柴油機(jī)NOX排放機(jī)外凈化技術(shù)初探

摘要：本文論述了柴油機(jī)NOX排放物的危害及其控制的必要性，探討了NOX的生成機(jī)理，介紹了各種柴油機(jī)NOX排放的控制技術(shù)，并分析了各種凈化技術(shù)的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) NOX排放 排放控制

柴油機(jī)自1892年問(wèn)世以來(lái)，憑借其具有低油耗、高熱效率和低排放等特點(diǎn)，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性，因而被廣泛地用作汽車(chē)和工程機(jī)械的動(dòng)力。柴油機(jī)與同等功率的汽油機(jī)相比，微粒和NOX是排放中兩種最主要的污染物，但由于柴油機(jī)排氣微粒與NOX的生成機(jī)理不同，在減少微粒的同時(shí)會(huì)增加NOX的排放，同時(shí)微粒的減少又使得催化劑中毒得以有效的扼制。

1.柴油機(jī)NOX排放的危害和生成機(jī)理

1.1 柴油機(jī)NOX排放的危害

柴油機(jī)排出的NOX中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無(wú)色無(wú)味、毒性不大，但高濃度時(shí)能導(dǎo)致神經(jīng)中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會(huì)逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(qiáng)（毒性大約是NO的5倍）的紅棕色氣體，可對(duì)人的呼吸道及肺造成損害，嚴(yán)重時(shí)能引起肺氣腫。當(dāng)濃度高達(dá)100×10-6體積濃度以上時(shí)，會(huì)隨時(shí)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。

NOX和HC在太陽(yáng)光作用下會(huì)生成光化學(xué)煙霧，NOX還會(huì)增加周?chē)粞醯臐舛龋粞鮿t會(huì)破壞植物的生長(zhǎng)。此外，NOX還對(duì)各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。

基于上述原因，柴油機(jī)排放物中的NOX對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染引起了世界范圍的普遍關(guān)注，因此各國(guó)限制其排放的法規(guī)亦越來(lái)越嚴(yán)格。

1.2 柴油機(jī)NOX排放物的生成機(jī)理

迄今為止人們已經(jīng)對(duì)NOX的生成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，但尚未達(dá)成共識(shí)。比較容易接受的是策爾多維奇機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為：柴油機(jī)排放中的NO并非來(lái)自燃油的燃燒，而是來(lái)自氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng)，它是在氧氣過(guò)剩的情況下由于燃燒室的持續(xù)高溫而形成的，在膨脹和排氣時(shí)有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反應(yīng)式如下：

柴油機(jī)燃燒過(guò)程中噴射各區(qū)均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時(shí)間等因素有關(guān)。

從理論上講，柴油機(jī)NOX排放的形成是無(wú)法避免的，但通過(guò)控制燃燒過(guò)程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時(shí)間等可以加以限制。

2.柴油機(jī)控制NOX排放的主要凈化措施

排放物中NOX的凈化有兩種途徑：機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化。

2.1 機(jī)內(nèi)凈化措施

采取機(jī)內(nèi)凈化是治本之舉。它是通過(guò)改進(jìn)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來(lái)改善燃燒性能，進(jìn)而達(dá)到減少NOX排放的目的。

2.1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化

對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要目的是在提高充氣效率的同時(shí)，合理組織進(jìn)氣渦流，以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少NOX的生成。

2.1.1.1.進(jìn)氣渦流的優(yōu)化

提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結(jié)果可導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOX的排放明顯增加；若減少進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度雖可減少NOX的排放，但又勢(shì)必會(huì)犧牲柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此，可采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)使渦流比在0.2-2.5范圍內(nèi)變化，以兼顧柴油機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)各個(gè)方面的性能。但采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高的問(wèn)題，因而限制了該技術(shù)的推廣。

2.1.1.2.增壓中冷技術(shù)

