車(chē)用柴油機(jī)排放物控制研究

鐘光毅

（玉林市檢驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，廣西 玉林 537000）

在內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展背景下，柴油機(jī)車(chē)因?yàn)榈湍芎那医?jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)應(yīng)用更為廣泛。鑒于車(chē)用柴油機(jī)的大范圍使用，了解其廢氣排放污染物的生成機(jī)理，探討明確現(xiàn)有的排放控制的各種凈化方法，指導(dǎo)其日常合理應(yīng)用，以達(dá)到節(jié)能減排效果具有積極意義。

1 車(chē)用柴油機(jī)排放物成分組成

對(duì)于車(chē)用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，其排放物種類多樣，成分較多的是CO、NOX、HC、SOX、PM、和醛類。其與傳統(tǒng)的汽油機(jī)的排放物特性不同在于其混合氣體的形成方式不同，這也使得其各種污染氣體的含量較之重型汽油機(jī)有了明顯下降。柴油機(jī)的排放物主要成分是CO，其含量在0.05-0.50，辛烷值、混合氣質(zhì)量、壓縮比、負(fù)荷等是影響柴油機(jī)燃燒性的主要因素[1]，影響其廢氣的排放。

2 現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)

1）國(guó)內(nèi)現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)排放物的關(guān)注加大，出臺(tái)了《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（GB 18352.6-2016），重型燃?xì)夂筒裼蛙?chē)執(zhí)行《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》(GB 17691-2018)[2]。“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)排放限值為國(guó)六A：一氧化碳700mg/km、非甲烷烴68mg/km、氮氧化物60mg/km、PM細(xì)顆粒物4.5mg/km等；國(guó)六B：一氧化碳500mg/km、非甲烷烴35mg/km、氮氧化物35mg/km、PM細(xì)顆粒物3mg/km等。

2）國(guó)外現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。在全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的情況下，歐洲1992年公布了重型柴油車(chē)的排放限制標(biāo)準(zhǔn)，且隨著時(shí)間的推移，多次降低柴油機(jī)排放物種主要排放物CO、NOX、HC、PM的限制，ICO限值從4.5降低到0.2，HC從1.1減為0.005，氮氧化合物更是降到2.0。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物生成機(jī)理

1）CO和HC的生成。CO是因?yàn)闊N的不完全燃燒所造成的。混合氣的分布并不均勻，總會(huì)出現(xiàn)局部缺氧的情況，產(chǎn)生CO。同時(shí)即使燃料和空氣混合很均勻，由于燃燒后的高溫，已經(jīng)生成的C02也會(huì)有小部分分解成CO。另外排氣中未燃烴HC也可能將排氣中的部分C還原成CO。排氣中的HC是由未燃燒的燃料烴、不完全氧化產(chǎn)物以及燃燒過(guò)程中部分被分解的產(chǎn)物所組成。它包括飽和烴、不飽和烴、含氧碳?xì)浠?物等。

2）NOx和PM的生成。NOx主要是在高溫，一般說(shuō)就是高溫富氧產(chǎn)生的，特別是2000℃（大概）以上時(shí)，空氣中的氧氣和氮?dú)饣戏磻?yīng)產(chǎn)生的NO和NO2。PM則是因?yàn)椴裼蛧娙肫讜r(shí)是液態(tài)，柴油機(jī)是在油束的表面開(kāi)始燃燒，慢慢燃燒完全，在油束中間位置就會(huì)缺氧而產(chǎn) 生PM。

4 柴油機(jī)排放物排放的影響因素

柴油機(jī)的燃燒過(guò)程較為復(fù)雜，燃料與空氣在燃燒過(guò)程中會(huì)受到外部諸多條件的影響，很難達(dá)到理想完全燃燒的狀態(tài)，常常是不完全燃燒狀態(tài)。而不完全燃燒導(dǎo)致排放物中的廢氣含有的有害排放物的含量明顯增加，一方面燃燒方式對(duì)車(chē)用柴油機(jī)排放物排放有影響，二次燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀、容積比、通道面、油氣的位置、預(yù)熱塞等都會(huì)影響排放質(zhì)量，而主燃燒室形狀應(yīng)致力于二次燃燒中不完全燃燒燃料的進(jìn)一步混合燃燒，以達(dá)到理想的燃燒狀態(tài)。燃燒室結(jié)構(gòu)與形狀是實(shí)現(xiàn)均勻空氣混合和良好燃燒過(guò)程的關(guān)鍵，更是柴油機(jī)性能提高，排污量減少的技術(shù)手段。燃油噴射系統(tǒng)如果定量定性噴射特征良好，可以取得較為理想的排放效果。此外，燃油噴射油束的數(shù)量、穿透速度應(yīng)匹配燃燒室的形狀、進(jìn)氣流的運(yùn)動(dòng)、活塞動(dòng)態(tài)位置等以實(shí)現(xiàn)達(dá)到的燃燒狀態(tài)，減少?gòu)U氣排放量。另一方面，運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)排放量的影響。柴油機(jī)作為動(dòng)力輸出機(jī)械，受從動(dòng)機(jī)械工況影響，性能改變明顯。運(yùn)行狀態(tài)下，一氧化碳的排放量變化不大，轉(zhuǎn)速、負(fù)荷有所增加的情況下，碳?xì)浠衔锱欧帕繙p少，氮氧化合物排放量增加。而在不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，特別是冷啟動(dòng)狀態(tài)下碳?xì)浠衔锱欧帕孔畲螅趸衔锖皖w粒物排放量在突然加速的情況下也有明顯增加的趨勢(shì)，減速期間噴射量減少，其對(duì)排放的影響可以忽略。

