重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

重型車用柴油排放法規(guī)發(fā)展趨勢(shì)重型車輛的使用在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重型重環(huán)保車的擁有量急劇增加。與此同時(shí)，排放對(duì)環(huán)境的影響也越來越嚴(yán)重。為減輕環(huán)境壓力,控制柴油機(jī)排放刻不容緩,為此各國(guó)都制定了更加嚴(yán)格的排放法規(guī),排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格也推動(dòng)著柴油機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展。本文對(duì)當(dāng)前重型車用柴油機(jī)國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要分析,討論了為滿足未來排放要求,所采用的柴油機(jī)兩種主要技術(shù)路線的不同特點(diǎn);結(jié)合我國(guó)油品分析,指出SCR將是我國(guó)未來主要技術(shù)路線。1國(guó)內(nèi)外關(guān)于車輛排放的法律法規(guī)和趨勢(shì)為減輕重型車用柴油機(jī)對(duì)大氣環(huán)境的污染,保護(hù)環(huán)境,柴油機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格,歐美及我國(guó)重型車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)比較如下。1.1歐洲重型車輛的燃油排放規(guī)則(續(xù)表)1.2美國(guó)重型車輛的燃油排放規(guī)則EPA1988-2003EPA2004-2006EPA2007-20101.3中外排放法規(guī)對(duì)比通過歐美及我國(guó)排放法規(guī)演變可知,隨著更嚴(yán)格的排放法規(guī)的實(shí)施,歐美排放法規(guī)趨于一致,我國(guó)排放法規(guī)基本借鑒歐洲法規(guī),目前落后于歐洲法規(guī)5~10年,但是差距在逐漸縮小。日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)推動(dòng)著柴油機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展,從歐Ⅲ開始燃油電控技術(shù)普遍采用,電子燃油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的又一重大變革。2與后處理相結(jié)合,以scr、dpf為主流的燃燒電控柴油機(jī)排放主要污染物是NOx及PM,排放法規(guī)及柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展也主要以降低NOx及PM為重點(diǎn)。對(duì)于日益嚴(yán)格的國(guó)IV/V排放法規(guī),僅靠機(jī)內(nèi)凈化已不能滿足排放要求,必須對(duì)排氣進(jìn)行機(jī)外凈化處理。考慮技術(shù)發(fā)展的繼承性,為滿足未來國(guó)IV/V排放,必須將現(xiàn)有燃油電控(EFIS)與后處理相結(jié)合。EFIS主要包括CRS(包括ACRS、XPCRS)、EUIS、EUPS,后處理主要有SCR、DPF(或POC)。二者結(jié)合主要有兩種技術(shù)路線,一種是EFIS+SCR,簡(jiǎn)稱SCR路線;另一種是EFIS+EGR+DPF(或POC),簡(jiǎn)稱EGR路線。這兩種路線在國(guó)際上被廣泛采用,美國(guó)以EGR為主流路線,歐洲以SCR為主流。原因?yàn)橐环矫鎻腘Ox及PM限值比較,美國(guó)對(duì)顆粒排放限制較嚴(yán),而歐洲對(duì)NOx限制更嚴(yán);另一方面美國(guó)燃油價(jià)格比歐洲低,用戶對(duì)價(jià)格不敏感,SCR路線則帶來更高的初始附加成本。另外,EPA2007規(guī)定新車后處理裝置要滿足15萬英里無維護(hù)的要求,但SCR每隔3000~5000英里需要加注尿素,因此采用此技術(shù)路線需向EPA提出特別申請(qǐng)。2.1scr系統(tǒng)及還原劑排放SCR原理圖如圖1所示。這一技術(shù)方案主要是通過電控燃油高壓噴射及正時(shí),優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過程,以提高缸內(nèi)NOx為代價(jià),將PM控制在排放范圍內(nèi),再通過機(jī)外排氣后處理即通過SCR裝置,將NOx排放降至排放標(biāo)準(zhǔn)范圍,排氣中NOx以NO為主,約占90%。