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車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)的探討

文檔作者：林錚文檔來源：福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月31日
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車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)的探討
林錚
(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建福州350003)
摘要簡(jiǎn)要介紹了車用柴油機(jī)排放污染的成分與形成機(jī)理。針對(duì)目前國內(nèi)外的研究狀況．從燃料品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化
和排氣后處理3方面概述了控制柴油機(jī)排放的技術(shù)措施．并總結(jié)了車用柴油機(jī)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)所需采取的技術(shù)對(duì)策。
關(guān)鍵詞柴油機(jī)排放控制措施
中圖分類號(hào)：TK421．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2011)04一0079—02
汽車工業(yè)的發(fā)展．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放也嚴(yán)重地威脅著人類
的生態(tài)環(huán)境。美、歐、日等發(fā)達(dá)國家已先后制訂了嚴(yán)格的汽車
排放法規(guī)．汽車生產(chǎn)商也先后投入巨額資金對(duì)汽車廢氣污染
進(jìn)行控制和改進(jìn)．目前已取得了相當(dāng)?shù)某删汀Ｎ覈钠嚬?
業(yè)還十分落后．每天排放到大氣的有害物質(zhì)所產(chǎn)生的大氣污
染十分嚴(yán)重，嚴(yán)重地威脅著市民的身體健康和生態(tài)環(huán)境。
2006年國家環(huán)保總局公布了相當(dāng)于歐Ⅲ和歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的汽車
尾氣排放中國標(biāo)準(zhǔn)。中國Ⅲ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的尾氣污染物排放限值比
我國執(zhí)行的第Ⅱ階段標(biāo)準(zhǔn)尾氣污染物排放限值降低了30％．
并已于2007年7月1日起在全國開始實(shí)施。未來柴油機(jī)單
靠改善燃燒很難滿足新的排放法規(guī)．不可避免地要對(duì)燃料品
質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和排氣后處理技術(shù)進(jìn)行研究。
1 車用柴油機(jī)排放污染的成分與形成機(jī)理
車用柴油機(jī)的有害排放物主要有C0。N0】【。HC．S0x和
碳煙顆粒。他們分別以氣、液、固相的形式存在。氣相排放物
包括C0，N0x，S0：和氣態(tài)碳?xì)洌合嗯欧盼镉蠸ox和液相碳
氫．固相排放物是微小的球狀碳粒其表面吸附HC和S0x。
C0是由于燃料燃燒中混合氣的不均勻燃燒或燃燒中
0：量不足而產(chǎn)生的。它可使人缺氧窒息，危及生命。No】【主
要是由空氣中的N：和0：在燃燒室內(nèi)的高溫、高壓環(huán)境下反
應(yīng)生成的。其毒性很強(qiáng)，對(duì)人及植物生長均有不良影響，是形
成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一。HC主要來源于未燃
燃料和竄漏的潤滑油。未燃燃料是由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中燃燒
組織不良．混合氣過濃或過稀所導(dǎo)致．這些可通過調(diào)節(jié)燃燒
條件加以控制。潤滑油對(duì)SOF的數(shù)量有顯著的影響．由其產(chǎn)
生的HC通常可高達(dá)60％。70％．吸附在碳粒上的HC以及游
離態(tài)的液態(tài)HC可溶于有機(jī)溶劑．稱之為可溶性有機(jī)物
(SOF)。另外，HC中含有的多環(huán)芳烴有巨大的致癌作用，且
某些烴類可刺激人的眼睛及呼吸器官。造成呼吸困難。So】【
來源于燃料以及竄漏的潤滑油中含有的S．它對(duì)顆粒物的形
成有十分重要的影響．碳煙顆粒也是燃油不完全燃燒的產(chǎn)
物。它容易被人體吸入。沉積于肺中。并導(dǎo)致癌癥腫塊的形
成：還可影響環(huán)境。這些都應(yīng)提高燃料品質(zhì)加以控制。PM是
柴油機(jī)排放中主要的污染物之一。碳煙顆粒、可溶性有機(jī)物
與S0x統(tǒng)稱為顆粒排放物(PM)。
作者簡(jiǎn)介：林錚，女．副教授。從事教學(xué)工作。
2011．No．4。
2車用柴油機(jī)排放的控制
由于柴油機(jī)混合氣形成和燃燒的固有特點(diǎn)．排放物中
C0．HC的含量相對(duì)較小．Sm更多地取決于燃油本身的含
硫量。而PM和No】【則是排放控制的重點(diǎn)。許多排放控制措
施也正是針對(duì)這一點(diǎn)來進(jìn)行的．主要可分為燃料的改質(zhì)(前
