汽油机和柴油机节能减排技术对比

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所属分类:尾气排放

(文/往事随风)摘 要:本文主要针对满足严格的排放法规和燃油经济性(co2),汽油机柴油机所采取的主要技术并进行对比讨论。为了便于对比分析,前面讨论汽油机和柴油机共有的技术,后面列出它们特有的技术。

关键词:柴油机;汽油机;节能减排;燃油经济性;新技术

The comparison of energy-saving emission reduction technology of gasoline engines and diesel engines

Abstract:This paper is mainly to make a comparison of technologies of gasoline engines and diesel engines in order to meet strict emission regulation and fuel economy (CO2). For the purpose of comparison and analysis ,we discussed the common technology of gasoline engines and diesel engines in the first part of the paper and list their unique technology in the later part.

Keywords:Diesel engine; gasoline engine; energy saving; fuel economy; new technology

 1.引言

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、预混合燃烧和扩散燃烧、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。

通过改进内燃机本身的设计和优化参数来降低排放物有一定的限度。例如,汽油机燃烧混合均匀气时,即使不缺氧,由于co2热分解也总是有co排出,而由于多种因素造成的HC排放很难在机内消除。所以世界各国都先后开发排气后处理技术。排气后处理技术能在不影响或者少影响内燃机其他性能的同时,降低最终的排放。我国的排放标准从国三到国四,就必须使用排放后处理技术。

 2.电子燃油喷射技术(EFI)

电子燃油喷射系统是根据直接或者间接测量的空气进气量,确定燃烧所需要的燃油量,在通过控制喷油器的脉宽精确控制喷油量,使一定

量的燃油以一定的喷射压力通过喷油器喷射到进气道或汽缸内。电子燃油系统采用多种传感器检测发动机的工作状态,经过ECU处理,使发动机在各种工况下都能够获得最佳的空燃比,可以有效的提高和改善发动机的动力系和经济性,达到排气净化的目的。

汽油机电子燃油喷射技术的特点:能实现空燃比的高精度控制、充气效率高、瞬时响应快、启动容易、节油和排放效果明显、减速限速断油功能、能降低废气排放量节省燃油、便于安装。

柴油机电子燃油喷射技术的特点:柴油机电控燃油喷射技术的特点是改善低温起动性、降低氮氧化物和烟度的排放 、提高发动机运转稳定性 、提高发动机的动力性和经济性 、控制涡轮增压、适应性广等。

2.1汽油机缸内直喷技术

对汽油来说特别值得一提的就是缸内直喷技术(GDI).缸内直喷技术,是指将喷油嘴设置在进排气门之间,高压燃油直接注入燃烧室,缸内直喷所是通过均匀燃烧和分层燃烧实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低,动力还有所提升的一种技术。用缸内直喷设计的最大优势,就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中,因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统,在油气的雾化和混合效率上也更为优异。

但是缸内直喷科技也并非完美,因为从经济层面来看,采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本,在部品构成复杂且精密的情况下,零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵,因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。

 2.2柴油机高压共轨技术(common rail)

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式,由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量,喷油量大小取决于燃油轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。

电控高压共轨技术对柴油机经济性和排放性以及改善噪声有积极的作用。该技术的研究与开发热点在于:①解决高压共轨系统的恒高压密封问题,共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题;②如何解决高压共轨系统的多 MAP优化问题;③如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

 3.多气门技术

随着技术的发展,汽车发动机的转速已经越来越高,现代轿车发动机的转速一般可达每分钟5500转以上,完成四个工作过程只需0.005秒时间,传统的两气门已经不能胜任在这么短促的时间内完成换气工作,限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间。换句话就是用空间换取时间。多气门技术是解决问题的最好方法,直至推广多气门技术才使发动机的整体质量有了一次质的飞跃。多气门发动机与传统的两气门发动机比较,前者能吸进更多的空气来混合燃油燃烧做功,节省燃油,更快地排出废气,排放污染少,能提高发动机的功率和降低噪音的优点,提高发动机经济性并降低排放性。

