車用柴油機排放物控制策略分析

汪杰 胡慧敏

摘 要：文章對柴油發(fā)動機有害排放NOX、HC、碳煙以及CO2、的生成機理及其控制方式進行分析，立足于從車用柴油機排放污染物源頭控制，重點分析機內(nèi)凈化和機外凈化的優(yōu)缺點，闡明了SCR選擇性催化還原后處理技術(shù)治理柴油車的排放物的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：柴油機;排放物;生成機理;控制方法中圖分類號：U464.172

文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-56-03

引言

當前，隨著內(nèi)燃機技術(shù)的高速發(fā)展，柴油機具有：功率大，動力好，油耗低，經(jīng)濟性高等特點被廣泛應(yīng)用于高級轎車、重型車輛[1]。通過了解和掌握最新SCR新技術(shù)，掌握各種廢氣排放污染物的生成機理，熟悉國內(nèi)外排放控制的機內(nèi)凈化和機外凈化方法[2]。通過對柴油機排放物生成機理的分析，提供有效的污染物控制技術(shù)對排放物加以控制，進而達到節(jié)能減排的目的。

1 車用柴油發(fā)動機排放污染物危害與排放標準

柴油機排放物分CO、NOX、HC、SOX、PM、和醛類。混合氣的形成方式不同，使得柴油機和汽油機的有害排放物和特性不同，柴油機的CO和HC排放量遠低于汽油機，影響柴油機燃燒的因素主要有辛烷值、混合氣質(zhì)量、壓縮比、轉(zhuǎn)速、負荷等。其中柴油機排放物成分CO含量（0.05～0.50）;汽油機0.1-6，HC含量（200-1000）;汽油機2000-3000，含量（700-2000）;汽油機0，顆粒物含量（0.15-0.30）;汽油機左右0.002-0.005。

1.1.1 國內(nèi)現(xiàn)行排放標準

當前對于重型柴油車和輕型柴油車排放物標準，輕型柴油車出臺了GB18352.1.2001、GB18352.1.2002兩個標準。重型車排放物遵循GB17691.1.2001，可見污染物遵循GB3847. 199 9，加速煙度和自由加速煙度滿足GB14761.93和GB/T 384717.2005規(guī)定。2005年我國公布了輕型柴油和重型柴油車的污染物排放限值，規(guī)定CO排放低于4，HC低于1.1，NOX低于7，微粒低于0.15等要求。

1.1.2 歐洲的排放標準

自1992年歐洲公布ECE（EEC）重型柴油貨車的排放限制標準以來，CO、NOX、HC、PM排放限值一度降低，自歐ICO限值是4.5降低為歐VI的0.2，HC自1992年的1.1減為0.005，氮氧化合物減至歷史最低為2.0，歐VI的限值0.02。歐共體輕型車排放限值，除PM和NOX值變?yōu)?.025，其他限制與重型車限值保持一致。

2 車用柴油發(fā)動機排放物生成機理及影響因素

2.1 CO和HC的生成

HC和CO的生成是由于燃燒不完全而引起的，CO是由于氧氣不足CO2被還原成CO。采用排氣后處理技術(shù)控制后的氮氧化合物、微粒含量如圖1所示。以上是經(jīng)過：增壓+中冷、增壓+中冷高壓噴射+電控、增壓+高壓噴射+電控+排氣后處理三種處理方法處理后的排放物含量。如圖1反映了兩種排放物的含量變化趨勢。

在高溫高壓的環(huán)境下O鏈發(fā)生一系列反應(yīng)斷裂產(chǎn)生氧原子，重新組合成直鏈。柴油機燃燒過程中溫度的高低直接影響到了NO的生成量。綜上所述，影響NOX生成的主要因素有溫度、氧的濃度和高溫滯留時間。

2.3 碳煙的產(chǎn)生

白煙的直徑在1微米以上，寒冷冬季低溫時，氣缸溫度低，柴油不能完全燃燒便形成了白煙。黑煙通常是因為混合氣不良，在高溫高壓的燃燒室中，局部區(qū)域供給的氧氣不足各種烴分子不完全燃燒，發(fā)生裂解隨即聚合形成黑煙。藍煙是潤滑油由于密封不良造成機油串入燃燒室，機油或燃油沒有完全燃燒情況下，就會排出直徑小于1微米處在分解狀態(tài)的液態(tài)尾氣物，形成藍煙[3]。

3 車用柴油機排放物控制方法

3.1 車用柴油機機內(nèi)凈化技術(shù)

現(xiàn)代汽車多采用廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR，其既降低燃燒火焰溫度，又縮短NO高溫滯留時長。提升柴油車的EGR率是研究的主攻方向，若再循環(huán)量過大如不進行冷卻而直接將廢氣引入進氣系統(tǒng)，則進氣被加熱，空燃比減小，導(dǎo)致燃燒惡化，微粒排放增加，因此冷卻EGR系統(tǒng)廣受關(guān)注。

3.2 外凈化技術(shù)

