车用柴油机尾气排放与综合控制概要.docx

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车用柴油机尾气排放与综合控制概要

工艺支架调到总装装配;设计制造给柴油泵,定量加

机油装置,总装加油。

执行新工艺后试车生产能力提高了40%,解决了制约生产的瓶颈工序,工人不加班加点即可完成生产任务。

据初步统计,柴油节约36%~40%,自1999年11月以来我国柴油连续5次上调价格,累计涨幅37%,少时试车工艺对于消化柴油涨价、燃油税开征因素有巨大的现实意义。

少时试车工艺实施后需注意的问题:

一是为提高清洁度和节省磨合油,现试车后放净机滤中机油,重新安装后造成漏油的隐患,需采取措施杜绝;二是磨合油长期反复使用,添加净化处理效果有待积累经验;三是为实现中期目标,尽快上光整加工、整机密封性检验项目及狠抓外协件质量的提高。

4　结论

少时试车研究,对改变我公司及行业出厂试车

工艺水平落后状态意义重大,试验方法先进可信,为实现近期中期目标,采取的技术措施现实可行有效,经济效益巨大,磨合质量有所提高,解决了限制生产发展的瓶颈工序的制约,是当前出厂试车工艺的一场变革,为实现近期目标的措施可迅速推广,而实现中期目标的措施也亦明确,应抓紧实施,但为实现远期目标,尚需做大量的,包括技术改造、现代化管理在内的系统的研究工作。

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（41

车用柴油机尾气排放与综合控制

蒋镇宇,朱会田,张建军

（11河南省商丘市公安局交警支队办公室,河南商丘476000;

21解放军汽车管理学院,安徽蚌埠233011

摘要:

通过对车用柴油机尾气排放成分及排放机理的分析,重点介绍和分析了控制柴油机尾气排放的措施,并阐述了目前柴油机尾气排放控制的关键技术和方法。

关键词:

柴油机;尾气;排放;控制中图分类号:

TK421.5　　　　文献标识码:

A　　　　文章编号:

1000-6494（200201-0029-05

Tail-gasEmissionsandComprehensiveControlin

AutomobileDieselEngine

JIANGZhen-yu,ZHUHui-tian,ZHANGJian-jun

（11TrafficPoliceDetachmentOfficeofShangqiuPublicSecurityBureau,Shangqiu476000,China;

（21ThePLAAutomobileManagementInstitute,Bengbu233011,China

Abstract:

Byanalysisofconstitutionandmechanismoftail-gasemissionsinautomobiledieselengine,measurescontrol2lingtail-gasemissionareintroducedandkeytechnologiesandmethodscontrollingtail-gasemissionindieselengineatpresentareexpoundedinthispaper.

Keywords:

dieselengine;tail-gas;emission;control

　　作者简介:

蒋镇宇（1970-,男,河南商丘人,副主任,研究方向:

交通管理规划的研究制订、环境保护及交通管理相关管理技术的开发和应用。

收稿日期:

2001-08-28

　　柴油机通过尾气排放的有害物主要有一氧化碳

（CO、碳氢化合物（HC、氮氧化合物（NOx、二氧化硫（SO2和颗粒（PM排放物。

1　柴油机尾气排放物及形成机理

由于柴油机过量空气系数α总大于1,废气中

一氧化碳（CO含量较低。

CO的生成主要因混合气形成不良,造成局部氧化不足或燃气温度低、氧化反应慢而形成的,在发动机处于大负荷和小负荷时CO排放较多。

碳氢化合物（HC主要是由于缸壁淬冷、燃烧组织不好,出现窜机油或过低的温度下产生的,在发动机处于怠速、小负荷时排放较多。

尾气中的SO2和SO3是燃油中含有的少量硫,在燃烧过程中与氧反应造成的,排放量取决于燃油中含硫的多少。

柴油机排出的颗粒PM分为:

碳颗粒,不与有机溶剂相溶,出现在柴油机燃烧室高温缺氧的状态下（如车辆急加速或大负荷,此时,循环供油量剧增,造成燃油燃烧不良,燃油裂解、聚合、炭化,以干碳粒（85%成分为碳及少量的氧、氢、硫、灰分和多种多环芳香烃化合物组成的形式大量排至大气中;SOF可溶性有机物主要由未燃的燃料或润滑油组成,也有部分为燃烧的中间产物。

柴油机混合气形成时间极短,浓度分布不均匀,局部存在过量空气,温度较高,满足了NOx的生成条件（高温、富氧、高温持续时间长,导致氮氧化合物（NOx大量生成。

实验证明:

车用柴油机主要尾气排放物是颗粒状物质PM和NOx,而CO和HC排放较低。

控制柴油机尾气排放主要是控制颗粒物质PM和NOx生成,降低颗粒状物质PM和NOx的直接排放。

2　柴油机有害排放物的控制

现代柴油机尾气排放控制通常采取:

