柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)發(fā)展分析

權(quán)春鋒

摘 要：文章主要通過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較，闡述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性、燃油經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，提出發(fā)揮柴油機(jī)優(yōu)勢(shì)。其次，通過(guò)柴油機(jī)尾氣處理的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹商用車(chē)尾氣處理流程。最后，總結(jié)柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)所面臨的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：柴油機(jī);尾氣處理;噴射系統(tǒng)中圖分類(lèi)號(hào)：U262.11 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-82-03

Abstract： By comparing the advantages and disadvantages of diesel engine and gasoline engine， this paper expounds the advantages of diesel engine such as power characteristics and fuel economy， and puts forward to give full play to the advantages of diesel engine. Secondly， through the development trend of diesel engine exhaust treatment， it focuses on the commercial vehicle exhaust treatment process. Finally， the problems of diesel exhaust treatment technology are summarized.Keywords： Diesel;?Exhaust treatment; Injection systemCLC NO.： U262.11 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-82-03

前言

2005年，國(guó)家全面實(shí)施柴油車(chē)和汽油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)就是我們說(shuō)的國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)。到了2008年，北京開(kāi)始帶頭實(shí)施國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)普及到2011年7月。這是汽油機(jī)已經(jīng)全部達(dá)到國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)達(dá)到國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)的汽油車(chē)不能銷(xiāo)售。柴油車(chē)相對(duì)于汽油車(chē)技術(shù)慢一些，2015年1月，全國(guó)才普及柴油車(chē)國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)。2013年2月，北京帶頭實(shí)施國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，一年以后，全國(guó)的汽油車(chē)和柴油車(chē)都實(shí)施國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)。直到2019年7月，全國(guó)開(kāi)始實(shí)施國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)五的車(chē)禁止銷(xiāo)售。從以上政策發(fā)布到實(shí)施，我們可以得出，標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，并且間隔時(shí)間也變短了。主要原因是環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重了，能源儲(chǔ)備越來(lái)越少了。

1 尾氣處理技術(shù)的必要性

我們來(lái)看一下中國(guó)柴油機(jī)市場(chǎng)情況。中國(guó)市場(chǎng)乘用車(chē)中柴油機(jī)銷(xiāo)量占不到1%，主要應(yīng)用于SUV，皮卡。排量分布在2.0-2.5L之間。美國(guó)市場(chǎng)乘用車(chē)中柴油機(jī)銷(xiāo)量占比在10%左右，由于輕型車(chē)柴油化升級(jí)，未來(lái)比例將會(huì)有升高。歐美國(guó)家柴油機(jī)市場(chǎng)占比都高于我們國(guó)家，那么柴油機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

1.1?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高

柴油機(jī)在做功環(huán)節(jié)，引燃混合氣時(shí)，不需要點(diǎn)火裝置。將混合氣壓縮到一定程度，將會(huì)自然，因此柴油機(jī)不需要復(fù)雜的點(diǎn)火系統(tǒng)。并且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，比較低，活塞、氣缸、曲軸等部件磨損較少。另外，柴油燃燒的溫度較汽油低，進(jìn)排氣門(mén)、燃燒室等相關(guān)部件不易老化，因此柴油機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。據(jù)大眾公司統(tǒng)計(jì)，柴油機(jī)無(wú)故障里程在85萬(wàn)公里，而汽油機(jī)的無(wú)故障里程在45萬(wàn)公里。

1.2?燃油經(jīng)濟(jì)性

柴油機(jī)比汽油機(jī)壓縮比高。汽油和空氣形成的混合物壓縮極限限制了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。如果壓縮比過(guò)高，汽油和空氣混合物將自然，并導(dǎo)致爆震。柴油這方面有先天的優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)直接壓縮空氣，因此壓縮比高于汽油機(jī)。汽油機(jī)壓縮比為8：1至12：1，而柴油機(jī)的壓縮比為14：1，甚至達(dá)到25：1.那么壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就業(yè)越高，從而輸出同樣的功率，柴油機(jī)比汽油機(jī)更加節(jié)約燃料。從柴油和汽油的角度來(lái)說(shuō)，由于柴油較重，所以蒸發(fā)較慢。比起汽油，它含有更多更長(zhǎng)的碳原子鏈。生產(chǎn)柴油時(shí)的精煉過(guò)程較少，所以柴油比汽油便宜。柴油比汽油有更高的能量密度，所以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)平均省油30%。

