满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

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所属分类:尾气排放

(作者:天天)随着排放法规的日益严格,从欧IV到欧V、欧VI,排放法规的限值不断减少,人们对汽油机和柴油机的尾气排放要求日益苛刻。在节能减排大环境下,就要求汽油机和柴油机为满足排放法规采取有效的不同技术来实现。

燃烧过程是影响发动机动力性、经济性和排放特性的主要过程,它主要受燃料燃烧特性、供油方式、进气方式等因素的影响。所以燃烧系统应是缸内“油、气、室”的良好匹配。对汽油机来说,是火花塞点火、预混燃烧、变量调节。可燃混合气在机外部形成且较均匀,因而空气利用率高,排放中无黑烟,火焰高速传播。但由于冷的预混合气受低温缸壁激冷作用和狭隙效应等,导致混合气不完全燃烧,排放中HC、CO含量较高,并有NOx生成。

柴油机是压缩着火、预混合燃烧+扩散燃烧、变质调节。燃烧过程通常分成预混合燃烧和扩散燃烧两个阶段。预混合燃烧速度和火焰扩展速度主要取决于滞燃期内累积的可燃混合气的多少,并受控于燃烧化学反应速度。燃料喷入缸内以雾态与空气混合,混合气形成时间很短,是预混阶段;压燃着火后还有相当量的燃料继续喷入缸内,造成混合气形成与燃烧过程交错在一起的扩散燃烧油气混合不匀,局部浓度过稀或过浓,空气利用率低。

总的来说,柴油机是在稀混合气运转的,在大部分工况下其过量空气系数为1.5-3,故其CO排放要比汽油机低得多,而反应物在燃烧区停留的时间较短,不足以完全燃烧而生成CO,并在大负荷接近冒烟界限时,CO排放才急剧增加;由于停留时间较短,缝隙容积和激冷层对柴油机未燃HC排放量的影响相对汽油机来说小得多。但是柴油和空气在缸内混合不匀,局部浓度过稀或过浓,造成NOx和PM的量较多;柴油机的PM排放量一般要比汽油机的大几十倍。

针对燃烧和排放的不同特点,需要采取不同的机内和机外净化技术。例如三效催化转化器在汽油机上已经十分成熟,但无法直接应用于柴油机,其主要原因是柴油机排气中氧的含量很高,在氧化氛围中实现NOx的还原,对催化剂的还原选择性要求极高,且存在排气温度高和容易导致硫中毒等问题。

一、柴油机:

满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

(一)机内净化

1.采用新的燃烧模式。

HCCI燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点,它是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。它使已混合均与的可燃混合气的多点同时达到自燃条件,使燃烧在多点同时发生,而且没有明显的火焰前锋,燃烧反应迅速,燃烧温度低且分布较均匀。因而,只生成极少的NOx和PM,在低负荷时具有很高的热效率。

但是,柴油机HCCI燃烧的HC和CO排放量偏高,有待进一步较低。第二,影响HCCI的因素较多,着火时刻和燃烧规律难以得到控制,只能间接控制着火时刻和燃烧过程。第三,运行工况范围有限,HCCI发动机在小负荷工况下由于是稀薄燃烧,容易失火(混合气过稀);HCCI发动机燃烧非常迅速,在高负荷工况下,混合气过浓,易发生爆燃。因此目前发动机要采用双模式运行方案,即中低负荷时,采用HCCI方式;高负荷时,采用传统模式。此外,冷启动时着火困难,若无温度补偿,在冷启动阶段要实现HCCI燃烧非常困难。

2.喷油规律的优化,实现包括预喷和后喷的多次喷射。

目前已经可以实现每循环喷五次,并根据不同的工况,采取灵活多变的控制策略。多次喷射可分为预喷(PI)、主喷(MI)和后喷(PoI)。预喷,即在主喷之前喷入少量的柴油到燃烧室(约1~2mg),燃烧后可使主喷时的缸内温度升高,从而缩短主喷的点火延迟期和降低缸内压力上升速度,使燃烧更为高效而柔和,是降低燃烧噪音、HC和CO排放非常有效的途径。此外,预喷还有助于改善柴油机的冷起动性能,降低冷态工况下白烟的排放以及改善发动机低速扭矩等。主喷主要用于产生扭矩,其喷油量大小取决于发动机的性能要求。后喷可分为早后喷和迟后喷。早后喷非常靠近主喷,可燃烧并能产生扭矩,主要用于燃掉燃烧室中残余的碳烟微粒,碳烟排放可因此进一步减少20%~70%。迟后喷则相对远离主喷,一般在上止点后200°曲轴转角范围内喷射,喷出的燃油不燃烧(即不产生扭矩),但会被排气余热蒸发,主要用于为柴油机氧化催化器提供HC,被氧化后发生放热反应以增加排温,亦可用于后处理系统中的再生反应,如微粒捕集器(DPF)和NOx储存催化器(NSC)。

