車用柴油機排放物控制研究

鐘光毅

（玉林市檢驗檢測中心有限公司，廣西 玉林 537000）

在內燃機技術的快速發展背景下，柴油機車因為低能耗且經濟效益好等特點應用更為廣泛。鑒于車用柴油機的大范圍使用，了解其廢氣排放污染物的生成機理，探討明確現有的排放控制的各種凈化方法，指導其日常合理應用，以達到節能減排效果具有積極意義。

1 車用柴油機排放物成分組成

對于車用柴油機來說，其排放物種類多樣，成分較多的是CO、NOX、HC、SOX、PM、和醛類。其與傳統的汽油機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有了明顯下降。柴油機的排放物主要成分是CO，其含量在0.05-0.50，辛烷值、混合氣質量、壓縮比、負荷等是影響柴油機燃燒性的主要因素[1]，影響其廢氣的排放。

2 現行排放標準

1）國內現行排放標準。隨著國家對汽車排放物的關注加大，出臺了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6-2016），重型燃氣和柴油車執行《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》(GB 17691-2018)[2]。“國六”標準排放限值為國六A：一氧化碳700mg/km、非甲烷烴68mg/km、氮氧化物60mg/km、PM細顆粒物4.5mg/km等；國六B：一氧化碳500mg/km、非甲烷烴35mg/km、氮氧化物35mg/km、PM細顆粒物3mg/km等。

2）國外現行排放標準。在全球環境問題日益嚴重的情況下，歐洲1992年公布了重型柴油車的排放限制標準，且隨著時間的推移，多次降低柴油機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 柴油發動機排放物生成機理

1）CO和HC的生成。CO是因為烴的不完全燃燒所造成的。混合氣的分布并不均勻，總會出現局部缺氧的情況，產生CO。同時即使燃料和空氣混合很均勻，由于燃燒后的高溫，已經生成的C02也會有小部分分解成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、不完全氧化產物以及燃燒過程中部分被分解的產物所組成。它包括飽和烴、不飽和烴、含氧碳氫化合 物等。

2）NOx和PM的生成。NOx主要是在高溫，一般說就是高溫富氧產生的，特別是2000℃（大概）以上時，空氣中的氧氣和氮氣化合反應產生的NO和NO2。PM則是因為柴油噴入汽缸時是液態，柴油機是在油束的表面開始燃燒，慢慢燃燒完全，在油束中間位置就會缺氧而產 生PM。

4 柴油機排放物排放的影響因素

柴油機的燃燒過程較為復雜，燃料與空氣在燃燒過程中會受到外部諸多條件的影響，很難達到理想完全燃燒的狀態，常常是不完全燃燒狀態。而不完全燃燒導致排放物中的廢氣含有的有害排放物的含量明顯增加，一方面燃燒方式對車用柴油機排放物排放有影響，二次燃燒室的結構形狀、容積比、通道面、油氣的位置、預熱塞等都會影響排放質量，而主燃燒室形狀應致力于二次燃燒中不完全燃燒燃料的進一步混合燃燒，以達到理想的燃燒狀態。燃燒室結構與形狀是實現均勻空氣混合和良好燃燒過程的關鍵，更是柴油機性能提高，排污量減少的技術手段。燃油噴射系統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，燃油噴射油束的數量、穿透速度應匹配燃燒室的形狀、進氣流的運動、活塞動態位置等以實現達到的燃燒狀態，減少廢氣排放量。另一方面，運轉情況對排放量的影響。柴油機作為動力輸出機械，受從動機械工況影響，性能改變明顯。運行狀態下，一氧化碳的排放量變化不大，轉速、負荷有所增加的情況下，碳氫化合物排放量減少，氮氧化合物排放量增加。而在不穩定運行狀態下，特別是冷啟動狀態下碳氫化合物排放量最大，氮氧化合物和顆粒物排放量在突然加速的情況下也有明顯增加的趨勢，減速期間噴射量減少，其對排放的影響可以忽略。

5 柴油機排放物控制方法

1）內凈化技術（說得太簡單）。內凈化技術，又稱廢氣再循環技術，簡稱EGR，其主要優勢是降低燃燒溫度，縮短NO在柴油機中的滯留時間。目前廢氣再循環技術還處于不斷完善中。后期研究的重點是柴油機廢氣再循環率及冷卻廢氣再循環技術系統的研究，廢氣再循環使溫度升高，加熱進氣，燃燒進一步惡化，增加了微粒的排放量，這是其應用的明顯不足。

2）外凈化技術。當前應用較廣的外凈化技術主要有三種，過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。其中微粒捕集器，微粒捕集器主要是針對微粒、PM等雜質進行有效的過濾和去除，以陶瓷纖維、金屬纖維、金屬蜂窩載體等為主要材質，也常配合使用紙濾芯的過濾器。而NOX吸附器主要處理對象是氮氧化合物，鑒于NO是造成光化學煙霧且污染大氣的主要元首，NOX吸附器有效處理，應用優勢明顯，值得推廣。SCR后處理技術的標準SCR反應，是NH3催化還原NOX的主要反應，在300-400℃時會出現高反應效率，但溫度較低如柴油機冷啟動時，NOX的轉化效率比較低，因此需要尋找一種能夠在溫度低時仍保持高轉化的方法。

3）EGR +SCR+DPF技術。當前國六排放物控制主流技術是EGR +SCR+DPF。其中SCR路線在缸內減少顆粒物產生，在排氣系統上加裝附屬部件，減少氮氧化物排放；而EGR路線是在缸內部抑制氮氧化物產生，在排氣系統上安裝POC、DOC降低顆粒物排放。而DPF是安裝在排氣系統中，通過DPF將尾氣中的顆粒物過濾捕捉，減少尾氣中的顆粒物。過濾效果能達到70%-90%，效果明顯。

6 柴油機內凈化外凈化方法對比

內凈化可以對最高溫度與燃油濃度關系進行調節，優化燃燒，以減少氮氧化物的生成，可以采用廢棄渦輪增壓技術，以提升噴射壓力，減少機油的消耗，并調節燃油量。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，但現在的法規要求更嚴格，如果僅采用其中一種方法則無法達到理想效果，所以要用內外結合。而新型的SCR技術，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，且沒有副產物，對應的柴油機的成本也較低。綜合來說，選擇SCR后處理技術指導柴油機的排放物控制最為合理。

7 結束語

柴油機排放控制技術是柴油機發展的指導技術，當前生態環境保護的壓力越來越大，柴油機的排放更應符合排放標準，對比國外先進國家在這方面的研究，我們起步較晚，成果較少，應借鑒學習國外技術并加強自主研發，以實現柴油機技術的不斷優化。當前較為理想的處理技術是SCR處理技術，但在實際的應用中，也可以結合機內凈化技術，以提升其應用效能。