汽車柴油機排放控制技術

朱　虹

摘要：本文介紹了燃油品質的改善方法，采用顆粒過濾及再生技術、加裝氧化型催化轉化器、可溶性SOF氧化催化、非過濾技術和NO_x催化轉化器等排氣凈化后處理技術和采用增壓中冷技術、改進燃燒系統、采用電控高壓噴射技術、廢氣再循環、可變技術等柴油機機內凈化技術、使用代用燃料等措施相的結合綜合控制技術。

關鍵詞：柴油機排放凈化控制

0引言

車用柴油機排放物主要為顆粒狀物質PM和NO_x，而CO和HC排放較低。控制柴油機尾氣排放主要是控制顆粒物質PM和NO_x生成，現代柴油機排放控制采取的措施有：改善燃油品質，排氣凈化后處理、柴油機機內凈化、使用代用燃料等控制技術。

1改善燃油品質

若增加柴油的十六烷值，能有效地降低發動機尾氣顆粒PM、C0和NO_x的排放：降低燃油中S的含量，可以降低13～22％的PM顆粒排放；減少燃油中的芳烴成分，可以減少NO_x的排放。改善燃油的措施如下：①根據燃油的餾程，合理提高燃油的十六烷值。②在柴油中摻燒一定比例的消煙添加劑，將金屬鋇、鎂、鋅等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑，通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒，來促進和消除噴油器頭部的積碳，可以減少30～50％的碳煙顆粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有98％轉化為SO₂，其余的2％成為硫酸鹽顆粒，部分SO₂被進一步氧化與燃燒過程中生成的H₂O結合，形成H₂SO₄和硫酸鹽(CaSO₄等)，增加了微粒的排放量。

2排氣凈化后處理

采用氧化催化轉化器對柴油機排氣處理，可以降低HC和CO的排放量和顆粒PM狀物質中的有機成分；用選擇性還原催化轉換器在富氧條件下還原NO_x，用微粒過濾裝置收集柴油機排氣中的顆粒狀物質等。

2.1采用顆粒過濾及再生技術顆粒過濾由顆粒過濾器和再生裝置組成。顆粒過濾器通過其中有極小孔隙的過濾介質(濾芯)捕集柴油機排氣中的固定碳粒和吸附可溶性有機成分的碳煙。

2.2加裝氧化型催化轉化器柴油機加裝氧化型催化轉化器是一種有效的機外凈化排氣中的可燃氣體和可溶性SOF有機組分的常用措施。加裝氧化型催化轉化器(以鉑Pt、鈀Pd貴重金屬作為催化劑)能使HC、CO減少50％，顆粒PM減少50～70％，其中的多環芳烴和硝基多環芳烴也有明顯減少。

2.3非過濾技術非過濾技術目前主要研究的方向有兩種：靜電式微粒收集器。柴油機排氣微粒中有70～80％呈帶電狀態，每個帶電微粒約帶1～5個基本正電荷或負電荷，整體呈電中性。目前利用附加強電場對呈帶電特性的碳煙微粒進行靜電吸附，并取得了一定的試驗成果，但由于附加設備體積大、結構復雜以及高壓電源的供給等，給實用化帶來一定的困難。

2.4NO_x催化轉化器NOx催化轉化器對NO_x在350～550℃的溫度范圍內進行良好的催化轉化，使NO_x排放降低20～30％。NO_x催化轉化技術可分為催化熱分解和選擇性催化還原反應兩種。催化熱分解是利用由金屬離子沸石、釩和鉬構成催化劑來降低NO_x熱分解反應的活化能，使NO_x分解成無毒的N₂，該方法簡單且反應生成物無毒；選擇性的還原反應是在排氣中噴入飽和的HC和NO_x，反應生成物為N₂、CO₂和H₂O，選擇性的還原反應將會生成額外的CO₂。

3進行柴油機機內凈化

柴油機機內凈化是對燃燒過程進行優化，使發動機達到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動可靠、降低排放。

3.1防止機油串入燃燒室由于柴油機排放顆粒狀物質的相當部分是由串入燃燒室的機油的不完全燃燒造成的，所以應盡可能地減少串機油量。

3.2采用柴油電控高壓噴射技術柴油電控技術已從第一代的位置控制、第二代的時間控制發展到今天的共軌式電控高壓噴射。電控高壓噴射控制對噴油規律進行控制，能根據發動機運行工況實現最佳噴油，同時通過控制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和控制發動機的空燃比，有利于實現有效的機外凈化措施。

3.3提高噴油壓力和減小噴孔直徑提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低顆粒PM的排放。為了避免高壓噴射導致的NO_x的增加，要求適當降低空氣渦流運動，提高壓縮比和可變定時燃油噴射與其相適應，以達到控制顆粒PM和NOX排放的目的。

3.4改進燃燒系統改進燃燒系統指的是燃燒室的形狀、供油系統、進氣流動的最佳匹配。應保證在發動機整個工況范圍內，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動，有合理的噴油規律和噴油定時。采用電控制噴油泵、電控泵一噴嘴、電子調速器、可變渦流系統、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油機性能，又可降低柴油機尾氣排放物，尤其是顆粒PM物質的排放。

3.5采用廢氣再循環(EGR)EGR是將一部分排氣導入進氣系統中，通過降低燃燒室燃燒的最高溫度來降低NO_x的排放。利用EGR降低NO_x的排放，需要與電子控制結合，根據柴油機負荷、轉速、冷卻水溫度傳感器及啟動開關信號，由ECU對EGR率和EGR隨機進行控制，保證在對柴油機性能影響不大的條件下，降低NO_x的排放。

3.6增壓中冷技術廢氣渦輪增壓提高了氣缸內平均有效壓力、過量空氣系數和整個循環的平均溫度，可使柴油機顆粒物的排放量降低50％左右，并減少CO和CH的排放。利用中冷技術，NO_x的排放量可降低60～70％。所以采用增壓中冷是降低車用柴油機排氣排放物的有效措施之一。

4代用燃料的使用

采用代用燃料將是控制柴油機和汽油機排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然氣(壓縮天然氣CNG，液化天然氣LNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、氫燃料及與柴油摻燒的復合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認為是最有前途的清潔能源代用燃料。代用燃料的特點：①天然氣汽車成本低，儲量豐富，主要以壓縮天然氣汽車CNG為代表。CNG燃料本身呈氣態，不需進行霧化，燃燒充分，尾氣中CO含量較低，無排煙，但動力降低10％，攜帶不便。②甲醇具有辛烷值高、低發熱量、低公害和無排煙的特點。但甲醇的十六烷值低，著火性差，需要加裝點火裝置，冷啟動性差，有腐蝕性，并要解決潤滑油消耗量大和處理未燃甲醇來降低排放。

5結束語

通過計算機輔助設計對柴油機燃燒系統、進排氣系統、燃油供給系統和燃燒室結構的優化設計，并采用新材料和新工藝，廣泛采用增壓中冷和電控高壓噴射控制技術，并采用尾氣處理技術綜合控制，將是柴油機發展和進行尾氣控制的發展方向。但需要提高石油冶煉技術，研制新型柴油添加劑，清除柴油中的硫，減少燃油中的芳烴成分，降低柴油中不飽和芳烴的含量，使柴油的品質進一步提高，從源頭上解決尾氣排放的問題。廣泛開發和研制資源豐富、切實可行的柴油代用燃料及代用燃料發動機，降低尾氣排放，并逐步緩解和徹底解決對石油的依賴。