柴油機(jī)采用進(jìn)氣增壓技術(shù)后，由于壓縮溫度升高，在動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性提高的同時(shí)，NOX的排量也必然增加。但增壓柴油機(jī)在采用中冷技術(shù)以后，增壓空氣在進(jìn)入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增壓中冷技術(shù)可使柴油機(jī)NOX的排放降低。目前，柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)在中型柴油機(jī)上應(yīng)用日益廣泛，小型柴油機(jī)上也逐漸在采用。一些新研制的轎車(chē)柴油機(jī)上也開(kāi)始采用。

2.1.2 噴油系統(tǒng)的優(yōu)化

噴油系統(tǒng)的優(yōu)化就是使燃油噴射參數(shù)最佳化。這些參數(shù)包括噴油定時(shí)、噴油壓力、噴油速度和噴孔結(jié)構(gòu)等。通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化來(lái)抑制預(yù)混合燃燒，即減少在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量是降低NOX排放的有效途徑，分別敘述如下：

2.1.2.1.優(yōu)化噴油定時(shí)，NOX排放對(duì)噴油定時(shí)極為敏感。采用電控技術(shù)和根據(jù)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)噴油始點(diǎn)，可降低NOX的排放。

2.1.2.2.優(yōu)化噴油壓力，為減少NOX排放應(yīng)該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會(huì)使微粒排放增加。

2.1.2.3.優(yōu)化噴油速度，當(dāng)噴油提前角一定時(shí)，提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)期，可以使柴油機(jī)產(chǎn)生的NOX較少。噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關(guān)，應(yīng)綜合權(quán)衡以謀求各參數(shù)的最佳值。

2.1.2.4.優(yōu)化噴孔結(jié)構(gòu)，噴油器噴孔直徑和數(shù)目對(duì)柴油機(jī)排放也有明顯的影響。當(dāng)循環(huán)供油量與啟噴壓力一定時(shí)，減少孔徑會(huì)減少初期噴油量，抑制預(yù)混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOX的生成。當(dāng)噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數(shù)，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOX的排放。

2.1.3 燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化

2.1.3.1.優(yōu)化壓縮比

柴油機(jī)壓縮比控制著著火延遲期的長(zhǎng)短。降低壓縮比，有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可使燃燒最高溫度降低，NOX排放減少，碳煙增加。但壓縮比過(guò)低，柴油機(jī)難于著火。壓縮比對(duì)NOX的影響較為復(fù)雜，選取壓縮比時(shí)應(yīng)綜合考慮。

2.1.3.2.燃燒室型式的優(yōu)化

燃燒室型式與NOX的排放有著密切關(guān)系。直噴式柴油機(jī)NOX排放明顯高于非直噴式柴油機(jī)，這是因?yàn)榉侵眹娛讲裼蜋C(jī)前期的燃燒發(fā)生在混合氣過(guò)濃的預(yù)燃室或渦流室里，由于缺氧NOX的生成受到了抑制，又因在主燃燒室中的燃燒開(kāi)始較晚，且是在較低溫度下進(jìn)行的。對(duì)于同一類(lèi)型但結(jié)構(gòu)不完全相同的燃燒室，其N(xiāo)OX的排量也有差異。

2.1.4 燃燒室噴水冷卻技術(shù)

水具有較高的比熱，在燃燒過(guò)程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進(jìn)一步降低。該技術(shù)在降低NOX排放的同時(shí)，還有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排氣煙度，并有降噪的作用。

2.1.5 燃料的改進(jìn)

2.1.5.1.提高柴油機(jī)十六烷值

十六烷值在柴油機(jī)燃料參數(shù)中對(duì)NOX排放影響最大。十六烷值較高時(shí)，由于其穩(wěn)定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機(jī)排氣煙度較高，但其發(fā)火性能好，柴油機(jī)點(diǎn)火延遲期縮短，缸內(nèi)溫度與壓力降低，NOX排放亦降低。當(dāng)十六烷值從40提高到50時(shí)，NOX排放可降低10%左右[19]。