5 柴油機(jī)排放物控制方法

1）內(nèi)凈化技術(shù)（說(shuō)得太簡(jiǎn)單）。內(nèi)凈化技術(shù)，又稱廢氣再循環(huán)技術(shù)，簡(jiǎn)稱EGR，其主要優(yōu)勢(shì)是降低燃燒溫度，縮短N(yùn)O在柴油機(jī)中的滯留時(shí)間。目前廢氣再循環(huán)技術(shù)還處于不斷完善中。后期研究的重點(diǎn)是柴油機(jī)廢氣再循環(huán)率及冷卻廢氣再循環(huán)技術(shù)系統(tǒng)的研究，廢氣再循環(huán)使溫度升高，加熱進(jìn)氣，燃燒進(jìn)一步惡化，增加了微粒的排放量，這是其應(yīng)用的明顯不足。

2）外凈化技術(shù)。當(dāng)前應(yīng)用較廣的外凈化技術(shù)主要有三種，過(guò)濾除去碳煙微粒的微粒捕集器、降低NOX排放的NOX吸附器、新興的SCR后處理技術(shù)。其中微粒捕集器，微粒捕集器主要是針對(duì)微粒、PM等雜質(zhì)進(jìn)行有效的過(guò)濾和去除，以陶瓷纖維、金屬纖維、金屬蜂窩載體等為主要材質(zhì)，也常配合使用紙濾芯的過(guò)濾器。而NOX吸附器主要處理對(duì)象是氮氧化合物，鑒于NO是造成光化學(xué)煙霧且污染大氣的主要元首，NOX吸附器有效處理，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，值得推廣。SCR后處理技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)，是NH3催化還原NOX的主要反應(yīng)，在300-400℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)高反應(yīng)效率，但溫度較低如柴油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，NOX的轉(zhuǎn)化效率比較低，因此需要尋找一種能夠在溫度低時(shí)仍保持高轉(zhuǎn)化的方法。

3）EGR +SCR+DPF技術(shù)。當(dāng)前國(guó)六排放物控制主流技術(shù)是EGR +SCR+DPF。其中SCR路線在缸內(nèi)減少顆粒物產(chǎn)生，在排氣系統(tǒng)上加裝附屬部件，減少氮氧化物排放；而EGR路線是在缸內(nèi)部抑制氮氧化物產(chǎn)生，在排氣系統(tǒng)上安裝POC、DOC降低顆粒物排放。而DPF是安裝在排氣系統(tǒng)中，通過(guò)DPF將尾氣中的顆粒物過(guò)濾捕捉，減少尾氣中的顆粒物。過(guò)濾效果能達(dá)到70%-90%，效果明顯。

6 柴油機(jī)內(nèi)凈化外凈化方法對(duì)比

內(nèi)凈化可以對(duì)最高溫度與燃油濃度關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化燃燒，以減少氮氧化物的生成，可以采用廢棄渦輪增壓技術(shù)，以提升噴射壓力，減少機(jī)油的消耗，并調(diào)節(jié)燃油量。但此種方式具有較高的操作難度。外凈化就是加后處理裝置，包括微粒捕集器、SCR+DPF等，但現(xiàn)在的法規(guī)要求更嚴(yán)格，如果僅采用其中一種方法則無(wú)法達(dá)到理想效果，所以要用內(nèi)外結(jié)合。而新型的SCR技術(shù)，選擇尿素作為添加劑，讓NOx生成N2和N2O，其具有理想的催化效果，且沒(méi)有副產(chǎn)物，對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)的成本也較低。綜合來(lái)說(shuō)，選擇SCR后處理技術(shù)指導(dǎo)柴油機(jī)的排放物控制最為合理。

7 結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)排放控制技術(shù)是柴油機(jī)發(fā)展的指導(dǎo)技術(shù)，當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的壓力越來(lái)越大，柴油機(jī)的排放更應(yīng)符合排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比國(guó)外先進(jìn)國(guó)家在這方面的研究，我們起步較晚，成果較少，應(yīng)借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)并加強(qiáng)自主研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)技術(shù)的不斷優(yōu)化。當(dāng)前較為理想的處理技術(shù)是SCR處理技術(shù)，但在實(shí)際的應(yīng)用中，也可以結(jié)合機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，以提升其應(yīng)用效能。