关于控制重型汽车NOX排放方法的研究

石岩松，范晓博

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710064）

关于控制重型汽车NOX排放方法的研究

石岩松，范晓博

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710064）

近年来随着我国汽车保有量与日俱增，汽车排放污染物已经成为一个非常严峻的问题。NOx是汽车排放污染物的重要组成部分，而重型汽车又是NOx的主要排放源，因此控制重型汽车NOx的排放具有重大现实意义。本文首先介绍了重型汽车主要污染物NOx的生成机理及其影响因素，随后对控制重型汽车NOX排放的EGR系统进行研究。

重型汽车；排放；NOx；EGR

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

1、概述

随着国Ⅳ排放标准的实施，各种控制汽车排放的技术也随着应用日渐成熟。众所周知，重型汽车主要使用柴油发动机提供动力而轻型汽车绝大部分依靠汽油机驱动。因此重型汽车的HC和CO排放低于轻型汽车，二者相对于其他有害排放物来说并不是最严重的，但重型汽车有害物排放较为严重的是NOx和碳烟，而碳烟的排放可通过尾气处理获得降低。因此对于重型汽车尾气排放的控制，主要针对NOx。NOx对人的生命健康的危害也是不可小觑的。汽车尾气中的氮氧化合物含量较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物进入肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，增加肺毛细管的通透性，最后造成肺气肿。亚硝酸盐则与血红蛋白结合，形成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。新颁布的汽车排放标准国Ⅳ中，明确限定了汽车排放尾气中NOx的排放限，见下表。

表1 国Ⅳ排放标准

2、NOx生成机理及影响因素

尾气中的氮氧化物NOx包含NO和NO2，其中大部分是NO，它们是N2在高温下的燃烧产物。

2.1 NOx的生成机理

（1）No的生成机理

NO由大气中的N2生成的化学机理是扩展的泽尔多维奇（Zeldovitch）机理。在化学计量混合比（φa=1）附近NO生成的反应式为：反应式(1-4)主要发生在非常浓的混合气中，NO在火焰的前锋面和离开火焰的已燃气中生成。且大部分NO在离开火焰带的已然气体中产生，燃烧过程中NO的生成有3种方式，根据产生的机理的不同分别称为热力型也称热NO或高温NO，激发NO以及燃料NO。

NO的生成主要与温度和过量空气系数有关。在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。反应温度越低，则达到平衡摩尔分数所需时间越长，并且NO的生成反应比发动机中的燃烧反应慢。若温度越高，氧浓度越高，反应时间越长，则NO的生成量越多。所以对NO的主要控制方法就是降低最高燃烧温度。[1]

（2）NO2的生成机理

汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%～30%。目前对NO2生成机理的研究还不透彻，大致上认为NO

在火焰区可以迅速转变成NO2，反应机理如下：然后NO2又通过下述反应式转变为NO

只有在NO2生成后，火焰被冷的空气所激冷，NO2才能保存下来，因此汽油机长期怠速会产生大量NO2。柴油机在小负荷运转时，燃烧室中存在很多低温区域，可以抑制NO2向NO的再转化而使NO2的浓度增大。NO2也会在低速下在排气管中生成，因为此时排气在有氧条件下停留较长时间。

2.2 影响重型汽车NOX排放的因素

柴油机燃油是在燃烧刚要开始前才喷入燃烧室的，燃烧期间燃油分布不均匀，引起已燃气体中温度和成分不均匀。上述影响汽油机NOX排放的大部分因素也适用于柴油机。与汽油机一样，柴油机气缸内达到的最高燃烧温度也有控制NO生成的作用。在燃烧过程中最先燃烧的混合气量（紧接着滞燃期的预混合燃烧）对NO的生成量有很大影响。因为这部分混合气在随后的压缩过程中由于被压缩，使温度升到较高值，从而导致NO生成量的增加。然后这些燃气在膨胀过程中膨胀并与空气或温度较低的燃气混合，冻结已生成的NO。因此，在燃烧室中存在温度较低的空气是压燃式发动机的第二个独特之处。这也就是柴油机中NO成分的冻结发生得比汽油机早以及NO的分解倾向较小的原因。[2]

①放热规律的影响：柴油机燃烧放热规律的两种模式：传统放热规律模式和低排放放热规律模式。传统模式在压缩上止点前即由于不可控预混合燃烧而出现一个很高的放热率尖峰，接着是由于扩散燃烧造成的一个平缓的放热率峰。前者导致生成大量NO；而后者（缓慢拖拉的燃烧）导致柴油机热效率恶化，微粒排放增加。低排放放热模式一般都在上止点后开始放热，第一峰值较低，使NOX生成较少；中期扩散燃烧尽可能加速，使燃烧过程提前结束，不仅提高热效率，也能降低微粒排放。

②负荷与转速的影响：柴油机的NOX排放与负荷和转速的关系如图1.2所示。NOX排放随负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大可燃混合气的平均空燃比减小，使燃烧压力和温度提高所致。但当负荷超过某一限度时，NOX的摩尔分数反而下降，这是因为燃烧室中氧相对缺少而导致燃烧恶化，温度提高的效果被氧含量的相对减少所抵消，甚至有余。此情形在超负荷运转时更为明显。

柴油机转速对NOX排放的影响比负荷的影响小。对非增压柴油机，一般最大转矩转速下的NOX体积分数大于标定转速下的值，其原因主要在于低转速下NOX生成反应占有较多的时间。

③喷油定时的影响：试验表明，柴油机气缸内NO生成率大约从燃烧开始后20°CA内达到最大值，其数值大小大致与预混燃烧期内燃烧的混合气数量成正比。喷油提前角减小，使燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOX较少。这种推迟喷油的方法是降低柴油机NOX排放的最简单易行且有效的方法，但会使燃油消耗率略有提高。

3、EGR工作原理及其对重型汽车排放性能的影响

3.1 EGR的工作原理

EGR（发动机排气再循环系统）是控制重型汽车NOX排放的重要方法，其工作原理可描述为：废气中的氧含量很低，含有大量N2、CO和水蒸气，这三种气体很稳定，不能燃烧，可吸收大量热量。当一部份排气经EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后，稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度，

使燃烧速度降低进而降低发动机燃烧温度，从而有效控制了燃烧过程中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

石岩松，就职于陕西重型汽车有限公司。