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柴油车排放达标及其治理措施


2015-03-27

  

  编者按:本文根据车用柴油机排放的主要产物及其影响,阐述了柴油机异常排放烟度时的工况和相关因素;介绍了控制现代柴油车排放的新技术--共轨电控燃油喷射柴油机排气净化技术,以及国家对柴油车排放治理的措施。
  
  车用柴油机排放的主要产物及其影响
  
  与汽油机相比,现代车用柴油机具有两大优点:动力性较高,经济性较好;具有高效率、低油耗、长寿命、使用可靠等特点。20世纪30年代,世界各国开始将柴油机用于重型车,50年代开始用于轻型车,90年代柴油机轿车有了很大发展。柴油车比汽油车省油三分之一,排放的污染物相对较少。目前,欧洲轿车消费市场上,柴油轿车占40%以上。我国的柴油车发展较晚,但很迅速。到2002年全国汽车产量为325万辆,其中柴油车99.8万多辆,约占汽车总量的30%。随着柴油汽车社会拥有量的迅速增大,柴油车排放对环境的污染问题也引起人们的高度重视。
  柴油机工作时排放的产物可分为两类:一类是可见物,即颗粒状物,如碳粒、重碳氢化物、硫酸盐、油气、水气及灰分等,“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。这类产物中,有些为致癌物质,它们污染环境、阻碍视线。另一类是一般肉眼看不见的物质,如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)和二氧化硫(SO2)、碳氢化合物(HC)等。CO对人体有害,而且在大气中不易自净;S02有难闻的刺鼻气味;HC、NO在一定气候条件下,经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾;NOx和SOx易溶于水形成酸雨。显然,柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类生存环境造成污染与破坏,而且由于柴油燃烧不完全,还会造成能源的浪费。碳烟越浓,排放的可燃物越多,对环境的污染越严重,能源的浪费就越大。控制的重点是氮氧化物和颗粒污染物。一项调查结果显示,在全国机动车的排放污染物分担率中,柴油车占氮氧化物的43%,占颗粒悬浮物的83%。
  
  柴油机的异常排放烟度工况
  
  为了保护环境,减少能源浪费,发达国家从50年代后期先后制定了各种限制汽车排放和柴油机排气烟度的有关规定与标准,从国家法规的角度约束汽车与柴油机有害物质的排放。随着汽车设计和柴油机设计制造技术水平的迅速提高,各种有关规定与标准指标不断修改,日趋严格。我国1983年9月14日发布了有关汽油车、柴油车污染物及烟度排放标准,并于1984年4月1日正式实施。按照国家标准,只要柴油机的排放烟度在规定指标范围内,对环境的危害可大为降低。遗憾的是,在实际生产与生活中,人们常常会看到浓烟滚滚的柴油车,这时的柴油机已处于一种非正常排放烟度的工作状况(以下简称非正常烟度工况)。在这种工况下,柴油机虽然没有丧失工作能力,但其动力性、经济性都已有所下降。从宏观经济效益和社会环境效益的角度看,柴油机非正常烟度工况时间越长,其危害性就越大。因此,尽可能避免柴油机发生异常烟度工况和减少异常烟度工况出现的时间,有着十分积极的意义。
  
  
  影响柴油机异常烟度工况的相关因素
  
  1.柴油机结构设计的性能与工作可靠性
  柴油机的结构设计决定了柴油机的基本功能能否发挥;决定了柴油机的生产与使用工艺性的好坏;决定了柴油机动力性、经济性与可靠性的好坏。在相同的使用条件下,不同结构特点的柴油机,其非正常烟度工况的时间有长有短。其原因虽然很多,但从根本上说,是因为各种不同柴油机保证柴油在汽缸内充分燃烧做功的性能及这种性能保证的可靠程度的差异。碳烟主要是燃油在汽缸内燃烧时在某一温度与压力条件下,缺氧造成油料裂解聚合的产物。碳烟的排放大小与燃烧室结构、过量空气系数等因素有关。实际生产中,排放烟度的大小受如下具体因素的影响:燃烧室类型和汽缸压力;燃油喷入汽缸内数量的多少与燃油雾化质量的好坏;燃油喷入汽缸内的时间正时状况。上述三方面因素是否恰当,直接或间接的涉及到柴油机各系统与机构的工作性能。而柴油机各系统与机构工作性能的好坏及可靠程度,也反映了柴油机的设计水平。很显然,只有性能优良和可靠性高的柴油机,才具有较少的异常烟度工况时间,才符合社会发展及环境保护的要求。
  
  2.柴油机的制造质量
  柴油机的制造质量首先应保证达到柴油机设计的性能规范指标。为此,从零部件的制造质量到产品的装配调试质量及包装、运输等,都应达到规定的质量标准。为了保证柴油机的正常使用,还必须配备详细的技术要求使用说明及必要的售后技术服务。柴油机制造质量的好坏,不仅表现在达到规定性能指标的优劣程度,也表现在能否较可靠的保证其正常工作和正常工作时间的长短。因此,制造质量优良的柴油机,是减少柴油机故障工作时间和停工待修时间的基本条件;不断提高柴油机的制造质量水平,是减少异常烟度工况时间的重要环节。
  
