全球汽车东风康明斯排放法规

Euro

EPA

Either Euro or EPA

Japan

2

车用重型柴油机排放限值

0.10

0.09

US02

TIER-3

US98

Particulate [g/HP-hr]

0.08

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

EURO Transient

EURO-III

Optional Phase-In

    for NOX

  2007-2009

0.02

EURO-V

EURO-IV

0.01

0.00

0

3

US10

US07

1

2

3

4

5

NOx/NOx+HC [g/HP-hr]

排放物的降低

16

14

* PM scale x10 *

NOx

-86%

18 years

PM

-95%

13 years

12

10

8

6

4

2

0

19

 90

19

 98

20

 00

19

 94

Euro 0

Euro 1

-43%

-12%

-29%

-30%

-56%

Euro 2

g/kW.hr

-33%

Euro 3

-43%

-80%

Euro 4

Euro 5

20

 02

20

 04

19

 96

20

 06

19

 92

20

 08

4

20

 10

公路用车 EPA & 欧洲标准

欧II

EPA 1994

7.0

<1000 PPM

5.0

欧III

4.0

EPA 1998

350 PPM

NOx [g/HP-hr] [g/Kw-hr]

5.0

3.5

欧IV 2006*

2.5

欧V 2009*

1.2

EPA 2007*

EPA 2002

2.0

15 PPM

0.2

EPA 2010* (欧VI )

          欧

0.01

  0.02

0.10

0.10

    0.15

* 需要后处理

5

颗粒物 [g/HP-hr] [g/Kw-hr]

燃烧循环中的气缸温度

缸内气体温度

压缩

燃烧

扩散

start

-BDC

TDC

end

BDC

曲轴转角

6

燃烧循环中的气缸温度

缸内气体温度

局部火焰区温度

局部火焰区

start

缸内气体

-BDC

TDC

end

BDC

曲轴转角

7

柴油如何燃烧

燃油喷射呈雾 燃油被热空气加

热开始蒸发

化

富含烟雾的燃烧的产物

(CO, Particulates)

热的空气和燃油喷

雾混合

8

最初的燃烧分解

燃油

 高温火焰边缘

(NOx, CO2 & H2O)

控制火焰温度和控制排放有害物

保持火焰温度足够低可以抑制NOx的产生保持火焰温度足够低可以抑制的产生

局部火焰温度

保持火焰温度足够高可以充分燃烧掉颗粒物

曲轴转角

9

燃烧工程学手段

减少微粒排放

目的

增加喷射压力

提前燃烧

多次喷射

提高增压压力

使排气氧化

增加最小燃烧温度增加最小燃烧温度

方法

高压共轨系统

电子控制燃油喷射

电控多次喷射

采用增压器

催化转化器

10

燃烧工程学手段

减少NOx排放排放减少

目的

降低进气温度

推迟燃烧起点

多次喷射

稀释可燃混合气

减少最大燃烧温度减少最大燃烧温度

方法

采用空对空中冷

电子控制燃油喷射

电控多次喷射

采用EGR

11

   4

Euro

0.18

0.16

0.14

g/kWh

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

  0

欧V

欧 III

电

控

 喷

优

  油

化

   系

燃

   统

 烧

  过

  程

欧 II

       E ur废气再o II

   循环I NO

   优

                    x-

    化

                       PM燃

                          trad

      烧颗粒过滤器

                              eo

       减

                                 ff少

          颗

            粒欧 IV

PM

SCR

0

1

2

3

4

5

6

g/kWh

7

8

9

10

NOx

12

欧洲的排放的限值

13

ESC – European Stationary Cycle

欧洲稳态测试循环

Torque (%)

扭矩

xamxamxamxam

NOx Control Area

氮氧化物控制区氮氧化物控制区

50% of P

Idle 怠速

Rated

额定转速

14

xamxamxamxam

xamxam

P

%57%57%57%57

70% of P

ihNNNN

CCC

BBB

A

%05%05%05%05

%52%52%52%52

olNolNolNolN

Engine

Speed

发动机转速

ETC – European Transient Cycle

欧洲瞬态测试循环

Torque (%)

扭矩

Torque (%)

