1、汽车工程学院汽车工程学院 许广举许广举 第八章第八章 发动机排放与噪声发动机排放与噪声当前中国大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到控制的情况下，以臭氧、PM2.5和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日益突出，区域内空气重污染现象大范围同时出现的频次日益增多，严重制约社会经济的可持续发展，威胁到人民的身体健康。大气污染状况今年上半年中国环保部发布的环境质量状况表明，监测的74个城市平均达标比例是54.8%，京津冀地区平均达标天数的比例只有31%。大气污染治理规划环保部2012年12月5日公布了我国第一部综合性大气污染防治规划重点区域大气污染防治“十二五”规划。重点区域大气污染防治“十二五
2、”规划范围包括京津冀、长三角、珠三角等13个重点区域面积14%人口48%经济总量71%煤炭消费52%二氧化碳48%氮氧化物51%烟粉尘42%挥发性有机物50%排放量规划提出到2015年下降重点区域排放量二氧化碳氮氧化物工业烟粉尘年均浓度颗粒物（PM10）二氧化硫二氧化氮细颗粒物（PM2.5）12%13%10%10%10%7%5%机动车污染现状随着中国机动车保有量的迅速增长，机动车尾气排放污染已成为我国空气污染的主要来源之一，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。世界上污染最严重的大城市总悬浮颗粒(TSP)NO2北京城市郊区大气中74的碳氢化合物，63的氮氧化合物来自汽车尾气。中国柴油机排放现状
3、环保部2012年机动车污染防治年报数据显示，全国柴油车排放的NOx和颗粒物PM接近汽车NOx排放量的70%，PM超过90%。按燃料类型划分的汽车保有量按燃料排放标准划分的汽车保有量各类汽车氮氧化物排放量分担率各类汽车PM排放量分担率中国柴油机排放法规等级实施时间e/(gkm-1)e2(PN)/(1011 km-1)COHC+NOxNOxPMEuro 42005-010.500.300.250.025-Euro 5a2009-090.500.230.180.005-Euro 5b2011-090.500.230.180.0056.01011Euro 62014-090.500.170.080.0
4、056.01011u中国排放标准基本参照欧洲标准执行，但实施时间滞后68年。u第四阶段轻型柴油车排放标准因油品等各种原因，从原计划的2011-07-01推迟至2013-07-01。u中国的重型柴油车国排放标准于2013-07-01实施，国标准中NOx的排放限值为3.5g/kWh，ESC和ETC测试循环中PM的排放限值分别为20mg/kWh和30mg/kWh。欧洲轻型柴油乘用车排放标准欧洲重型柴油乘用车排放标准等级实施时间COHCNOxPMPN烟度g/(kWh)#/(kWh)1/mEuro III1999.10 仅EEV1.50.252.00.020.152000.102.10.665.00.1
5、00.8Euro IV2005.101.50.463.50.020.5Euro V2008.101.50.462.00.020.5Euro VI2013.011.50.130.40.018.01011中国柴油油品标准关于车用柴油的硫含量，我国于2009年发布的车用柴油标准规定自2010年1月1日起硫含量为350mg/kg。为了配合国和国排放法规的实施，规定在国和国阶段柴油硫含量应分别不高于50mg/kg和10mg/kg。但由于各种原因，目前全国范围内仍未全部实现350mg/kg。北京制定了车用柴油地方标准，其柴油硫含量的限值比同期全国范围内的低。2005年7月1日国标准汽油2008年1月1日京
