關(guān)于控制重型汽車NOX排放方法的研究

石巖松，范曉博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710064）

關(guān)于控制重型汽車NOX排放方法的研究

石巖松，范曉博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710064）

近年來隨著我國汽車保有量與日俱增，汽車排放污染物已經(jīng)成為一個非常嚴(yán)峻的問題。NOx是汽車排放污染物的重要組成部分，而重型汽車又是NOx的主要排放源，因此控制重型汽車NOx的排放具有重大現(xiàn)實意義。本文首先介紹了重型汽車主要污染物NOx的生成機(jī)理及其影響因素，隨后對控制重型汽車NOX排放的EGR系統(tǒng)進(jìn)行研究。

重型汽車；排放；NOx；EGR

CLC NO.: [U473.9] Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-42-03

1、概述

隨著國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的實施，各種控制汽車排放的技術(shù)也隨著應(yīng)用日漸成熟。眾所周知，重型汽車主要使用柴油發(fā)動機(jī)提供動力而輕型汽車絕大部分依靠汽油機(jī)驅(qū)動。因此重型汽車的HC和CO排放低于輕型汽車，二者相對于其他有害排放物來說并不是最嚴(yán)重的，但重型汽車有害物排放較為嚴(yán)重的是NOx和碳煙，而碳煙的排放可通過尾氣處理獲得降低。因此對于重型汽車尾氣排放的控制，主要針對NOx。NOx對人的生命健康的危害也是不可小覷的。汽車尾氣中的氮氧化合物含量較少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物進(jìn)入肺泡后，能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用，增加肺毛細(xì)管的通透性，最后造成肺氣腫。亞硝酸鹽則與血紅蛋白結(jié)合，形成高鐵血紅蛋白，引起組織缺氧。新頒布的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)國Ⅳ中，明確限定了汽車排放尾氣中NOx的排放限，見下表。

表1 國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)

2、NOx生成機(jī)理及影響因素

尾氣中的氮氧化物NOx包含NO和NO2，其中大部分是NO，它們是N2在高溫下的燃燒產(chǎn)物。

2.1 NOx的生成機(jī)理

（1）No的生成機(jī)理

NO由大氣中的N2生成的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇（Zeldovitch）機(jī)理。在化學(xué)計量混合比（φa=1）附近NO生成的反應(yīng)式為：反應(yīng)式(1-4)主要發(fā)生在非常濃的混合氣中，NO在火焰的前鋒面和離開火焰的已燃?xì)庵猩?。且大部分NO在離開火焰帶的已然氣體中產(chǎn)生，燃燒過程中NO的生成有3種方式，根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理的不同分別稱為熱力型也稱熱NO或高溫NO，激發(fā)NO以及燃料NO。

NO的生成主要與溫度和過量空氣系數(shù)有關(guān)。在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。反應(yīng)溫度越低，則達(dá)到平衡摩爾分?jǐn)?shù)所需時間越長，并且NO的生成反應(yīng)比發(fā)動機(jī)中的燃燒反應(yīng)慢。若溫度越高，氧濃度越高，反應(yīng)時間越長，則NO的生成量越多。所以對NO的主要控制方法就是降低最高燃燒溫度。[1]

（2）NO2的生成機(jī)理

汽油機(jī)排氣中的NO2濃度與NO的濃度相比可忽略不計，但在柴油機(jī)中NO2可占到排氣中總NOX的10%～30%。目前對NO2生成機(jī)理的研究還不透徹，大致上認(rèn)為NO

在火焰區(qū)可以迅速轉(zhuǎn)變成NO2，反應(yīng)機(jī)理如下：然后NO2又通過下述反應(yīng)式轉(zhuǎn)變?yōu)镹O

只有在NO2生成后，火焰被冷的空氣所激冷，NO2才能保存下來，因此汽油機(jī)長期怠速會產(chǎn)生大量NO2。柴油機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃燒室中存在很多低溫區(qū)域，可以抑制NO2向NO的再轉(zhuǎn)化而使NO2的濃度增大。NO2也會在低速下在排氣管中生成，因為此時排氣在有氧條件下停留較長時間。