满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

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满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

满足低排放法规的柴油机和汽油机技术对比

3. 改进喷油系统,采用高压共轨技术。

高压共轨喷油系统由于采用共轨方式供油,对供油与喷油的控制相互独立,喷油压力几乎不随发动机的转速发生变化,而能实现高压喷射,产生良好的雾化效果;高速电磁阀的频响高,控制灵活,使得喷油系统的喷射压力可调范围大,并能方便的实现预喷射、后喷等的多次喷射,优化喷油规律,改善性能和降低废气排放量。目前,Bosch等公司共轨压力可以达到1800bar,甚至在未来还可以达到2000bar乃至更高。

4.改进进气系统 。

采用多气门技术,扩大了进排气门的总流通面积,降低进气阻力,增加进气充量,并组织适当涡流,改善混合和燃烧,降低CO、HC和碳烟的排放。第二,喷油器可以垂直布置在气缸轴心线附近,有利于燃油在燃烧室空间中的均匀分布,改善燃烧过程。此外,气门增多,则气门变小变轻,允许气门以更快的速度开启和关闭,增大了气门开启的时间断面值。

但是,气门数目的增加,要增加相应的配气机构装置,从而使结构变得更加复杂。气流组织难以满足各种工况下的要求,过强的气流运动会降低进气充量,使碳烟增加,并影响动力性与经济性。

5. 各种增压技术。

增压技术能提高进气量,使燃烧充分,降低CO、HC和碳烟。但是增压会使燃烧温度提高,增加NOx的排放,故需与中冷技术配合使用,全面降低碳烟和NOx。
增压方式有机械增压、废气涡轮增压、气波增压和复合增压。其中废气涡轮增压的应用较多,但是其增压柴油机过渡性能不好,尤其是加速性能较差,有迟滞现象。为让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果,VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生。发动机低速时,喷嘴出口面积自动减小,流出速度相应提高,增压器转速上升,压气机出口压力增大,供气量加大。当发动机高速时,增压器转速相对减小,增压压力降低,即可保证增压不过量。

此外,又有可调的两级涡轮增压系统产生。它能改变涡轮特性和压气机特性,高压级涡轮和低压及涡轮分别针对低速性能和高速性能进行优化,增强了变工况时涡轮转速对负荷变化的响应能力解决了因涡轮滞后导致柴油机加速冒烟的问题。但是需增设进排气调节阀,使系统更为复杂,控制难度加大。

6.废气再循环(EGR)。

柴油机EGR可降低最高燃烧温度,有效降低NOx排放。而且柴油机EGR率允许超过40%,一般汽油机最大不超过20%。

若EGR率控制不当,可能造成发动机HC和CO排放增加,燃油经济性恶化。低负荷时EGR将影响发动机工作稳定性,高负荷时EGR将影响发动机的动力性。此外,EGR需要后处理系统以降低PM排放。EGR可有效地降低NOx排放,但随着EGR率的增加,缸内较低的氧气浓度将会增加PM的排放,并使发动机的排气烟度增加,所以需配合使用PM后处理器,如柴油颗粒捕捉器(DPF)、颗粒氧化催化器(POC)、柴油氧化催化器(DOC)等。

(二)机外净化

1.采用DOC技术。

柴油机氧化催化转化器(DOC)主要通过催化氧化的方法减少柴油机中CO和HC的排放,同时也可以通过氧化颗粒物中的可溶性有机物(SOF),在一定程度上减少颗粒物的排放。DOC对CO、HC和SOF的转化效率较高,可高达90%左右。工作温度对催化剂的转化效率具有较大的影响,当温度低于150 oC时,催化剂基本上不起作用,而高于400 oC时,容易引起催化剂S中毒而降低转化效率。因此最佳工作温度为200-400oC。

