車用柴油機(jī)排放控制的現(xiàn)狀與問題

車用柴油機(jī)排放控制的現(xiàn)狀與問題

1柴油排放控制面臨的挑戰(zhàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的良好動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在載重車、大、特種車、特種車輛甚至其他車輛中得到了廣泛應(yīng)用。近十幾年來,我國柴油車的保有量持續(xù)以較快的速度增長,但由于多種原因,造成我國柴油車運(yùn)行狀況不佳,污染物排放量大。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,柴油車排放污染成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn),車用柴油機(jī)排放控制面臨前所未有的挑戰(zhàn)。近幾年,國內(nèi)各柴油機(jī)生產(chǎn)廠紛紛投入大量的人力物力開展柴油機(jī)排放控制新技術(shù)的研究和應(yīng)用,大部分新產(chǎn)品已達(dá)到了歐-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。但是,面臨未來更加嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn),必須不斷地對柴油機(jī)排放控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究,才能迎接新的挑戰(zhàn)。2車輛管理排放的特點(diǎn)車用柴油機(jī)尾氣排放的有害物主要有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOX)、顆粒(PM)和二氧化硫(SO2)。與汽油機(jī)相比,車用柴油機(jī)排放污染的特點(diǎn)是CO、HC和NOX排放較低,PM排放較高,排氣中還含有硫化物。從產(chǎn)生的量來看,由于柴油機(jī)燃燒溫度比汽油機(jī)低,NOX排放量比汽油機(jī)少,特別是低負(fù)荷時(shí),柴油機(jī)的NOX排放量更低。但是,由于汽油機(jī)普遍采用了電控汽油噴射和三元催化轉(zhuǎn)化裝置,NOX已經(jīng)控制到了可接受的水平,而當(dāng)前柴油機(jī)NOX排放控制技術(shù)還未達(dá)到汽油機(jī)的水平,因此,柴油機(jī)NOX排放有待改善。3柴油車污染狀況與發(fā)達(dá)國家相比,我國車用柴油機(jī)排放污染控制起步較晚,生產(chǎn)技術(shù)和零配件質(zhì)量與國際水平相比也有較大的差距。雖然柴油車保有量增長速度較快,但是與國外大城市相比,我國重點(diǎn)城市的柴油車保有量并不大,而污染狀況卻比較嚴(yán)重。造成污染嚴(yán)重的原因主要可歸納為以下幾個(gè)方面。3.1輕汽車排放限值的確定,符合我國立法上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)我國于1983年開始陸續(xù)頒布汽車排放標(biāo)準(zhǔn),1994年5月開始實(shí)施,起步較晚。目前已頒布多項(xiàng)汽油車、柴油車排放限值和測量方法標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)是在參考?xì)W洲、美國和日本的排放法規(guī)基礎(chǔ)上制訂的。我國頒布的法規(guī)中,控制輕型汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)GBl8352.1-2001,其排放限值和測試方法相當(dāng)于歐洲20世紀(jì)90年代初實(shí)施的輕型汽車歐-Ⅰ標(biāo)準(zhǔn),GBl8352.2-2001相當(dāng)于歐洲20世紀(jì)90年代中實(shí)施的輕型汽車歐-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。控制重型汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)GBl7691-2001,其排放限值和測試方法相當(dāng)于歐洲發(fā)布實(shí)施的重型汽車歐-Ⅰ(1992年)和歐-Ⅱ(1995年)標(biāo)準(zhǔn)。國家環(huán)保局要求輕型汽車污染物排放于2000年達(dá)到歐-Ⅰ標(biāo)準(zhǔn),于2004年達(dá)到歐-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。我國對于汽車排放的控制計(jì)劃是到2010年與國際排放標(biāo)準(zhǔn)接軌。3.2國外柴油車生產(chǎn)情況目前我國車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)大致相當(dāng)于國外20世紀(jì)90年代的水平,而2000年以前生產(chǎn)的柴油車僅相當(dāng)于國外20世紀(jì)70年代水平。