降低柴油机NOx排放的控制技术研究



降低柴油机NOx排放的控制技术研究

纪晓静1，焦运景1,2,3

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；

2.天津大学机械工程学院，天津300072；

3.北华航天工业学院，廊坊0650003）

摘要氮氧化物（NOx）是大气的主要污染物之一。首先论述了氮氧化物的生成机理，从生成的影响因素方面入手，对柴油机NOx排放控制技术进行分析和论述。按机内净化技术和机外净化技术分别进行了论述，提出了目前尚待研究的几个问题，展望了相关技术的发展方向。

关键词：柴油机氮氧化物机内净化机外净化

来稿日期：2015-05-09上海市博士后科研资助计划资助，项目编号：14R21420600

1　引言

柴油机因其在动力性、燃料经济性及耐久性方面具有独特的优势而得到广泛应用。除了在轮船、拖拉机、重型车上应用外，轿车柴油机化已逐渐成为汽车行业的发展方向。但是，随着环境保护日益受到世界各国的普遍关注，汽车发动机的有害物质排放已成为大中城市空气污染的重要来源；其中，氮氧化物由于参与光化学烟雾和酸雨的形成而危害性更大。柴油车尤其是重型柴油车已成为我国机动车NOx排放的主要污染源，急需重点控制。本文主要对NOx排放控制技术进行分析和论述。

针对机动车尾气排放的严重环境污染问题，世界各国制定了严格的标准和法规[1]，表1为欧洲柴油机NOx排放标准。由表1可以看出，排放标准中对NOx的控制越来越严格，欧6与欧5相比，在数值上要降低75%，可见NOx排放控制技术面临的严峻形势。

表1　欧洲柴油机NOx排放标准

2　NOx的生成机理

氮氧化物（NOx）包括多种化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5）等，汽车发动机燃烧过程中主要为NO，另有少量的NO2，统称为NOx。对于汽油机而言，其过量空气系数较小，一般NO2/NOx=1% ~10%；柴油机的过量空气系数较大，NO2/NOx=5% ~15%。因此，在此主要研究NO的生成机理。NO的生途径有3种，热力型NO、激发NO和燃料NO。燃料NO主要是由燃料中的氮化合物分解后生成中间产物，并逐步生成NO。一般柴油的含氮率较低，所以在柴油机NO排放控制中基本可以不考虑燃料NO。

热力型NO的生成机理是由苏联科学家Zeldovich提出。其反应过程如反应式（1）和（2）所示，反应式（3）为后人研究后补充提出的，3个反应式合在一起称为Zeldovich扩展反应机理。该反应只有大于1 600℃的高温下才可进行[2]。

激发NO的生成机理是在20世纪70年代初才被提出，其反应机理如下列反应式（4）~（8）所示。其反应生成过程是由一系列活化能不高的反应所组成，因此不需要很高的温度就可进行，在混合气过浓条件下易产生。但从整个燃烧过程来看，激发NO只占很小一部分。

3　NOx排放控制技术

由NOx的生成机理可以得知，影响热力型NOx生成量的主要因素有燃烧反应的温度、氧气浓度和反应时间，而且温度对热力型NOx的生成影响最大。降低NOx排放需要从影响其生成的因素方面入手。目前，国内外关于NOx的排放控制技术从控制方式来分，主要可分为机内净化技术和机外净化技术。

3.1机内净化

机内净化技术是指从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发，通过对发动机进行调整或改进，达到控制燃烧，减少和抑制污染物生成的各种技术。

3.1.1采用先进增压技术

采用增压器可以增加进气压力和部分负荷的废气再循环率（EGR率），实现较稳定的低温燃烧[3]。目前使用较多的增压技术包括可变参数增压器（VGT）、二级增压系统和电动增压器。采用二级增压并匹配低压和高压EGR，同时对燃烧正时优化调整，发动机效率不会受到影响，可同时降低NOx和PM排放，达到欧6排放要求，并保持燃油经济性不变[4]。