2.采用SCR技术。

选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)的原理是在催化剂作用下,还原剂NH3在290-400℃下将NO和NO2还原成N2,而几乎不发生NH3的氧化反应,从而提高了N2的选择性,减少了NH3的消耗。而尿素-SCR选择性催化还原法是最具现实意义的方法,它能把发动机尾气中的NOx减少50%以上。
SCR技术的优点:增加升功率,降低热损耗,尿素的成本低,具有升级至欧五的能力。尤为重要的是对比欧三产品,对发动机不须做进一步的强化处理;燃油中的硫含量对于系统的影响较小,可回避燃油含硫量高的难题。SCR方案的缺点是必须在加油站设立相关的尿素溶液补充设备,整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。此外,SCR系统中的尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配,在保证降低NOx的同时,不能超过份量。尿素的喷入量过少,则达不到应有的处理水平,尿素的喷入量过多,则会使多余的氨气排入大气,导致新的污染。尿素的输送容易堵塞输送管等也是面临的技术问题。

3.采用LNT技术 。

稀燃氮氧化物捕集器(Lean NOx Trap)主要采用吸附催化还原的方法,在富氧时NO首先在贵金属上被催化氧化为NO2催化氧再生成硝酸盐存储起来,在富油燃烧时形成的硝酸盐不稳定而分解形成NOx,NOx与还原成分反应生成N2。通过对吸附和还原再生的过程合理搭配,LNT在较大的温度范围内具有较高的催化转化效率,在稳定工况下可以将90%左右的NOx还原。

但是,温度对LNT的补集和还原阶段都有影响,太高或太低均不能达到理想效果。而对柴油机而言,要使LNT在瞬态工况下获得很好的性能,则要增加复杂的电控系统。废气中的硫将造成催化剂中毒,影响再生过程。同时,由于需要进行周期性的混合气浓稀工况的转换,故降低了燃油经济性,增加了CO2的排放。

4.采用等离子辅助催化还原法。

利用介质阻挡作用在发动机尾气中产生大量低温等离子体,进而产生强氧化物质将NO转为NO2,提高SCR对NOx的低温转化效率,解决了DOC存在高温氧化和催化剂硫中毒的问题。 NTP技术将增加柴油机的燃油消耗,并需要与SCR技术结合使用。

5.采用颗粒物捕集器DPF。

在排气尾部增设颗粒物捕集器对颗粒物进行捕集,通过拦截、碰撞、扩散等机理,过滤体可以将尾气中颗粒物的90%以上都捕集起来。目前采用较多的是壁流式蜂窝陶瓷过滤体。但是随着颗粒物在捕集器内部沉积量的增加,过滤体的压降逐渐增大,导致排气阻力增大,使燃烧恶化。故需要对其进行再生,选用主动再生和被动再生等。

总之,当然为满足严格排放法规和燃油经济性(CO2排放)要求,需要柴油机综合以上部分技术。针对PM与NOx的trade-off关系,欧美中重型商用车主要采用了两条排放控制技术路线:1)“优化燃烧+SCR(选择性催化还原)”技术路线,简称SCR路线,它是通过优化喷油和燃烧过程,尽量在机内控制微粒PM的产生,而在机外后处理过程中,采用尿素溶液对氮氧化物NOx进行选择性催化还原;2)“EGR+DOC/DPF/POC(废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器)”技术路线,其中以“EGR+DPF”应用最广泛,简称EGR+路线,它以废气再循环为基础,在机内抑制NOx的产生,在机外后处理过程中采用柴油氧化催化器、或柴油颗粒过滤器(当今主流)、或颗粒氧化催化器对PM进行氧化催化或过滤捕捉。

二、汽油机:

(一)机内净化

1.采用可变系统中的一系列可变技术。

1)可变进气系统(Variable Intake System): 主要是充分利用进气谐振作用,通过改变进气管长度或截面积的方式,提高高速、低速充量系数,使发动机高速功率和低速扭矩性能都达到最优。

