiàn)過程中又可分為旁通再生和全流 再生， 旁通再生是在再生過程中， 發(fā)動機排氣不經(jīng)過過濾器而直接排出機外， 避免廢氣對再 生時火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生影響， 有利于過濾體內顆粒的氧化燃燒。 再生方式的選擇根據(jù)柴油機運行 工況和濾芯材料及結構來確定。3 氧化催化器柴油機氧化催化器的工作原理與汽油機排放控制原理相似， 它主要用于消除排氣中的可燃 氣

12、體和可溶性有機組分，如 HC、CO和顆粒中的SOF。實踐證明，這是一種有效的機外凈 化措施。 為燃用含硫量為 0.3%（質量）的燃油而開發(fā)的幾種低活性氧化催化器，分別能使 HC、和顆粒減少 40%一 50%、 50%一 70%和加 %一 40%。在重型柴油機燃用含硫量為 0.01% 的燃油，使用貴金屬鉑為催化劑的氧化催化器，使 HC 減少 70%，顆粒減少 27%，其中的 多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴都有明顯減少，而對NO:和顆粒中的固態(tài)碳粒排放幾乎無影響，對于 HC 轉化效率較高的氧化催化器還可有效地減少排氣的臭味。但是氧化催化器的缺點是會將排氣中的陽 2氧化為 503，生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒

13、，額外增加顆粒物質排放量。所 以，柴油機氧化催化器一般適用含硫量較低的柴油燃料的柴油機。氧化催化器的催化劑一般由稀有鉑R、把Pd等貴金屬組成，并浸在氧化鋁和二氧化硅等高度表面載體上。催化劑及 載體、發(fā)動機運行工況、發(fā)動機特性、燃油的含硫量、廢氣的流速和內燃機工程第18 卷第3 期催化轉換器的大小以及廢氣流人轉換器的進口溫度等對氧化催化器的轉換效率有明顯 影響，這些參數(shù)的選擇是使 HC、CO和SOF轉換效率盡量高，而使 S氧化率盡量低之間的 折衷。解決這一矛盾的辦法是燃用低硫油和對催化器的優(yōu)化設計。關于催化劑及載體的選擇應該根據(jù)發(fā)動機運行特點來確定，選用活性高的催化劑，HC 和 CO 氧化效率提

14、高，但對于排溫大于500C的工況，即使燃用無硫的燃油， 由于潤滑油中含有硫，SO2的氧化率仍很高， 仍會使顆粒排放量增加困。降低催化劑的活性或在催化劑中加人抑制劑，會使HC 和 CO 氧化的有效溫度提高，同時也使S的氧化溫度提高，由于氧化的有效溫度比 HC和CO的有效 氧化溫度高，這樣在發(fā)動機排溫范圍內，可有效抑制SO2的氧化但又能有效氧化 HC和CO , 使其排放得到明顯降低。所以，開發(fā)使 HC 和 CO 高效氧化而又能抑制 SO2 的氧化是未來 催化氧化器研究的重要課題。 柴油機的排放成分比較復雜， 其中含有潤滑油和燃油添加劑的 非可燃沉積物以及由排氣中 S 形成的雜質，會縮短催化劑的使用壽命。這可通過開發(fā)高純 度潤滑油、 改進載體的表面化學特性、 微孔結構、 表面面積以及定期再生