柴油机实现超低排放的应对策略

陈永贤，俞建达，黄 见，沙有胜

（无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063）

柴油机具有热效率高、升功率大、功率范围广、经济性好、适应性强、可靠性高、使用寿命长以及便于移动等优点，因此被广泛应用于运输车辆、拖拉机、工程机械、船舶等领域。据公安部最新统计数据显示，截至2011年6月底，我国机动车保有量已达到2.17亿辆，并仍保持较快增长之势。

机动车保有量的飞速增加，除带来石油短缺问题外，其排气污染物也给大气环境和城市环境带来了严重的污染破坏作用。然而，排放法规却日益苛刻，降低柴油机主要排放污染物的要求刻不容缓，为很好地降低柴油机的主要污染物，我们必须深刻理解其主要污染物的生成机理及影响因素，同时阐述降低这些主要排放污染物的对应策略。

1 主要排放污染物及产生机理

众所周知，柴油机的排放污染物主要是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）。一般说来，在缸内直喷柴油机中，由于喷雾与进气充量的混合时间很短，再加上柴油的粘度大、挥发性差，形成的可燃混合气严重不均匀，不均匀的混合气被分为高温过浓区和高温火焰区。

高温过浓区在高温高压下，由于缺氧而形成碳烟（Soot）粒子，并在降温过程中吸附各种凝聚相物质，形成了柴油机重要的污染物微粒（PM）；

高温火焰区在高温高压下，由于氧气富足，缸内的氮气被氧化生成NO和NO2，从而形成了柴油机排放中的另一种重要污染物——氮氧化物（NOx）。

可见，控制柴油机有害排放物的重点，在于控制PM和NOx。

研究表明，在传统燃烧技术优化过程中，柴油机本身由扩散火焰控制的燃烧方式决定，必然存在PM和NOx排放的Trade-off关系，这为柴油机的主要排放物控制带来了很大困难。本文分别从机内净化和机外净化的角度出发，针对这两种主要排放物，分别阐述了先进而有效的应对策略，以实现柴油机的超低排放，从而达到保护环境和人类健康的目的。

2 机内净化控制策略

2.1 冷却的EGR技术

冷却的EGR技术是实现柴油机降低NOx排放的主要技术措施之一。

一般来讲，随着EGR率的增大，进入缸内的N2、H2O和CO2等惰性气体增加，新鲜空气被稀释，氧浓度下降，再加上H2O和CO2等三原子气体有较大的比热容，致使同样的放热量缸内平均温度降低，因而NOx排放总是下降的，但常常伴随着PM排放的增加。然而，在LTC燃烧方式下，PM排放却随EGR率的增大呈先上升后下降的趋势。

其原因如下：当EGR率较小，氧浓度较高时，随着EGR率的增大，氧浓度的降低，当量燃氧比越来越大，缸内平均温度越来越低，再加上燃烧过程属于一边燃烧一边喷射，致使Soot排放的氧化率低于生成率，故PM排放随EGR率的增大而增大；

随着EGR率的进一步增大，氧浓度的进一步降低，尽管燃氧当量比进一步增大，但由于缸内平均温度很低，以至不能满足Soot的生成条件，致使Soot排放随EGR率的增大而减少，但HC和CO排放却急剧增加。

目前被广泛研究的冷却的EGR管路布局有：低压EGR管路、高压EGR管路、长EGR管路和短EGR 管路等[1～2]。

2.2 多级涡轮增压与中冷技术

采用多级涡轮增压中冷技术，提高了进气终了压力，增加空气的供给量，提高充气系数，促进了燃油与进气充量的混合气的形成，加快了燃烧反应速率，使柴油燃烧充分，使Soot排放大大降低，并降低了HC和CO的排放；同时进入气缸的总的进气充量增加，尤其是再循环废气成分的增加，从而缸内工质的总比热容增大，致使缸内平均温度降低；再加上由于中冷作用，使进气温度降低，以控制NOx的恶化。

研究表明，随着进气压力的提高，Soot排放峰值有所下降，且Soot排放增大的始点推迟，这表明随着进气压力的提高，NOx与Soot的trade-off关系有所改善。一般说来，随着进气压力的提高，燃油与进气充量的混合速率增大，局部过浓区减少，Soot生成速率降低，氧化速率增大，致使Soot排放峰值下降。随着进气压力的提高，进入缸内的新鲜充量越多，氧浓度越高，越利于Soot氧化。因而，Soot排放增大的始点推迟。

实践证明：增压空气温度每降低10℃，柴油机的工作循环平均温度可降低25～30℃，采用多级涡轮增压与中冷技术，是降低NOx和PM排放、改善柴油机经济性和提高升功率的有效措施[3]。

2.3 可变气门技术

采用可变气门技术是控制化学特征时间的主要技术手段之一[4]。该技术的理论依据为Miller/Atkinson循环，即通过推迟关闭进气门，来产生发动机内部的冷却效应，以减少发动机压缩功的消耗，并利用增压来弥补由于进气门晚关而引起的进气量减少问题。