Idle

Peak Torque

Rated

Engine

Speed

发动机转速

Engine

15

Speed

ETC – European Transient Cycle

欧洲瞬态测试循环

Normalized Speed

100

80

60

40

20

0

0

100

80

60

40

20

0

-20 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Urban Streets

Rural Roads

Motorways

16

Normalized Torque

满足北美法规的排放技术

EPA

颗粒捕捉器

冷却型 EGR

17

EGR+DPF

空空中冷

EGR-冷却器冷却器

EGR

Valve

EGR

Valve

dP1

Grid

Heater

DPF

DOC

dP2

Particulate Filter

可变截面

VGT

曲轴箱通风

18

T1

T2

T3

颗粒捕捉器DPF

Diesel Particulate Filter

Outlet

Filter

DOC

Inlet

19

氧化型催化转化器－DOC

Diesel Oxidation Catalyst

根据安装的位置不同有两种不同的材料应用在氧化

型催化转化器上。

– 陶瓷载体的（远离增压器安装）

– 金属材料载体的（靠近增压器安装）

载体材料

陶瓷

金属

传热效率

慢

快

安装位置

尺寸大，尺寸大，尾管安装

尺寸紧凑，尺寸紧凑，靠近增压器安装

成本

低

高

背压

20

流通式,流通式 无背压降

流通式,流通式 无背压降

DOC 转化效率

Pt涂层对HC和CO进行氧化转化

HC

转化效率 (%)

90

CO

80

NOx

PM

非常有限 (可有 30 (对挥发性颗粒物

效的转化NO变 有效,但对碳烟无明

为NO2, 但是对 显转化效率)

NOx整体没有

明显转化效率)

起燃温度

180

deg_C

150

deg_C

21

什么是POC？

POC － Partial Oxidation Catalyst 部分过滤型氧

化催化器

22

颗粒捕捉器DPF

Soot 产生于柴油的不完全燃烧，目前称为碳烟。

堇青石制成的颗粒捕捉器是一种壁流式过滤器。

碳烟被颗粒捕捉器收集，在一定的条件下氧化生

成CO2

在DPF中把收集来的碳烟进行氧化的过程叫做－

－再生 Regeneration

Soot

Cake

23

DPF 被动再生－DOC 转化 NO 为 NO2

被转化后NO2作为强氧化剂来进一步氧化DPF上的碳

烟。 220 - 450ºC

DOC

DPF

C

O2

NOx

2NO + O2 ⇒ 2NO2

24

C + 2NO2 ⇒ CO2 + 2NO

DPF 主动再生－－添加多余的碳氢化合物

DOC 将多余的HC氧化从而大幅提高DPF的温度实现再生

350 - 550ºC

C

DOC

DPF

CO2

HC

O2

H2O

HC + O2 ⇒ H2O + CO2

25

C + O2 ⇒ CO2

什么是后喷? 为什么要后喷？

目的

– 对排放出的尾气加温

– 为DOC提供 HC以便于进一步对DPF加温

方法

– 额外喷油, 将柴油直接喷射到排气系统

– 缸内喷射, 利用共轨技术在不同的时间向缸内喷射燃油提

 高温度并提供额外的HC

Main Event

Early Pilot

Pilot

Post

Late Post

TDC

26

BDC

什么是Ash 灰？

在DPF上只能对不完全燃烧后产生的排放物进行

再生

燃油或机油的添加剂成份也可以被DPF过滤下来

并留在滤清器上，这些成份称作－灰 ash

– Ca, S, Zn and P

– CaSO4

– Zn2P2O7

通过反吹设备对DPF清理

27

满足欧洲及中国法规的排放技术

Euro & China

SCR 催化器

DEF 罐

ECM

计量泵

28

欧四排放发动机后处理系统

Vehicle Air

 Supply

?

29

选择性催化还原反应－SCR

Selective Catalytic Reduction

11

Urea Injection

• Small quantity of urea injected

• Proportional to NOx rate

• 32.5% solution in water,

•

•

freezing point = -11° C

Stored in heated tanks

(NH2)2CO

22

Hydrolysis

• Urea breaks down by

•

hydrolysis to form

ammonia

NH3

33

NOx Catalysis

• NO and NO2 react with

ammonia over a catalyst

to form nitrogen and

water vapor

44

Ammonia Slip

• Any trace amounts of

•

ammonia remaining after

reaction with NOx is

broken down to nitrogen

Maximum tailpipe

ammonia 10PPM

DEF喷嘴

  喷嘴

SCR

催化器

氨泄露

催化器

30

SCR 工作过程

（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还

原是通过化学的手段来减少排气系统中的NOx含

量的。

31

SCR 原理

Urea Injector

Gas Flow

SCR

catalyst

排气处理液喷射到热的排气管中，

排气处理液喷射到热的排气管中，根据水解反应分裂成氨水和二氧化碳 (>160 

(NH2) 2CO+H2O

=

2NH3 + CO2

SCR 是基于 NOx和氨水在催化转化器上的的化学反应

       和氨水在催化转化器上的的化学反应:

NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O

快速反应

标准SCR反应

慢速

慢速

慢速

32

排气处理液—NH3

Step 1: 排气处理液蒸发Urea evaporation Urea

NH2-CO-NH2(水溶液) ⇒NH2-CO-NH2(融化的液态) + H2O (gas)