燃料改质,柴油机机内净化（如采用增压中冷技术、改进燃烧系统、采用电控高压喷射技术、废气再循环EGR、采用可变技术等,排气净化后处理（如加装催化转化器、颗粒过滤与再生系统等,使用代用燃料等措施相结合的综合控制办法。

211　燃油的改质

若增加柴油的十六烷值,能有效地降低发动机尾气颗粒PM,CO和NOx的排放;降低燃油中S的含量,可以降低13%~22%的PM颗粒排放;减少燃油中的芳烃成分,可以减少NOx的排放。

改质燃油应从以下几方面入手:

a1降低燃油中的含硫量。

在燃烧过程中,柴油中的硫约有98%转化为SO2,其余的2%成为硫酸盐颗粒,部分SO2被进一步氧化并与燃烧过程中生成的H2O结合,形成H2SO2和硫酸盐（CaSO4等,增加了微粒的排放量。

当燃料中的S从0112%下降到0105%时,微粒排放量将减少8%~10%。

b1减少燃油中的芳香烃成分。

c1根据燃油的馏程,合理提高燃油的十六烷值。

d1进行柴油的乳化处理。

在柴油中加入适当的乳化剂,通过乳化燃料中水的汽化降低气缸套的温度和燃烧温度,减少NOx的排放;另外,乳化燃料中的水分子迅速汽化、膨胀,成为微细的燃料油滴,促进了与空气的迅速混合,加速了燃烧,减少了气缸内的激冷层,有利于减少HC的生成。

e1在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂,将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂,通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧,来促进和消除喷油器头部的积炭,可以减少30%~50%碳烟颗粒PM排放。

212　柴油机机内净化

柴油机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化,使发动机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。

21211　提高喷油压力和减小喷孔直径

提高喷油压力和减少喷孔直径可明显地降低颗粒PM中碳的排放。

为了避免高压喷射导致的NOx的增加,要求适当降低空气涡流运动,提高压缩比和可变定时燃油喷射与其相适应,以达到控制颗粒PM和NOx排放的目的。

高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配,以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上,减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放;同时减少喷嘴压力室容积或采用无压力室喷油嘴,能使颗粒PM和HC排放大大减少;通过燃油喷射率的优化,如采用双弹簧喷油器,可降低颗粒PM和NOx的排放。

21212　改进燃烧系统

改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。

应保证在发动机整个工况范围内,燃油在燃烧室中均匀分布,有合适的气体流动,有合理的喷油规律和喷油定时。

采用电控制喷油泵、电控泵-喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施,既可改善柴油机性能,又可降低柴油机排气排放物,尤其是颗粒PM物质的排放。

如:

进行进气旋流的优化,在高压喷射的情况下采用低涡流比,有利于减少微粒PM排放。

采用可

变涡流进气技术可使运行中的涡流比在012~015之间变化,使发动机性能及微粒PM排放特性在整个范围内得到优化;采用四气门技术,使活塞上的燃烧凹坑和缸盖上的喷油器布置在燃烧室中央,改善了进气涡流和油雾分布,使燃烧状况优化,同时也改善了活塞和喷油器的冷却条件,减少微粒PM排放;采用陶瓷材料,用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸套可以提高燃烧室的绝热效果,用陶瓷材料制成气门摇臂等运动部件,可降低机油耗量,从而减少微粒PM排放;采用分隔式燃烧室（涡流室式和预燃室燃烧室,可以改善燃烧室内燃油和空气的分布,使燃油空气充分混合,有效地减少颗粒和HC排放,减少滞燃期内与空气混合的燃油量,防止柴油机出现工作粗暴,分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放低1/3~1/2。

21213　防止机油窜入燃烧室

由于柴油机排放颗粒状物质（如发动机排气管冒青烟的相当部分是由窜入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的,所以应尽可能地减少窜机油量。

防止和减少机油窜入燃烧室,应通过加强机体刚度,改善气缸盖与机体的连接,减少气缸工作面的变形,改善活塞、活塞环和气缸表面的设计,加强机油控制,减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。

21214　增压中冷

废气涡轮增压提高了气缸内平均有效压力Pe、过量空气系统α和整个循环的平均温度,可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右,并减少了CO和CH的排放。

利用中冷技术,NOx的排放量可降低60%~70%。

所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。

21215　采用柴油电控高压喷射技术

柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。

电子控制柴油机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射,与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节,使颗粒排放降低40%以上,并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。

电控高压喷射控制对喷油规律进行控制,能根据发动机运行工况实现最佳喷油,同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例,可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比,有利于实现有效的机外净化措施。

21216　采用废气再循环（EGR

废气再循环（EGR是将一部分排气导入进气系统中,通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。

利用废气再循环（EGR来降低NOx的排放,需要与电子控制结合,根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号,由ECU对EGR率和EGR时机进行控制,保证在对柴油机性能影响不大的条件下,降低尾气中NOx的排放。

