柴油机排放控制

4D38CR柴油机国IV排放研究

摘要

随着社会发展和人们生活水平的提高，环境问题日益成为人们关注的焦点。目前由汽车排放产生的环境污染越来越严重。汽车排放问题越来越被世界各国政府所重视。为了治理环境污染，各国相继针对车辆排放制定强制性排放标准，以控制汽车污染物的排放量。我国发动机国Ⅳ标准,GB17691-2005 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》将在2013 年7 月1 日全面实施。

基于排放污染物生成机理，本文以4D38CRD柴油机为研究对象，国IV排放技术路线分析后采用共轨柴油机冷却EGR＋DOC+POC，主要研究了满足国IV排放要求的ECU数据标定步骤及后处理匹配方法。

关键词： 共轨 柴油机 排放 EGR DOC POC

4D38CR柴油机国IV排放研究

目录

摘要 .................................................................................................................... I 目录 ................................................................................................................... 1 1 前言 ............................................................................................................... 2 2 柴油机排放概述 .......................................................................................... 3

2.1柴油机排气污染物生成机理及危害 ................................................ 3 2.1.1 NOX排放的生成机理 ...................................................................... 3 2.1.2 HC排放的生成机理 ....................................................................... 3 2.1.3 CO排放的生成机理 ....................................................................... 3 2.1.4 PM排放的生成机理 ....................................................................... 3 2.1.5 NOX排放的危害 .............................................................................. 4 2.1.6 HC排放的危害 ............................................................................... 4 2.1.7 CO排放的危害 ............................................................................... 4 2.1.8 PM排放的危害 ............................................................................... 4 2.2柴油车实现国Ⅳ排放2条技术路线对比........................................ 5 2.3 DOC+POC的工作原理 ...................................................................... 6 3 4D38CRD型柴油机国IV排放控制 ............................................................ 7

3.2 ESC工况确定 ................................................................................... 8 3.3试验边界条件 ..................................................................................... 9 3.4 ECU数据标定-NOX的控制（稳态ESC测试） .......................... 10 3.4.1 EGR率、轨压及主喷提前角对NOX的影响 ............................... 13 3.4.2 降NOX原则 ................................................................................... 13 3.5 ESC工况的标定 ............................................................................... 13 3.5.1 轨压、提前角的标定 ................................................................. 13 3.5.2 EGR的标定 ................................................................................. 18 3.6 DOC+POC后处理样品试验筛选 ...................................................... 21 3.6.1 DOC+POC后处理样品参数 ........................................................ 21 3.6.2 DOC+POC后处理样品ESC试验结果 .......................................... 22 3.6.3 DOC+POC后处理样品试验总结 .................................................. 22 4.结论与体会 ................................................................................................ 23 参考文献 ......................................................................................................... 24

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4D38CR柴油机国IV排放研究

1 前言

当前环境污染日趋严重，柴油机有害排放物对环境造成的危害受到了人们的高度重视，我国发动机国Ⅳ标准,GB17691-2005 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》于2008 年率先在北京启用，并将在2012 年7 月1 日全面实施。在国Ⅲ基础上，国IV的NOX下降30％，颗粒（PM）下降80％，CO、HC及烟度也有一定程度的降低。降低NOX与颗粒成为柴油机达到国Ⅳ排放的主要难题。共轨柴油机使用冷却EGR＋DOC+POC能有效降低NOX生成，转化颗粒，而且进一步降低CO、HC的排放量。该技术路线不需要对柴油机进行大的结构改动，而且氧化催化器不需要再生，结构简单，成为小排量柴油机（排量3－5L）使用最广泛的后处理技术。

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2 柴油机排放概述

2.1柴油机排气污染物生成机理及危害

2.1.1 NOX排放的生成机理

柴油中含氮量不超过0.02%，排气中的NOx主要是由于空气中的氮在高温下氧化而成，其氧化反应过程仍遵循扩充的捷尔杜维奇（Zelovich）的链反应机理。 O2 == 2O O + N2 == NO + N N + O2 == NO +O N + OH == H + NO

柴油机燃烧过程中喷射各区均可生成NO，其生成浓度与局部温度，局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间等因素有关。

从理论上讲，柴油机NOX排放形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

2.1.2 HC排放的生成机理

柴油机中的HC生成直接与负荷变化有关，当油量变化时引起喷注内燃油分布状况，沉积在壁面上的油量、气缸燃气压力和温度及喷射持续期的变化、负荷增大喷射期延长，最后喷入那部分燃油的反应时间较短，燃空比的增加导致氧浓度降低，HC浓度增加，在极小负荷，燃空比很小，局部温度很小，燃烧分子扩散浓度很低，消失反应的速率被进一步减弱。因此，在怠速和小负荷，HC排放量是很高的。

2.1.3 CO排放的生成机理

CO是烃燃料中间燃烧阶段中形成的化合物之一。当燃烧过程进行时，通过和不同的氧化物之间的再化合反应，CO被氧化成C02，如果再化合反应由于缺乏氧化物，燃气温度低或滞留时间短等原因而不完全时，CO降留存下来。

2.1.4 PM排放的生成机理

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PM为可溶性有机物及干炭烟组成。

可熔性有机物来源于燃料中的S等有机物含量，约占30％。

炭烟是不完全燃烧产物，由于柴油机混合气形成不均匀性，即使过量空气系数大于1，仍不可避免产生局部空气不足，此时燃烧温度又较高，燃料在高温缺氧情况下，由裂解过程释放并经聚合过程形成干炭烟。

2.1.5 NOX排放的危害

柴油机排出的NOX中，NO约占90％，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性捕大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化NO2。NO2是一种有刺激气味、毒性很强的红棕色气体，对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度达到100ppm以上，会随时导致生命危险。

NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NOX还会增加周围臭氧浓度，而臭氧则会破坏植物生长。此外，NOX还对各种纤维、塑料、电子材料等具有不良影响。

2.1.6 HC排放的危害

当甲醛、丙烯醛等醛类气体浓度超1ppm时，会对眼、皮肤、呼吸道有强烈刺激作用，浓度超25ppm时会引起头晕恶心，红血球减少，贫血。应当引起特别注意的是带更多环的多环芳香烃，如苯并芘硝基烃是强致癌物。炭氢化合物还是引起光化学烟雾的重要物质。

2.1.7 CO排放的危害

由于CO和血液里的血红蛋白素有亲和力，比氧气的亲和力大200－300倍。使血液的输氧能力大大下降，使心脏，大脑等器官缺氧，引起头晕恶心，严重致人死亡。

2.1.8 PM排放的危害

颗粒对人体的危害与颗粒的大小及其组成有关，颗粒越小，悬浮在空气中的时间越长，进入人体肺部后停留在肺部集支气管的比例越大。有些还能被血液吸收，由于颗粒存在空隙而能粘附SO2，未燃的HC、NOX等有毒物质和苯并芘致癌物，因而对人体造成更大

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