该技术在降低有效压缩比的同时，保持了较大的膨胀比，是解决缸压过高的有效手段之一。同时由于有效压缩比的降低，缸内温度也相应降低，有利于增加缸内燃油的着火延迟期，使其混合情况大为改善，且低温也有利于降低NOx排放。

目前，按照控制参数的不同，可变气门技术分为：可变气门正时（VVT），即气门开启与关闭时刻可变；可变气门升程（VVL），即仅改变气门的最大升程；可变气门升程与定时（VLT），即在改变升程的同时，改变了定时与开启持续期。

而实现可变气门技术则有多种途径，按照有无凸轮轴，可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构两大类。

研究表明，在总的进气流量相同的情况下，随着进气门关闭定时的推迟，NOx和Soot排放能同时降低，其原因归于缸内燃烧温度的降低，而当量燃氧比相对较高。

2.4 多次喷射技术

多次喷射被分为3个基本类型：预喷射、后喷射和分离喷射[5]。

预喷射，是指在长主喷射之前的短喷射。预喷射的作用，使主喷着火前缸内压力和温度有一定程度的提高，预喷射形成的混合气的燃烧，促进了主喷可燃混合气的形成，使着火延迟期明显缩短，燃烧提前，并使主喷阶段预混合燃烧温度，压力升高率及放热率大幅度下降，避免了传统燃烧初期压力和温度急剧升高的现象，使得NOx排放和燃烧噪声，在不同工况得到了不同程度的降低。

后喷射，是指在长主喷射之后的短喷射。后喷射的主要作用是加快Soot氧化，这归于其增加了燃烧后期的湍流能量，改善了外围空气与燃油的混合，提高了空气利用率。

分离喷射，仅仅是指一次喷射被分为两次或更多次进行喷射。分离喷射的主要作用，是后续喷射脉冲能引起湍流，该湍流有助于改善燃油挥发以及油气混合，从而致使空气利用率得到改善，同时加快了燃烧速度；分离喷射的另外一个作用，是有利于控制燃烧噪声和有害排放物的形成。然而，针对分离喷射，只有优化的喷油定时、脉冲间隔时间、脉冲油量及其比例以及喷射次数，才能显著地改善脉冲燃油与空气的混合过程，降低未燃油滴损失率，控制缸内混合气的浓度和温度分层，进而实现对燃烧过程中着火和放热速率的有效控制。

2.5 高压喷射技术

柴油机采用高压喷射技术，能够实现Soot、HC和CO排放的同时降低，同时有利于热效率的提高和燃油消耗率的降低，但却常伴有NOX排放的轻微增加。若结合高的增压压力和一定量的EGR率，则能够实现NOX和Soot排放的同时降低。

因此，提高燃油喷射压力，是目前内燃机界研究的一个重要方向[6]。

一般说来，喷射压力提高，喷油速率增大，相同的喷油量喷油持续期相对缩短，大部分燃油在滞燃期内就喷入气缸，为油气混合赢得了更长的时间，因此预混合燃烧燃油量较大；同时，采用高而稳的喷射压力增大喷油率与增大油嘴喷孔孔径增大喷油率相比，前者油束的贯穿能力和混合气形成的能量，都大大增加；再加上喷孔内外压力差加大，更有利于喷注微粒的细化，及喷雾粒子在缸内分布的均匀，使燃油雾化及油气混合物的均匀性得到了改善，减少了缸内浓混合区，加快了扩散燃烧的速度，缩短了燃烧持续期。

由于以上3个因素，柴油机在中等负荷以上工况时，高喷射压力能使热效率提高，而Soot、HC和CO排放，得到不同程度的降低；而在低负荷大EGR率时，提高喷射压力来降低Soot排放则显得收效甚微[7]。

2.6 代用燃料技术

为缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾，及有利于我国长期可持续稳定的发展和环境保护，需要规划与发展内燃机燃用清洁代用燃料，以替代石油基燃料即汽油和柴油，这里以二甲醚和生物柴油为例，主要介绍柴油替代燃料。

二甲醚简称DME，在其化学结构中两个甲基被O分隔，二甲醚没有一个C-C键。氧原子不仅降低了乙烯和乙炔的形成，也促进氧化不饱和烃。二甲醚燃料含氧量高，十六烷值低，空气混合要求低，热效率高，燃烧完全。因此，二甲醚燃料是能有效地降低柴油机碳烟排放的可替代燃料之一[8]。

生物柴油是指以草本油料为作物、木本油料植物、动物油脂和餐饮废油等为原料，通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料。其具有含氧量高，十六烷值高的特点。由于生物柴油的十六烷值高，燃烧温度低，着火延时期短，燃烧反应速率高，且含氧量较高，致使排气中的Soot、HC、CO排放较化石柴油相比明显下降，而NOX排放却有所升高。

