基于滿足汽車柴油機國Ⅵ排放標準的新方法探討

王德云

摘 要：隨著重型柴油車污染物排放國Ⅵ標準的實施，對現有排放不達標的重型柴油車的升級改造工作迫在眉睫。本文作者在分析現有柴油發動機尾氣排放處理技術的基礎上，闡述了柴油摻水燃燒能同時處理NOx和碳煙的作用機理，提出了柴油機廢氣缸內處理的新方法，此法在對柴油機廢氣處理的同時，還有不低于4%的節油效果，探討了一種實現柴油機廢氣缸內處理新方法的水噴射系統，并就其工作原理與工作過程進行了簡要說明，有望成為對排放達不到國Ⅵ排放標準的重型柴油車進行升級改造使其達到國VI排放標準最有效的方法。

關鍵詞：柴油車;國Ⅵ排放標準;廢氣排放與處理;柴油摻水燃燒;水噴射系統

1 引言

柴油發動機尾氣排放物主要是NOx和顆粒物（PM），其對環境與人類健康造成嚴重危害，引起了世界范圍的普遍關注，因此各國限制其排放的法規亦越來越嚴格。2018年7月國家生態環境部與國家市場監督管理總局聯合下發《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（俗稱，國六）公告，該標準明確規定：“2021年7月1日起，所有生產、進口、銷售和登記注冊的重型柴油車應符合本標準要求”。

截止2018年底，我國柴油車保有量達到2393.8萬臺，其中國Ⅲ排放標準的有1011.6萬臺，國Ⅳ排放標準的有802.2萬臺。如果這些車輛不做減排處理，到2021年時將受到使用限制。因此，探尋一種切實可行的解決方案，來改造這些排放達不到國六標準的重型柴油車就顯得尤為急需與迫切。

2 現有柴油機尾氣排放處理技術

目前，針對柴油機的排氣后處理技術的主要裝置有：降低NOx排放的廢氣再循環（EGR）及選擇還原催化轉化器（SCR）（俗稱添藍處理系統或車載尿素處理系統）;降低微粒排放的微粒捕捉器（DPF）;以及用來降低微粒中有機可溶成分SOF（主要是高分子的HC）以及氣態HC和CO排放的氧化催化轉化器（DOC）等三類。或者是上述三類技術的組合，例如，DOC+DPF與EGR+DPF。其中NOx選擇還原催化器（SCR）和微粒捕捉器（DPF）是主流。

但上述技術在使用過程中存在一些缺陷，使用廢氣再循環（EGR）雖能有效降低NOx排放，但是以犧牲發動機的動力性與經濟性為代價，同時，對柴油含硫量敏感;選擇還原催化器（SCR）要求NO與NO2之比接近1：1才有比較理想的效果，微粒捕捉器（DPF）關鍵是再生技術，但也必須使用低硫柴油，而我國現行柴油中硫含量達不到低硫要求，因此，微粒捕捉器（DPF）在我國基本不適用。

另外，現行機內凈化措施也同樣存在一些缺陷，例如，（1）燃燒室噴水冷卻技術，水具有較高的比熱，在燃燒過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，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術在降低NOx排放的同時，還有利于改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。噴水冷卻有如下形式：進氣管噴水;用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室;通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室;在噴嘴的兩個燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。但如何控制噴水的時機、數量等問題還有待于進一步研究。（2）選擇非催化還原（SNCR）技術，只能在一定的溫度區間（800℃-1000℃）使用，而柴油機排氣不可能達到這樣高的溫度，只能通過在柴油機膨脹過程中，向氣缸中噴入氨水來實現，但效果不很理想。該技術只是在發電廠得到了廣泛應用，在車用柴油機上尚未應用。

3 NOx和PM的排放機理及應對策略

近年來，國內外對柴油機NOx和PM的排放的研究一直沒有間斷，大量的研究文獻資料表明：NOx是在高溫富氧條件下形成，碳煙是在高溫缺氧條件下形成，如果通過以傳統燃燒方式改進缸內燃燒的同時除出NOx和PM（碳煙）有所謂“treat-off”效應，然而根據NOx和PM（碳煙）的形成條件可知，如果能降低缸內燃燒的最高溫度和高溫持續時間，從理論上講，就可同時除出NOx和PM（碳煙），正是基于這樣的考慮，我們就可以通過燃料摻水燃燒的方法來實現同時降低NOx和PM（碳煙）排放的目標，其理由：一是水的蒸發需要吸收大量的熱量，這樣就有效的降低混合氣的最高燃燒溫度，抑制了NOx的生成;二是混合氣燃燒生成的碳煙與高溫水蒸氣發生水煤氣效應（其反應方程式為），生成的CO與O2反應生成CO2（其反應方程式為），生成的H2與O2反應生成水（其反應方程式為），這樣就有效的除出了碳煙，同時，燃料中水蒸發做功可以部分彌補由于水分蒸發使溫度和壓力下降所造成的不利影響而提高柴油機的熱效率，另外排氣最高溫度與平均溫度都有所下降，排氣損失反而減小也提高柴油機的熱效率，從而產生了一定的節油效果。因此，從上述理論分析可知：柴油摻水燃燒是能同時降低NO2和PM排放的最有效方法。但由于各種摻水燃燒的方式都存在自身的弱點，無法在降低排放的同時提高經濟效益，至今沒有得到推廣應用。