Step 2: 排气处理液热分解Thermal Decomposition

NH2-CO-NH2(融化的液态) ⇒NH3 (gas) +HNCO (gas) 异氰酸

Step 3: 水解Hydrolysis

HNCO (gas) + H2O(gas) ⇒ NH3(gas) + CO2(gas),

33

什么是DEF

DEF－Diesel Exhaust Fluid 排气处理液首字母的

英文缩写

它是32.5的尿素水溶液

康明斯标准是参照DIN70070或ISO22241-1制定

34

排气处理液(DEF)排气处理液

尿素是在农业、医药、食品及化妆品中

广泛采用的原料，而且非常安全

排气处理液是什么样的

– 32.5%的尿素水溶液。

– 无毒、无污染、无爆炸性、不易燃。

– 清澈的液体。

– 可能有轻微的氨气味。

– 泄漏出来的DEF很容易因为水分蒸发

 而变成白色的DEF结晶。

– 在-11°C时开始结冰。

35

.

DEF 注意事项

吸入

可能性极低--可能导致鼻子、咽喉和

上呼吸道刺激。

皮肤

中等可能性--长时间接触后皮肤刺

激，需要用清水或肥皂水清洗。

眼睛

进入眼睛可能导致眼睛刺激，及时用

大量的清水冲洗10 到 15 分钟。

吞食

如有吞咽，对口、咽喉和胃部刺激

吞食症状有疼痛、头痛、恶

心、呕吐、头昏、嗜睡及其

他中枢神精系统影响。应立

即到医院就诊。

火

DEF不能燃烧，如果加热DEF其中的

水将被蒸发同时氨气会被释放出来。

泄漏（大量溢出）

泄漏（大量溢出） – 用沙子等其他吸

收剂吸收所泄漏的DEF。避免污染水

源，通知相关部门告知污染情况发

生。

36

DEF的存储

  的存储

DEF的存储时间通常为 6-12 个月.

为使DEF发挥到达到最大的功效, 建议存储温度控制在 -

11° C ～30° C 之间。高温可能导致DEF中的水蒸发使溶

液的浓度提高。

37

典型的DEF消耗消耗典型的

DEF消耗： 柴油消耗量的 4% to 6% （在国4排放的车辆上）

   柴油消耗量的 5%～7% （在欧5排放的车辆上）

消耗量取决于车辆行驶时的负载情况！！消耗量取决于车辆行驶时的负载情况！！

38

在现场对DEF进行测试

弗列加零件号 CC36049

康明斯零件号 4919554

39

Practical Testing of DEF

40

各种排放解决方案的比较

41

SCR Technology Offers

燃油经济性改善

高功率密度 和 冷却系统热负荷低

宽松的燃油硫含量要求

发动机本体的变化最小

维修间隔的提高

较低的维护费用

未来可升级为欧5未来可升级为欧

SCR技术优势

42

EGR vs. SCR – 那个是适合中国的排放技术

Cummins 有非常宽广的技

术路线EGR, SCR, DPF来应对

全球的排放法规

 在北美，康明斯加装冷却式

EGR 发动机安装在超过

300,000 辆车上，这些车辆已

经运转了超过300亿英里

在欧洲市场, 康明斯相信

SCR系统与EGR

+DPF系统有更多优势

43

EGR +POC vs. EGR+DPF vs. SCR

优点

CEGR

& POC

最简单的后处理

对终端用户的影响最小

对排气处理液的基础设施没有依赖

缺点

发动机更为先进、复杂

无法控制排放性能

需要低硫柴油

增加了发动机尺寸

仅适用于低颗粒排放的发动机

更高的热负荷

燃油消耗更高

发动机更为先进、复杂

更高的热负荷

极低硫燃油

增加了发动机尺寸

后处理控制系统复杂

对服务要求更高

燃油消耗更高

对终端用户影响比较大

需要排气处理液供应基础设施

后处理安装较之以前更为复杂

CEGR

& DPF

能够满足低颗粒要求

对终端用户的影响最小

根据发动机尺寸具有可伸缩性

对排气处理液的基础设施没有依赖

SCR

改善燃油经济性 (中重型发动机)

冷却系统无需改变

对发动机尺寸没有影响

很容易从欧IV升级到欧

净燃油/排气处理液消耗优于欧III

44

   美国、欧洲技术选择比较

US vs. Europe Technology Choice

美国 US

低燃油价 Lower fuel price

OEM负责环保合规 US EPA

wants OEM completely

responsible for emissions

compliance

没有排气处理液分销基础设施 No

urea distribution infrastructure

在04发动机基础上适度变化 Only

moderate change from US ’04

engines

欧洲 EUROPE

高燃油价 High fuel price

OEM和用户均要负责环境保

护 Acceptance that both

OEMs and end users are

responsible for environmental

protection

更易开发 Relatively easier

development

在欧III发动机基础上适度变化

Only moderate change from

Euro III engines

45

比之前的发动机系统更为复杂

增加了新的部件，如催化器，传感器和计量泵

复杂的接口

– 欧4比欧3增加了44种新故障代码

– EPA EGR+DPF则更为复杂)