6、标准汽、柴油2009年10月1日沪标准汽、柴油2010年5月1日国标准汽油2010年8月1日粤标准汽、柴油2011年7月1日国标准柴油2012年6月1日京标准汽、柴油2014年1月1日国标准汽、柴油2015年1月1日国标准汽、柴油2005-201020102012中国石化共投入492亿用于汽柴油升级换代中国石化国汽油质量升级项目全面完成中国石化柴油升级项目建成投产中国石化油品升级过程按照国家新标准要求，2013年7月1日起，普通柴油将执行硫含量不大于0.035%的指标。中国石化作为中国最大的油品供应商，生产的柴油已全部达到国标准要求。中国柴油机排放法规和油品标准发展趋势u到2017年，全国地级
7、及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上，优良天数逐年提高；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右；u中国的城市空气质量如果想达标，机动车污染排放总量需要降低70%，因此环保部门考虑：在重点地区跳越性地实施标准，比如说重型柴油车尽快地制定国阶段的标准；u国务院的“十二五”规划中提到，要争取到2013年全面供应国四的车用汽油，2014年以前全面供应同样水平的车用柴油；u“国际内燃机工业协会2013年会”上，环保部透露，国务院刚刚批准了一个油品的价格政策，准备在北京、上海、广东、江苏四个地区试点实施新的政策，在不久的将来会全面供应硫含量在10ppm以
8、下的燃油。柴油机后处理技术与先进的发动机配套组成高效的排气净化系统，来满足更加严厉的排放法规法规。柴油机排放控制途径在柴油机排放物中，颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）存在trade-off关系，一般采取机内解决一种有害物排放，机外解决另一种有害物排放。中国轻型柴油机主要采用EGR+DPF（或DOC+POC）路线，重型车主要采用SCR路线达国标准。柴油机排放达标技术路线图柴油机排放达国技术路线图n 柴油机氧化催化器多为陶瓷载体的通流式催化器，表面贵金属为铂或钯n 根据可溶性有机成分(SOF)在颗粒中的含量不同，柴油机氧化催化器可以降低3到25的颗粒排放 n 与其他排放控制措施（DPF，SCR）
9、联合使用：在CR-DPF中，放在DPF前，用于生成DPF再生需要的热和NO2；用在SCR之前，用于生成NO2，提高NOx转化效率；在SCR之后，氧化NH3 柴油车氧化催化转化器（DOC）柴油机颗粒过滤器(DPF)壁流式（WallFlowType)堇青石载体碳化硅载体分流（部分过滤）式（PartialFlowType)金属载体柴油机颗粒过滤器(DPF)DPF再生技术排气聚集的颗粒物载体壁面DPF再生难点n主动再生（升温措施，碳负载量的判断，再生速度控制）n被动再生（DOC老化，NOx/C，NO2排放控制）柴油机连续再生捕集器(CRT)n由DOC+DPF构成的，DOC的作用是把NO氧化为NO2n目
10、前CRT多用于重型柴油机，且往往需要在下游采用降低NOx的后处理技术。CRT耐硫性差，需要使用低硫或无硫柴油，未来在中国进入欧VI排放阶段时会得到推广应用。CRT技术结构示意图柴油机紧凑式主动再生捕集器n采用紧凑式结构，由DOC+DPF构成n采用高压共轨喷射燃油进行主动再生较高的动力性较低的碳排放量较低的燃油消耗较高的的PM和NOx排放在目前研究开发中的柴油机NOx后处理方法中，以尿素水溶液（Adblue）为还原剂的选择性催化还原技术最为成熟，能在柴油机排气富氧且流量、温度和组分多变的反应环境下有效降低NOx排放。柴油机SCR技术优化尿素喷射控制单元控制策略，从而实现精确控制，提高NOx转化效
11、率，降低NH3泄漏尿素泵的精确计量与快速响应提高尿素箱的抗凝固性，防止在低温条件下，尿素凝固优化喷射系统雾化效果，减小碰壁现象，提高尿素分解量，较少沉积物优化混合器结构与布置位置，提高氨分布均匀性提高催化器转化效率、低温起燃性、流动均匀性，较小排气噪声和背压尿素SCR系统示意图SCR系统工作原理矾基催化剂和Fe/Cu沸石催化剂NOx转化效率的对比不同催化剂温度和NO2浓度条件下NOx的转化率尿素水溶液喷雾在一定排气温度的条件下发生热解，生成氨气。氨气在催化转化器的孔道内在催化剂的作用下发生氧化还原反应，将有毒的NOx转化成无毒的N2和O2系统再生方式转化效率发动机原始排放限定成本(RMB)燃油
