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          國三國四國五灑水車發動機之技術區別

          來源:湖北大力專用汽車制造有限公司  發布日期:2013/11/11  查看次數:1488

              隨著國際《京都議定書》的正式生效,歐洲汽車產業希望借助“歐5”和隨后的“歐6”,利用歐洲柴油灑水車在節能和限污方面的成熟技術,振興歐洲汽車工業并使其保持世界領先地位并完全壟斷環保節能發動機的科學先進技術。我國是《京都議定書》的簽約國,無論從政治還是從政績上考量,中國政府必須要履行對全世界的承諾,用二分之一的時間,走完歐盟(加上美日)從歐州汽車排放標準I號到V號或歐VI的二十多年實施階段時間,以高度體現中國發展速度與政治上極端高度性。

              根據今年年初國務院常務會議的安排,今年6月底前將發布第五階段車用柴油標準(硫含量不大于10ppm),今年年底前將發布第五階段車用汽油標準(硫含量不大于10ppm),過渡期均至2017年底。第五階段機動車排放標準,已經走完了所有的程序,很快即將對外發布。”環保部官員表示,“標準發布之后并不會即刻實施,因為新標準的實施需要一個準備實施期,通常這一準備期為三五年時間。”該官員解釋,汽車排放標準的實施,必須油品先行。

              因此,對新標準實施最為重要的是,油品供應企業必須充分準備,保證能向用戶提供與排放標準相配套的國五油品,同時,汽車制造廠家也要研發生產符合這一新排放標準的汽車,用戶也要等政府的補貼政策才能決定是否淘汰舊車。

              今年經國務院批準,自2013年2月1日起,北京市在全國率先開始執行北京第五階段機動車灑水車排放標準。在國務院提出的十條措施中,第七條措施為,用法律、標準倒逼產業轉型升級,其中包括一項重要內容,制定、修訂重點行業排放標準。

          ●  何為汽車排放標準?

              目前,世界汽車排放標準并立,分為歐洲、美國、日本標準三大體系。歐洲標準測試要求相對而言比較寬泛,是發展中國家大都沿用的汽車尾氣排放體系,而日美最為嚴格。中國汽車大多數系從歐洲引進生產技術,因此大體上采用歐洲標準體系,其灑水車尾氣排放標準也是延用歐標體系。

              汽車排放標準,是指從廢氣中排出的CO(一氧化碳)、HC+NOx(碳氫化合物和氮氧化物)、PM(微粒,碳煙)等有害氣體。汽車排放是指從廢氣中排出的CO(一氧化碳)、HC+NOx(碳氫化合物和氮氧化物)、PM(微粒,碳煙)等有害氣體。它們都是發動機在燃燒作功過程中產生的有害氣體。

              這些有害氣體產生的原因各異,CO是燃油氧化不完全的中間產物,當氧氣不充足時會產生CO,混合氣濃度大及混合氣不均勻都會使排氣中的CO增加。 HC是燃料中未燃燒的物質,由于混合氣不均勻、燃燒室壁冷等原因造成部分燃油未來得及燃燒就被排放出去。NOx是燃料(汽油)在燃燒過程中產生的一種物質。PM也是燃油燃燒時缺氧產生的一種物質,其中以柴油機最明顯。因為柴油機采用壓燃方式,柴油在高溫高壓下裂解更容易產生大量肉眼看得見的碳煙。

              為了抑制這些有害氣體的產生,促使汽車生產廠家改進產品以降低這些有害氣體的產生源頭,歐洲和美國都制定了相關的汽車排放標準。其中歐洲標準是我國借鑒的汽車排放標準,目前,國產新車都會標明發動機廢氣排放達到的歐洲標準。

              歐洲標準是由歐洲經濟委員會(ECE)的排放法規和歐共體(EEC)的排放指令共同加以實現的,歐共體(EEC)即是現在的歐盟(EU)。排放法規由ECE參與國自愿認可,排放指令是EEC或EU參與國強制實施的。

              灑水車汽車排放的歐洲法規(指令)標準1992年前巳實施若干階段,歐洲從1992年起開始實施歐Ⅰ(歐Ⅰ型式認證排放限值)、1996年起開始實施歐Ⅱ(歐Ⅱ型式認證和生產一致性排放限值)、2000年起開始實施歐Ⅲ(歐Ⅲ型式認證和生產一致性排放限值)、2005年起開始實施歐Ⅳ(歐Ⅳ型式認證和生產一致性排放限值)。

          ●  歐IV排放技術 

              歐洲排放標準:

