柴油机排放法规及控制技术

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
NOX也可以绘出NOX—Φ—T的MAP图，把 它和碳粒—Φ—T的MAP图按照共同的条 件绘在一张图上可得图5。 —重要的概念图，图上把实现柴油机低排放 的途径表达得非常清楚。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
新燃烧方式
常规燃烧方式 — 存在一条NOX和PM排放此消彼涨的 trade—off曲线。如图所示 新的燃烧方式 — 实现NOX和PM排放同时降低。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
3.15 1.61 0.27 4.2 3.7 3.7
3.35 （～1.8） （～0.46） 4.7 4.0 4.0
0.134 0.0134 0.0134 0.4 0.3 0.2
500 15 15 ？ ？ ？
FTP+SET NTE+LRT 同上 ISO8178 CI试验+MRTC 同上
非 道 路 用 发 动 机
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
以上措施对达到欧4或US2007已是应用 有效性的极限，要实现更严的排放法规， 必须应用其它的方法： —应用新的燃烧模式或各种有效的后处理措 施。 注：为满足欧3以上排放法规的要求，对柴油 机必须满足相应的油品质量：
n
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ 十六烷值＞50 含硫量≤15×10-6（质量） 芳香烃含量≤20% —重柴油易成PM 或者应用各种含氧的替代燃料。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
基础研究： n 利用激波管研究C7H8（甲苯）—Ar （氩）—O2燃烧试验，如图3 n 发现碳粒生成的温度窗 （temperature window）很 窄，约为1500～2300K，用氩代替 空气中的N2，是为避免生成NOX。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昀Ì
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昀Ì
一、PM及其生成机理： PM——是由碳粒（soot），可溶性有机成 分（soluble organic fraction, SOF） 和硫酸盐（sulfate）共同组成的。 降低柴油的含S量，即可减少硫酸盐的生 成，可溶性有机成分主要是一些重碳氢化 合物，很容易用氧化催化器除掉，因此降 低PM排放的研究，重点是减少碳粒 （ soot ）的生成。
n
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
图2 美国重载车用柴油机排放法规的进展和所采用的技术措施
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
简单且成本低
n
实施年份 1992 1996 2000 2005 2008 2010 2003～ 2004 2007或更 早 2004 2007 2010 2008 2007 2006
NOX 8.0 7.0 5.0 3.5 2.0 0.5 3.38 1.69
NOX+NMH C
PM 0.61 0.15 0.10 0.025 0.025 0.002 0.18 （0.036 ） 0.09 （0.036 ）
欧5 2.0/0.02
US2007 0.2/0.01
可供选择的技术
HP—EGR＋Trap LP—EGR＋Trap SCR＋（DOC） EGR＋Trap＋SCR EGR＋Trap＋NOX— Absorber
S<50? S<50? S<50
S<50? S<50
S<15 S<15
注：S指柴油机的硫含量（10-6质量）；HP，LP分别指高压和低压；SCR指选择性 催化还原法；DOC指柴油机催化氧化后处理；NOX—Absorber指NOX吸附法后处 理；Trap为捕集器。
柴油机排放法规及控制技术
1. 2. 3.
法规 新的燃烧方式 后处理技术
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
柴油机法规
一、汽车使用柴油机的理由： 1. 柴油机经济性好、HC和CO排放低 2. 轿车产销量大，柴油机用于轿车有现实意义 3. 新能源车和燃料电池车及电动汽车的技术障 碍，其应用及商业化还是未来的事 二、汽车特别是轿车用柴油机的难点和热点： 1. NOX和PM排放高（相对于HC、CO） 2. 噪声及振动大 3. 理论计算（高难） 三、柴油机燃烧研究和后处理研究的推动力： 1. 法规的不断加严
n
1. 2.
3.
4.
