重型柴油机达到国IV标准的技术路线比对.doc

重型柴油机达到国IV标准的技术路线比对 随着柴油机的不断应用，柴油机的排放问题日益受到关注，各国纷纷提出了苛刻的排放标准。为了限制柴油机的排放，2005年欧洲实施了欧IV排放标准，美、日、印等国也采取相应标准以进一步降低排放限值。按照GB17691的要求，我国于2010年1月1日起开始实施国Ⅳ标准，国Ⅳ标准要求在国Ⅲ限值的基础上，氮氧化物(NOx)进一步降低30%，微粒物(PM)降低超过80%，CO、HC及烟度排放降低也接近30%。 与汽油机相比，柴油机CO和HC的排放要少得多，但排放的NOx与汽油机在同一个数量级，而微粒的排放要比汽油机大几十倍甚至更多，因此，降低NOx和PM排放是柴油机排放控制的重点。由于柴油机PM和NOx的排放具有“相互异致”的关系，实现重型柴油机从国Ⅲ到国Ⅳ的过渡目前有三种技术方案：机前处理、机内净化及排气后处理。机前处理主要是改进燃油品质，降低硫含量等，用以降低PM等的排放；机内净化主要是通过优化燃烧，改善进气以及采用电控喷射技术等，目的是改善燃烧，减少NOx和PM等的生成。排气后处理则主要是采用各种过滤净化装置或催化转化器，对排气进行处理。重型柴油机达到国Ⅳ标准的技术路线主要有两条：一条是优化燃烧+SCR路线，另一条是EGR+DPF路线，如图1所示。 优化燃烧+SCR技术路线 优化燃烧+SCR技术路线首先通过喷射系统优化、喷射定时提前以及增压中冷等技术优化发动机的燃烧，把微粒物(PM)降到适当的水平，这样会导致NOx排放的提高；再利用SCR技术，将NOx转化为对环境没有危害的N2和H2O。目前该路线主要在欧洲采用，又称为欧洲路线。 1. SCR系统组成及工作原理 SCR系统主要由SCR催化转化器、电控单元(ECU)、尿素罐、尿素泵(尿素溶液供给模块)、计量器、喷嘴及各种传感器等组成，如图2所示。 SCR系统在工作时，首先给空气分配阀通电，输出压力稳定的空气，一路空气供给喷嘴，雾化尿素水溶液；另一路空气供给尿素泵，控制尿素水溶液回流量的大小。然后尿素泵起动，在计量器的进口处建立具有一定压力的尿素水溶液待用。ECU采集柴油机的转速和转矩信号以及催化器的进口温度信号。按照控制策略需求尿素水溶液流量的控制指令，驱动电路驱动计量器动作，尿素水溶液与雾化空气混合经喷嘴进入排气管。在排气管中尿素水溶液经蒸发、热解以及水解一系列的物理化学反应后部分或全部分解成氨气(NH3)和水(H2O)并与排气充分混合，然后进入SCR催化转化器。在催化剂的催化作用下，NH3与NOx迅速反应生成N2和H2O，随废气排入大气 2. SCR系统降低NOx排放的机理 在将NOx转化为N2和H2O的过程中，涉及的化学反应比较多，也比较复杂，但主要的反应有如下几个： (1) NH3的生成 (NH2)2CO→(NH2)2CO(s)+H2O(g)(1) (NH2)2CO(s)→NH3(g)+NHCO(g)(2) NHCO(g)→NH3(g)+CO2(g) (3) (2) NOx的催化还原 4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (4) 2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O (5) 柴油机排放的氮氧化物中NO含量通常占85%~95%，因此在NOx的催化还原反应中化学方程式(4)是最主要的反应，但是化学方程式(5)的反应优先级比化学方程式(4)高，废气中的NO2和一部分NO能够通过化学方程式(5)快速地被消除。经过化学方程式(4)和(5)的反应，大部分的NOx被转化为无害的NH3和H2O。 在SCR系统中，NOx转化的效率与NO2/NO的比例、排气温度等有密切关系。有研究表明：当NOx中NO2与NO的比例达到1:1，排气温度在300~400℃时，NOx的转化效率最高。 EGR+DPF技术路线 如图3所示，EGR+DPF技术路线首先采用EGR技术降低NOx的排放量，同时允许PM有一定程度的升高，升高的微粒用DPF捕集，从而达到同时降低NOx和PM的效果。该路线主要在美国使用，故又称为美国路线。 1. EGR技术 如图3所示，EGR技术降低NOx的基本原理是将部分排气引入进气管，再循环到燃烧室内，利用废气中的N2等惰性气体延缓反应的进行，同时，利用废气中比热较高的CO2和H2O等，降低缸内最高燃烧温度，从而减少NOx的生成。再循环废气对新混合气有稀释作用，降低了混合气中O2的浓度，破坏了NOx的生成条件，也可以有效抑制NOx的生成。 废气混入燃烧室的多少，通过EGR率来表示。合理的EGR率对降低NOx的排放有重