车用柴油机排放物控制策略分析

汪杰 胡慧敏

摘 要：文章对柴油发动机有害排放NOX、HC、碳烟以及CO2、的生成机理及其控制方式进行分析，立足于从车用柴油机排放污染物源头控制，重点分析机内净化和机外净化的优缺点，阐明了SCR选择性催化还原后处理技术治理柴油车的排放物的合理性和有效性。

关键词：柴油机;排放物;生成机理;控制方法中图分类号：U464.172

文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）04-56-03

引言

当前，随着内燃机技术的高速发展，柴油机具有：功率大，动力好，油耗低，经济性高等特点被广泛应用于高级轿车、重型车辆[1]。通过了解和掌握最新SCR新技术，掌握各种废气排放污染物的生成机理，熟悉国内外排放控制的机内净化和机外净化方法[2]。通过对柴油机排放物生成机理的分析，提供有效的污染物控制技术对排放物加以控制，进而达到节能减排的目的。

1 车用柴油发动机排放污染物危害与排放标准

柴油机排放物分CO、NOX、HC、SOX、PM、和醛类。混合氣的形成方式不同，使得柴油机和汽油机的有害排放物和特性不同，柴油机的CO和HC排放量远低于汽油机，影响柴油机燃烧的因素主要有辛烷值、混合气质量、压缩比、转速、负荷等。其中柴油机排放物成分CO含量（0.05～0.50）;汽油机0.1-6，HC含量（200-1000）;汽油机2000-3000，含量（700-2000）;汽油机0，颗粒物含量（0.15-0.30）;汽油机左右0.002-0.005。

1.1.1 国内现行排放标准

当前对于重型柴油车和轻型柴油车排放物标准，轻型柴油车出台了GB18352.1.2001、GB18352.1.2002两个标准。重型车排放物遵循GB17691.1.2001，可见污染物遵循GB3847. 199 9，加速烟度和自由加速烟度满足GB14761.93和GB/T 384717.2005规定。2005年我国公布了轻型柴油和重型柴油车的污染物排放限值，规定CO排放低于4，HC低于1.1，NOX低于7，微粒低于0.15等要求。

1.1.2 欧洲的排放标准

自1992年欧洲公布ECE（EEC）重型柴油货车的排放限制标准以来，CO、NOX、HC、PM排放限值一度降低，自欧ICO限值是4.5降低为欧VI的0.2，HC自1992年的1.1减为0.005，氮氧化合物减至历史最低为2.0，欧VI的限值0.02。欧共体轻型车排放限值，除PM和NOX值变为0.025，其他限制与重型车限值保持一致。

2 车用柴油发动机排放物生成机理及影响因素

2.1 CO和HC的生成

HC和CO的生成是由于燃烧不完全而引起的，CO是由于氧气不足CO2被还原成CO。采用排气后处理技术控制后的氮氧化合物、微粒含量如图1所示。以上是经过：增压+中冷、增压+中冷高压喷射+电控、增压+高压喷射+电控+排气后处理三种处理方法处理后的排放物含量。如图1反映了两种排放物的含量变化趋势。

在高温高压的环境下O链发生一系列反应断裂产生氧原子，重新组合成直链。柴油机燃烧过程中温度的高低直接影响到了NO的生成量。综上所述，影响NOX生成的主要因素有温度、氧的浓度和高温滞留时间。

2.3 碳烟的产生

白烟的直径在1微米以上，寒冷冬季低温时，气缸温度低，柴油不能完全燃烧便形成了白烟。黑烟通常是因为混合气不良，在高温高压的燃烧室中，局部区域供给的氧气不足各种烃分子不完全燃烧，发生裂解随即聚合形成黑烟。蓝烟是润滑油由于密封不良造成机油串入燃烧室，机油或燃油没有完全燃烧情况下，就会排出直径小于1微米处在分解状态的液态尾气物，形成蓝烟[3]。

3 车用柴油机排放物控制方法

3.1 车用柴油机机内净化技术

现代汽车多采用废气再循环技术EGR，其既降低燃烧火焰温度，又缩短NO高温滞留时长。提升柴油车的EGR率是研究的主攻方向，若再循环量过大如不进行冷却而直接将废气引入进气系统，则进气被加热，空燃比减小，导致燃烧恶化，微粒排放增加，因此冷却EGR系统广受关注。

