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

1

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。

2

4D38CR柴油机国IV排放研究

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

3

4D38CR柴油机国IV排放研究

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

4

4D38CR柴油机国IV排放研究

的危害。由于柴油机大多颗粒小于0.3μm,且数量比汽油机高30－60倍，因而柴油机颗粒危害更大。

第三代BOSCH高压共轨系统，能精确控制喷射轨压（最大1600bar）、喷射流量、喷射时刻等。在电控EGR功能下及最佳控制参数下，有效控制柴油机燃烧状态，使裸机排放水平达到最佳状态，再通过后处理使排放达标。

2.2柴油车实现国Ⅳ排放2条技术路线对比

国Ⅲ发动机向国IV 过渡的难点是PM 和NOX排放同时降低。目前柴油机排放控制主要有：机前处理，机内净化以及后处理。机前处理通过改进燃油品质，主要降低PM的排放；机内净化有优化燃烧室，改进进气系统以及采用电控高压喷射技术等，目的是通过改善燃烧，减少NOX以及PM生成。后处理指利用各种过滤净化装置或催化转化器，对排气进行处理。 对柴油车实现国Ⅳ排放，现在公认比较成熟、能够实现重型柴油车国Ⅳ排放的技术路线有2种：EGR+DOC+POC(废气再循环＋微粒催化氧化器)和SCR(选择性催化还原)。 由于柴油机工作的特点，使微粒和氮氧化物两种主要排放污染物的生成出现了此消彼长的现象。在排放标准达到国Ⅳ之前，开发设计人员在控制柴油机燃烧时，可以在两者之间进行平衡，达到氮氧化物和微粒排放都不超过限值。但排放标准提升国Ⅳ之后，则需要机内控制结合机外后处理方式才能达标。

EGR+DOC+POC技术路线，是采用控制燃烧温度等手段在机内减少氮氧化物生成，再利用DOC+POC(微粒催化氧化器)对生成的微粒进行后处理。SCR技术是通过强化发动机机内燃烧来降低微粒的生成，然后利用尿素溶液对氮氧化物进行机外催化氧化。

从技术特点看，EGR技术可以有效降低燃烧过程中氮氧化物的生成，但需要改动原有国Ⅲ发动机的结构，增加废气再循环系统。由于引入温度很高的废气，增加了整个发动机的热负荷，不仅对发动机进气过程的冷却提出了更高要求，而且整个发动机的冷却系统散热能力也需要提高。同时，由于需要控制氮氧化物生成，对燃烧过程的最高温度和持续时间都必须进行严格控制，因此对发动机效率和经济性会产生一定的负面影响。

SCR技术在机内燃烧过程中不处理氮氧化物，而是通过强化燃烧降低微粒的生成。使用这种技术的发动机比采用EGR技术的发动机在动力性和经济性上要好，但由于提前角增大，造成发动机爆压增加，发动机可靠性下降，所以SCR技术还必须从新设计发动机可靠性。

5

4D38CR柴油机国IV排放研究

2.3 DOC+POC的工作原理

利用排放废气中残余的氧和排气温度，在催化剂表面进行氧化、还原反应，使有害物质CO、HC和NOx转变成无毒害的CO2、H2O和N2，从而减少了对环境的污染。

氧化催化器DOC安装在POC之前，DOC利用涂层中的有效催化成分(铂)使得排气中的CO、HC 与O2 发生氧化反应以降低CO和HC；同时将排气中的NO氧化成NO2，NO2与后面POC 收集的碳颗粒发生反应，达到连续降低PM 以及清理POC 中收集的干炭烟（DS）的作用。另外，DOC 还能氧化颗粒中的一部分可溶性有机物成分SOF。

6

4D38CR柴油机国IV排放研究

3 4D38CRD型柴油机国IV排放控制

3.1 试验机型参数及主要仪器设备

表3－1发动机基本参数

规格型号 排量(L) 进气方式 进气阻力(kPa) 缸数-缸径×行程（mm） 额定功率/转速（kW/r/min） 额定功率转速时每冲程燃料供给量(ml) 最大净功率/转速发 动 机 基 本 参 数 单缸进/排气阀数 容积压缩比 供油系统形式 发动机缸心距（mm） 喷油泵型号 喷油器型号 增压器型号 ECU电控单元（硬件）型号 ECU软件型号 中冷器形式、最高出口温度（℃） EGR型号 OBD型号 进1，排1 4D38CR 3.76 增压中冷 3 4－102×115 发动机编号 发火顺序 冷却方式 排气背压(kPa) 怠速转速（r/min） 最大扭矩/转速（Nm/r/min） 最大扭矩转速时每冲程燃料供给量(ml) 燃料及硫含量（10） 喷油器喷射压力（MPa） 缸体构造 最高空车转速（r/min） 燃烧室结构 发动机点火方式 喷油泵生产厂 喷油器生产厂 增压器生产厂 ECU电控单元生产厂 ECU软件生产厂 中冷器型号、生产厂 -6－ 1-3-4-2 液冷 40 800±30 365/1600-2400 0.06 95/3000 0.063 （kW/r/min） 气缸排列型式 90/3000 柴油，≤50 直列 160±50 龙门式 3300±50 开式燃烧室（ω形） 压燃 B0SCH B0SCH 宁波天力 BOSCH BOSCH —— 无锡隆盛科技有限公司 BOSCH