12、经济性燃油要求Nox(g/kw.h)PM(g/kw.h)DOC-SOF80%,THO/CO90%3.30.0251000稍差50ppmDOC+POC连续再生PM50%3.30.03530007000稍差350ppm勉强可用DPFDOC+DPFPM90%3.30.142000025000差50ppmburner+DPF3.30.142000025000差50ppmSCR-NOx70%110.0171000020000好350ppm各种后处理系统特性对比目前整套SCR系统进口价格约1.52万元，预计国内批量生产后SCR系统价格约为800010000元。假设到2014年完全实施国排放标准后，中重型柴
13、油机尾气后处理系统需求约为150万套/年，则SCR系统年产值将达到120亿元。SCR系统市场分析年度2014中重型车销量185万辆售价10,000元总潜在市场空间（以总销量测算）185亿元安装后处理系统的比例80%当年实际市场空间148亿元轻型车销量272万辆售价4,000元总潜在市场空间（以总销量测算）109亿元安装后处理系统的比例50%当年实际市场空间54亿元（资料来源：汽车工业协会，中信证券研究部预测）SCR系统市场分析重卡后处理技术方案轻卡后处理技术方案100%重卡采用SCR方案已经比较成熟，目前国内重卡一边倒全部采用SCR方案，预计2013年重卡SCR比例至少在70%以上，中轻卡采用
14、EGR+DOC(+POC/DPF)较多，预计在2014年将达到60%以上。2011-2014重型柴油机10%左右的增长，中轻型柴油机15%左右的增长，到2014年柴油机SCR/DOC（POC/DPF）的市场规模将是187万/242万套。轻型柴油机达标技术路线中国目前使用SCR路线升级国四的有福田康明斯2.8L和3.8L发动机，迈斯福4.8L发动机。EGR升级国四的技术不需要使用尿素，成本较低，被大柴道依 茨 4DD1、江 铃JX4D24、上 菲 红 F1C、索菲姆、东风ZD30、江淮HFC以及迈斯福等众多的发动机采用。福田康明斯福田康明斯3.8L（ISF3.8）国四技术路线电控高压共轨+SCR
15、配装车型欧马可C系、奥铃CTX、东风凯普特、江淮帅铃W系、HOWO轻卡福田康明斯福田康明斯2.8L（ISF2.8）国四技术路线电控高压共轨+SCR配装车型奥铃CTX、HOWO轻卡迈斯福迈斯福4.8L（MaxxForce4.8）国四技术路线电控高压共轨+SCR配装车型江淮帅铃Z系轻卡大柴道依茨4DD1(2.99L)技术路线高压共轨+EGR+DPF配装车型一汽通用小解放、金杯轻卡江铃JX4D24(2.4L)技术路线高压共轨+EGR+DPF配装车型江铃凯锐800上菲红F1C(3L)技术路线高压共轨+EGR+DOC配装车型南京依维柯超越、欧卡301迈斯福(3.2L)技术路线高压共轨+EGR+DOC配装
16、车型江淮帅铃3、帅铃N系轻卡东风ZD30技术路线高压共轨+EGR+DOC配装车型东风锐铃、凯普特、日产凯普斯达轻卡江淮HFC技术路线高压共轨+EGR+DPF配装车型江淮星锐、帅铃3轻卡重型柴油机达标技术路线u中国重型柴油机达国的技术路线主要采用SCR技术。柴油机硫含量是影响排放控制技术的主要因素，而且中国柴油的含硫量大部分地区还达不到国要求的标准，这也是之前法规一再推迟的主要原因。u由于核心资源、技术水平、使用条件、油品等因素的限制，目前主流重型柴油机企业核准的产品以SCR为主，不过，一些企业也准备了EGR+技术路线的产品进行申报。重型柴油机达标技术路线在排放控制领域，玉柴一直是行业的领跑者，
