重型车用柴油机排放法规的现状及发展趋势

重型车用柴油机排放法规的现状及发展趋势

重型车用柴油排放法规发展趋势重型车辆的使用在经济发展中起着重要作用。随着经济的快速发展，重型重环保车的拥有量急剧增加。与此同时，排放对环境的影响也越来越严重。为减轻环境压力,控制柴油机排放刻不容缓,为此各国都制定了更加严格的排放法规,排放法规的日趋严格也推动着柴油机技术飞速发展。本文对当前重型车用柴油机国内外排放法规的发展趋势作了简要分析,讨论了为满足未来排放要求,所采用的柴油机两种主要技术路线的不同特点;结合我国油品分析,指出SCR将是我国未来主要技术路线。1国内外关于车辆排放的法律法规和趋势为减轻重型车用柴油机对大气环境的污染,保护环境,柴油机排放法规日益严格,欧美及我国重型车用柴油机排放标准比较如下。1.1欧洲重型车辆的燃油排放规则(续表)1.2美国重型车辆的燃油排放规则EPA1988-2003EPA2004-2006EPA2007-20101.3中外排放法规对比通过欧美及我国排放法规演变可知,随着更严格的排放法规的实施,欧美排放法规趋于一致,我国排放法规基本借鉴欧洲法规,目前落后于欧洲法规5~10年,但是差距在逐渐缩小。日趋严格的排放法规推动着柴油机技术迅速发展,从欧Ⅲ开始燃油电控技术普遍采用,电子燃油喷射系统的应用是柴油机技术发展的又一重大变革。2与后处理相结合,以scr、dpf为主流的燃烧电控柴油机排放主要污染物是NOx及PM,排放法规及柴油机技术发展也主要以降低NOx及PM为重点。对于日益严格的国IV/V排放法规,仅靠机内净化已不能满足排放要求,必须对排气进行机外净化处理。考虑技术发展的继承性,为满足未来国IV/V排放,必须将现有燃油电控(EFIS)与后处理相结合。EFIS主要包括CRS(包括ACRS、XPCRS)、EUIS、EUPS,后处理主要有SCR、DPF(或POC)。二者结合主要有两种技术路线,一种是EFIS+SCR,简称SCR路线;另一种是EFIS+EGR+DPF(或POC),简称EGR路线。这两种路线在国际上被广泛采用,美国以EGR为主流路线,欧洲以SCR为主流。原因为一方面从NOx及PM限值比较,美国对颗粒排放限制较严,而欧洲对NOx限制更严;另一方面美国燃油价格比欧洲低,用户对价格不敏感,SCR路线则带来更高的初始附加成本。另外,EPA2007规定新车后处理装置要满足15万英里无维护的要求,但SCR每隔3000~5000英里需要加注尿素,因此采用此技术路线需向EPA提出特别申请。2.1scr系统及还原剂排放SCR原理图如图1所示。这一技术方案主要是通过电控燃油高压喷射及正时,优化缸内燃烧过程,以提高缸内NOx为代价,将PM控制在排放范围内,再通过机外排气后处理即通过SCR装置,将NOx排放降至排放标准范围,排气中NOx以NO为主,约占90%。SCR工作原理是通过剂量控制单元向排气管中喷射一定量尿素作为还原剂,还原剂在排气高温下水解产生NH3,然后与废气中的NOx反应,进一步生产N2和H2O。SCR包括尿素供应系统、尿素喷射及控制系统(DCU)、催化剂系统(SCR箱)三部分。由于需加装SCR箱及尿素储存装置,系统更复杂,初始成本比EGR路线更高,也使排气系统尺寸及整车质量增大。采用SCR路线时,通过缸内燃烧优化,燃料中的硫只要少部分转换为微粒(约1.5%),即使燃油含硫量较高(最高350ppm),颗粒排放仍可控制在国IV/V排放标准内,不会因燃油含硫造成催化剂中毒,可使用国III柴油达到国IV/V排放。SCR采用的还原剂是符合DIN70070标准、浓度为32.5%(±0.5%)的尿素溶液,在欧洲注册商标为“AdBlue”。AdBlue无毒、无气味、不易着火、无爆炸危险,但稍有腐蚀性,需用特殊储存容器。在温度较低(-11℃)时,为防止结冰可通过添加剂提高溶液冰点或采用加热装置,尿素消耗约为燃油消耗量的3%~6%。SCR路线虽有尿素消耗,但其价格较柴油低(约低50%),喷油压力提高和喷油正时优化又使油耗进一步降低5%~7%,所以相应柴油机综合油耗比原国III机降低3%~5%。SCR路线对燃油硫含量要求较低,适合近期我国油品现状,但需增加基础设施保证尿素供应,另外也要控制排气中NH3的泄漏,需加装NH3催化反应装置以避免造成二次污染。2.2再生技术要点EGR+DPF(DOC)装置原理图如图2所示。EGR方案主要是通过降低缸内氧气浓度及燃烧温度,以控制缸内NOx排放,但会造成PM排放超标,所以再通过机外后处理即通过DPF(或POC)装置,将PM排放降至排放范围。EGR是将高温排气通过再循环冷却器冷却后,在进气管与空气混合后进入缸内,废气同时降低缸内氧气浓度及燃烧最高温度,从而抑制NOx生成。EGR路线要求喷油压力更高,以在降低NOx排放的同时减少PM排放。由于EGR及DPF装置造成背压更高,为防止DPF堵塞进行的主动再生也需消耗一定燃油,所以EGR路线经济性稍差,与国III比较,油耗提高2%~3%。