處理)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化控制(過程處理)以及排氣控制(后處
理)3個(gè)方面。
2．1燃料的品質(zhì)
燃料的品質(zhì)對(duì)柴油機(jī)排放影響極大．增加柴油的十六烷
值能有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣PM、C0和N0x排放：降低燃油
中S含量，可降低13％。22％顆粒排放：減少燃油中的芳香烴
成分可以減少Nox排放．燃料改質(zhì)應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行。
(1)控制十六烷值的范圍，減少燃油中的芳香烴成分。十
六烷值代表了燃油的自然能力。增加燃油的十六烷值能使著
火延遲期縮短．燃燒過程更柔和．降低了燃燒室內(nèi)的溫度及
壓力．有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)PM、CO和NOx排放。但是十六烷
值過高。會(huì)使燃油與空氣混合不充分。燃燒不完全，引起PM
排放增加。因此選用合適十六烷值的柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽
命和排放極為重要，一般十六烷值最好在50～60之間。
芳烴的十六烷值最低．自然能力差．燃油中芳烴含量高
會(huì)使燃燒初期集聚的燃油增加．大量燃料同時(shí)燃燒引起壓
力、溫度突升，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。NOx的排放也隨之增加。
減少燃油的芳烴成分將減少No】【的排放。
(2)降低燃油中的含硫量。一般柴油中含硫0．15％～
03％，在燃燒過程中，這些硫約有98％轉(zhuǎn)化為S0：，殘留部分
為硫酸鹽顆粒，部分S使被進(jìn)一步氧化并與燃燒過程中生成
的H20結(jié)合，形成硫酸鹽，增加顆粒的排放量。當(dāng)燃料中的S
從0．12％下降到0．05％時(shí)，顆粒排放量將減少8％．10％。但進(jìn)
一步減少S含量對(duì)顆粒的排放量不再有影響。
(3)進(jìn)行柴油的乳化處理。在柴油中摻混生物柴油的乳
化油[20％水+80％×(30％生物柴油+70％柴油)】。通過燃料中
的水汽化來降低氣缸溫度和燃燒溫度，減少N0x的排放：另
外．燃料中的水分子迅速汽化、膨脹。促進(jìn)了燃料與空氣的迅
速混合，加速了燃燒，減少了氣缸內(nèi)的激冷層．有利于減少
HC的生成。而且油耗變化很小。
O 萬方數(shù)據(jù)
(4)在柴油中添加降污添加劑及代用燃料。碳酸二甲酯
具有含氧高(53．3％)、沸點(diǎn)高、與柴油互熔性好和無毒的特
點(diǎn)．添加入柴油中不用改造燃油系統(tǒng)可以大大減低柴油機(jī)的
碳煙排放。特別是急加速煙度得以大幅改善。
代用燃料也是控制柴油機(jī)排放的重要方法。二甲醚作為
柴油代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以提高lO％一15％．熱效率提高
2％～3％，排放可達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。生物燃油作為一種替代燃
料。用在柴油機(jī)上可降低C0：和HC排放，緩解我國石油需
求壓力。但是由于目前的價(jià)格偏高。建議將生物柴油摻混到
普通柴油中使用。
2．2柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化
柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化核心是對(duì)燃燒過程進(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、起動(dòng)可靠、排放較少的
要求。現(xiàn)在世界上滿足歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要
有：四氣門技術(shù)、燃油高壓噴射技術(shù)、燃燒室與渦流優(yōu)化技
術(shù)、高效率渦輪增壓中冷技術(shù)、VNT可變噴嘴渦輪增壓技
術(shù)、HCCI技術(shù)。
(1)提高噴射壓力。高噴射壓力是實(shí)現(xiàn)全過程油氣混合、
控制燃燒速度最基本的要素。高噴射壓力使噴霧的索特平均
直徑變小．噴霧在燃燒室的空間占有率增大。有利于油氣問
的相互擴(kuò)散，對(duì)縮短滯燃期十分有利。
(2)采用多氣門技術(shù)。多氣門技術(shù)能夠擴(kuò)大進(jìn)、排氣門的
總流通截面積．有利于噴油器垂直布置在氣缸軸線上．不僅
改善了噴油器的冷卻狀況和活塞的熱應(yīng)力．而且有利于噴霧
在空間的均勻分布，使流動(dòng)對(duì)噴霧的效應(yīng)更為合理。
(3)應(yīng)用增壓中冷技術(shù)和VNT可變噴嘴渦輪增壓技術(shù)。
廢氣渦輪增壓提高了平均有效壓力、過量空氣系數(shù)和整個(gè)循
環(huán)的平均溫度．可使柴油機(jī)顆粒物質(zhì)的排放量降低50％左
右。并減少了C0和HC的排放。
采用可變渦輪噴嘴環(huán)截面的方式．使增壓器在全工況下
基本處于高效運(yùn)行狀態(tài)．這些措施合理可使HC和顆粒排放
減少近35％。
(4)燃燒室與渦流優(yōu)化技術(shù)。燃燒室與渦流優(yōu)化技術(shù)是
指燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的最佳匹配。具體措施