              歐0階段:采用純機械式的供油系統(燃油泵或柴油泵)和自然吸氣技術。 歐Ⅰ階段:在歐0發動機的機械供油系統(燃油泵)基礎上,主要輔以廢氣渦輪增壓技術。

              歐Ⅱ階段:在歐Ⅰ發動機平臺上適當改進,主要輔以廢氣渦輪增壓(水空)中冷技術或廢氣渦輪增壓中冷技術, 供油系統沒有本質變化。

              歐Ⅲ階段:對歐II發動機平臺進行重大升級,主要是供油系統發生了本質變化,實現了供油系統由機械式控制向電子控制的轉化,主要技術路線包括電控泵噴嘴、電控高壓共軌、電控單體泵和電控H泵+EGR。EGR(廢氣再循環)技術主要是針對有害氣體(NOx) 設置的排氣凈化裝置,它將一部分排氣循入進氣管與新鮮空氣混合后進入氣缸燃燒,以增加混合氣的熱容量,降低燃燒時的最高溫度,抑制NOx的生成。

               歐Ⅳ階段:在該階段,PM與NOx的排放都做了進一步限制,其技術路線是在歐Ⅲ發動機基礎上,供油系統沒有本質變化,主要是采取一系列機內凈化技術如提高供油系統的控制靈敏性和壓力,燃燒室和進氣等進一步優化,并綜合使用機外凈化(后處理)技術。機外凈化(后處理)技術目前主要有兩條技術路線:一種是SCR(選擇性催化還原)技術,通過機內凈化PM,機外催化還原;另一種是EGR(廢氣再循環)+DPF(微粒捕集器)+DOC(氧化催化轉換器)技術,通過機內凈化降低NOx,機外通過微粒捕捉器過濾PM。

               歐Ⅴ階段:在該階段,對PM的要求與歐Ⅳ相同,僅對NOx的排放做了進一步限制。其技術路線在歐Ⅳ發動機基礎上,根據歐Ⅳ階段采取的技術路線的不同,進行相應的調整。采用SCR技術的發動機相對容易,只需要進行部分配件和電控參數上的局部調整,而采用EGR技術的發動機則需要在油泵等管路上進行重新設計。

              歐美主要采用了兩條機外后處理技術路線:

              1、SCR (選擇性催化還原) 技術路線,通過優化噴油和燃燒過程,盡量在機內控制微粒的產生,在機外后處理過程,采用尿素溶液對NOx進行選擇性催化還原。采用該技術路線的主要有康明斯、馬克、底特律柴油發動機、戴姆勒克萊斯勒、沃爾沃、達夫、依維柯。

              2、EGR+DPF/DOC (廢氣再循環+微粒捕集器/氧化催化轉換器)技術路線,它以廢氣再循環為基礎,在機內抑制NOx的產生,在機外后處理過程中采用微粒捕集器對微粒進行捕捉。目前,采用該技術路線的主要有康明斯、卡特彼勒、萬國、斯堪尼亞、曼等。

              采用SCR方案,對發動機不須做進一步的強化處理。燃油中的硫含量對于系統的影響較小,可回避燃油含硫量高的難題。采用SCR方案可通過調整噴油特性而節省燃油消耗約5%,整車需增加一套尿素貯存和轉化裝置而使成本增加。采用EGR+ DPF/DOC方案需對原發動機進行強化,提高噴油壓力和增壓中冷能力。在歐洲主要以SCR技術占主流,而在北美卻以EGR+DPF為主流。當前,國內主流卡車廠家國Ⅳ機型及所采用的技術路線比較認可SCR技術路線。

          ●  歐標發動機技術區別   

              為滿足歐VI和歐V標準,灑水車發動機制造商將必須采取發動機改進、使用含硫量極低的燃油以及排放控制系統等技術措施。歐VI和歐V標準要求柴油含硫量不超過50X10-6,而美國2007年和2010年法規則要求將柴油含硫量降低至15×10-6。而歐V和歐VVI標準主要針對顆粒物排放,這給柴油發動機降低002it}放量帶來更大的挑戰。

              柴油機作為最廣泛應用的動力源引擎,其總體技術結構相近,主要區別在燃油系統和電控系統,即直列式機械泵、電控共軌系統。目前,代表國際先進水平的是德國BOSH公司,其共軌燃油系統的排放標準在歐III(國3)以內。它采用曲軸、連桿、十字頭結構,泵壓130Mpa。

              而歐IV標準要求把油泵壓力提高到160Mpa,這種相對略簡結構已經不適應了。首先,柱塞偶配精度高,難以加工;其次,這種設計方案采用的是彈簧回力點接觸傳力結構,在壓力增高以后,容易出現卡死和傳動不平穩的缺點。因此,歐V標準產品已經巔覆了傳統發動機的設計原則,特別是對油泵設計原理,完全是一次推翻傳統理論進而重新革命性的再創新過程。