采用EGR路线时,DPF装置有通透式和壁流式两种,后者有更高的过滤效率。为避免DPF装置堵塞,须采用再生策略,主要有被动再生和主动再生两种。被动再生是通过使微粒在柴油机正常工作条件下燃烧消除微粒,但低负荷时排气温度较低,再生效率低,影响再生效果,DPF装置长期使用会堵塞,需定期拆下维护或更换。可通过使用燃油添加剂(通常为金属化合物)或在DPF装置前增加催化氧化装置(POC),提高微粒反应活性,降低着火温度,提高再生效率,但金属燃油添加剂可能造成二次污染。单独的POC装置效率较低,但国IV阶段,单独采用也可达到微粒排放要求。主动再生是通过实时监测排气背压,在背压超过设定值(一般大于0.2bar)时,ECU启动再生装置,向排气中喷射燃油,通过点火或燃油自燃,提高排气温度使微粒燃烧而除去。为降低EGR及喷油再生时(主要)导致的HC排放增加,一般前置DOC装置,DOC装置由涂催化剂(通常是贵金属如Pt)的载体组成。POC/DOC装置不会造成二次污染,但贵金属涂层不仅降低HC,也会使燃料中的硫转变为硫酸盐颗粒覆盖涂层,导致催化剂中毒实效,所以要严格控制燃油含硫量,国IV排放要求低于50ppm,国V排放要求低于20ppm。EGR路线对燃油油品要求虽高,但目前欧洲车用柴油含硫量是10ppm,美国车用柴油含硫量是15ppm,都满足使用要求,所以欧美都存在SCR与EGR两种路线,只是根据国情不同,分别是SCR或EGR占优势。采用EGR路线时,对欧IV排放,EGR率一般控制在15%以内;对欧V排放,EGR率要提高,一般控制在25%以内。采用EGR路线时,为冷却再循环排气,需增加EGR冷却装置,与国III相比,要求柴油机冷却能力提高30%~50%,需加大柴油机冷却器尺寸以满足冷却要求,这可能导致柴油机体积增大,影响安装,但整车质量增加不多。表1对两种不同技术路线进行了简要的比较。以上对国IV/V两种路线特点作了分析比较,我国排放滞后于欧美,以上两种路线也是更严格的欧VI及EPA2010法规的主要路线。对于欧VI及EPA2010以后更严格的排放法规,具体技术路线尚不明确。从技术及法规发展考虑,既要进一步提高柴油品质以及研究缸内燃烧新方案如HCCI等,以上技术方案也可能要综合采用。3研究发现了在电控燃油系统当前国内各主要公司主要采用CRS(康明斯、潍柴、锡柴、玉柴、上柴)、EUPS(大柴、玉柴)、电控泵喷嘴(EUIS,陕汽康明斯)及电控直列泵(EIL)+EGR(重汽)满足国III排放。上述国III路线中,CRS及EUPS柴油机都可通过技术升级满足国IV、国V排放,但EIL+EGR不具备国IV/V升级潜力,技术缺乏继承性。截至目前,国内满足国IV/V排放的产品都是在国III路线基础上采用SCR方案。目前欧美实行更严格的排放法规,为满足欧V/VI排放及EPA2007-2010排放,欧美SCR及EGR两种技术路线都有采用,其中欧洲以SCR为主,美国以EGR为主。欧洲采用SCR路线的主要有:Renault、Benz、Volvo、Fiat(Iveco)、DAF,MAN及Scania公司则SCR及EGR两种路线并存。美国Navistar、JohnDeere公司采用EGR路线;Caterpillar公司ACERT方案实际也是EGR路线;Commins、DDC公司两种路线并存,Commins公司SCR方案用于10L以下柴油机,10L以上产品采用EGR方案。两种路线比较,SCR路线整机初始成本提高,但油耗更低,在使用期间可弥补高成本缺陷,所以长途载重车上普遍采用。短途运输对油耗不敏感,EGR方案的初始较成本以及部分城市公交强制加装DPF的要求使后两者更倾向于选择EGR路线,表3、4对欧美不同技术路线进行了总结。为适应日益严格的排放法规,电控燃油系统要求的喷油压力逐渐提高。为满足燃油系统这一要求,博世开发了ACRS系统(DDC采用),Commins与Scania联合开发了HPI、XPCRS(XPI)系统。HPI实际是一种EUPS系统,XPCRS(XPI)与ACRS类似,是CRS的升级,最高喷油压力可达240MPa。4柴油含硫量大,但引领国iii及国内柴油排放要求柴油品质尤其是含硫量是影响排放指标实现和技术路线选择的重要因素,排放法规对柴油含硫量要求见表4所示。我国柴油质量严重滞后于排放标准要求,含硫量与欧美差距较大,欧洲目前执行EuroV标准,柴油含硫量不大于10ppm。美国执行EPA2007标准,柴油含硫量不大于15ppm。而据我国GB252-2000《轻柴油》要求柴油含硫量不大于2000ppm,GB/T19147-2003《车用柴油》要求柴油含硫量不大于500ppm。虽然2008年7月国III全面实施,要求燃油含硫量不大于350ppm,但满足此要求的柴油仅能供应国内主要大城市,而国IV排放要求燃油硫含量不大于50ppm,目前仅仅北京有国IV柴油供应。我国炼油企