一般而论,直喷式柴油机主要通过剧烈的、与进气道形状相配合的空气运动在燃烧室中形成混合气。柴油机与汽油机四气门技术的主要区别也在于此。由于对进气组件的要求很不一样.使直喷式柴油机采用四气门机构变得异常困难。

 4.HCCI技术

对汽油机来说,压缩冲程快结束时,汽油通过直喷油嘴喷进汽缸,HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高,所以喷出的小油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布,这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃,所有的燃料都在同一时间点燃,所以提高了燃油的使用效率。而且由于它采用压缩点燃的缘故,可以采用相当稀薄的混合气,因此可以按照变质调节的方式,直接通过调节喷油量来调节扭矩,不需要节气门。

当然它的缺点也很明显:

首先,在燃烧时刻的控制上,HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃,油气混合气的密度,气缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制,所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。

其次,由于HCCI的同时压燃和放热,瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力,有可能会产生爆震的现象,所以必须提高混合气的空燃比(高于传统的14.7:1),这就需要HCCI在稀燃状态下工作,排气的温度也比较低,使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的汽油机低得多。另外,低排气温度对催化转化器来说也是一个问题,因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。

最后,也就由于HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多,所以,在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统,这就间接要求了发动机的压缩比可变,在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。

所以就现在的限制而言,HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行,它只在中低转速的时候介入工作,提高效率,降低油耗。

柴油机采用HCCI燃烧方式与普通的柴油机燃烧方式相比区别在于:前者燃油在进气和压缩行程已经与空气完全均质混合,进行的是预混合燃烧模式,其燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关;

而后者在进气行程中进入燃烧室的是纯空气,在压缩行程接近终了时,才把柴油喷入燃烧室内,让其与空气在极短的时间内形成可燃混合气(极不均匀),进行的是扩散燃烧模式,它的燃烧速率主要与燃油蒸发速率及其与空气混合速率有关。

HCCI柴油机的优点在于:

1)可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。

2)可以稀薄燃烧,可有效降低PM排放;同时,由于燃烧室内部混合气为均质混合气,在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火,避免了高温反应区的产生,因此能够大大减少NOx排放。

3)只与燃油本身的物理化学性质有关,着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制受燃烧室内流场影响较小,因此可以简化对发动机燃烧系统的设计。

4)在低负荷工况下具有很高的热效率。目前HCCI技术被认为是柴油机实现欧V排放标准的最佳技术路线之一。

柴油机的HCCI燃烧也存在一定的缺点,主要有3个方面:

1)HC、CO的排放较高,有待于进一步降低;

2)高负荷工况容易出现爆震燃烧,目前仍无法实现全工况的HCCI燃烧运行模式;

3)由于使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油,蒸发性和流动性比较差,均质混合气的制备相对困难;同时柴油作为高十六烷值燃料,化学安定性差,容易发生低温自燃反应,并且均质混合气的燃烧速度难于控制,容易造成不稳定燃烧。

 5.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,所以需配合使用后处理器。

 6.增压技术

增压技术在柴油机上应用广泛。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。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。

小型增压汽油机轻量化后不仅机械效率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。

 7.其他汽油机或柴油机特有的技术

7.1汽油机

7.1. 1三效催化转化器(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。

 7.1.2喷雾引导技术(spray guide)

喷雾引导方式涡轮发动机一样,均在燃烧室的顶部配置压电式喷射阀,在旁边的排气阀一侧设置点火火花塞。压电式喷阀具有喷射压力及响应性高的特点,在吸气及压缩行程以最大2 0 M P a 的压力最多喷射3 次燃料。分3次喷射燃料的原因是:第1次为了降低吸气温度、提高填充效率,第 2次是为了呈圆锥状形成燃料区,而第3次则是为了在点火火花塞附近形成易于点燃的浓燃料区

 7.1.3采用可变系统中的可变技术

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)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。