2.1.5.2.使用柴油添加劑

在柴油中添加適量的硝酸鹽、亞硝酸鹽和各種過(guò)氧化物，可以提高燃料的十六烷值，縮短著火延遲期，使得NOX排放減少。但使用添加劑會(huì)導(dǎo)致二次污染。

2.1.5.3.使用代用燃料

可以采用醇類(lèi)、氫氣和天然氣等代替柴油。柴油機(jī)燃用醇類(lèi)燃料時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙排放，在中、低負(fù)荷時(shí)NOX的排量也很低。近年來(lái)可以作為內(nèi)燃機(jī)代用的醇類(lèi)燃料很多，其中甲醇是目前應(yīng)用最廣的內(nèi)燃機(jī)代用燃料。但如果不采用適當(dāng)措施，柴油機(jī)排放的HC、甲醛將成為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機(jī)代用燃料時(shí)，NOX和其它污染物的排放都很低。將來(lái)太陽(yáng)能利用及氫的存儲(chǔ)技術(shù)解決之后，氫將成為柴油機(jī)的主要燃料，但缺點(diǎn)是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉(zhuǎn)化效率在40%-65%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油。燃料電池的工作溫度低于1000℃，此時(shí)基本不產(chǎn)生NOX，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應(yīng)用在技術(shù)上已不存在重大問(wèn)題，唯一的障礙在于成本太高。燃用壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG），NOX和微粒排放可同時(shí)減少75%-80%。二甲基乙醚作為最新出現(xiàn)的液體燃料，其燃燒后無(wú)微粒產(chǎn)生且NOX的排放亦很低。

2.1.6 采用多氣門(mén)技術(shù)

在柴油機(jī)上采用多氣門(mén)技術(shù)是滿(mǎn)足更嚴(yán)格排放指標(biāo)的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優(yōu)化了進(jìn)氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實(shí)現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化，這使混和氣的形成進(jìn)一步優(yōu)化，因而在提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)減少了NOX排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在燃用汽油的大、中、小型轎車(chē)上，多氣門(mén)技術(shù)已經(jīng)作為成熟技術(shù)得到了應(yīng)用。在柴油機(jī)上應(yīng)用多氣門(mén)技術(shù)是國(guó)際學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)之一，國(guó)外內(nèi)燃機(jī)的氣門(mén)最多時(shí)已達(dá)到5個(gè)，目前已在大型柴油機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，逐漸開(kāi)始在小型柴油機(jī)上應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在這方面的研究尚未成熟。

2.1.7 采用廢氣再循環(huán)技術(shù)

采用廢氣再循環(huán)（EGR）是降低NOX排放的一項(xiàng)極為有效的措施，目前只是在汽油機(jī)上得到了較為成熟的應(yīng)用。EGR在所有負(fù)荷條件下都可以有效減少NOX排放。將定量廢氣引入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點(diǎn)火延遲，增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的熱容量以及CO2、H2O、N2等惰性氣體的對(duì)氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少NOX的生成。大約60%-70%的NOX是在高負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的，此時(shí)采用合適的廢氣再循環(huán)率對(duì)于減少NOX是很有效的。廢氣再循環(huán)率為15%時(shí)，NOX排放可以減少50%以上，而廢氣再循環(huán)率為25%時(shí)，NOX排放可減少80%以上，但隨著廢氣再循環(huán)率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度變慢，燃燒穩(wěn)定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“熱EGR”還可以同時(shí)減少HC和PM的排放，并且不會(huì)增加油耗，在中、低負(fù)荷時(shí)凈化效果更佳。由于EGR氣門(mén)的升程信號(hào)會(huì)因氣門(mén)座積碳而不能正確反映EGR量，其響應(yīng)速度較慢，所以廢氣再循環(huán)量應(yīng)通過(guò)進(jìn)氣流量和EGR氣門(mén)的升程信號(hào)相結(jié)合來(lái)反映。