4 我國重型柴油車應用的車載尿素處理系統及其缺陷

我國重型柴油車應用的車載尿素處理系統使用的是BOSCH公司開發的共軌SCR系統（俗稱添藍處理系統或車載尿素處理系統），SCR是Selective（選擇性）、Catalytic（催化）、Reduction（還原）的英文縮寫。具體結構如圖1所示。其工作原理是：通過還原劑NH3和NOX進行反應，將NOX還原成無害的N2和H2O的過程，其化學反應方程式如下：

SCR系統目前采用的還原劑是32.5%的尿素溶液，尿素溶液用來產生還原劑NH3，其產生還原劑NH3的過程是：尿素NH2CONH2和H2O在高溫下分解成NH3和CO2，其化學反應方程式如下：

BOSCH公司的共軌SCR系統的缺陷在于不能對碳煙進行處理，隨著國VI排放標準的實施，共軌SCR系統必須加裝微粒捕捉器（DPF）才有可能滿足國排放標準的需要。因此，現有的共軌SCR系統也無法滿足國VI排放標準的需要。

5 滿足國VI排放標準的新方法探討

針對現有尾氣排放處理系統的缺陷，作者提出二種改進措施，一是對現有安裝有BOSCH公司共軌SCR系統的尾氣排放系統加裝微粒捕捉器（DPF），此法技術上沒有什么問題，但改裝成本比較高，推廣也比較困難（因為它只有單一的尾氣處理功能）;二是開發一種全新的既能高效節能又能高效減排的綜合尾氣處理系統，這是最有效的解決途徑，因為在解決排放問題的同時，又體現了高效的節能效果，會深受用戶的歡迎。

本文作者就開發出一種全新的既能高效節能又能高效減排的綜合尾氣處理系統提出自己的構想，其基本的思路是：使用柴油摻水燃燒技術，因為此技術是最有可能同時降低NOx和PM排放的最有效方法（前面已作了分析）。設計獨立的水噴射系統直接噴入氣缸，其結構如圖二所示。包括儲液箱1、過濾器2、流量計3、電磁閥4、霧化噴嘴5、密封墊6、電磁閥7、電磁閥8、微型空壓機9、電控ECU10、液位計11。其中，霧化噴嘴5安裝在柴油機進氣總管上，用來噴射含水尾氣處理液，流量計3和電磁閥4用來控制含水尾氣處理液的供給，微型空壓機9用來產生高壓空氣供給霧化噴嘴5使霧化噴嘴5噴出的含水尾氣處理液進行霧化，電磁閥7用來控制高壓空氣的供給，電磁閥8用來控制空氣供給壓力。水中含尿素、柴油燃燒促進劑、消煙劑、十六烷值改進劑、乳化劑、防凍劑等的復合處理液（簡稱尾氣處理液）。

其工作原理為：水由安裝在柴油機進氣總管上的霧化噴嘴噴入進氣總管，隨柴油機在進氣時與空氣一并進入氣缸內;在柴油噴入后，在氣缸內形成乳化柴油狀態。通過油、水分輸技術，在氣缸內形成乳化柴油的全新方法，克服了配制好的乳化柴油長期放置容易分層的缺點，克服了在線乳化乳化效果不良的缺點，由于水并不是與柴油混合后通過柴油機噴油系統來輸送，還徹底地解決了乳化柴油與在線乳化腐蝕柴油機噴油系統噴咀的致命缺陷，真正使乳化柴油能進入實用狀態，使柴油摻水燃燒能同時降低NOx和PM排放的技術得以真正的實現。

6 新型尾氣處理系統控制過程

圖2所述獨立的水噴射系統的控制過程如下：

①車輛啟動與暖車過程本系統不工作，以免影響柴油機冷啟動和快速暖車。具體控制邏輯是電控ECU10通過傳感器采集或電控ECU10與車載網絡CAN進行信息通訊，通過車載網絡CAN獲取所需控制信號（如柴油機水溫信號、車速信號、發動機負荷信號等信號），柴油機水溫信號溫度值設定T>50℃，車速信號V>30km/h，油門踏板開度=0，上述信號條件只要有一個不滿足，電控ECU10將控制本系統不工作。

②車輛運行中的控制，電控ECU10通過傳感器采集所需控制信號，或者電控ECU10與車載網絡CAN進行信息通訊，通過車載網絡CAN獲取所需控制信號（如柴油機轉速信號、柴油機水溫信號、車速信號、發動機負荷信號等信號），并對上述信號進行分析與處理，通過電控ECU10控制調壓電磁閥的壓力大小來動態調整噴射量的大小。