（17±1）：1 高压共轨 125 CB18 CRI HP55 EDC EDC 空-空中冷、50 4D38CR-07.03 EDC 7

EGR生产厂 OBD生产厂

4D38CR柴油机国IV排放研究

表3－2试验用主要仪器设备

名 称 测功机 油耗仪 排气分析仪 测试系统 烟度计 规 格 型 号 AFA250 735 CEB 200 Puma1.1.1 439 生 产 厂 家 奥地利AVL公司 奥地利AVL公司 奥地利AVL公司 奥地利AVL公司 奥地利AVL公司 3.2 ESC工况确定

根据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）》附件BA确定ESC工况：

图3－1 发动机性能曲线

额定转速以上70%额定功率64.6kw所对应的发动机转速为nhi3150rpm。 额定转速以上70%额定功率46.2kw所对应的发动机转速为nlo1300rpm。 A转速=nhi+25%(nhi-nlo)=1763 rpm, A转速下外特性最大扭矩=355 N.m B转速=nhi+50%(nhi-nlo)=2225 rpm, B转速下外特性最大扭矩=352 N.m C转速=nhi+75%(nhi-nlo)=2688 rpm, C转速下外特性最大扭矩=320 N.m

8

4D38CR柴油机国IV排放研究

表3－2试验用主要仪器设备 发动机ESC工况号 r/min 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 怠速 A B B A A A B C C C C C % － 100 50 75 50 75 25 100 25 100 25 75 50 0.15 0.08 0.10 0.10 0.05 0.05 0.05 0.09 0.10 0.08 0.05 0.05 0.05 转速 负荷百分数 加全系数 r/min 750 1763 2225 2225 1763 1763 1763 2225 2225 2688 2688 2688 2688 N．m 0 336 159 238 168 252 84 317 79 280 70 210 140 kw 0.0 62.0 36.9 55.4 31.0 46.5 15.5 73.9 18.5 78.8 19.7 59.1 39.4 转速 扭矩 功率 3.3试验边界条件

1 2 3 4 5 中冷后温度 排气背压 最大进气阻力 水温 燃油温度

额定功率下<50℃ 额定功率下<40kpa(考虑到后处理情况) 额定功率下<3kpa 75－85℃ 38±5℃ 9

4D38CR柴油机国IV排放研究

表3－3调整前轨压数据

表3－4调整后轨压数据

上图标X轴转速(rpm),Y轴油量（mg/str）,Z轨压（Mpa）

15

4D38CR柴油机国IV排放研究

图3－7调整前主喷提前角

图3－8调整后主喷提前角

16

4D38CR柴油机国IV排放研究

]

表3－5调整前主喷提前角数据

上图表坐标:X轴转速(rpm),Y轴油量（mg/str）,Z主喷提前角（℃A）

表3－6调整后主喷提前角数据

上上图表坐标：X轴转速(rpm),Y轴油量（mg/str）,Z主喷提前角（℃A）

17

4D38CR柴油机国IV排放研究

表3－7 调整轨压、提前角ESC结果对比 ESC 结果 （g/kW·h） 原机 调整轨压后 调整提前角后

图3－9 调整轨压、提前角ESC结果对比

CO 0.412 0.731 1.144 HC 0.187 0.241 0.334 NOX 7.783 6.562 4.383 PM 0.045 0.058 0.082 3.5.2 EGR的标定

原理：增压柴油机在涡前压力高于中冷后压力时，EGR的开度决定废气由涡前的排气管进入中冷后的进气管的量，从而导致新鲜空气进气量下降。 EGR的标定分开环与闭环控制：