1.3 動(dòng)力特性

柴油機(jī)低速扭矩大，加速性能好，爬坡能力強(qiáng)。所以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用于商用車(chē)較多，因?yàn)樯逃密?chē)需要大扭矩。柴油機(jī)加速性能好，我們可以對(duì)比一下高爾夫2.0L的柴油版和汽油版汽車(chē)。汽油版高爾夫扭矩在3500rpm時(shí)，可以輸出最大扭矩200NM。而柴油版高爾夫在1750rpm時(shí)，就可以輸出320NM的扭矩。柴油版高爾夫加速時(shí)間明顯快于汽油版高爾夫加速時(shí)間。

2 尾氣處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

柴油機(jī)燃燒排出的二氧化碳比汽油機(jī)低30%，一氧化碳和碳?xì)浠衔镆驳陀谄蜋C(jī)。但是氮氧化物和PM的排放比汽油機(jī)高。那么柴油有這么多的優(yōu)勢(shì)，如果想繼續(xù)暢銷(xiāo)于市場(chǎng)，他必須從哪些方面提高自身呢？我們了解一下，柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展：噴射系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和燃油。

2.1?噴射系統(tǒng)

為了讓空氣和柴油混合時(shí)，更加的均勻，燃燒質(zhì)量更高，再設(shè)計(jì)空氣進(jìn)氣通道時(shí)，將進(jìn)氣道設(shè)計(jì)成渦流形式，空氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道形成渦流進(jìn)入到燃燒室。在燃燒室中，將活塞頂部做成渦流槽，與進(jìn)氣道配合，從而讓空氣形成完整的渦流。最大限制的讓空氣和柴油混合均勻。

為了柴油進(jìn)入到燃燒室，形成很好的霧化效果，采用高壓共軌噴射系統(tǒng)，噴射壓力達(dá)到1400bar-1600bar。柴油從柴油箱經(jīng)初級(jí)泵增壓進(jìn)入燃油濾清器，有一定壓力的燃油再經(jīng)過(guò)高壓泵燃油泵加壓，將壓力增加到1400bar，通過(guò)高壓燃油管進(jìn)入到高壓油軌。高壓油軌將燃油分配到各個(gè)噴油嘴，噴油嘴將高壓燃油噴射到燃燒室內(nèi)，形成高質(zhì)量的霧化效果，有利于混合氣的燃燒。

2.2?后處理系統(tǒng)

柴油機(jī)在氮氧化物和pM排放方面高于汽油機(jī)，所以必須增加發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后處理系統(tǒng)。目前有兩條技術(shù)路線(xiàn)：第一種是EGR路線(xiàn)，原理通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒時(shí)的溫度，將曲軸箱廢氣在燃燒，從而抑制氮氧化物生產(chǎn)，然后在尾氣處理過(guò)程中吸收PM顆粒。

第二種是SCR技術(shù)，在后處理系統(tǒng)中，增加尿素噴射泵，將尿素噴射到尾氣中。尿素可以認(rèn)為是催化劑，高效的PM和氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂脱鯕猓档臀廴疚锱欧拧?/p>

2.3 全鋁缸體

目前國(guó)際知名的汽車(chē)制造商都開(kāi)始使用全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)。全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是降低整車(chē)質(zhì)量。當(dāng)整車(chē)質(zhì)量降低時(shí)，柴油的消耗量將會(huì)降低，污染物排放量也會(huì)伴隨著降低，并且燃油消耗量會(huì)降低。奔馳、寶馬、大眾已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)全部鋁制化要求。甚至高端汽車(chē)如：奔馳、捷豹、寶馬、保時(shí)捷等采用鋁制車(chē)身，更大程度上減少整車(chē)質(zhì)量，并且提高了車(chē)輛高度的操控性能。

2.4 油品質(zhì)量

在歐洲對(duì)柴油的質(zhì)量要求較高，歐四和歐五標(biāo)準(zhǔn)要求柴油含硫量不超過(guò)50*10-6 。過(guò)高的硫含量會(huì)導(dǎo)致尿素催化劑中毒，堵塞三元催化器。我們來(lái)分析一下北京國(guó)四柴油標(biāo)準(zhǔn)，含硫量這項(xiàng)中規(guī)定不大于0.005。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于歐四標(biāo)準(zhǔn)。那么，如果將歐洲產(chǎn)的柴油汽車(chē)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致尿素催化劑中毒，從而排放不能達(dá)標(biāo)。所以這就是為什么柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)很少使用的原因了。

