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柴油机排放及目前国际上的发展趋势

柴油机排放及目前国际上的发展趋势. 江 苏 大 学 刘 胜 吉. 2010 年 03 月 20 日常柴股份有限公司. 1 、排放污染物的成份与危害 2 、柴油机机内排放净化与控制 3 、柴油机排气后处理装置 4 、燃油 5 、柴油机排放法规简介. 柴油机排放及危害. 柴油机排气中的尾气成份. 内燃机排气管内的排气成分（体积 % ） 氮气 N 2 77% 左右 二氧化碳 CO 2 2 ～ 13% 水蒸汽 H 2 O 0.5 ～ 10% 未燃烧掉的氧气 O 2 2---18%

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柴油机排放及目前国际上的发展趋势

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  1. 柴油机排放及目前国际上的发展趋势 江 苏 大 学刘 胜 吉 2010年03月20日常柴股份有限公司

  2. 1、排放污染物的成份与危害 2、柴油机机内排放净化与控制 3、柴油机排气后处理装置 4、燃油 5、柴油机排放法规简介 柴油机排放及危害

  3. 柴油机排气中的尾气成份 • 内燃机排气管内的排气成分（体积%） • 氮气 N2 77%左右 • 二氧化碳 CO2 2 ～13% • 水蒸汽 H2O 0.5 ～10% • 未燃烧掉的氧气O2 2---18% • 一氧化碳 CO， 0.01～0.3% • 碳氢化合物 HC， 0.002～0.3% • 氮氧化合物 NOx， 0.002～0.2% • 碳烟颗粒、醛类（含氧未完全燃烧物）、硫酸盐

  4. 有害排放污染物的成份 2. 排放污染物的成分 （1）一氧化碳（CO）：不完全燃烧产物。 （2）碳氢化合物（HC）：未燃和未完全燃烧的燃 油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。 （3）氮氧化合物（NOx）：在燃烧过程中和排入大 气后造成的氮的各种氧化物（NO、NO2为主） 的总称。 （4）颗粒排放物(PM）：主要是碳烟、未燃燃油和 润滑油液态颗粒，以及其他碳氢化合物、硫 化物、含金属的灰分等。 （5）二氧化碳（CO2）：燃烧的必然产物。

  5. 有害污染物的形成与危害 • 一氧化碳（CO） • （1）形成原因 • 主要是由柴油机燃烧室内部缺氧或温度过低造成 • （2）危害 • 是一种无色、无味的有毒气体，吸入人体后，能以比氧强210倍的亲和力同血液中的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，阻碍血液向心脏、脑等器官输送氧气，从而引起各种中毒症状，直至使人窒息死亡。

  6. 污染物的形成与危害 • 碳氢化合物（HC） • （1）形成原因 • 主要是混合气形成不良或温度过低而形成。如燃油过多着壁；油嘴压力室容积燃油，未燃燃油 • （2）危害 • HC吸入人体后会破坏造血机能，造成贫血、神经衰弱等，同时也会致癌。

  7. 污染物的形成与危害 • 氮氧化物（NOx） • （1）形成原因 • NO是在燃烧过程的高温条件下生成的，其生成量取决于氧的浓度、温度及反应时间。废气排入大气后形成NO2。 • （2）危害 • NO吸入人体后会造成中枢神经系统障碍。NO2会造成血液中血红蛋白变性，使血液输气能力下降，轻则引起呼吸异常、胸痛、恶心、咳嗽，重则导致肺气肿，直至死亡。此外，它还易于HC在阳光紫外线的作用下，产生素性很大的光化学烟雾。

  8. 污染物的形成与危害 • 颗粒（PM） • （1）形成原因 • 碳烟是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。黑烟是小于1 m以下的微粒，未燃的可溶性微粒小于100 m以下的微粒。 • （2）危害 • 10m以下的微粒可吸入呼吸道， 2.5m以下的微粒可吸入肺叶，0.1m以下的微粒对人体的危害最大，吸入肺叶后会吸附在肺细胞上，其中可溶性有机物、多环芳香烃等是致癌物质。 • 二氧化碳（CO2） • （1）形成原因 • 完全燃烧的产物。 • （2）危害 • 引起大气层的温室效应，造成对生态环境的影响。

  9. 减少污染物的方法（净化方式） • （1）机内净化 • 柴油机燃烧改善，功率保证（不变）；NOX、PM降低 • 通过改善燃料与空气的品质和燃烧状况，抑制污染物的产生。 • （2）机外净化 • 利用设置在发动机外部（如排气管）的附加装置，对排放污染物进行净化处理后，再排入大气。（外部燃烧或化学转化） • （3）改进燃油 • 通过对燃油的脱硫、重整以及加入添加剂等，可以改善燃烧，延缓催化剂的老化。