              DOC技術裝置可以將總微粒(TPM)中的可溶性有機組分(SOF)氧化成CO2和水。還能將排氣中的CO和HC氧化成CO2和水。與控制TPM、HC和CO排放不同,NOx需要被還原成氮(N2)和水。

              其技術原理:(1)發動機排放的SO3遇水會生成硫酸,它是TPM的—部分;(2)硫極易被大多數排放控制系統采用的鉑催化劑從SO2氧化為SO3;(3)硫會使稀NOx捕集器(LNT)和含鈀等催化劑中毒失效。需要采用一種能氧化CO與HC、而又不會使SO2氧化的技術。一種硫酸鹽抑制劑可改變鉑的選擇性。降低SO2的活性。

              采用一些方法克服TPM的低反應活性:(1)使TPM中的SOF組分氧化;(2)將顆粒捕集到過濾器中并在高溫下使它氧化;(3)通過NO氧化成NO2,使之產生一種更具反應活性的氧化物形式。

              據查閱相關資料表明:利用過濾器捕集TPM并定期在高溫下使過濾器再生的方法已在美國2007年所有重型柴油車和歐洲大多數柴油客車上投入商業化應用。在需要降低顆粒排放及使用鉑的場合,幾乎全部都采用NO2來氧化碳煙。在不需要完全過濾TPM的某些場合,采用一種分流式過濾器或者采用一種通過載體的標準氣流就足以滿足需要。一套DOC裝置可以去除廢氣中20%-60%的顆粒。去除NOx的第一種技術是稀NOx催化(LNC)。這項技術已在要求將NOx排放降低5%-10%的場合應用于輕型柴油車。在排氣中添加額外HC可使NOx的降幅擴大至10%-20%。

              但其缺點是:在150-200℃之間大多數LNC催化劑會生成大量N2O。柴油機LNT在稀氣條件下使NOx吸收在LNT中直到NOx的數量達到LNT的容量為止。當NOx達到峰值時開始脫附并與CO和HC反應生成N2和水。這項技術最初應用于美國的乘用車和中型載貨車。但燃油中的硫會對LNT的性能和耐久性產生很大影響。

              SCR技術使用的還原劑并非CO和HC,而是氨。汽車選用的SCR還原劑通常為32.5%(質量百分比)的液態尿素溶液。目前有幾種商用SCR催化裝置可供選用,包括釩氧化物、低溫沸石和高溫沸石。釩基SCR裝置適于在200-550℃溫度范圍內工作,但當它暴露在600℃以上的環境時會很快失去活性。低溫沸石裝置起作用的溫度為150-450℃,正準備用于輕型柴油乘用車。高溫沸石起作用的溫度為250-700℃(在SCR裝置前安裝DOC裝置有可能使其作用的溫度下限降低到200℃)。

              高溫沸石裝置將主要用于美國2010年發動機和歐IV發動機的NOx還原,該過濾裝置需要在600℃以上進行有源再生、發動機制造商面臨設計上的選擇:發動機NOx排放控制與TPM排放控制系統相結合,或發動機TPM排放控制與NOx排放控制系統相結合。歐洲有發動機制造商選擇了前者,但大多發動機制造商都選擇了SCR,這是因為它允許發動機針對低顆粒、高NOx及最大燃油經濟性進行優化。

              此外,歐洲現有的SCR排放控制系統有能力在改動最小的情況下(提供更高的尿素噴射率等方法)達到歐V排放標準。歐洲重型柴油車都選擇釩基SCR系統是因為它具有最佳的成本—效益比。在不采用DOC裝置的情況下達到歐IV標準要求的、60%-70%的NOx轉換率也是有可能的。這一方法有利于在無法供應低硫燃油的地區使用。

          ●  國四排放技術 

              目前,在我國常用的歐Ⅰ和歐V標準等術語,是指當年EEC頒發的排放指令。例如適用于灑水車重型柴油車(質量大于3.5噸)的指令“EEC88/77”分為兩個階段實施,階段A(即歐Ⅰ)適用于1993年10月以后注冊的車輛;階段B(即歐Ⅱ)適用于1995年10月以后注冊的車輛。汽車排放的歐洲法規(指令)標準的內容包括新開發車的型式認證試驗和現生產車的生產一致性檢查試驗,從歐Ⅲ開始又增加了在用車的生產一致性檢查等等。查閱有關資料表明,汽車排放的歐洲法規(指令)標準的計量是以汽車發動機單位行駛距離的排污量(g/km)計算,因為這對研究汽車對環境的污染程度比較合理。同時,歐洲排放標準將汽車分為總質量不超過3500公斤(輕型車)和總質量超過3500公斤(重型車)兩類。輕型車不管是汽油機或柴油機車,整車均在底盤測功機上進行試驗。重型機由于車重,則用所裝發動機在發動機臺架上進行試驗。