由于柴油機(jī)排放的CO及HC化合物較汽油機(jī)少,加之排放法規(guī)寬松,柴油機(jī)排放控制措施不夠完善,采用排氣凈化裝置的很少,采用電控燃油噴射的柴油機(jī)更少。3.3車輛運(yùn)行狀況雖然公安、交通及環(huán)保等管理部門強(qiáng)制實(shí)行車輛年審和季度檢測等制度,但有的流于形式。在檢測時(shí)想辦法過關(guān),檢測后無人問津,車輛超標(biāo)排放照常運(yùn)行;不參加年審的老舊甚至報(bào)廢車輛時(shí)有出現(xiàn);車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重;車輛維修服務(wù)體系不夠完善,在用車技術(shù)狀況普遍較差;城市配套交通設(shè)施發(fā)展跟不上,車輛運(yùn)行條件較差;燃油市場上的劣質(zhì)柴油、汽配市場上的偽劣配件等等管理措施力度不夠,造成柴油車排放污染嚴(yán)重。3.4新型柴油新技術(shù)的使用,確保車輛良好駕駛維修人員水平是影響車用柴油機(jī)排放污染的重要因素。為了滿足更高的排放標(biāo)準(zhǔn),新型柴油機(jī)采用了更多排放控制技術(shù),如電控技術(shù)、進(jìn)氣增壓、增壓中冷、廢氣再循環(huán)和排氣后處理技術(shù)等,駕駛維修人員必須了解和掌握這些新技術(shù)的使用維修要點(diǎn),使車輛保持良好的技術(shù)狀態(tài),充分發(fā)揮新技術(shù)裝備應(yīng)有的作用。4車輛油耗控制技術(shù)的進(jìn)步目前采用的排放控制技術(shù)主要包括燃料、燃燒和排氣后處理三個(gè)方面。具體控制技術(shù)、控制對象和實(shí)施方法見下表:4.1柴油調(diào)空氣調(diào)節(jié)的必要性燃油的品質(zhì)對柴油機(jī)排放影響極大,增加柴油的十六烷值能有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣PM、CO和NOX排放;降低燃油中S的含量,可降低13%～22%的顆粒排放;減少燃油中的芳香烴成分可以減少NOX排放。燃油改質(zhì)應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行。(1)降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中,柴油中的硫約有98%轉(zhuǎn)化為SO2,其余成為硫酸鹽顆粒,部分SO2被進(jìn)一步氧化并與燃燒過程中生成的H20結(jié)合,形成硫酸鹽,增加了顆粒的排放量。當(dāng)燃料中的S從0.12%下降到0.05%時(shí),顆粒排放量將減少8%～10%,但進(jìn)一步減少S含量對顆粒的排放量不再有影響。(2)減少燃油中的芳香烴成分。(3)根據(jù)燃油的溜程合理提高燃油的十六烷值。(4)進(jìn)行柴油的乳化處理。在柴油中加入適當(dāng)?shù)娜榛瘎?通過燃料中的水汽化來降低氣缸溫度和燃燒溫度,減少NOX的排放;另外,乳化燃料中的水分子迅速汽化、膨脹,促進(jìn)了燃料與空氣的迅速混合,加速了燃燒,減少了氣缸內(nèi)的激冷層,有利于減少HC的生成。(5)在柴油中摻燒消煙添加劑。將金屬鋇、鎂、鋅等溶性堿化鹽或中性鹽中作為消煙添加劑,通過促進(jìn)碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒,消除噴油嘴頭部的積炭,可減少30%～50%碳煙顆粒排放。4.2在發(fā)動(dòng)機(jī)上的凈化柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的核心是對燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化,使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、起動(dòng)可靠、排放較少的要求。(1)高壓噴射系統(tǒng)提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低顆粒中碳的排放。為了避免高壓噴射導(dǎo)致NOX的增加,要求適當(dāng)降低空氣渦流運(yùn)動(dòng)、提高壓縮比和可變定時(shí)燃油噴射與其相適應(yīng),以達(dá)到控制顆粒和NOX排放的目的。高壓噴射系統(tǒng)需要和燃燒室良好匹配,有效避免過多的燃油噴射到氣缸壁冷表面上,減少HC和顆粒中有機(jī)可溶物SOF排放;同時(shí)減少噴嘴壓力室容積或采用無壓力室噴油嘴能使顆粒和HC排放大量減少;通過燃油噴射率的優(yōu)化,如采用雙彈簧噴油器,可降低顆粒和NOX的排放。(2)減少尾氣排放物改進(jìn)燃燒系統(tǒng)指的是燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的最佳匹配。應(yīng)保證在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況范圍內(nèi),燃油在燃燒室中均勻分布,有合適的氣體流動(dòng),有合理的噴油規(guī)律和噴油定時(shí)。