2)可变气门相位( VVT )和可变气门升程(VVL)技术: 通过调整进气门升程及其开闭时刻, 利用进气门早关或晚关来控制进气量。此时节气门全开,负荷不靠节气门控制实现有效压缩比的可变。但是,这会使会使有效压缩比降低,提高热效率、降低油耗的潜力受到限制。再者,由于取消了节气门,进气道内气体压力较高,燃油蒸发和混合的性能变差,因此,其影响了燃烧过程,也抑制了热效率的进一步改善。

3)可变压缩比:主要是为了降低发动机低负荷下的油耗。高速小负荷时,可以选择较高的压缩比,以此来提高热效率;低速大负荷时,可以选择低的压缩比,以此来抑制爆震产生。可变压缩比实现手段主要包括可移动缸体、偏心结构曲轴主轴承、可变连杆长度等,主要通过改变燃烧室容积来实现。

4)可变涡轮增压系统:代表性的有使用变截面涡轮增压器(VGT)的变截面涡轮系统,与柴油机类似。

5)停缸技术:在汽油机部分负荷时切断部分气缸的供油使工作气缸的负荷提高以改善汽车发动机性能的技术,提高燃油经济性。

但是,这些可变机构的关键问题:可变机构普遍存在价格昂贵、机构复杂控制复杂、难以布置等问题。

2.汽油机增压技术。

废气涡轮增压能利用废气能量增加进气压力,可以补偿泵气损失。增压的好处是:用小的排量和质量就可以输出大的功率,有利于发动机轻量化,便于车辆总布置。同时在相同负荷点,小型增压汽油机轻量化后不仅机械效率高,PMEP/IMEP(总)降低,热效率高,还可以节油3%~10%;但在大负荷会面临爆燃的问题, 因此增压汽油机压缩比一般较自然吸气汽油机要低一些。

3.一些前处理装置。进气温度控制和混合气预热系统、曲轴箱强制通风、汽油蒸汽吸附装置等前处理装置,用来减少HC和CO的排放。

4.汽油机怠速控制系统。使用怠速控制阀降低怠速排放量,提高燃油经济性。

5. 准确的点火定时与可靠的点火系统。

在保证热效率的前提下,点火推迟可以减少污染物的排放。他可以使最高燃烧温度和最高燃烧压力降低,NOx排放下降,并使未燃的HC继续燃烧,提高排气温度,加速催化剂起燃的时间。

(二)机外净化

1. 采用三效催化转化器TWC技术。

三效催化转化器在汽油机上运用技术已经相当成熟,对HC、CO和NOx的转化率很高,但必须工作在化学当量比下。它仍可以进一步改动,主要考虑是减少起燃时间,提高贵金属含量,改善动态过程的转换效率和高负荷的转化效率。

2.采用用于稀薄燃烧汽油机的稀燃催化器。

稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题的解决。目前正在开发的各种适用于稀燃的催化器,有稀燃选择还原型NOx催化器、吸收还原型NOx催化器、未燃HC氧化催化器等,首先应用在柴油机上。但这些催化器都不同程度地存在转化效率低、工作温度范围窄、性能不如传统的三元催化器等问题,还需进一步的研究。

3.二阶段燃烧和反应式排气管。

目的是降低HC和CO排放量,主要用于缸内直喷汽油机排气污染控制。这种方法用在汽车启动后的冷车阶段,通过二阶段燃烧和使用反应式排气管使三效催化转化剂在短时间内达到起燃温度,由于CO的氧化温度比HC的低,CO将首先燃烧产生较高的温度,再使HC燃烧。但是二阶段燃烧会导致燃油消耗率增加,降低燃油经济性。

4.热反应器和空气喷射

汽油机工作过程中的不完全燃烧产物CO和HC在排气过程中可以继续氧化。热反应器可提供足够的空气和适当的温度以保证其具有高的氧化速率,使未燃的CO和HC在其中保持高温并停留一段时间,使得到充分氧化。空气喷射系统利用空气泵将新鲜空气送入发动机排气管中,使CO和HC进一步燃烧,生成CO2和H2O。但是热反应器内的温度高达800-1000C,尽管有隔热装置仍给车盖下增加大量的热负荷。

(三)混合动力汽车技术。

混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。

总之,有时燃油经济性和低排放要求是相互矛盾的,需要柴油机和汽油机合理综合选用上述技术。但是,EGR、进排气系统可变技术、增压技术、GDI汽油机与柴油机的后处理技术等是汽油机与柴油机共享的节能减排技术。

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