  
  3.柴油车的社会运用条件
  柴油车的社会运用条件好坏,对柴油车能否正常工作有着十分重要的影响。柴油车异常烟度工况出现时间的长短与出现的几率在很大程度上取决于此。柴油车的社会运用条件涉及面很宽,主要有驾驶员、维修服务机构及人员;油料、配件供应;教育培训与行政管理。驾驶员的工作状况直接影响到柴油车能否正常工作和正常工作时间的长短,影响到柴油车工作的可靠性与经济性。近年来,柴油车的社会保有量在迅速增长,但由于驾驶员缺乏对柴油车基本使用常识的了解,出现了一些不该发生的事故。同样的柴油车,不同的驾驶员可能有不同的使用效果。因此,要减少柴油车的异常烟度工况时间,就必须提高驾驶员的工作质量。
  柴油车在使用过程中因磨损等原因导致零件失效、工作失常,不可避免地需要进行维护与修理。能否及时、正确的修理,修理质量的好坏,是影响柴油车异常烟度工况时间长短的又一重要因素。及时、正确的维修可以有效的减少异常烟度工况时间。例如喷油嘴偶件卡滞、供油时间变化、气门间隙不对、空气滤清器阻塞,都可能导致柴油车排放浓烟,若能及时更换、调整与修复,即可有效缩短异常烟度工况时间。经修理后的柴油车,其性能指标理应达到规定的技术要求,包括应达到规定的动力性、经济性及排放烟度指标。但实际生产中,经修理后的柴油车,其性能与排放指标是否达到规定标准,常常是根据送修和承修双方的感觉确定的,这种感觉是否正确,取决于二者的实际经验与要求。因此,通过牺牲排放指标来满足动力性指标的情况时有发生,出现异常烟度工况也就在所难免。
  
  油料、配件供应情况对柴油车异常烟度工况的影响,主要表现在供应油料、配件的质量问题上。目前,油料、配件供应质量上存在的主要问题是假冒伪劣产品太多。劣质油料、配件带来的是柴油车零件磨损与损坏的几率增大,正常工作时间减少,异常烟度工况时间增多。近年来,油泵油嘴及柴油机维修行业的蓬勃发展,除了有柴油车社会拥有量的迅速增多的原因以外,劣质油料、配件的使用也是重要的原因。
  教育培训的目的,是使人们掌握柴油机的运行规律与技术要求。实际生产中表现出来的很多技术问题,从根本上说是人员的素质问题。教育培训是多层次、全方位的。除专门的技术教育院校、科研机构要做教育培训工作外,还应有各种专业短期培训班以及科普知识宣传教育。让人们都知道,柴油车冒烟污染环境与每个社会成员的健康和生存紧密相关,应该自觉的为此做出有益的贡献。
  在减少柴油车异常烟度工况时间方面,管理工作十分重要。管理部门通过对有关法规的制定和监督检查,可以有效的制止和限制异常烟度工况的出现。

  
  控制柴油车排放的新技术――柴油机共轨电控燃油喷射
  
  尽管柴油车与汽油车相比排放的污染物较少,但随着社会保有量的增加,柴油车排放的尾气对环境的污染得到重视,世界各国业已开始寻找和采取有效措施减少和控制柴油车污染物的排放。柴油机共轨电控燃油喷射技术是一项较为成功的控制污染排放的新技术。
  共轨电控燃油喷射技术,通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油,分送到每个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量的控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。目前,该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。
  柴油机共轨电控燃油喷射技术的主要特点:采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀;采用共轨方式供油;高速电磁开关阀频响高,控制灵活;系统结构移植方便,适应范围宽。这一技术的研究与开发,需解决高压共轨系统的恒高压密封问题;解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题;解决高压共轨系统的MAP(三维控制数据表)优化问题;解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。
  
  柴油机排气净化技术
  
  近年来,柴油机排放控制技术的发展主要围绕以下几个方面进行。
  
  1.燃烧系统直喷技术
  柴油机污染物的排放量很大程度上取决于汽缸内的燃烧过程,改进燃烧过程的各个环节(如燃烧喷射系统、进气系统、进气口形状和燃烧室形状等)都会改善燃烧过程。燃烧系统直喷技术的燃烧效率高,比非直喷式系统节油5%-10%,但要求发动机吸入较多的空气。目前,这种技术基本上成熟,对控制柴油机排放污染起到了一定的作用。预计不久的将来,相比分隔式燃烧系统,直喷技术将占主导地位。
  