应用条件更加严格 （要求更高标准的燃油和附加的

溶液）

对发动机工况变化敏感

46

  SCR组件

SCR Components

SCR

Connector

Battery B+

Grundfos Add Blue Dosing System

Air Tank

Key signal

UDS

•Valve control

•Doser OBD

•Self heating

UDS limite

Flow back

MAF

Urea

Tank

Urea Air mixedFlow to the Nozzle

Battery

Urea

MIL

Main urea flow

Heater

Relay

Battery +

Heater

Battery -

Urea Quality

Urea Temperature

ECM

•Engine maps

•Engine data

•Nox Estimator

•Algorithm

•Sensor I/O

•System OBD

Engine

Urea level

SCR

Connector

Catalyst Input Temperature

Catalyst Output

Temperature

Catalyst

47

较之欧III，系统更为复杂

    DPF系统

Example DPF System

48

DPF 系统的控制逻辑和硬件更为复杂

 服务 – 过去与现在

Service – Then and Now

    问题举例

Problem (example)

白烟

White smoke

方案 Solution

过去 THEN

发动机

Engine

现在 NOW

可能是发动机 May be engine

可能是催化剂 May be catalyst

可能是喷嘴 May be doser

可能是发动机 May be engine

可能是催化剂 May be catalyst

可能是喷嘴 May be doser

可能是发动机 May be engine

可能是催化剂 May be catalyst

可能是喷嘴 May be doser

需要更换整个催化系统

Need to change entire catalytic exhaust

system

可能是发动机 May be engine,

可能是催化剂 May be catalyst plugged or

failed

可能是OBD May be OBD

黑烟

Black Smoke

发动机

Engine

高燃油消耗

High fuel consumption

发动机

Engine

油泄漏

Oil leak

低功率

Low power

最坏情况下更换涡轮增压

Worst case change

turbocharger

检查发动机 Check engine

49

过多的碳烟被过滤在DPF表面上导致

排气背压过高

50

DOC/POC为非维修系统，不经过破坏性测试很难诊断端面接口

    不可控的再生

Uncontrolled Regeneration

51

DOC/POC为被动系统，特定的负荷循环或发动机问题可引起

过滤器融化

    尿素聚合

Urea Polymerization

正常的排气管

阻塞的排气管

低负荷或不适当的安装产生氰尿酸聚合，让服务解决起来很困难

52

  排气泄漏

Exhaust Leakage

上游泄漏

损坏排气管

53

欧III排气泄漏不会产生问题，但现在排气泄漏产生的尿素结晶

会导致排气管阻塞

   失效的催化器封装

Failed Catalyst Packaging

54

糟糕的封装或剧烈的振动会损坏催化器载体，且难以被发现

     SCR 催化器过热

SCR Catalyst Over-temperature

涂层消失

55

失效的喷嘴或涡轮增压会导致催化器过热、融化或涂层损坏，而服务时却难以发现

Diesel Sulfur Effects:

低硫燃油需求 The Need for Low S

       Fuel

                      Sulfate make

H2SO4

SO2

O2

SO3

硫中毒和硫酸盐

硫化物生成

贵金属

SO4

=

过渡金属元素

载体

56

高硫燃油抑制DPF再生，并产生硫化物

             高硫对NO2产生影响

Effect of High S Exposure on NO2 Generation

3 ppm S

350 ppm S

3 ppm S

80

60

NO conv. (%).

40

20

0

1

2

34567

Time exposed (hours)

8

9

10

11

12

被动的DPF再生需要NO2

57

58

NOx Conversion Efficiency (%)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

50 ppm

Fuel

12

  /1

    7/

      20

         0

8

12

  /2

    4/

      20

         0

8

12

  /3

    1/

      20

         0

8

1/

 7/

20

 09

1/

 14

   /2

     00

        9

1/

 21

   /2

     00

        9

1/

 28

   /2

     00

        9

2/

 4/

20

 09

2/

 11

   /2

     00

        9

欧2柴油与欧4柴油对比

2000 ppm

 Fuel

50 ppm

Fuel

高硫燃油会降低SCR催化剂的效率，引起OBD故障，但服务时却难以发现此根本

原因。

对燃油的要求

EPA 07 公路用 EPA 2010 非

       公路用车辆车辆

       (Tire IV)

European Union European Union

公路用车辆 Euro 非公路用车辆

IV/VIIIB/IV

<15 ppm

< 15 ppm

< 50ppm

< 10 ppm

59

60