SCR工作原理是通過劑量控制單元向排氣管中噴射一定量尿素作為還原劑,還原劑在排氣高溫下水解產(chǎn)生NH3,然后與廢氣中的NOx反應(yīng),進(jìn)一步生產(chǎn)N2和H2O。SCR包括尿素供應(yīng)系統(tǒng)、尿素噴射及控制系統(tǒng)(DCU)、催化劑系統(tǒng)(SCR箱)三部分。由于需加裝SCR箱及尿素儲(chǔ)存裝置,系統(tǒng)更復(fù)雜,初始成本比EGR路線更高,也使排氣系統(tǒng)尺寸及整車質(zhì)量增大。采用SCR路線時(shí),通過缸內(nèi)燃燒優(yōu)化,燃料中的硫只要少部分轉(zhuǎn)換為微粒(約1.5%),即使燃油含硫量較高(最高350ppm),顆粒排放仍可控制在國(guó)IV/V排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),不會(huì)因燃油含硫造成催化劑中毒,可使用國(guó)III柴油達(dá)到國(guó)IV/V排放。SCR采用的還原劑是符合DIN70070標(biāo)準(zhǔn)、濃度為32.5%(±0.5%)的尿素溶液,在歐洲注冊(cè)商標(biāo)為“AdBlue”。AdBlue無毒、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn),但稍有腐蝕性,需用特殊儲(chǔ)存容器。在溫度較低(-11℃)時(shí),為防止結(jié)冰可通過添加劑提高溶液冰點(diǎn)或采用加熱裝置,尿素消耗約為燃油消耗量的3%~6%。SCR路線雖有尿素消耗,但其價(jià)格較柴油低(約低50%),噴油壓力提高和噴油正時(shí)優(yōu)化又使油耗進(jìn)一步降低5%~7%,所以相應(yīng)柴油機(jī)綜合油耗比原國(guó)III機(jī)降低3%~5%。SCR路線對(duì)燃油硫含量要求較低,適合近期我國(guó)油品現(xiàn)狀,但需增加基礎(chǔ)設(shè)施保證尿素供應(yīng),另外也要控制排氣中NH3的泄漏,需加裝NH3催化反應(yīng)裝置以避免造成二次污染。2.2再生技術(shù)要點(diǎn)EGR+DPF(DOC)裝置原理圖如圖2所示。EGR方案主要是通過降低缸內(nèi)氧氣濃度及燃燒溫度,以控制缸內(nèi)NOx排放,但會(huì)造成PM排放超標(biāo),所以再通過機(jī)外后處理即通過DPF(或POC)裝置,將PM排放降至排放范圍。EGR是將高溫排氣通過再循環(huán)冷卻器冷卻后,在進(jìn)氣管與空氣混合后進(jìn)入缸內(nèi),廢氣同時(shí)降低缸內(nèi)氧氣濃度及燃燒最高溫度,從而抑制NOx生成。EGR路線要求噴油壓力更高,以在降低NOx排放的同時(shí)減少PM排放。由于EGR及DPF裝置造成背壓更高,為防止DPF堵塞進(jìn)行的主動(dòng)再生也需消耗一定燃油,所以EGR路線經(jīng)濟(jì)性稍差,與國(guó)III比較,油耗提高2%~3%。采用EGR路線時(shí),DPF裝置有通透式和壁流式兩種,后者有更高的過濾效率。為避免DPF裝置堵塞,須采用再生策略,主要有被動(dòng)再生和主動(dòng)再生兩種。被動(dòng)再生是通過使微粒在柴油機(jī)正常工作條件下燃燒消除微粒,但低負(fù)荷時(shí)排氣溫度較低,再生效率低,影響再生效果,DPF裝置長(zhǎng)期使用會(huì)堵塞,需定期拆下維護(hù)或更換?？赏ㄟ^使用燃油添加劑(通常為金屬化合物)或在DPF裝置前增加催化氧化裝置(POC),提高微粒反應(yīng)活性,降低著火溫度,提高再生效率,但金屬燃油添加劑可能造成二次污染。單獨(dú)的POC裝置效率較低,但國(guó)IV階段,單獨(dú)采用也可達(dá)到微粒排放要求。主動(dòng)再生是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣背壓,在背壓超過設(shè)定值(一般大于0.2bar)時(shí),ECU啟動(dòng)再生裝置,向排氣中噴射燃油,通過點(diǎn)火或燃油自燃,提高排氣溫度使微粒燃燒而除去。為降低EGR及噴油再生時(shí)(主要)導(dǎo)致的HC排放增加,一般前置DOC裝置,DOC裝置由涂催化劑(通常是貴金屬如Pt)的載體組成。POC/DOC裝置不會(huì)造成二次污染,但貴金屬涂層不僅降低HC,也會(huì)使燃料中的硫轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}顆粒覆蓋涂層,導(dǎo)致催化劑中毒實(shí)效,所以要嚴(yán)格控制燃油含硫量,國(guó)IV排放要求低于50ppm,國(guó)V排放要求低于20ppm。EGR路線對(duì)燃油油品要求雖高,但目前歐洲車用柴油含硫量是10ppm,美國(guó)車用柴油含硫量是15ppm,都滿足使用要求,所以歐美都存在SCR與EGR兩種路線,只是根據(jù)國(guó)情不同,分別是SCR或EGR占優(yōu)勢(shì)。