包括進(jìn)氣旋流的優(yōu)化．在高壓噴射的情況下采用低渦流比有
利于減少顆粒排放。采用可變渦輪進(jìn)氣技術(shù)可使運(yùn)行中的渦
輪比在0．2～0．5之間變化．使發(fā)動(dòng)機(jī)性能及顆粒在整個(gè)范圍
內(nèi)得到優(yōu)化。
(5)HCCI技術(shù)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用均質(zhì)混合氣工作，空氣
和燃油可在進(jìn)氣系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)混合。也可將燃油噴入氣缸．
在氣缸內(nèi)與空氣進(jìn)行預(yù)混合．形成非常均質(zhì)的空氣、燃油混
合氣。在壓縮沖程中，混合氣溫度升高，達(dá)到自燃溫度而自
燃。該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)．其NOx排放非
常低．且無炭黑顆粒排放。
2．3柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)
柴油機(jī)僅靠改進(jìn)燃料的品質(zhì)和燃燒等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很
難滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求．排氣后處理技術(shù)已日益
顯現(xiàn)出它的重要作用。目前控制手段有以下幾種。
(1)廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)。廢氣再循環(huán)是指把發(fā)動(dòng)機(jī)
排出的部分廢氣回送到氣缸，利用CO：不能燃燒卻吸收大量
20"。No．4．
熱的特點(diǎn)，使氣缸中混合氣的燃燒溫度降低，從而減少NOx
的生成量。
在新鮮的空氣中摻人廢氣之后。混合氣的熱值降低．會(huì)
使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率下降。為了做到既能減少NOx的排放．
又能保持發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性．必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況對(duì)再
循環(huán)的廢氣量加以控制。
(2)催化轉(zhuǎn)化器。催化轉(zhuǎn)換器的作用是利用催化劑(金屬
鉑、鈀或銠)將排氣中的CO。HC和No)【轉(zhuǎn)換成對(duì)人體無害
氣體。催化轉(zhuǎn)化器有氧化催化轉(zhuǎn)換器和三效催化轉(zhuǎn)化器。氧
化催化轉(zhuǎn)化器只能將排氣中的CO和HC氧化成Co，和
H20，因而這種催化轉(zhuǎn)化器也稱為二效催化轉(zhuǎn)換器。使用氧
化催化轉(zhuǎn)換器時(shí)必須同時(shí)供給二次空氣作為氧化劑．才能使
其有效地工作。三效催化轉(zhuǎn)化器可同時(shí)減少C0。HC，和N0】(
的排放，它以排氣中的CO和HC作為還原劑。把NO：還原
為N2和02，而C0和HC在還原反應(yīng)中被氧化為C02和
H20。當(dāng)同時(shí)采用2種轉(zhuǎn)換器時(shí)．通常把2者放在同一轉(zhuǎn)換
器外殼內(nèi)．而且將三效催化轉(zhuǎn)換器置于氧化催化轉(zhuǎn)換器前
面。排氣經(jīng)過三效催化轉(zhuǎn)換器之后．部分未被氧化的CO和
HC繼續(xù)在氧化催化轉(zhuǎn)換器中與供給的二次空氣進(jìn)行氧化反
應(yīng)。
(3)顆粒過濾及再生技術(shù)。顆粒過濾及再生技術(shù)是降低
PM排放的重要手段．其裝置由顆粒過濾器和再生系統(tǒng)組成。
工作過程為：過濾器在排氣道中用濾芯收集顆粒排放物．當(dāng)
過濾器的過濾阻力達(dá)到一定程度．再用一定方法使收集的顆
粒物燃燒．以再生過濾性能。一般過濾體對(duì)碳顆粒的過濾效
率可達(dá)到60％．90％。再生可分為“被動(dòng)”與“主動(dòng)”再生。“被
動(dòng)”再生即催化再生。是通過催化添加劑鍶、鈰、鐵的金屬有
機(jī)物降低顆粒物的氧化活化能．從而使顆粒物的再生溫度大
幅降低。“主動(dòng)”再生即外加能量的再生方式，包括噴油助燃
再生、電加熱再生、逆向噴氣再生、電加熱再生及微波再生
等。
(4)SCR技術(shù)。ScR(選擇性催化還原)是較成熟的降低
N0x的技術(shù)。SCR法采用在尾氣中噴射32．5％符合
DIN70070標(biāo)準(zhǔn)的霧狀尿素水溶液的方法，將Nm還原成N2
及H：0。Nm的消除量與尿素的用量成比例，為達(dá)到歐Ⅳ的
規(guī)定。尿素消耗量約占柴油燃料6％。
3結(jié)論
燃料、燃燒和排氣后處理是實(shí)施內(nèi)燃機(jī)排放控制的3方
面。柴油機(jī)燃料品質(zhì)的控制、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及采用新
材料、新工藝和柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)對(duì)柴油機(jī)排放進(jìn)行綜
合性優(yōu)化控制將是車用柴油機(jī)排放控制的發(fā)展方向。
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