采用電控噴油泵、電控泵-噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門和中央配置噴油器等措施既可改善柴油機(jī)性能,又可降低柴油機(jī)尾氣排放物,尤其是顆粒的排放。改進(jìn)燃燒系統(tǒng)的具體措施包括進(jìn)氣旋流的優(yōu)化,在高壓噴射的情況下采用低渦流比有利于減少顆粒排放。采用可變渦流進(jìn)氣技術(shù)可使運(yùn)行中的渦流比在0.2～0.5之間變化,使發(fā)動(dòng)機(jī)性能及顆粒排放特性在整個(gè)范圍內(nèi)得到優(yōu)化;采用四氣門技術(shù),使活塞頂部的燃燒凹坑和缸蓋上的噴油嘴布置在燃燒室中央,改善進(jìn)氣渦流和油霧分布,使燃燒狀況明顯優(yōu)化,同時(shí)也改善活塞和噴嘴的冷卻條件,減少顆粒排放;采用陶瓷材料,用陶瓷材料制成的燃燒室、活塞頂和缸套可以提高燃燒室的絕熱效果,用陶瓷材料制造氣門搖臂等運(yùn)動(dòng)部件,可減少摩擦阻力、降低機(jī)油耗,從而減少顆粒排放;采用分隔式燃燒室(渦流室式和預(yù)燃室燃燒室),可以改善燃燒室內(nèi)燃油和空氣分布,使燃油空氣充分混合,有效地減少顆粒和HC排放,減少滯燃期內(nèi)與空氣混合的燃油量,防止柴油機(jī)工作粗暴。分隔式燃燒室比同規(guī)格的直噴式燃燒室NOX的排放低1/3～1/2。(3)減少竄機(jī)動(dòng)的措施由于柴油機(jī)排放顆粒狀物質(zhì)(如藍(lán)煙),其中一部分是來自竄入燃燒室的機(jī)油燃燒造成的,所以應(yīng)盡可能地減少竄機(jī)油量,通過加強(qiáng)機(jī)體剛度、改善氣缸蓋與機(jī)體的連接、減少氣缸工作面的變形;改善活塞、活塞環(huán)和氣缸表面的設(shè)計(jì)、加強(qiáng)機(jī)油控制、減少從氣門推桿泄漏機(jī)油等措施來實(shí)現(xiàn)。(4)降低柴油顆粒物質(zhì)的排放量,減少co和hc廢氣渦輪增壓提高了平均有效壓力、過量空氣系數(shù)和整個(gè)循環(huán)的平均溫度,可使柴油機(jī)顆粒物質(zhì)的排放量降低50%左右,并減少了CO和HC的排放。所以采用增壓中冷是降低車用柴油機(jī)尾氣排放物的有效措施之一。(5)高壓共軌噴射柴油機(jī)電控技術(shù)已從第一代的位置控制、第二代的時(shí)間控制發(fā)展到目前的共軌式電控高壓噴射。電子控制柴油機(jī)高壓噴射技術(shù)(如電控高壓共軌噴射)的應(yīng)用可使柴油機(jī)通過最佳噴油定時(shí)、最佳噴油速率和預(yù)噴射與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),使顆粒排放降低40%以上,并且發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況的排放性能也得到顯著改善。電控高壓噴射控制對噴油規(guī)律進(jìn)行控制,能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)最佳噴油,同時(shí)通過控制預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒的比例,降低有害排放和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比,有利于實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)外凈化措施。(6)不同工況、不同工況、不同工況、不同工況下排放和經(jīng)濟(jì)性的改善方法柴油機(jī)采用可變技術(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的性能都較為理想,使不同工況下排放和經(jīng)濟(jì)性都得到改善。可變技術(shù)包括噴油定時(shí)的可變控制、可變渦流控制和增壓系統(tǒng)的可變控制,這些措施的合理使用可使HC和顆粒排放減少近35%。4.3發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力準(zhǔn)備技術(shù)(1)減少柴油排氣排放柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器中使用的氧化催化劑鉑(Pt),主要目的是降低顆粒排放。盡管由于柴油機(jī)排氣溫度較低,使得顆粒中的碳煙難以氧化,但顆粒中的可溶性有機(jī)成分可以得到催化氧化,最終獲得降低顆粒排放的效果。同時(shí)HC和CO排放量進(jìn)一步降低。(2)顆粒捕集器的再生其碳質(zhì)材料有以下幾種主要特點(diǎn)顆粒捕集器的主體是過濾介質(zhì)即濾芯。濾芯是決定過濾器過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術(shù)的使用和再生效果的關(guān)鍵。濾芯應(yīng)滿足的性能要求:①具有較高的過濾效率和大的過濾面積;②耐熱沖擊性好,具有較強(qiáng)的機(jī)械性能指標(biāo),熱穩(wěn)定性好,能承受較高的熱負(fù)荷;③具有較小的熱膨脹系數(shù);④通過性好,流通阻力小;⑤在外形尺寸相同的情況下,背壓小,背壓增長率低,適應(yīng)再生能力強(qiáng);⑥質(zhì)量輕。