3 尾氣處理關(guān)鍵技術(shù)分析

柴油機(jī)排放第一個(gè)污染物是碳?xì)浠衔铮饕蚴侨加腿紵怀浞郑瑖娪妥斓温丁⒒旌蠚膺^(guò)濃、不正常噴油等。處理方法包括：優(yōu)化噴油參數(shù)，噴油嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加柴油氧化催化劑等。第二種污染物是一氧化碳，主要原因是缺氧，處理方法是改善混合、噴射參數(shù)和增加柴油氧化催化劑。第三種污染物是氮氧化物。主要原因是氧含量較高，處理方法是降低燃燒溫度，采用尿素還原劑、增加EGR系統(tǒng)等。第四種污染物是PM顆粒。主要原因是機(jī)油消耗過(guò)高、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、碳煙等。處理方法是改善燃燒，降低機(jī)油消耗，增加顆粒物捕集器、顆粒物氧化器等。

本文來(lái)分析一下三種處理方案他們的優(yōu)缺點(diǎn)。第一種，不需要尿素催化劑方案，在全負(fù)荷工況下，廢氣在回收率達(dá)到50%。PM排放大于90%，燃油壓力大于2500bar，需要兩級(jí)增壓。第二種處理方案，是中等程度的尿素催化劑方案。在全負(fù)荷工況下，廢氣回收率達(dá)到25%，PM降低到60%左右，燃油系統(tǒng)壓力1800bar，需要兩級(jí)增壓。第三種方案是高度尿素催化劑方案。在全負(fù)荷狀態(tài)下，廢氣回收率降低到15%，氮氧化物排放非常高，超過(guò)90%，PM降低到20%，系統(tǒng)壓力在1800bar。綜合考慮技術(shù)成本的經(jīng)濟(jì)性，第二種方案是目前的主流。

重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。首先在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)，增加EGR系統(tǒng)。將曲軸箱內(nèi)的廢氣進(jìn)行循環(huán)利用，因?yàn)楦變?nèi)新鮮空氣少了，噴油量少，缸內(nèi)溫度當(dāng)然降低了，從而降低缸內(nèi)的燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物。然后廢氣進(jìn)入（DOC）氧化催化轉(zhuǎn)化器。在國(guó)四階段的DOC是為了實(shí)現(xiàn)微粒催化轉(zhuǎn)化，現(xiàn)階段的DOC是為了實(shí)現(xiàn)一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸幚怼U氣在進(jìn)入到DPF，將尾氣中的未氧化的微粒捕集到捕集器中，在這其中有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生。主動(dòng)再生是指在通過(guò)外在提供能量使DPF內(nèi)部溫度達(dá)到顆粒物氧化燃燒所需的溫度而實(shí)現(xiàn)的再生;而被動(dòng)再生主要是指在過(guò)濾體表面涂覆催化劑或在燃油中添加催化劑，以降低碳煙所需的氧化反應(yīng)溫度。接著廢氣將進(jìn)入SCR選擇性催化還原系統(tǒng)，在尾氣后處理器中噴射尿素，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將氮氧化物還原為氮?dú)猓M(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氮氧化物的處理。隨著氮氧化物傳感器的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，尿素的噴射控制策略已經(jīng)從開(kāi)環(huán)控制發(fā)展到了閉環(huán)控制模式。通過(guò)閉環(huán)控制，可以精確的控制尿素的噴射量，以減少氨氣的泄漏。最終廢氣進(jìn)入ASC（氨氧化催化器），它就是把還原劑換成氨，DOC和ASC均能夠顯著提高SCR轉(zhuǎn)化效率，利用氨降低氮氧化物排放。

4 總結(jié)

這樣一整套的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)，技術(shù)人員將面臨很多的挑戰(zhàn)，首先：DPF使用時(shí)，需要合適的再生控制策略，提高再生的效率和可靠性。其次氮氧化物的排放限值大幅度的降低，對(duì)尿素還原劑噴射系統(tǒng)的噴射精度提出了很高的要求。如果噴射量過(guò)大，氨氧轉(zhuǎn)化器就不能夠?qū)⑺械哪蛩剡€原成氨。

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