③車輛停車控制，在停車前，當車速信號V<30km/h時，電控ECU10先關閉電磁閥4停止尾氣處理液的供給，電磁閥7、8延遲3-5S關閉，以吹盡殘留在霧化噴嘴中的含水尾氣處理液，以保證在柴油機停機前，利用柴油機的進氣吹盡殘留在進氣總管或氣缸內的含水尾氣處理液，以免給柴油機的正常工作帶來不利影響。

④車輛停止狀態下開空調的控制，把空調開關信號引入電控ECU10，通過柴油機轉速信號n>650轉/分，柴油機水溫信號T>50℃，電控ECU10接收到空調開關信號，在滿足上述信號的條件下，電控ECU10控制噴射系統處于工作狀態。

⑤當儲液箱中所述尾氣處理液不足時，電控ECU10通過接收到液位計的開關信號，控制報警系統報警，提示駕駛員添加含水尾氣處理液，同時控制噴射系統停止工作。

7 新型廢氣處理系統的優點

本噴射系統帶來的有益效果是：

（1）柴油機所產生的廢氣在氣缸內就進行了非常高效的處理，廢氣中NOx和PM的排放值就已經很低，降低了現有柴油機填藍系統的工作負荷，甚至可以取代現有柴油機添藍系統。特別是碳煙在氣缸內就進行了有效的轉化，無需在尾氣排放系統中再加裝微粒捕捉器（DPF）。

（2）所述含水尾氣處理液由安裝在柴油機進氣總管上的霧化噴嘴5噴入柴油機進氣總管，隨柴油機在進氣時與空氣一并進入氣缸內;在柴油噴入后，在氣缸內形成乳化柴油狀態參與柴油的燃燒過程，而不是在柴油混合氣燃燒后，再噴入所述尾氣處理液，因為，實踐證明：在柴油機膨脹過程中噴入所述尾氣處理液，效果不很理想。

（3）由于本噴射系統使用的含水尾氣處理液含有防凍劑，即使在冬天使用時，也不會結冰，因此，不需要像現在使用的添藍系統在冬天使用時還需要加熱。

（4）關鍵是本噴射系統在對柴油機尾氣進行處理的同時，還帶來不低于5%—8%的節油效果，這是目前任何一種尾氣排放處理系統都做不到的。

（5）本噴射系統所述柴油機尾氣排放處理系統是一套獨立運行的全自動控制系統，無須駕駛員進行操作控制，在車上安裝方便，只在柴油機進氣總管上裝一個霧化噴嘴5，對柴油機本身結構不做任何改動，特別適合對國Ⅲ、國Ⅳ和國V重型柴油車進行升級改造，即使所述噴射系統關閉時也不會影響柴油機的正常工作。

綜上所述，本文作者構想的如圖二所述的獨立的水噴射系統，在柴油混合氣燃燒時，由于水的加入，水的蒸發需要吸收大量的熱量，降低了柴油混合氣在氣缸內的最高燃燒溫度，就抑制了NOx的產生，即使還有數少量的NOx，由于水中含有尿素，尿素高溫分解產生NH3的NOx與進行反應，把NOx轉換成了N2和H2O;由于水的加入，柴油混合氣燃燒時所產生的碳煙與高溫水蒸汽發生水煤反應，也把PM （碳煙）進行了轉化。通過上述二個步驟，就把柴油燃燒所產生的廢氣在氣缸內就進行了處理，開創了柴油機廢氣缸內處理的新方法。同時，由于水蒸汽的作功效應，在減排的同時也帶來了不低于4%的節油效果，如果在水中再加入柴油燃燒促進劑、消煙劑、十六烷值改進劑等，會進一步提高柴油燃燒的熱效益，節油效果將會進一步提升。當然，對于柴油機在不同功況下的摻水率及尿素率，還要通過大量的實驗來驗證。如果本文作者提出的柴油機廢氣缸內處理的新方法得以實現，則是有望對國Ⅲ、國Ⅳ和國V重型柴油車進行升級改造使其達到國VI排放標準最有效的方法，將會帶來巨大的社會與經濟效益。

參考文獻：

[1]王小琛，陳振斌，張坤鵬，高亮，張承亮.重型車用柴油機燃用乳化柴油的燃燒與排放特性試驗研究[J].可再生能源，2015，33（06）：946-951.

[2]王小琛，汪映，陳振斌，劉燕霞.發動機燃用水乳化柴油的研究進展[J].車用發動機，2018（01）：1-9.

[3]方平，陳雄波，唐子君，黃建航，曾文豪，吳海文，唐志雄，岑超平.船舶柴油機大氣污染物排放特性及控制技術研究現狀[J].化工進展，2017，36（03）：1067-1076.