  10. 柴油机降低排放的方法和措施

  11. 柴油机排放的机内净化

  12. 减少排放的机内净化 喷油系统变化 • 喷油量的精确控制 • 喷油正时的调整和控制 • 高喷射压力和喷油压力的控制 • 喷油速率（喷油规律）的控制 • 喷油系统的电控和性能参数的柔性控制 • 喷射油束的性能以及与燃烧室的匹配

  13. 柴油机电控喷油系统 位移控制：电子调速器，喷油量控制，动态变化小，调速率、油量超调 控制，油量修正（温度，压力） 可变预行程机构，变平均供油速率（喷油压力），变喷油始点 时间控制：一个电磁阀控制喷油过程 压油的油压有机械位移控制产生 喷油始点，喷油量柔性控制 代表产品：泵喷嘴， 泵(直列合成泵、单体泵、转子泵(单柱塞、对置柱塞))＋管＋嘴系统 两个电磁阀 共轨系统 喷油始点，喷油量、喷油压力、喷油规律形状柔性控制

  14. VE泵电控系统 Used with permission of Bosch

  15. 柴油机电控系统 柴油机电控系统

  16. 发动机转速信号 （基本喷油量） 节气门位置/加速踏板信号 （基本喷油量） 进气温度信号 （修正喷油量） 进气压力信号 （修正喷油量） 冷却液温度信号 （修正喷油量） 燃油特性修正、低温起动后修正、急减速修正以适应不同工况不同工作条件变化的需要。 通过电子调速器对喷油量进行精确控制 喷油量控制

  17. VE-EDC...电子调速器 Figure: 19 Used with permission of Bosch

  18. VE分配泵喷油系统电控喷油正时 图 电控正时机构工作示意图 1—高压油路 2—正时电磁阀 3—低压油路 4—来自高压油路燃油 5—提前器活塞 图 电控VE泵液压提前器 1－壳体　2－滚轮 3－滚轮座圈　4－正时销　5－提前器弹簧 6－滑块 7－提前器柱塞的进油孔 8－提前器活塞　9－正时传感器

  19. 喷油压力与升功率、pme(含增压作用)

  20. 柴油机共轨系统 Common Rail-System

  21. 电控共轨系统

  22. Common Rail System for Passenger Cars - Injector 量孔Z为进油孔小；量孔A为回油孔大，控制控制室内压力变化，电磁阀开，压力小，针阀开启而喷油。 Used with permission of Bosch

  23. 喷油压力控制结果图

  24. 喷油规律--多次喷射Rate haping Source: Bosch

  25. 柴油机喷油参数的量化比喻Diesel Injection Scales

  26. 减少排放的机内净化－燃烧室

  27. 奔驰0M904LA型卡车发动机燃烧系统的开发 ——21种燃烧室凹坑形状 ——13种喷油嘴变型 ——7种涡流比； ——5种喷油凸轮形状。 由于上述参数可以组合的可能性很多?可有9555种组合)，所以试验中选择什么样的组合需有丰富的经验．一共选择了70种富有希望的组合，并在发动机上进行了试验． 同时与300系列燃烧室形状的演进情况作了对比，过去在强混流支持下进行喷油时，通过优化凹坑的形状改善了燃烧室中的紊流，从而改善了混合气的分布和形成，而新的燃烧方法几乎在无涡流的情况下进行混合气形成，它明显地降低了凹坑形状对混合气形成的彤响。这导致900系列有如下特征：大而浅的凹抗，其挤流面积较小，8孔喷油嘴布置在燃烧室的正中位置，这可使燃油分布最佳。

  28. 减少排放的机内净化－燃烧室（6）

  29. 减少排放的机内净化－进排气系统（1） 评价旋流气道性能的指标有流通能力和涡流强度，对普通气道（进气或排气）来说，气道性能指标仅有流通能力。 流通能力用流通系数或流量系数参数表示， 涡流强度大小可用涡流比、无量纲涡流数NR 气道稳流试验一般采用等压差法 ：在不同气门升程下，按一定规律分别测量若干个气门升程，保持气道流动压力降为定值，分别测量气体的体积流量、风速仪转速（或涡流动量矩的转矩）和流动气体温度，

  30. 减少排放的机内净化－进排气系统（2） AVL公司计算进气终了涡流比公式为： 气道的平均流通系数为：

  31. 减少排放的机内净化－进排气系统（3） 二气门存在的缺陷

  32. 减少排放的机内净化-二、四气门性能对比(5) 汽车试验结果 另一个柴油机的结果

  33. 减少排放的机内净化-四气门优化性能的机理(6)减少排放的机内净化-四气门优化性能的机理(6) 1。实际气道流通能力增大

  34. 减少排放的机内净化－可变进气系统

  35. 减少排放的机内净化－喷油、气流与燃烧室匹配（1）减少排放的机内净化－喷油、气流与燃烧室匹配（1） 图2 燃烧室油线下方体积

  36. 减少排放的机内净化－喷油、气流与燃烧室匹配（2）减少排放的机内净化－喷油、气流与燃烧室匹配（2） 1。 喷油嘴轴线与气缸轴线的夹角 减小。例：23－－10度 2。喷油嘴中心与气缸中心连线对称 原则。(各油线长度尽可能等长) 3。油气的等空燃比分布 （1）轴向等容积 （2）周向油线间面积与喷油 嘴喷孔流量成比例 4。进气涡流适当，喷孔数增多，燃 烧室缩口，涡流减少