17、早在2004年就开始启动了国重型柴油机YC6L-40的研发。玉柴国重型柴油机的第一个用户是北京城市公交。2007年完成国重型柴油机YC6L-50的开发，该发动机是一款动力性、节能型、环保性兼具的柴油发动机。玉柴发动机厂部分6缸国发动机供油系统型式和排放控制技术路线重型柴油机达标技术路线潍柴动力的柴油机产品以大马力为主，全部采用SCR达国标准的技术路线。SCR系统主要供应商是天纳克和浙江银轮，除此之外还有无锡凯龙、无锡威孚和苏州派格力等公司也被潍柴认定为合格供应商。SCR系统的价格基本都在1.5-2.0万元之间，系统关键部件基本依靠国外成熟产品。潍柴发动机厂部分6缸国发动机供油系统型式和排放控制
18、技术路线重型柴油机达标技术路线一汽集团的中重型柴油发动机事业由一汽解放无锡柴油机厂（锡柴）和道依茨一汽大连柴油机公司（大柴）组成。锡柴国柴油机采用的是电控单体泵、电控高压共轨、电控VE泵+EGR这三条路线。锡柴国中重型发动机的技术路线主要采 用 SCR和 EGR+DOC+POC；大柴国中重型发动机的技术 路 线 主 要 采 用 SCR和EGR+DOC。一汽发动机厂部分6缸国发动机供油系统型式和排放控制技术路线重型柴油机达标技术路线东风汽车公司的中重型柴油发动机事业由东风康明斯发动机有限公司和东风商用车发动机厂组成。东风康明斯依托母公司丰富的技术资源，采用与康明斯全球产品同步的技术平台，根据中国
19、市场需求，通过本土化二次开发和制造，生产出更符合国内客户需求的国际化产品。东风康明斯发动机厂部分6缸国发动机供油系统型式和排放控制技术路线重型柴油机达标技术路线东风发动机厂部分6缸国发动机供油系统型式和排放控制技术路线东风商用车发动机厂是东风商用车公司的一家下属内部企业，也是一家汽、柴、天然气并举，排量自2升至11升全系列车用发动机制造商，产品功率涵盖90-420PS。dCi系列重型发动机是目前东风商用车发动机厂产销量最大且利润最高的机型，该发动机经过国针对性调整开发，排放达国水平，发动机的最低比油耗达到190g/kW.h，其国技术路线为“高压共轨+SCR”SCR系统市场分析SCR系统构成成本
20、占比产品自制化(国产化)率威孚力达苏州派格力无锡凯龙浙江银轮天纳克康明斯催化剂20%催化剂载体10%催化剂封装10%氮氧传感器25%尿素计量泵+喷嘴20%控制系统15%自产率（成本计）65%45%45%25%25%45%SCR供应商自制率分析柴油机SCR系统应用现状康明斯柴油机SCR转化器埃贝赫柴油机SCR转化器玉柴6L8.4升欧4柴油机SCR转化器银轮公司SCR转化器中国发展SCR技术起步较晚，当前成熟可靠的SCR产品基本是外资或者合资公司生产，国内企业生产的SCR系统核心技术及关键零部件几乎采用进口的。国外主要的SCR系统总成生产商有康明斯、埃贝赫等公司，国内具备生产SCR系统总成的企业有
21、玉柴、银轮、威孚力达、无锡凯龙等企业。国内外SCR系统零部件行业现状尿素喷射系统目前行业内尿素计量泵和尿素喷嘴主要采用博世、格兰富、康明斯、天纳克、Albonair公司的产品，控制系统方面主要由博世和各SCR封装厂等掌握。在尿素喷射系统上，目前成熟并且得到应用主要是进口产品。尽管国内企业正在全力追赶，但是水平相差巨大，核心技术为外国所垄断。目前国内玉柴、潍柴、威孚等企业生产的SCR系统总成中的计量泵基本为国外进口，控制系统也是大量采用国外产品。博世Denox2.2格兰富Albonair国内外SCR系统零部件行业现状SCR催化剂催化剂是SCR后处理系统中的核心部件。国际上最主要的催化剂生产商包括
22、巴斯夫、托索普、庄信万丰、优美科等，国内催化剂生产商有昆明贵研所，四川中自等。国内汽车催化剂份额国内生产陶瓷载体主要企业有：康宁(上海)有限公司、NGK(苏州)环保陶瓷有限公司、江苏宜兴非金属化工机械厂和江苏高淳陶瓷股份有限公司等。载体NGK载体康宁载体尿素喷射控制策略的优化尿素喷射控制策略的优化尿素喷射控制策略的优化尿素喷射控制策略的优化氨存储及氨泄漏特性的试验研究氨存储及氨泄漏特性的试验研究氨存储及氨泄漏特性的试验研究氨存储及氨泄漏特性的试验研究尿素喷雾特性研究尿素喷雾特性研究尿素喷雾特性研究尿素喷雾特性研究空气辅助与无空气辅助式系统喷嘴通过高速摄影方法获得的喷雾形态通过相位多普勒方法获得