國內(nèi)較為實用的后處理技術(shù)有下面三種：微粒捕集器，用于過濾和除去碳煙微粒的排放;氧化催化轉(zhuǎn)化器，減小可溶有機物、HC和CO排放;NOX吸附器，用于降低NOX的排放。

3.2.1 微粒捕捉器（DPF）

柴油機微粒捕捉器能有效過濾PM等雜質(zhì)。微粒捕捉器的材料可以是陶瓷蜂窩載體、金屬蜂窩載體、陶瓷纖維和金屬纖維，有的也采用紙濾芯的過濾器，這種過濾器成本低，使用方便可直接更換。

3.2.2 NOX吸附器

NOX吸附器主要處理氮氧化合物，NO具有毒性，被氧化成NO2帶有刺激氣味呈紅色，NOX是光化學(xué)煙霧的罪魁禍首。而三元催化劑早在汽油機上被使用，因技術(shù)原因沒有攻克，該技術(shù)遲遲未應(yīng)用到柴油機。

3.2.3 SCR后處理技術(shù)

SCR技術(shù)是將車用尿素直接噴入發(fā)動機燃燒室中，因排氣溫度升高，尿素的分解速率加快，釋放大量NH3。NH3與尾氣中NOX被還原成N2和N2O并釋放到空氣中，尿素自身并不能參與反應(yīng)。主要發(fā)生下面反應(yīng)：

反應(yīng)式一是尿素溶液的蒸發(fā)過程;反應(yīng)式二是尿素的熱解過程;反應(yīng)式三是HNCO的水解過程。在熱解過程中，部分的尿素被分解成NO3，同時兩式參與催化作用都是NH3。實驗表明，150℃以下尿素將會結(jié)晶，催化劑失活，SCR控制難度很大[4，5]。一般控制溫度200℃～250℃開始噴射，導(dǎo)致SCR系統(tǒng)在低負荷排氣溫度較低時的使用被抑制。

3.3 柴油機機內(nèi)凈化和機外凈化方法對比分析

采用機內(nèi)凈化過程中，增壓技術(shù)存在較大弊端，提升功率必然帶來質(zhì)量增加。優(yōu)化燃燒室可降低HC的排放，低負荷時可降低NOX的排放，煙度含量進一步降低。

機外處理中，微粒捕捉器因評價繁瑣，實施困難，樣品成本昂貴。微粒捕捉器，生產(chǎn)工藝較高。在過濾過程中極易發(fā)生堵塞，而紙質(zhì)過濾器，雖更換簡單過濾效果卻很低，逐漸被淘汰。NOX吸附器吸附效率并不高，但是價格昂貴。

SCR技術(shù)利用NO3作為還原劑生成N2、N2O未引入新的污染物。SCR催化效率極高，不會引入副產(chǎn)物。同時還原劑雖然參加了反應(yīng)，但是從整個過程來看實際并沒有消耗使得生產(chǎn)成本大大降低。因此選擇SCR選擇性催化還原后處理技術(shù)對當前的柴油車排放物控制較為合理。

4 結(jié)論

機內(nèi)控制技術(shù)，使得發(fā)動機質(zhì)量增大，各種附屬設(shè)備增加。發(fā)動機功率消耗較多，在一定程度上降低了發(fā)動機的輸出功率，使得柴油車動力性降低，油耗增大。

機外處理技術(shù)中，各種吸附器載體依附性能不良，生產(chǎn)成本較高頻繁的更換吸附器使得生產(chǎn)成本昂貴。另外機外處理可能帶來副產(chǎn)物，使得排放物組成更為復(fù)雜。SCR選擇性還原后處理技術(shù)的應(yīng)用解決了這一問題，參與反應(yīng)的催化劑并沒有消耗，也沒有引入副產(chǎn)物且催化效果較好。能有效的降低各種排放物的濃度，最終達到節(jié)能減排的目的。

SCR選擇性還原后處理技術(shù)，在尿素還原過程中，氨氣的還原效果良好，沒有帶入中間產(chǎn)物。雖然催化劑在此環(huán)境下容易失效，但該方法仍是最佳選擇。通過對SCR研究現(xiàn)狀的分析，機內(nèi)凈化和SCR技術(shù)的結(jié)合，為車用柴油機的發(fā)展提供了更廣闊的空間。在環(huán)境問題突出的當下，相信機內(nèi)凈化和SCR技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1] 王慧娟.資源節(jié)約與環(huán)保.汽車尾氣的危害性及治理措施[J].2016， 9（2）.

[2] 王生昌.交通運輸環(huán)境污染與控制[M].機械工業(yè)出版社.2003.1.

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[4] 趙丹平.吳雙群.現(xiàn)代汽車發(fā)動機原理[M].北京大學(xué)出版社.2010.6.

[5] 譚丕強，陸家祥，鄧康耀，et al.噴油提前角對柴油機排放影響的研究[J].內(nèi)燃機工程， 2004， 25（2）：9-11.