汽車(chē)柴油機(jī)排放控制技術(shù)

朱　虹

摘要：本文介紹了燃油品質(zhì)的改善方法，采用顆粒過(guò)濾及再生技術(shù)、加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器、可溶性SOF氧化催化、非過(guò)濾技術(shù)和NO_x催化轉(zhuǎn)化器等排氣凈化后處理技術(shù)和采用增壓中冷技術(shù)、改進(jìn)燃燒系統(tǒng)、采用電控高壓噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)、可變技術(shù)等柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)、使用代用燃料等措施相的結(jié)合綜合控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)排放凈化控制

0引言

車(chē)用柴油機(jī)排放物主要為顆粒狀物質(zhì)PM和NO_x，而CO和HC排放較低?？刂撇裼蜋C(jī)尾氣排放主要是控制顆粒物質(zhì)PM和NO_x生成，現(xiàn)代柴油機(jī)排放控制采取的措施有：改善燃油品質(zhì)，排氣凈化后處理、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化、使用代用燃料等控制技術(shù)。

1改善燃油品質(zhì)

若增加柴油的十六烷值，能有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒PM、C0和NO_x的排放：降低燃油中S的含量，可以降低13～22％的PM顆粒排放；減少燃油中的芳烴成分，可以減少NO_x的排放。改善燃油的措施如下：①根據(jù)燃油的餾程，合理提高燃油的十六烷值。②在柴油中摻燒一定比例的消煙添加劑，將金屬鋇、鎂、鋅等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑，通過(guò)促進(jìn)碳煙粒子在膨脹過(guò)程中再燃燒，來(lái)促進(jìn)和消除噴油器頭部的積碳，可以減少30～50％的碳煙顆粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃燒過(guò)程中，柴油中的硫約有98％轉(zhuǎn)化為SO₂，其余的2％成為硫酸鹽顆粒，部分SO₂被進(jìn)一步氧化與燃燒過(guò)程中生成的H₂O結(jié)合，形成H₂SO₄和硫酸鹽(CaSO₄等)，增加了微粒的排放量。

2排氣凈化后處理

采用氧化催化轉(zhuǎn)化器對(duì)柴油機(jī)排氣處理，可以降低HC和CO的排放量和顆粒PM狀物質(zhì)中的有機(jī)成分；用選擇性還原催化轉(zhuǎn)換器在富氧條件下還原NO_x，用微粒過(guò)濾裝置收集柴油機(jī)排氣中的顆粒狀物質(zhì)等。

2.1采用顆粒過(guò)濾及再生技術(shù)顆粒過(guò)濾由顆粒過(guò)濾器和再生裝置組成。顆粒過(guò)濾器通過(guò)其中有極小孔隙的過(guò)濾介質(zhì)(濾芯)捕集柴油機(jī)排氣中的固定碳粒和吸附可溶性有機(jī)成分的碳煙。

2.2加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器柴油機(jī)加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器是一種有效的機(jī)外凈化排氣中的可燃?xì)怏w和可溶性SOF有機(jī)組分的常用措施。加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器(以鉑Pt、鈀Pd貴重金屬作為催化劑)能使HC、CO減少50％，顆粒PM減少50～70％，其中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴也有明顯減少。

2.3非過(guò)濾技術(shù)非過(guò)濾技術(shù)目前主要研究的方向有兩種：靜電式微粒收集器。柴油機(jī)排氣微粒中有70～80％呈帶電狀態(tài)，每個(gè)帶電微粒約帶1～5個(gè)基本正電荷或負(fù)電荷，整體呈電中性。目前利用附加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)呈帶電特性的碳煙微粒進(jìn)行靜電吸附，并取得了一定的試驗(yàn)成果，但由于附加設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及高壓電源的供給等，給實(shí)用化帶來(lái)一定的困難。

2.4NO_x催化轉(zhuǎn)化器NOx催化轉(zhuǎn)化器對(duì)NO_x在350～550℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行良好的催化轉(zhuǎn)化，使NO_x排放降低20～30％。NO_x催化轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為催化熱分解和選擇性催化還原反應(yīng)兩種。催化熱分解是利用由金屬離子沸石、釩和鉬構(gòu)成催化劑來(lái)降低NO_x熱分解反應(yīng)的活化能，使NO_x分解成無(wú)毒的N₂，該方法簡(jiǎn)單且反應(yīng)生成物無(wú)毒；選擇性的還原反應(yīng)是在排氣中噴入飽和的HC和NO_x，反應(yīng)生成物為N₂、CO₂和H₂O，選擇性的還原反應(yīng)將會(huì)生成額外的CO₂。