开环指只控制EGR的开度，由开度直接决定进气量。

闭环控制指利用进气流量传感器，由EGR开度得到的进气流量与设定值对比，通过PID调节EGR开度，达到设定的进气流量。

由上面的ESC测试结果，基本得到需要的EGR率，通过调整比例设定进气流量降NOX到3.2g/kw.h(考虑外特性的烟度，主要降部分负荷)。

18

4D38CR柴油机国IV排放研究

图3－10调整前进气量设定值

图3－11调整后进气量设定值

19

4D38CR柴油机国IV排放研究

表3－8 调整前进气量设定值

表3－9 调整后进气量设定值

上图表坐标:X轴转速(rpm),Y轴油量（mg/str）,Z进气流量（mg/str）

20

4D38CR柴油机国IV排放研究

ESC 结果 （g/kW·h） 调整EGR前 调整EGR后

图3－12调整EGR率ESC结果对比

CO 1.144 1.429 HC 0.334 0.441 NOX 4.383 3.15 PM 0.082 0.101 表3－10 调整EGR率ESC结果对比

3.6 DOC+POC后处理样品试验筛选

3.6.1 DOC+POC后处理样品参数

测试样品 载体结构 载体材料 催化转换器(DOC)容积 贵金属(铂）含量（g/L）

21

样品1 网状柱体 DOC堇青石蜂窝陶瓷 POC不锈钢 3440（ml） 0.6 样品2 网状柱体 DOC堇青石蜂窝陶瓷 POC不锈钢 3440（ml） 0.4 样品3 网状柱体 DOC堇青石蜂窝陶瓷 POC不锈钢 3440（ml） 0.3

4D38CR柴油机国IV排放研究

涂层材料 D0C安装位置 颗粒捕集器（POC）容积 P0C安装位置 AL基材料 排气接管后500mm 5230（ml） DOC后50mm AL基材料 排气接管后500mm 5230（ml） DOC后50mm AL基材料 排气接管后500mm 5230（ml） DOC后50mm 3.6.2 DOC+POC后处理样品ESC试验结果

样品 1 2 3 CO 0.044 0.061 0.134 HC 0.018 0.036 0.642 NOX 3.225 3.173 3.187 PM 0.015 0.017 0.020 3.6.3 DOC+POC后处理样品试验总结

1.原机柴油机燃烧本身产生NO2占NOX总量的9.8％，

2.样品1 DOC氧化性强，参与颗粒反应后，NO2占NOX总量的21.7％,但贵金属用量大，不宜采用。

3.样品2 DOC氧化性适中，参与颗粒反应后，NO2占NOX总量的7.8％，但贵金属用量适中，宜于采用。

4.样品3 DOC氧化性适弱，产生NO2较少，参与颗粒反应后，NO2占NOX总量的2.6％，但PM没有余量，不宜采用。

5.合理的位置，保证DOC的起燃温度(距离排气接管500mm)； 6.合理的贵金属含量，保证NO2的生产量(0.4g/L)；

7.合理的DOC,POC体积及长度，保证PM的转换效率(DOC体积3440ml长度150mm,POC体

积5230ml长度250mm)。

8.最终选用样件2, CO的转化效率95%,HC转化效率92％,PM转化效率83％。

22

4D38CR柴油机国IV排放研究

4.结论与体会

通过分析柴油机污染物生成机理结合4D38CR柴油机特点对ECU数据的提前角，轨压，EGR等数据进行标定使ESC试验的排气污染物气体成分达标，再通过后处理的筛选，选用样件2，使颗粒成分达标。整个发动机ESC试验结果达到国IV排放要求。

面临如此大的争竞压力和产业环境变化，我国企业应继续掌握世界新技术革命的发展趋势，关注全球汽车业的动态，借鉴跨国汽车集团成熟技术以及技术开发的成功经验，审时度势，寻找机遇，瞄准目标市场，探索技术路线，提高自主研发技术，实现联合发展，自主研发和超前发展，保持可持续发展的核心竞争力。发动机排放与国家的能源安全和环境保护存着密不可分的关系。它正改变着世界汽车工业未来的格局，也将改变我国汽车工业今后的发展方向，其地位不言而喻。

23

4D38CR柴油机国IV排放研究

参考文献

[1] 《汽车发动机燃油喷射技术》 李春明 北京理工大学出版社 2006 [2] 《汽车柴油机构造与使用》 蒋向佩 机械工业出版社 2008 [3] 《发动机测试技术》 吴克刚 人民交通出版社2005

[4] 《柴油机国IV技术方案研究》 吴小春 武汉理工大学学报 2009.5.

[5] 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》 国家环保总局 [6] 《共轨介绍》BOSCH 2008

[7] 《柴油机NOX排放控制技术》曲明辉 小型内燃机 1999（第28卷）第6期 [8] 《浅谈汽油机尾气排放的控制[期刊论文》李福海. 装备制造技术 2009(7)： [9] 《汽车尾气排放控制技术》刘鹏 石家庄铁道学院 2006

[10] 《汽油机车辆尾气排放控制技术》马亚琴 刘洪 北京理工大学出版社 2006 [11] 《汽车发动机与环境保护》杨妙梁 中国物资出版社 2001 1 13—20

[12] 《现代内燃机排气污染物的测量与控制》 李勤 机械工业出版社 1999：75—85 [13] 《宁智．柴油机微粒排放技术探讨》宋波 内燃机 2002，2：38．40 [14] 《内燃机废气排放及控制技术》周玉明 人民交通出版社 2001 [15] 《内燃机性能提高技术》杨建华 人民交通出版社 2000 [16] 《Dynamik der Kraftfahrzeuge》M.Mitschke 1972 [17] 《Diesel engine Emission》 Ponnohob 2000

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/58wh.html