柴油机NOX排放机外净化技术初探

王正江 谢曙光 包成荣 游玉楼

摘要：本文论述了柴油机NOX排放物的危害及其控制的必要性，探讨了NOX的生成机理，介绍了各种柴油机NOX排放的控制技术，并分析了各种净化技术的特点和存在的问题。

关键词：柴油机 NOX排放 排放控制

柴油机自1892年问世以来，凭借其具有低油耗、高热效率和低排放等特点，又具有良好的经济性、动力性和可靠性，因而被广泛地用作汽车和工程机械的动力。柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物，但由于柴油机排气微粒与NOX的生成机理不同，在减少微粒的同时会增加NOX的排放，同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制。

1.柴油机NOX排放的危害和生成机理

1.1 柴油机NOX排放的危害

柴油机排出的NOX中，NO约占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强（毒性大约是NO的5倍）的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达100×10-6体积浓度以上时，会随时导致生命危险。

NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NOX还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，NOX还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。

基于上述原因，柴油机排放物中的NOX对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格。

1.2 柴油机NOX排放物的生成機理

迄今为止人们已经对NOX的生成机理进行了大量的研究，但尚未达成共识。比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为：柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反应式如下：

柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间等因素有关。

从理论上讲，柴油机NOX排放的形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

2.柴油机控制NOX排放的主要净化措施

排放物中NOX的净化有两种途径：机内净化和机外净化。

2.1 机内净化措施

采取机内净化是治本之举。它是通过改进柴油机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少NOX排放的目的。

2.1.1 进气系统的优化

对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流，以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少NOX的生成。

2.1.1.1.进气涡流的优化

提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使NOX的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少NOX的排放，但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化，以兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。

2.1.2 喷油系统的优化

喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOX排放的有效途径，分别叙述如下：

2.1.2.1.优化喷油定时，NOX排放对喷油定时极为敏感。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOX的排放。

2.1.2.2.优化喷油压力，为减少NOX排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

2.1.3 采用废气再循环技术

采用废气再循环（EGR）是降低NOX排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%-70%的NOX是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上，但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量，其响应速度较慢，所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。

2.2 机外净化措施

由于机内控制排放并不能完全起到净化效果，因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理，采取机外控制技术显得很有必要。

2.2.1 采用催化转化技术

从理论上讲，可以将NOX分解为N2与O2，但实际上这个过程相当慢，到目前为止，该方法尚未得到实际应用。因NOX的氧化产物为固态，这对车用柴油机不适合。对于车用柴油机NOX的排放只能采用还原方法除去。

2.2.1.1.选择非催化还原（SNCR）

SNCR技术只能在一定的温度区间（800℃-1000℃）使用。而柴油机排气不可能达到这样高的温度，只能通过在柴油机膨胀过程中，向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想，在车用柴油机上尚未应用。

3.结论

本文介绍的各种减少NOX排放的措施，都不同程度地存在着一定的局限性。在减少NOX排放的同时有可能导致柴油机动力性和经济性的下降，对其它排放物，诸如微粒、HC、CO、CO2等反而会增加。要进一步减少NOX排放，需要改变柴油机的燃烧过程，即从非均质扩散燃烧到预混合稀薄（均质）燃烧系统的改变。目前，在柴油机上采用涡轮增压、电控燃油喷射、电控废气再循环及机外催化处理都不失为综合控制柴油机有害排放物的最佳措施。今后的研究重点应放在：

3.1.致力于柴油机性能研究和改进燃烧过程。

3.2.继续研究NOX的产生机理。

3.3.不断寻求高效率的机内、机外净化措施，并合理的加以结合。

3.4.致力于微粒和NOX的同时净化。

3.5.深入研究与推广代用燃料汽车和绿色环保汽车。

参考文献：

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[3]刘坚，赵震，徐春明；柴油车排放碳黑颗粒消除催化剂的研究进展[J]；催化学报；2004年08期