2.2 影響重型汽車NOX排放的因素

柴油機(jī)燃油是在燃燒剛要開始前才噴入燃燒室的，燃燒期間燃油分布不均勻，引起已燃?xì)怏w中溫度和成分不均勻。上述影響汽油機(jī)NOX排放的大部分因素也適用于柴油機(jī)。與汽油機(jī)一樣，柴油機(jī)氣缸內(nèi)達(dá)到的最高燃燒溫度也有控制NO生成的作用。在燃燒過程中最先燃燒的混合氣量（緊接著滯燃期的預(yù)混合燃燒）對NO的生成量有很大影響。因為這部分混合氣在隨后的壓縮過程中由于被壓縮，使溫度升到較高值，從而導(dǎo)致NO生成量的增加。然后這些燃?xì)庠谂蛎涍^程中膨脹并與空氣或溫度較低的燃?xì)饣旌?，凍結(jié)已生成的NO。因此，在燃燒室中存在溫度較低的空氣是壓燃式發(fā)動機(jī)的第二個獨(dú)特之處。這也就是柴油機(jī)中NO成分的凍結(jié)發(fā)生得比汽油機(jī)早以及NO的分解傾向較小的原因。[2]

①放熱規(guī)律的影響：柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律的兩種模式：傳統(tǒng)放熱規(guī)律模式和低排放放熱規(guī)律模式。傳統(tǒng)模式在壓縮上止點(diǎn)前即由于不可控預(yù)混合燃燒而出現(xiàn)一個很高的放熱率尖峰，接著是由于擴(kuò)散燃燒造成的一個平緩的放熱率峰。前者導(dǎo)致生成大量NO；而后者（緩慢拖拉的燃燒）導(dǎo)致柴油機(jī)熱效率惡化，微粒排放增加。低排放放熱模式一般都在上止點(diǎn)后開始放熱，第一峰值較低，使NOX生成較少；中期擴(kuò)散燃燒盡可能加速，使燃燒過程提前結(jié)束，不僅提高熱效率，也能降低微粒排放。

②負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響：柴油機(jī)的NOX排放與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖1.2所示。NOX排放隨負(fù)荷增大而顯著增加，這是因為隨負(fù)荷增大可燃混合氣的平均空燃比減小，使燃燒壓力和溫度提高所致。但當(dāng)負(fù)荷超過某一限度時，NOX的摩爾分?jǐn)?shù)反而下降，這是因為燃燒室中氧相對缺少而導(dǎo)致燃燒惡化，溫度提高的效果被氧含量的相對減少所抵消，甚至有余。此情形在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時更為明顯。

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對NOX排放的影響比負(fù)荷的影響小。對非增壓柴油機(jī)，一般最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的NOX體積分?jǐn)?shù)大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的值，其原因主要在于低轉(zhuǎn)速下NOX生成反應(yīng)占有較多的時間。

③噴油定時的影響：試驗表明，柴油機(jī)氣缸內(nèi)NO生成率大約從燃燒開始后20°CA內(nèi)達(dá)到最大值，其數(shù)值大小大致與預(yù)混燃燒期內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量成正比。噴油提前角減小，使燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的NOX較少。這種推遲噴油的方法是降低柴油機(jī)NOX排放的最簡單易行且有效的方法，但會使燃油消耗率略有提高。

3、EGR工作原理及其對重型汽車排放性能的影響

3.1 EGR的工作原理

EGR（發(fā)動機(jī)排氣再循環(huán)系統(tǒng)）是控制重型汽車NOX排放的重要方法，其工作原理可描述為：廢氣中的氧含量很低，含有大量N2、CO和水蒸氣，這三種氣體很穩(wěn)定，不能燃燒，可吸收大量熱量。當(dāng)一部份排氣經(jīng)EGR控制閥還流回進(jìn)氣系統(tǒng)與新鮮空氣或新鮮混合氣混合后，稀釋了新鮮空氣或新鮮混合氣中的氧濃度，

使燃燒速度降低進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)燃燒溫度，從而有效控制了燃燒過程中NOX的生成。[3]

Research on the control methods of NOXemissions of heavy-duty vehicles

Shi Yansong, Fan Xiaobo
（Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710064）

In recent years, with domestic car ownership is growing rapidly， the vehicle pollutant emissions has become a very serious problem. NOx is an important part of the vehicle pollutants emissions, and heavy-duty vehicles is the main source of NOx emissions, thereby controlling NOx emissions of heavy-duty vehicles has great practical significance. This paper describes the mechanism of heavy-duty vehicles of major pollutants generated NOx and its influencing factors, followed by the research of heavy-duty vehicles EGR systems about control of NOX emissions .

Heavy-duty vehicles; Emissions; NOx; EGR

[U473.9]

A

1671-7988(2015)02-42-03

石巖松，就職于陜西重型汽車有限公司。