2.2 機(jī)外凈化措施

由于機(jī)內(nèi)控制排放并不能完全起到凈化效果，因此對(duì)已排出燃燒室但尚未排到大氣中的廢氣進(jìn)行處理，采取機(jī)外控制技術(shù)顯得很有必要。

2.2.1 采用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)

從理論上講，可以將NOX分解為N2與O2，但實(shí)際上這個(gè)過(guò)程相當(dāng)慢，到目前為止，該方法尚未得到實(shí)際應(yīng)用。因NOX的氧化產(chǎn)物為固態(tài)，這對(duì)車(chē)用柴油機(jī)不適合。對(duì)于車(chē)用柴油機(jī)NOX的排放只能采用還原方法除去。

2.2.1.1.選擇非催化還原（SNCR）

SNCR技術(shù)只能在一定的溫度區(qū)間（800℃-1000℃）使用。而柴油機(jī)排氣不可能達(dá)到這樣高的溫度，只能通過(guò)在柴油機(jī)膨脹過(guò)程中，向氣缸中噴入氨水來(lái)實(shí)現(xiàn)，但效果不很理想，在車(chē)用柴油機(jī)上尚未應(yīng)用。

2.2.1.2.非選擇催化還原（NSCR）

NSCR技術(shù)是將還原劑（如氨氣、尿素、HC）噴入排氣管中，在催化轉(zhuǎn)換器的作用下與廢氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng)。由于廢氣中含氧量較高，還原劑很容易直接被氧化，故消耗量極大。

2.2.1.3.選擇催化還原（SCR）

SCR的原理與NSCR相似，也是將NH3加入到高溫廢氣中與NOX發(fā)生反應(yīng)生成N2和H2O，只是催化劑配方不同。在車(chē)用柴油機(jī)上該技術(shù)比前兩種更具有應(yīng)用價(jià)值。NOX的還原反應(yīng)在選擇性催化轉(zhuǎn)化器中被加速，還原劑的氧化反應(yīng)被抑制，在300℃-450℃時(shí)發(fā)生如下主要反應(yīng)：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

2.2.2 采用碳素纖維加載低電壓技術(shù)

采用碳素纖維加載低電壓技術(shù)，可有效減少NOX的排放。碳素纖維具有催化活性，能促進(jìn)廢氣中的NO與C或HC進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，隨著電壓的升高，可使NOX排放明顯降低。目前，該技術(shù)正處于研究階段，尚未取得突破性進(jìn)展。

3.結(jié)論

本文介紹的各種減少NOX排放的措施，都不同程度地存在著一定的局限性。在減少NOX排放的同時(shí)有可能導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的下降，對(duì)其它排放物，諸如微粒、HC、CO、CO2等反而會(huì)增加。要進(jìn)一步減少NOX排放，需要改變柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，即從非均質(zhì)擴(kuò)散燃燒到預(yù)混合稀薄（均質(zhì)）燃燒系統(tǒng)的改變。目前，在柴油機(jī)上采用渦輪增壓、電控燃油噴射、電控廢氣再循環(huán)及機(jī)外催化處理都不失為綜合控制柴油機(jī)有害排放物的最佳措施。今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在：

3.1.致力于柴油機(jī)性能研究和改進(jìn)燃燒過(guò)程。

3.2.繼續(xù)研究NOX的產(chǎn)生機(jī)理。

3.3.不斷尋求高效率的機(jī)內(nèi)、機(jī)外凈化措施，并合理的加以結(jié)合。

3.4.致力于微粒和NOX的同時(shí)凈化。

3.5.深入研究與推廣代用燃料汽車(chē)和綠色環(huán)保汽車(chē)。

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作者簡(jiǎn)介：姓名：楊勝剛 男 （1964.02.29-）貴州黃平，初級(jí).汽車(chē)?yán)碚撗芯?/p>