23、的喷雾粒径和液滴速度分布通过CFD方法获得尿素碰壁量混合器设计与优化混合器设计与优化混合器设计与优化混合器设计与优化混合器混合器混合器测试试验方案混合器测试结果无混合器有混合器混合器模拟结果关于尿素沉积物的研究关于尿素沉积物的研究关于尿素沉积物的研究关于尿素沉积物的研究沉积物照片试验管路及其上布置的喷嘴和测量点随排气温度和流速改变的沉积物质量预测公式：重型柴油机达到欧VI的技术路线DOC+DPF+SCR国家863计划重点项目的子课题：面向国VI的重型柴油车后处理集成技术研究项目时间：2013-2015课题负责人：帅石金教授合作单位：浙江银轮机械股份有限公司四川中自尾气净化有限公司潍柴动力股份有
24、限公司浙江爱力浦泵业有限公司安徽艾可蓝节能环保科技有限公司面向国面向国面向国面向国VIVIVIVI的重型柴油车后处理的重型柴油车后处理的重型柴油车后处理的重型柴油车后处理技术技术技术技术合作单位日本ACR排气净化装置针对中国油品质量和道路及非道路运行工况开发的满足中国排放法规的后处理系统面向未来排放法规（国，国）进行联合合作和研发部分流通式DPF（P-DPF、POC）得到日本国土交通省认证装置(认证编号MLIT-PR1-1)，在日销量3000件，其特点包括：u浄化性能和可靠性高u相比DPF成本大幅降低u安装、保养容易操作u不易阻塞u不易损坏u净化效率可控制（40%80%）日本新干线养路车上安装
25、金属低温DOC*在相同发动机测试工况和空速条件下，开发的金属低温DOC其CO和HC转化率、起燃温度及耐久性达到国外同类产品（如Umicore）水平。同款DOC是日本东京都（九都县市）指定装置（认证编号066-C），累计在日销量20万件矿用防爆DOC开发的矿山用金属载体低温防爆DOC不但具有金属DOC的优点而且能够满足矿下作业要求的表面温度低于150的要求。*联合研发项目和产品尿素SCR系统*联合研发项目和产品lSCR技术是我国柴油机达国标准将采用的技术路线，有巨大市场潜力l与日本公司联合研发的新型催化剂和尿素供给系统性能能够达到甚至超过国际知名的同类产品研发的无空气辅助式SCR尿素喷射系统不但
26、精度高、响应速度快，而且集成化程度高，占用空间小，具备打破BOSCH国内市场垄断的能力DOC开发设计和试验验证DOC的开发工作流程DOC评价试验布置图不同工况下DOC对CO的转化效率通过测试试验发现经过DOC后 CO的 浓 度 均 在100ppm以下，DOC具有很高的活性，能够很好的促进CO的氧化。不同工况下DOC出口处CO的浓度矿用防爆DOC开发和试验验证防爆DOC设计图防爆DOC安装图试装DOC的矿用车矿用防爆DOC在满足高转化效率的同时，采用的隔热技术能满足煤矿防爆柴油机表面温度不超过150的使用要求。对DOC催化剂进行100小时耐久试验后测试结果表明其对CO和HC的转化效率几乎没有变化
27、SCR催化剂开发和试验验证ETC循环NOx试验值温湿度修正后NOx值平均氨泄漏浓度法规NOx限值氨泄漏限值第一次2.742.4717.53.525第二次3.122.8110开发的Cu沸石基SCR催化器对Nox转化效率达到70%以上，通过合理标定尿素喷射可以采用此款催化剂使柴油机排放达到国排放法规。与国内外同类产品的技术优劣对比优美科（Umicore）是世界三大汽车后处理系统催化器制造商之一，为了将联合研发的的DOC和SCR催化器性能与优美科进行对比联合研发DOC降低CO效果优美科DOC降低CO效果联合研发和优美科SCR催化器性能对比SCR催化剂开发和试验验证研发的无空气辅助式SCR尿素喷射系统集成化程度高，占用空间小，相对技术难度高，具备打破BOSCH国内无空气辅助喷射系统市场垄断的潜力该系统已开发完成，即将运至清华大学进行尿素喷射系统发动机台架测试，为技术改进提供依据尿素喷射控制单元尿素喷射泵喷嘴其他后处理产品应用铁道用后处理产品船用后处理产品