 7.2柴油机

7.2.1采用DOC技术

DOC是由涂敷着铂族金属催化剂的整体式蜂窝载体所组成的通流式装置。蜂窝结构有许多细小的平行孔道,使废气与催化剂有很大的接触面积。当热的废气接触到催化剂时,诸如CO、气态HC、未燃燃油和润滑油、有毒的醛类等气态污染物都会被氧化成CO2和H2O,这样便降低了柴油机的有害排放。应用DOC的另一个目的是控制PM排放。虽然,DOC不捕集或燃烧碳烟颗粒,但它可以氧化柴油机PM中的可溶性有机成分(SOF)。DOC一般可以净化PM 的10%~40%,具体视PM 组成和运行工况而定。

然而,DOC也可能通过氧化排气中的SO2生成硫酸盐颗粒,如此又可能增加PM排放。对于超低硫柴油(ULSD)燃油,这并不是主要问题。但对于LSD燃油(含硫量小于350x10 -6)来说,设计DOC时使其生成硫酸盐尽可能少,并尽可能多地消除SOF就显得十分重要。

 7.2.2选择性催化还原器(SCR)

SCR使用由尿素获得的氨(NH3)作为还原剂来控制NOX排放,在柴油机中已被证实有很高的效率。

在特殊设计的催化器上,氨选择性地与NO和NOX反应,有效地将其还原成氮和水。在欧洲重型车原设备规定的市场中,SCR从2005年开始被用来控制NOX排放。在SCR系统与发动机控制策略的匹配是非常关键的。因为良好的控制策略可以使NH3/NOX尽量接近理论比,提高SCR系统的转化效率。而且还可以防止过量的NH3逸出。该系统在欧V上的使用策略是通过发动机调整降低PM的排放,然后通过SCR系统减少NOX来满足排放法规。这种方法可以使SCR系统提高至少6%的燃油经济性。并可经NOX,NH3和尿素传感器实现系统的闭环控制,提高系统的转化效率和性能,其转化效率可以高达95%。

SCR的一个很大优点在于:其对S不是很敏感。除此之外,SCR系统还有反应的温度较低,催化剂不含贵金属,寿命长等优点。而难点在于:其系统成本太高,大约是车辆成本的3%—5% ;安装转换器和尿素储存罐所需的空间等问题,使其在轻型车上很难推广使用。而且尿素供给的基础设施建设,尿素供液器的密封,防止司机故意不加尿素行驶等方面也是问题。

7.2.3柴油机微粒过滤器(DPF)

DPF的主要任务是把微粒中的炭粒氧化,DPF是一种减少PM排放的有效手段,该技术的应用方法是先用DPF捕集废气中的PM,然后通过对收集的PM的氧化来使DPF再生。它可以从柴油机排气中去除碳烟颗粒,效率远远超过90%,然而PM过滤并不是核心问题,核心问题是过滤器的再生作用,也就是确保在柴油机的任何工况条件下都能将聚集起来的碳烟氧化掉。炭粒(soot)由o2和NO2进行氧化在柴油机正常工作的转速和负荷下,排气温度一般在250-500℃ ,而PM的燃点一般为550—600°C,依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使DPF再生必须降低PM的燃点或提高排气温度。再生的方法有2种:一种通过在燃油中加人添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点,使PM能在较低的温度下燃烧掉,一般称被动再生;另一种称为主动再生的是指利用外界能量来提高DPF内的温度,使PM着火燃烧。当然也可以把各种不同的方案组合起来使用,以确保可靠的再生和PM过滤系统在寿命周期内的正常功能。

 7.2.3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。

 7.2.4.后处理组合

“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。

 8.总结

从上面的叙述和对比可以看出,由于汽油机和柴油机本身存在的差异,在节能减排和燃油经济性采取的措施上有些差异,但是也有不少共同的技术。要达到低排放和良好的燃油经济性,除了改进内燃机本身的设计和优化参数,后处理技术也很重要。

参考文献

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