3.1.2改进燃烧系统，采用新的燃烧方式

柴油机的燃烧室型式及形状对NOx的排放量影响很大。分开式燃烧室的有害物排放量比直接喷射式燃烧室低得多。主要是因为采用分开式燃烧室时，副燃烧室壁温较高，滞燃期短，使速燃期的燃料量减少，从而使火焰峰值温度降低；在副燃烧室中的混合气浓度较大，使其处于缺氧的条件下，对NOx的形成不利。而当燃油随燃气喷到主燃烧室进行二次燃烧时，又由于大量空气的冷却作用，加之活塞已开始下行，最高燃烧温度降低，再度形成了不利于NOx生成的条件。如国产4125型柴油机采用的就是涡流室燃烧室。

采用新型燃烧方式，如均质充量压燃燃烧方式（简称HCCI燃烧方式）[5]。在HCCI燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合，形成均质预混合气[6]。混合气被活塞压缩并发生自燃，并呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧，从根本上消除了产生NOx的局部高温区和产生PM的过浓混合区。

3.1.3有效利用和控制缸内涡流强度

在保障动力性和经济性的前提下，适当降低进气涡流强度。较大的进气涡流强度，使得混合气的形成条件得以改善，燃烧速度加快，排气烟度降低。但由于燃烧的最高温度升高，NOx生成量增多。因此适当减小进气涡流强度，可降低NOx，但是烟度会有所增加，为此需综合控制。

通过将燃油喷射与缸内气体涡流运动的相互作用，燃烧室内可形成分层的高涡流和低涡流工质流动。通常对燃烧系统的设计采用CFD仿真计算开发燃烧室几何形状，并通过单缸机验证，匹配燃烧室和喷嘴，实现对燃烧系统的优化[7]。采用该方式可以有效降低柴油机碳烟和NOx排放，达到国Ⅳ或国Ⅴ排放标准[8]。

3.1.4优化供油系统

适当提高喷油压力。提高喷油压力，可明显改善燃油和空气的混合质量，在降低碳烟及颗粒物（PM）排放的同时，高喷油压力又可缩短可燃混合气的滞后燃烧，能显著降低NOx的生成。现代柴油机的喷油压力高达120 MPa，甚至180 MPa至200 MPa。

减小喷油提前角和提高喷油速率。喷油提前角大小对柴油机的排气污染有很大影响。通过调整喷射参数，可将燃烧放热率曲线分成多个阶段，或使放热率重心偏离上止点，以降低燃烧温度[9]。减小喷油提前角，可减少速燃期气缸中的柴油量，使混合气的最高燃烧温度降低，从而可减少NOx的生成量。但是喷油提前角过迟，会使燃料滞后燃烧，造成燃烧不完全而冒黑烟。适当提高喷油速率，一方面可降低NOx在各种工况下的生成量，另一方面又可以抑制因单纯推迟喷油提前角而引起的CO含量的增高。

改善喷油规律（喷油规律曲线形状，预喷射，多段喷射）。多次喷射可以通过改变燃油在燃烧室的分布状况，改善燃油和空气的混合，从而可以在中等负荷工况下增加EGR率，提前燃烧并使最大放热率接近上止点，提高燃烧热效率的同时降低NO。Cummins公司的XPI共轨喷射系统可提供240 MPa以上的喷射压力，喷油嘴采用中心压力容腔结构，喷射压力不受发动机转速的影响，可实现5次喷射。由于采用了高压喷射，减少了喷射持续期和放热持续期，配合冷却EGR，实现了NOx和PM排放同时降低[10]。

3.1.5采用EGR技术

EGR技术主要用以减少燃烧工质的氧含量，并延长着火滞燃期，可有效降低柴油机NOx排放[11-12]，是实现低温燃烧的关键技术。通过将部分废气引入进气管中来引入CO2，可有效增加进气的质量热容[13-14]。同时EGR稀释了混合气中的O2，因而可降低NOx的生成量[15]。Akihama等采用60%的高EGR率实现了低温燃烧，其燃烧温度远低于碳烟生成所需的温度范围，同时降低了NOx和碳烟的排放[16]。