3.2 外净化技术

国内较为实用的后处理技术有下面三种：微粒捕集器，用于过滤和除去碳烟微粒的排放;氧化催化转化器，减小可溶有机物、HC和CO排放;NOX吸附器，用于降低NOX的排放。

3.2.1 微粒捕捉器（DPF）

柴油机微粒捕捉器能有效过滤PM等杂质。微粒捕捉器的材料可以是陶瓷蜂窝载体、金属蜂窝载体、陶瓷纤维和金属纤维，有的也采用纸滤芯的过滤器，这种过滤器成本低，使用方便可直接更换。

3.2.2 NOX吸附器

NOX吸附器主要处理氮氧化合物，NO具有毒性，被氧化成NO2带有刺激气味呈红色，NOX是光化学烟雾的罪魁祸首。而三元催化剂早在汽油机上被使用，因技术原因没有攻克，该技术迟迟未应用到柴油机。

3.2.3 SCR后处理技术

SCR技术是将车用尿素直接喷入发动机燃烧室中，因排气温度升高，尿素的分解速率加快，释放大量NH3。NH3与尾气中NOX被还原成N2和N2O并释放到空气中，尿素自身并不能参与反应。主要发生下面反应：

反应式一是尿素溶液的蒸发过程;反应式二是尿素的热解过程;反应式三是HNCO的水解过程。在热解过程中，部分的尿素被分解成NO3，同时两式参与催化作用都是NH3。实验表明，150℃以下尿素将会结晶，催化剂失活，SCR控制难度很大[4，5]。一般控制温度200℃～250℃开始喷射，导致SCR系统在低负荷排气温度较低时的使用被抑制。

3.3 柴油机机内净化和机外净化方法对比分析

采用机内净化过程中，增压技术存在较大弊端，提升功率必然带来质量增加。优化燃烧室可降低HC的排放，低负荷时可降低NOX的排放，烟度含量进一步降低。

机外处理中，微粒捕捉器因评价繁琐，实施困难，样品成本昂贵。微粒捕捉器，生产工艺较高。在过滤过程中极易发生堵塞，而纸质过滤器，虽更换简单过滤效果却很低，逐渐被淘汰。NOX吸附器吸附效率并不高，但是价格昂贵。

SCR技术利用NO3作为还原剂生成N2、N2O未引入新的污染物。SCR催化效率极高，不会引入副产物。同时还原剂虽然参加了反应，但是从整个过程来看实际并没有消耗使得生产成本大大降低。因此选择SCR选择性催化还原后处理技术对当前的柴油车排放物控制较为合理。

4 结论

机内控制技术，使得发动机质量增大，各种附属设备增加。发动机功率消耗较多，在一定程度上降低了发动机的输出功率，使得柴油车动力性降低，油耗增大。

机外处理技术中，各种吸附器载体依附性能不良，生产成本较高频繁的更换吸附器使得生产成本昂贵。另外机外处理可能带来副产物，使得排放物组成更为复杂。SCR选择性还原后处理技术的应用解决了这一问题，参与反应的催化剂并没有消耗，也没有引入副产物且催化效果较好。能有效的降低各种排放物的浓度，最终达到节能减排的目的。

SCR选择性还原后处理技术，在尿素还原过程中，氨气的还原效果良好，没有带入中间产物。虽然催化剂在此环境下容易失效，但该方法仍是最佳选择。通过对SCR研究现状的分析，机内净化和SCR技术的结合，为车用柴油机的发展提供了更广阔的空间。在环境问题突出的当下，相信机内净化和SCR技术将会被广泛应用。

参考文献

[1] 王慧娟.资源节约与环保.汽车尾气的危害性及治理措施[J].2016， 9（2）.

[2] 王生昌.交通运输环境污染与控制[M].机械工业出版社.2003.1.

[3] 李峰.汽车发动机原理.北京大学出版社[M].2007.

[4] 赵丹平.吴双群.现代汽车发动机原理[M].北京大学出版社.2010.6.

[5] 谭丕强，陆家祥，邓康耀，et al.喷油提前角对柴油机排放影响的研究[J].内燃机工程， 2004， 25（2）：9-11.