              當前, 國內EGR主要有兩種:外置式EGR與內置式EGR。各主流發動機廠EGR發動機及其技術路線。

              1、外置EGR路線。以電子機械泵和冷卻式廢氣再循環技術為典型特征,以重汽、大柴道依茨為代表,通過在發動機殼外安裝電控EGR閥和電控單元,根據瞬時工況和廢氣控制電磁閥開度,以達到排放標準。

              2、內置EGR路線。該技術經過精確測算,通過控制發動機凸輪軸的機械運行,使氣缸排氣門在進氣時保持3%—6%的開度,從而達到溢出廢氣與進氣按不同比例混合的效果,使發動機排放實現國Ⅲ。代表性企業包括一汽錫柴、玉柴和東風康明斯。

              國內商用車柴油機實施的燃油系統技術路線主要有四種: 電控泵噴嘴(EUI)、高壓共軌(Common Rail)、電控單體泵(EUP)和電控直列泵(EIL)+EGR。

              電控泵噴嘴技術(EUI)被沃爾沃、曼、依維柯、東風、陜汽等企業采用,另外,美國康明斯的全電控發動機應用的也是電控泵噴嘴技術,目前采用該技術的發動機全球保有量已經超過40萬臺,行駛里程達3000億km,是久經考驗的成熟產品。

              灑水車高壓共軌技術(Common Rail)主要有沃爾沃、奔馳、曼,國內公司有陜汽、解放、歐曼、紅巖等企業,國內發動機廠家有濰柴、玉柴、錫柴。高壓共軌技術成為目前能夠實現國Ⅲ排放標準的技術應用最廣泛。

              灑水車電控單體泵技術 (EUP) 用在奔馳、珀金斯、依維柯、道依茨,國內有道依茨一汽大柴、玉柴等。

             灑水車 電控直列泵(EIL) +EGR技術  中國重汽,一汽錫柴、玉柴、上柴、濰柴、東、西康明斯等也都提供電控直列泵+EGR發動機。

          ●  國五排放技術指標要求 

              國五排放標準基于歐五排放標準,其中PM值限制,國五排放標準是每公里4.5毫克,而歐五排放標準是每公里5毫克,但京五和國五排放標準要比歐五排放標準要更加嚴格。根據京五排放標準征求意見稿,三種污染物當中,CO的排放標準依然是1g/km,HC化合物的排放標準依然為0.1g/Km,而NOx化合物的標準,則由國四的0.08g/km進一步加嚴到0.06g/Km。京五排放標準中HC化合物的限值標準雖然還是0.1g/Km,但是在HC化合物中,將非甲烷基碳氫化合物(NMHC)單獨列了出來,并且限值規定為0.068g/km。NMHC是指除甲烷以外的所有碳氫化合物,大氣中的NMHC超過一定濃度,除直接對人體健康有害外,在一定條件下經日光照射還能產生光化學煙霧,對環境和人類造成危害。

              據奇瑞汽車發動機專家予默先生研究,他指出:京五排放標準中對PM值進行了規定,但僅限于缸內直噴式發動機。汽油發動機的PM值一般不高,缸內直噴汽油發動機和柴油發動機的PM值相對較高。

              京五排放標準中規定,缸內直噴汽油發動機PM值限值為4.5毫克每公里,而歐五排放標準中是5毫克每公里。京五排放標準中的排放合格里程數提升到16萬公里,相比較國四排放標準的10萬公里,提升了60%。

              相對于污染物的限制降低,在歐五標準中,這一里程的升級當時引起了更多的關注。因為美標中長期以來是以10萬英里作為期限,所以在歐五中也開始施行更長的排放有效里程。這一公里里程限值的含義是,合格的汽車產品,必須在16萬公里以內符合京五三大污染物排放限值的規定。

              京五排放標準中,原則上對在用車廠家自查進行了更加詳細的規定:第一年內抽檢1.5-3萬公里、第二年抽檢3-5萬公里、第三年抽檢5-8萬公里、第四年抽檢8-10萬公里、第五年抽檢10-16萬公里的在用車。排放里程的限定變化以及增加的在用車抽檢項目,是國五、京五相對于國四排放標準提升最為嚴格之處。如果油品達不到要求,車輛的排放穩定性就很難達到要求,因為汽油中的硫、錳等會對三元催化器產生毒化作用(與貴金屬發生化學反應,降低貴金屬的催化能力),直接降低三元催化器的工作效率。


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