3進(jìn)行柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化

柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化是對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動(dòng)可靠、降低排放。

3.1防止機(jī)油串入燃燒室由于柴油機(jī)排放顆粒狀物質(zhì)的相當(dāng)部分是由串入燃燒室的機(jī)油的不完全燃燒造成的，所以應(yīng)盡可能地減少串機(jī)油量。

3.2采用柴油電控高壓噴射技術(shù)柴油電控技術(shù)已從第一代的位置控制、第二代的時(shí)間控制發(fā)展到今天的共軌式電控高壓噴射。電控高壓噴射控制對(duì)噴油規(guī)律進(jìn)行控制，能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)最佳噴油，同時(shí)通過(guò)控制預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒的比例，可同時(shí)降低有害排放和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，有利于實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)外凈化措施。

3.3提高噴油壓力和減小噴孔直徑提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低顆粒PM的排放。為了避免高壓噴射導(dǎo)致的NO_x的增加，要求適當(dāng)降低空氣渦流運(yùn)動(dòng)，提高壓縮比和可變定時(shí)燃油噴射與其相適應(yīng)，以達(dá)到控制顆粒PM和NOX排放的目的。

3.4改進(jìn)燃燒系統(tǒng)改進(jìn)燃燒系統(tǒng)指的是燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的最佳匹配。應(yīng)保證在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況范圍內(nèi)，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動(dòng)，有合理的噴油規(guī)律和噴油定時(shí)。采用電控制噴油泵、電控泵一噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門(mén)化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油機(jī)性能，又可降低柴油機(jī)尾氣排放物，尤其是顆粒PM物質(zhì)的排放。

3.5采用廢氣再循環(huán)(EGR)EGR是將一部分排氣導(dǎo)入進(jìn)氣系統(tǒng)中，通過(guò)降低燃燒室燃燒的最高溫度來(lái)降低NO_x的排放。利用EGR降低NO_x的排放，需要與電子控制結(jié)合，根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度傳感器及啟動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，由ECU對(duì)EGR率和EGR隨機(jī)進(jìn)行控制，保證在對(duì)柴油機(jī)性能影響不大的條件下，降低NO_x的排放。

3.6增壓中冷技術(shù)廢氣渦輪增壓提高了氣缸內(nèi)平均有效壓力、過(guò)量空氣系數(shù)和整個(gè)循環(huán)的平均溫度，可使柴油機(jī)顆粒物的排放量降低50％左右，并減少CO和CH的排放。利用中冷技術(shù)，NO_x的排放量可降低60～70％。所以采用增壓中冷是降低車(chē)用柴油機(jī)排氣排放物的有效措施之一。

4代用燃料的使用

采用代用燃料將是控制柴油機(jī)和汽油機(jī)排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然氣(壓縮天然氣CNG，液化天然氣LNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、氫燃料及與柴油摻燒的復(fù)合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認(rèn)為是最有前途的清潔能源代用燃料。代用燃料的特點(diǎn)：①天然氣汽車(chē)成本低，儲(chǔ)量豐富，主要以壓縮天然氣汽車(chē)CNG為代表。CNG燃料本身呈氣態(tài)，不需進(jìn)行霧化，燃燒充分，尾氣中CO含量較低，無(wú)排煙，但動(dòng)力降低10％，攜帶不便。②甲醇具有辛烷值高、低發(fā)熱量、低公害和無(wú)排煙的特點(diǎn)。但甲醇的十六烷值低，著火性差，需要加裝點(diǎn)火裝置，冷啟動(dòng)性差，有腐蝕性，并要解決潤(rùn)滑油消耗量大和處理未燃甲醇來(lái)降低排放。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用新材料和新工藝，廣泛采用增壓中冷和電控高壓噴射控制技術(shù)，并采用尾氣處理技術(shù)綜合控制，將是柴油機(jī)發(fā)展和進(jìn)行尾氣控制的發(fā)展方向。但需要提高石油冶煉技術(shù)，研制新型柴油添加劑，清除柴油中的硫，減少燃油中的芳烴成分，降低柴油中不飽和芳烴的含量，使柴油的品質(zhì)進(jìn)一步提高，從源頭上解決尾氣排放的問(wèn)題。廣泛開(kāi)發(fā)和研制資源豐富、切實(shí)可行的柴油代用燃料及代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，降低尾氣排放，并逐步緩解和徹底解決對(duì)石油的依賴。