对于PM，用增加对燃料的氧气供给，其 机内技术措施有： 涡轮增压（turbo charging）； 高压喷射（higher injection pressure）； 小直径喷油孔（smaller nozzle holes）； 可变几何涡轮增压器（variable geometry turbo chargers）。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
EGR两种方式： 1. 将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高 压废气反向。 2. 将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低 压废气再循环系统。 n 现在运用最多的是低压废气再循环系统， 其系统的主要元件是数控式EGR阀。
2011 2010 2009
ISO8178 CI试验+MRTC 同上
表1
道路与非道路用重型柴油机的近期和长期废气排放标准
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
n n
n
注： JEIP为欧洲工业对非道路用柴油机3级废气排放 法规的联合提案（2000年12月14日）； ESC为欧洲稳态循环；ETC为欧洲瞬态循环； ELR为欧洲负荷响应试验；FTP为美国重载柴油 机瞬态循环；SET为附加排放试验（同ESC）； LRT为负荷响应试验；NTE为不超出区域； E13M为日本柴油机13工况试验；NRTC为非道 路瞬态循环；NMHC为不包括甲烷值在内的碳氢 排放。
n n
实现欧4，欧5的方法： 在欧3的基础上加上排气后处理，如表2所 示
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
表2
实现欧4，欧5排放法规的技术措施
法规 NOX/PM（g/kW·h） （g/hp·h）
欧4 3.5/0.02
• ——来自美国的研究
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
图3 碳粒生成量随温度的变化 （a) 激波管试验值；（b）零维模型的计算值
温度低—燃料裂解速率低； 温度高—中间产物热力学稳定性增强，小芳根减少。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
如图2：美国已提出2014年建议标准为： NOX排放0.05g/hp·h(0.068g/kW·h) n PM排放为0.001g/hp·h （0.00136g/kW·h） —十分接近零排放。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
碳粒（soot）—生成过程复杂，目前被广泛 接受的观点是在高温富燃料状态下，柴油 裂解成C1—或C2—低碳氢化合物，这些微 小的碳氢化合物碎片再组合成高分子重碳 氢化合物，其中重要的一类是多环芳烃 （polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH），通常认为PAH 是生成碳粒的先导物，PAH的继续生成就 产生碳粒的核心（soot particle nucleation），然后是碳粒的生长与表面 氧化同时进行。
n
用改进燃烧的办法，即机内措施（in－cyl inder emission control）来解决排放 问题。 对于NOX最主要的是降低燃烧温度，其技 术措施有：
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
n 1. 2. 3.
4.
图4 随反应时间变化的碳粒—φ—T的MAP图［7］ （燃料：正已烷C6H14；p=6MPa；EGR=0%）
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
二、NOX生成机理 NOX是在燃烧产生的高温环境下，由空气中的O2和 N2的化合作用产生的，与所用的碳氢燃料（不含 N和O）组成无关。 主要的氧化反应：
燃料含硫量10-6（质 量） 350 50
试验循环 ESC ESC ESC，ELR ESC/ETC， ELR 或新试验循环 同上 D13M或试验循 环
汽 车 道 路 用 发 动 机
日本新近期
50 10
日本新长期
US2004 US2007 US2010 美国阶段3，KW 37～75 75～130 130～450 欧3（JEIP），KW 37～75 75～130 130～450
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
1992 8
1996
2000
2005
2008 NOx PM
2010 0.4 0.35 0.3
6
NOx历程线
NOx /g·(kW·h) -1 PM /g·(kW·h) -1 0.25 4 0.2
O + N 2 → NO + N N + O2 → NO + O
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
影响NOX生成率的主要因素有： （1）温度—NOX生成与温度之间呈指数关 系。当温度低于1800K后，即达到NOX的 冻结温度（freezing temperature）。 （2）当量比Φ —Φ<1.0，则造成富O2环 境，有利于NOX的生成。 （3）高温区停留时间—例如汽油机的ε较 小，燃烧产物在膨胀冲程中停留时间较 长，生成的NOX就比柴油机（ε大）多。
微粒PM 历程线
2
0.15 0.1 0.05
0
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
0 6
图1 欧洲联盟重载车用柴油机排放法规的进展
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
排放限值/
g/kW·h-1
欧1 欧2 欧3 欧4 欧5 欧6
n 1. 2.
n 1. 2. 3. 4.
实现欧2的方法： 增压中冷（使用空—空中冷器）； 提高喷射压力至80～100MPa（如P型 系列泵）。 实现欧3的方法： 改善优化发动机的燃烧系统； 冷EGR； 使用共轨式供油系统； 涡轮增压中冷。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì
降NOX的机内技术： 中间冷却（inter cooling）； 推迟燃烧（combustion retard）； 合理设计喷油率曲线（injection rate shaping）； 废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昀Ì