  2.废气涡轮增压与中冷技术
  废气涡轮增压技术是使发动机轻量化、提高输出功率的有效措施,也是现代柴油机的代表性技术。经废气涡轮增压后,进气温度提高,滞燃期缩短,混合气适当变稀,使噪声、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是,进气温度上升使NOX增多,空气密度因温升而下降,也使进气量未达到期望水平。于是出现了将增压后的空气再进行冷却的中冷技术,使进气温度降低,循环进气量更大,NOX排放下降而功率进一步增加。实践证明:采用废气涡轮增压与中冷技术可使柴油机功率提高200%,NOX降低80%,微粒减少90%,耗油量降低16%。
  
  3.燃油喷射高压化和多次喷射技术
  燃油喷射系统是柴油机的心脏。传统的泵喷嘴系统的喷油压力比较低,一般不超过50MPa,而现代燃油喷射系统除泵喷嘴外,还有新型的共轨系统,喷油压力普遍提高,可达140MPa。柴油机喷油压力越高,燃油和空气的混合就越好,排烟就越少。与此同时,将电子技术应用于燃油喷射过程的控制,可非常精确的控制喷油量和喷油时间,以适应不同的道路工况;具有自适应能力,可以补偿零件磨损和零件制造偏差引起的变化,以取得NOX、微粒排放量和燃油经济性之间的最佳配合。采用燃油多次喷射技术可以实现柔和燃烧,亦可减少柴油机碳烟与颗粒的排放。
  
  4.多气门技术
  目前,车用中、小型柴油机正向多气门方向发展,以加大循环充气量,改善其动力性、经济性及排放性能。柴油机使用四气门(两进两排)技术,可增大进气通过的最小截面积,增加循环进气量,提高柴油机功率和转速;可实现喷油嘴正中布置,保证各喷嘴喷注的形态和混合气条件相同,使喷注分布和混合气形成更加合理;低速时可通过关闭一个进气道来提高缸内旋流速度,并通过特殊设计,充分利用进气惯性来提高低速进气量。以上各点对减少有害排放物都是有利的,特别是低速涡流比和进气量的提高,部分解决了传统机型低速性能较差的问题。
  
  5.排气后处理技术
  尽管有多种柴油机排气后处理技术方案被提出并被研制开发,但目前被认为较实用的仅有氧化催化转化器、微粒捕集器和NOX还原催化转化器,其中微粒捕集器是目前国际上最接近商品化的柴油机微粒后处理技术。目前应用最多的是美国康宁公司和日本NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器。与一般催化剂载体不同的是,这种微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷,相邻的两个通道中,一个通道的出口侧被堵住,而另一通道的进口侧被堵住。这就迫使排气由入口敞开的通道进入,穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道,而微粒就被过滤在通道壁面上。这种微粒捕集器对碳烟的过滤率达90%以上,可溶性有机成分SOF(主要是高沸点HC)也能部分被捕集。
  
  国产柴油汽车排放治理措施
  
  国家环保总局最近公布了柴油车排放污染防治技术政策,提出要在不同阶段达到相应的尾气排放标准,从根本上解决柴油车的尾气污染问题。目前,我国正在执行的柴油车污染物排放标准相当于欧Ⅰ标准。而新公布的技术政策则为我国柴油车产业确定了尾气达标的时间表:我国柴油车在2004年前后要达到欧Ⅱ标准,2008年达到欧Ⅲ标准,2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。国家环保总局发布的《关于实施国家第二阶段机动车排放标准的公告》,要求从2003年9月1日起,所有进行定型的重型汽车,必须符合相当于欧Ⅱ标准的国家第二阶段核准的排放限值。这标志着我国机动车排放污染控制进入了一个新的阶段。凡不符合上述标准要求的车、机型不得核准定型,未经国家环保总局核准定型的车、发动机型视同排放不达标,不得制造、进口、销售和注册登记。目前,国产车用柴油机大都达到了欧Ⅱ标准,欧Ⅲ发动机的开发也已经启动。
  我国机动车第二阶段排放标准(相当于欧Ⅱ标准)正式实施后,国内主要汽车发动机厂的技术开发重心已由欧Ⅱ转向欧Ⅲ,有的甚至瞄着欧Ⅳ。除合资企业和引进技术的厂家外,更多的汽车发动机企业乐于与外国公司联手开发具有自主知识产权的高档发动机技术和产品。
  中国引进的发动机技术能够满足欧Ⅱ和欧Ⅲ标准,但发动机再好再先进,油品质量不达标也将无济于事。换句话说,现在影响柴油车达标的主要障碍不是发动机,而是油品。油品是中国工业生产的基础,受国家政策的影响很大。虽然改进的技术难度比较大,如果国家重视,柴油生产企业投资大,就会很快适应发动机的需要。
  柴油车非正常烟度工况既影响动力性与经济性,又污染环境,应尽量减少其出现的机会与时间。柴油机车非正常烟度工况受柴油车制造与运用的社会系统中各因素的影响。解决非正常烟度工况问题既是工业技术问题,也是社会经济发展和环境保护问题。应从各方面采取措施,如提高人的素质,提高柴油车的设计制造质量,改善社会运用条件和提高管理服务水平等。
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