  37. 减少排放的机内净化－增压技术(1) 1。空气量多，功率增大。 2。过量空气系数大，冷却、CO、HC、PM减少 3。过量空气系数大，油耗减少，节能 4。中冷后，Tmax减少，Nox减少 增压中冷柴油机热负荷、机械负荷增大

  38. 减少排放的机内净化－增压技术(2) 国Ⅱ以上的柴油机必须增压或增压中冷

  39. 减少排放的机内净化－增压技术(2) 重载柴油机增压及中冷使性能的变化（含其他相应措施）

  40. 减少排放的机内净化－可变喷嘴涡轮（3） 涡轮增压器的匹配：变喷嘴涡轮（VNT），发动机在不同的转速和负荷下，对涡轮的流量要求是不同的。Garrett公司的变喷嘴涡轮技术可以满足发动机整个运转范围的要求：发动机怠速和低速端，喷嘴叶片关闭或开度很小，从而提高了发动机的低速扭矩，改善了响应性；发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或开度很大，保证发动机获得所需要的空气和动力。 喷嘴开度小的情况 喷嘴开度大的情况 先进变喷嘴涡轮（AVNT）：一般的可变喷嘴结构控制装置是气动的，为了提高响应性和控制的精确度， Garrett开发了液压控制的AVNT技术。

  41. 减少排放的机内净化－废气再循环EGR(1)

  42. 减少排放的机内净化－废气再循环EGR(2)

  43. 减少排放的机内净化－废气再循环EGR(3)

  44. 减少排放的机内净化－废气再循环EGR(4) 接进气 EGR电控系统利用转速传感器和油门开度传感器采集发动机转速信号和油门开度信号送入EGR电控单元，EGR电控单元根据输入的信号控制真空电磁阀，从而达到真空电磁阀控制EGR废气阀的目的．EGR电控单元内有EGR MAP图，当发动机工作时，EGR电控单元可根据发动机的各种工况，从 MAP图读取数据腐信号输出至真空电磁阀从而达到真空电磁阀控制 E GR阀开启的目的（控制废气循环量）。

  45. 减少排放的机内净化 EGR电控系统利用转速传感器和油门开度传感器采集发动机转速信号和油门开度信号送入EGR电控单元，EGR电控单元根据输入的信号控制真空电磁阀，从而达到真空电磁阀控制EGR废气阀的目的．EGR电控单元内有EGR MAP图，当发动机工作时，EGR电控单元可根据发动机的各种工况，从 MAP图读取数据腐信号输出至真空电磁阀从而达到真空电磁阀控制 E GR阀开启的目的（控制废气循环量）。

  46. 柴油机减少排放 的机外净化措施

  47. 减少排放的机外净化－概述 • 特点： • （1）无燃油蒸发排放问题； • （2）与汽油机相比，HC和CO排放量少得多，而NOx排放处于同一量级； • （3）有颗粒物（PM）排放问题。 • 难点： • （1）废气总是处于氧化氛围（过量空气系数大于1）中，NOx难以还原; • （2）排气温度明显低于汽油机的排气温度，碳烟难以氧化； • （3）排气中含有大量的SOx和微粒，容易导致催化剂中毒。 1. 柴油机排放特点 2. 氧化催化转化器 3. NOx还原催化转化器 4. 颗粒捕捉器（DPF)

  48. 减少排放的机外净化－氧化催化转化器 目的： （1）氧化剂可以转化可溶性有机组分（SOF）中的大部分碳氢化合物，燃烧变为黑烟重量减轻，CO2和H20。从而达到降低微粒排放的效果； （2）进一步降低HC和CO的排放，包括PAH、乙醛等。 问题： 起燃温度要低 排气温度越高，硫酸盐生成越多。

  49. 减少排放的机外净化－ NOx还原催化转化器 • 分类： • （1）选择性非催化还原（SNCR，Selective Noncatalytic Reduction）； • （2）选择性催化还原（SCR，Selective Catalytic Reduction）； • （3）非选择性催化还原（NSCR， • Non Selective Catalytic Reduction）； • （4）吸附还原催化剂 • （Absorb Reduction）。 • 问题： • 转化效率不高，使用寿命低，系统比较复杂。

  50. 减少排放的机外净化-氧化与NOx选择性催化还原减少排放的机外净化-氧化与NOx选择性催化还原 SCR是将还原剂尿素溶液喷入废气中，在废气温度及气流作用下，尿素能快速分解，释放出氨，氨与NOx作用，达到减少NOx排放。

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