3.2机外净化

随着排放法规的日益严格，仅使用优化燃烧、冷却EGR技术路线等机内净化技术难以达到排放标准，因而，机外净化技术得以迅速发展。目前，研究较多的是采用催化技术来降低NOx排放，主要包括选择性催化还原技术和NOx储存－还原技术。

3.2.1选择性催化还原技术

选择性催化还原（SCR）技术原理首先由美国安格（Engelhard）公司于1957年发现并申请专利，其后日本成功研制出现今被广泛使用的V2O5/TiO2催化剂，并于上世纪70年代在燃油和燃煤锅炉固定污染源上投入商业运行[17]。目前在研究或者应用的还原剂为各种氨类物质和各种HC[18]。氨类物质包括氨气(NH3)、氨水(NH4OH)和尿素(NH2)2CO。NH3-SCR技术被欧洲和日本认为是未来中、重型柴油机满足未来排放法规的主要技术路线[3]。目前，国内外对SCR系统的催化剂研究较为热门，主要为拓宽催化还原反应温度窗口[19-22]，以便在较宽的温度范围内降低NOx排放。

3.2.2 NOx储存－还原技术

丰田公司在20世纪90年代中期提出了氮氧化物存储还原（NOx-Storage Reduction，NSR）技术[23-24]。NSR技术的工作原理是：在稀燃（氧化性）阶段，NOx经吸附、氧化和扩散过程，最后以盐类形式被存储于材料中；在富燃（还原性）阶段，材料中存储的NOx自发释放，同时被尾气中的CO、HC、H2和NH3还原性分子高选择性地还原为N2O[25]。其吸附脱附原理图如图1所示。NSR技术因具有脱硝效率较高、不需外加还原剂、开发成本较低等优点，而成为适用于稀燃汽油机和轻型柴油机的一种脱硝手段。其中，对NSR再生时策略的控制也是影响NOx转化效率高低的重要因素。

图1　NOx吸附脱附原理图

4　小结

综上所述，面临世界各国愈加严格的排放法规，科研工作对NOx排放控制技术的研究范围还在不断深入。由于柴油机排放物NOx和PM处理存在多种技术并存局面，只有将机内净化与后处理技术有机结合，才能满足日益严格的排放标准。

机内净化方面目前存在的问题，如过高的EGR率将会使发动机的热负荷急剧增加，加大了柴油机的设计难度，因此，目前的趋势仍是使用中、低水平的EGR率；VGT增压技术仍然存在着可靠性和耐久性需要进一步提高的问题。

后处理技术方面，SCR技术目前存在的问题是NOx转化效率低以及催化反应温度窗口较窄。因此一方面需要对催化转化器的影响因素进行详细研究分析，不断提高NOx转化效率；另一方面要拓宽催化还原反应温度窗口，以求在较宽的温度范围内降低NOx排放，故还需在SCR系统的催化剂方面进行大量的研究。NSR技术是轻型柴油车控制NOx的首选技术[26]。目前NSR催化剂存在的主要问题是：活性温度窗口较窄，存在硫中毒和老化烧结，成本较高。未来需将拓宽活性温度窗口，降低成本，提高抗硫、热老化性能作为主要研究方向。

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Study on Technologies of Diesel NOx Emission Control

Ji Xiaojing1, Jiao Yunjing1,2,3

（1. Shanghai Diesel Engine Co. Ltd, Shanghai 200438, China;

2. Mechanical institute, Tianjin university, Tianjin 300072, China;

3. North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China）

Abstract:Nitrogenoxides(NOx) is one of the main pollutants in the atmosphere. The formation mechanism of nitrogen oxides is presented in this paper. Based on the influence factors, the control technology of diesel emission NOxis discussed and analyzed. Engine internal and external purification technologies are discussed respectively. At last, several problems which need resolving currently are raised and the development prospects of related technologies are viewed.

Key words:diesel engine, nitrogen oxides, engine internal purging technology, engine external purging technology

作者简介：纪晓静(1982-)，女，工程师，主要研究方向为发动机性能开发和后处理匹配应用。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.002