但若生物柴油、柴油和乙醇以一定的比例混合作为燃料，则能获得比柴油有明显较低的Soot和NOX排放。

3 机外净化控制策略

3.1 DPF技术

微粒捕集器（DPF）是非常实用有效的微粒后处理技术[9]。DPF系统通常包括过滤装置、再生装置和控制装置3个部分，其关键技术是过滤材料和过滤体再生。目前的过滤材料主要有陶瓷基材料、金属基材料、复合基材料等。

而过滤提再生的基本原理为：DPF工作时，PM被滤芯吸附过滤，随着工作时间的增长，过滤体内积聚的PM增多，过滤体前、后的压差越来越显著，柴油机排气阻力加大，导致柴油机的动力性和经济性下降，因而必须适时对PM进行清除，以限制其最高阻力即最高背压，该过程即为过滤体的再生。

根据再生原理的不同，可将过滤体再生方法，分为主动再生和被动再生两类。

主动再生是利用外加能源进行再生，此种方法再生效率高，但系统较复杂，运行成本高。主动再生又分为加热再生和非加热式机械再生。

被动再生是利用柴油机排气本身所具有的能量，对过滤体进行再生，其又被分为催化再生、连续再生和燃油添加剂再生。

3.2 SCR技术

SCR技术全称为选择性催化还原技术[10]，其转化器具有很强的选择性，主要是针对NOx的排放控制，其还原系统的还原剂，可用各种氨类物质或者各种HC。其中，尿素用得较多。

SCR技术的工作原理如下：即将一定比例的尿素水溶液喷入尾气中，在高温环境中（温度高于250℃），再加上催化剂的作用，NOx能迅速与氨气反应，生成氮气和水。而柴油机的排气温度一般在250～500℃范围内，满足了NOx还原所需的温度条件，且该技术的NOx排放的最高转化率达95%。但SCR技术却受排气温度、燃油品质等的影响很大。温度过高时，NH3可能自行燃烧，而不与NOx起反应；温度太低，催化剂的活性大大降低，反应速度太慢，转化效率低并伴有二次污染物。同时，柴油中的硫含量，将会使装置里的催化剂中毒，将使SCR的工作效率大大降低，因而，该系统对柴油中的硫含量要求较高。

3.3 DOC技术

氧化型催化转化器（DOC）是由壳体、减振层、载体和催化剂构成。催化转化器壳体由不锈钢制成，以防止因氧化皮脱落而造成催化器的堵塞；催化转化器减振层有金属网和陶瓷密封垫两种，具有固定载体、隔热、抗冲击、密封以及降噪的作用；催化剂载体主要分为颗粒状载体、蜂窝陶瓷载体和金属载体这3种，载体应具有抗冲击、抗振、气体流动性好、净化性能好、可靠性高、成本低等特点。

氧化催化器（DOC），以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，其主要作用是将没有完全燃烧的HC、CO和PM中的绝大多数SOF氧化掉，氧化催化器可以除去90%以上的SOF，从而使PM排放减少近50%。其对HC和CO的处理效率可以分别达到80%、65%以上。DOC对PM的捕捉效果不如DPF，但是由于碳氢化合物的点火温度较低，所以DOC不需昂贵的再生系统，生产成本较低。

4 结束语

为实现柴油机的超低排放，针对不同工况，应采用不同的排放控制技术，以及多种技术方法的耦合，同时选用满足不同排放要求的后处理技术。

[1]Carlo Beatrice,Giovanni Avolio,et al.The Effect of“Clean and Cold”EGR on the Improvement ofLowTemperature Combustion Performance in a Single Cylinder Research Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2008.

[2]Marc van Aken,FrankWillems,Dirk-Jan de Jong.Appliance of High EGR Rates with a Short and Long Route EGRSystem on a Heavy Duty Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[3]Usman Asad,Ming Zheng.Effects of EGR andBoost in Single-Injection Enabled Low Temperature Combustion[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[4]RyanmNevin,Yong Sun,Rolf D Reitz,et al.PCCI Investigation Using Variable Intake Valve Closing in a Heavy Duty Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[5]Rickard Ehleskog,Raúl L,Ochoterena and Sven Andersson.Effects of Multiple Injections on Engine-OuTEmission Levels Including Particulate Mass from an HSDI Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[6]MariAThirouard,Sylvainmendez,Pierre Pacaud Vincent Chielarczyk,et al.Potential to Improve Specific Power Using Very High Injection Pressure in HSDI Diesel Engines[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[7]陈永贤，于文斌，郭树满，等.若干燃烧控制参数对柴油机低负荷排放特性和效率影响的试验[J].内燃机学报，2011，（3）：193-199.

[8]Ho Teng,James cmcCandless.Can Heavy-Duty Diesel Engines Fueled with DME MeeTUS 2007/2010 Emissions Standardwith A Simplified Aftertreatment System [C].Pennsylvania：SAE,2006.

[9]Timothy V,Johnson.Diesel Emission Control in Review[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[10]Valeri I Golovitchev,Luca Montorsi,et al.Numerical Evaluation of Direct Injection of Urea as NOx Reductionmeth od for Heavy Duty Diesel Engines[C].Pennsylvania：SAE,2007.