采用EGR路線時(shí),對(duì)歐IV排放,EGR率一般控制在15%以內(nèi);對(duì)歐V排放,EGR率要提高,一般控制在25%以內(nèi)。采用EGR路線時(shí),為冷卻再循環(huán)排氣,需增加EGR冷卻裝置,與國(guó)III相比,要求柴油機(jī)冷卻能力提高30%~50%,需加大柴油機(jī)冷卻器尺寸以滿足冷卻要求,這可能導(dǎo)致柴油機(jī)體積增大,影響安裝,但整車質(zhì)量增加不多。表1對(duì)兩種不同技術(shù)路線進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較。以上對(duì)國(guó)IV/V兩種路線特點(diǎn)作了分析比較,我國(guó)排放滯后于歐美,以上兩種路線也是更嚴(yán)格的歐VI及EPA2010法規(guī)的主要路線。對(duì)于歐VI及EPA2010以后更嚴(yán)格的排放法規(guī),具體技術(shù)路線尚不明確。從技術(shù)及法規(guī)發(fā)展考慮,既要進(jìn)一步提高柴油品質(zhì)以及研究缸內(nèi)燃燒新方案如HCCI等,以上技術(shù)方案也可能要綜合采用。3研究發(fā)現(xiàn)了在電控燃油系統(tǒng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)各主要公司主要采用CRS(康明斯、濰柴、錫柴、玉柴、上柴)、EUPS(大柴、玉柴)、電控泵噴嘴(EUIS,陜汽康明斯)及電控直列泵(EIL)+EGR(重汽)滿足國(guó)III排放。上述國(guó)III路線中,CRS及EUPS柴油機(jī)都可通過技術(shù)升級(jí)滿足國(guó)IV、國(guó)V排放,但EIL+EGR不具備國(guó)IV/V升級(jí)潛力,技術(shù)缺乏繼承性。截至目前,國(guó)內(nèi)滿足國(guó)IV/V排放的產(chǎn)品都是在國(guó)III路線基礎(chǔ)上采用SCR方案。目前歐美實(shí)行更嚴(yán)格的排放法規(guī),為滿足歐V/VI排放及EPA2007-2010排放,歐美SCR及EGR兩種技術(shù)路線都有采用,其中歐洲以SCR為主,美國(guó)以EGR為主。歐洲采用SCR路線的主要有:Renault、Benz、Volvo、Fiat(Iveco)、DAF,MAN及Scania公司則SCR及EGR兩種路線并存。美國(guó)Navistar、JohnDeere公司采用EGR路線;Caterpillar公司ACERT方案實(shí)際也是EGR路線;Commins、DDC公司兩種路線并存,Commins公司SCR方案用于10L以下柴油機(jī),10L以上產(chǎn)品采用EGR方案。兩種路線比較,SCR路線整機(jī)初始成本提高,但油耗更低,在使用期間可彌補(bǔ)高成本缺陷,所以長(zhǎng)途載重車上普遍采用。短途運(yùn)輸對(duì)油耗不敏感,EGR方案的初始較成本以及部分城市公交強(qiáng)制加裝DPF的要求使后兩者更傾向于選擇EGR路線,表3、4對(duì)歐美不同技術(shù)路線進(jìn)行了總結(jié)。為適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放法規(guī),電控燃油系統(tǒng)要求的噴油壓力逐漸提高。為滿足燃油系統(tǒng)這一要求,博世開發(fā)了ACRS系統(tǒng)(DDC采用),Commins與Scania聯(lián)合開發(fā)了HPI、XPCRS(XPI)系統(tǒng)。HPI實(shí)際是一種EUPS系統(tǒng),XPCRS(XPI)與ACRS類似,是CRS的升級(jí),最高噴油壓力可達(dá)240MPa。4柴油含硫量大,但引領(lǐng)國(guó)iii及國(guó)內(nèi)柴油排放要求柴油品質(zhì)尤其是含硫量是影響排放指標(biāo)實(shí)現(xiàn)和技術(shù)路線選擇的重要因素,排放法規(guī)對(duì)柴油含硫量要求見表4所示。我國(guó)柴油質(zhì)量嚴(yán)重滯后于排放標(biāo)準(zhǔn)要求,含硫量與歐美差距較大,歐洲目前執(zhí)行EuroV標(biāo)準(zhǔn),柴油含硫量不大于10ppm。美國(guó)執(zhí)行EPA2007標(biāo)準(zhǔn),柴油含硫量不大于15ppm。而據(jù)我國(guó)GB252-2000《輕柴油》要求柴油含硫量不大于2000ppm,GB/T19147-2003《車用柴油》要求柴油含硫量不大于500ppm。雖然2008年7月國(guó)III全面實(shí)施,要求燃油含硫量不大于350ppm,但滿足此要求的柴油僅能供應(yīng)國(guó)內(nèi)主要大城市,而國(guó)IV排放要求燃油硫含量不大于50ppm,目前僅僅北京有國(guó)IV柴油供應(yīng)。我國(guó)煉油企