目前,最常用的過濾材料為堇青石(其主要成分為MgO、Al2O3、SiO2)和碳化硅晶體SiC。顆粒捕集器對碳的過濾效率較高,可達(dá)到60%～90%。在過濾過程中,顆粒捕集在過濾器內(nèi)會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高,當(dāng)排氣背壓達(dá)到16～20kPa時(shí),柴油機(jī)性能開始惡化,因此必須定期除去顆粒,使過濾器恢復(fù)到原來的工作狀態(tài),即過濾器再生。柴油機(jī)顆粒捕集器的再生方式可分為“被動(dòng)”再生和“主動(dòng)”再生:“被動(dòng)”方式即為催化再生,是在過濾器載體上浸漬催化劑或在燃油加入添加劑來降低顆粒的氧化反應(yīng)的活化能,降低碳粒的起燃溫度實(shí)現(xiàn)顆粒捕集器的再生;“主動(dòng)”再生方式又稱為“熱再生”,即外加能量(熱能)的再生方式,利用外部熱源使積存在過濾體內(nèi)的顆粒升溫、自燃,以減少過濾體內(nèi)的顆粒。根據(jù)外加能量的形式分為:全負(fù)荷再生、噴油助燃再生、電加熱再生、電自加熱再生和微波再生等。另外還有節(jié)流再生、逆向噴氣再生、振動(dòng)再生等幾種非加熱再生方式。(3)還原催化劑的應(yīng)用三元催化劑早已在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了普遍的應(yīng)用,但在車用柴油機(jī)上卻無法應(yīng)用,而針對車用柴油機(jī)開發(fā)的還原催化劑是一項(xiàng)難度很大的研究工作,尚未達(dá)到實(shí)用階段。目前研究開發(fā)中的柴油機(jī)NOX后處理方法有四種:選擇非催化還原、選擇催化還原、非選擇催化還原和吸附還原催化劑。(4)nox催化劑三元催化劑中CO、HC和NOX互為氧化劑和還原劑,如果能使顆粒和NOX也互為氧化劑和還原劑,則有可能在同一催化床上同時(shí)除去CO、HC、PM和NOX,實(shí)現(xiàn)一種柴油車用“四效催化劑”,這將是一種最理想的柴油機(jī)廢氣凈化方法。近年來,對這種四效催化劑的研究已經(jīng)開始。4.4高壓噴射柴油(1)柴油機(jī)噴油延遲,以便更好地控制燃油在適宜的時(shí)刻噴入燃燒室并充分混合和燃燒。(2)燃燒室結(jié)構(gòu)改進(jìn),可改善氣體流動(dòng),使燃油得到更充分的燃燒。(3)噴油器結(jié)構(gòu)改進(jìn),提高燃油噴射系統(tǒng)的壓力和精確性,使燃油能充分燃燒。噴油泵、噴油器的材料和工作過程都得到改進(jìn)。(4)采用電子控制,使噴油時(shí)間更加精確。(5)采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。隨著電控高壓噴射柴油機(jī)的迅速發(fā)展,目前第三代共軌式電子控制高壓噴射柴油機(jī),如大眾公司生產(chǎn)的的3升Lupo采用電控高壓共軌噴射加增壓中冷技術(shù)的TDI發(fā)動(dòng)機(jī),百公里油耗僅為2.997L,尾氣排放達(dá)到了歐洲目前最為嚴(yán)格的“歐-Ⅳ”排放標(biāo)準(zhǔn)。(6)采用變噴嘴渦輪(VNT),發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下,對渦輪的流量要求是不同的。Garrett公司的變噴嘴渦輪技術(shù)可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的要求:發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和低速時(shí),噴嘴葉片關(guān)閉或開度很小,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩,改善了響應(yīng)性;發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),噴嘴葉片全開或開度很大,保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得所需要的空氣和動(dòng)力。一般的可變噴嘴結(jié)構(gòu)控制裝置是氣動(dòng)的,為了提高響應(yīng)性和控制的精確度,Garrett開發(fā)了液壓控制的AVNT技術(shù)。(7)廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR),通過將冷卻后的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再次送回燃燒室中燃燒,減少氮氧化物生成。當(dāng)廢氣與新鮮空氣和燃油混合后,峰值燃燒溫度被降低了,從而降低了氮氧化物的排放,但是引起顆粒物和碳?xì)浠衔锱欧旁黾?。所以廢氣循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)與顆粒物捕集器配合使