21217　采用可变技术

柴油机采用可变技术使发动机在不同工况下的性能都较为理想,使不同工况下排放性能和经济性都得到提高,这包括喷油定时的可变控制、可变涡流控制和增压系统的可变控制,这些措施的合理使用可使HC和颗粒排放减少近35%。

改进润滑油系统设计,减少润滑油转化为SO2,可有效降低柴油机的颗粒PM排放。

增加活塞环压力,减少裙部间隙,优化活塞环形状设计,提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施,可有效地降低润滑油消耗量,使窜漏的润滑油有效地燃烧,也可有效地降低颗粒SOF的排放。

21218　进气管喷水

向进气管喷水降低了柴油机燃烧温度,从而可以降低尾气中NOx的排放。

实验证明:

当喷水量等于燃油量时,NOx+HC的排放将降低50%左右,而功率仅仅降低4%,降低排放效果较好。

但是,进气管喷水会造成进气管、气缸腐蚀增加,油底壳易积水,并要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节,这在设计和结构上存在一定的困难。

213　排气后处理

柴油机排气后处理可以用氧化催化转化器,以降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分;用选择性还原催化转化器在富氧条件下还原NOx,用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

21311　加装氧化型催化转换器

柴油机加装氧化型催化转换器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。

加装氧化型催化转换器（以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂能使HC、CO减少50%,颗粒PM减少50%~70%,其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

对于HC转化效率较高的氧化催化器还可有效地减少排气的臭味。

但是,氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO3,生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒,额外增加颗粒物质排放量。

所以,柴油机氧化催化器一般

适用于含硫量较低的柴油燃料;并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常,使净化效果达到最佳。

21312　采用颗粒过滤及再生技术

颗粒过滤由颗粒过滤器和再生装置组成。

颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质（滤芯捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

颗粒过滤器的主体是过滤介质（滤芯,目前主要有四种形式的过滤滤芯:

即壁流蜂窝式堇青石陶瓷体、深床滤型泡沫状堇青石（掺铝陶瓷体、金属丝网和陶瓷纤维。

壁流蜂窝式属于表面过滤方式,深床滤型泡沫式属于体内过滤方式,这两种过滤体的过滤效率、可靠性及再生情况优于后两种。

滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。

滤芯应满足较高的性能指标:

具有较高的过滤效率,具有大的过滤面积;耐热冲击性好,具有较强的机械性能指标,热稳定性好,能承受较高的热负荷;具有较小的热膨胀系数;通过性好,流通阻力小;在外形尺寸相同的情况下,背压小,背压增长率低,适应再生能力强;质量轻。

目前,最常使用的过滤材料为堇青石（其主要成分为MgO.Al2O3.SiO2和碳化硅晶体SiC。

颗粒过滤器对碳的过滤效率较高,可达到60%~90%。

在过滤过程中,颗粒过滤在过滤器内会导致柴油机排气背压升高,当排气背压达到16~20kPa时,柴油机性能开始恶化,因此必须定期地除去颗粒,使过滤器恢复到原来的工作状态,即过滤器再生。

柴油机颗粒过滤器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生:

“被动”方式即为催化再生,是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能,降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生;“主动”再生方式又称为“热再生”,即外加能量（热能的再生方式,利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃,以减少过滤器内的微粒PM。

根据外加能量的形式可分为:

全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。

随后又开发出节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

21313　NOx催化转化器

NOx催化转化器对柴油机尾气中的NOx在温度为350~550℃的范围内进行良好的催化转化,可使柴油机NOx排放降低20%~30%。

NOx催化转化技术可分为催化热分解和选择性的催化还原反应两种。

催化热分解是利用由金属离子沸石、钒和钼构成催化剂来降低NOx热分解反应的活化能,使NOx分解成无毒的N2,该方法简单且反应生成物无毒;选择性的还原反应是在排气中喷入饱和的HC和NOx,反应生成物为N2,CO2和H2O,选择性的还原反应将会生成额外的CO2。

21314　可溶性SOF氧化催化

利用白金和钯等贵重金属作为催化剂的组成成分,以氧化铝和二氧化硅制成蜂窝状陶瓷作为载体,用于可溶性SOF的催化转化。

在正常的排气温度环境下,存在于尾气中SOF可溶性有机物在催化剂的作用下被氧化（逐步氧化为SO2,H2SO4及硫酸盐,并被催化剂吸附,可溶性SOF在高温时脱离催化剂载体,随废气排出而达到净化。

通过氧化催化,可溶性SOF降低率达到60%~80%,从而降低全部颗粒PM排放的20%~30%。

因此,要求氧化催化载体具有低温吸附SOF性好,高温与SOF脱离性好的特点。

21315　非过滤技术

非过滤技术目前主要研究的方向有两种:

a1静电式微粒收集器。

柴油机排气微粒中有70%~80%呈带电状态,每个带电微粒约带1~5个基本正电荷或负电荷,整体呈电中性。

目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附,并取得了一定的试验成果,但由于附加设备体积大、结构复杂以及高压电源的供给等,给实用化带来一定的困难。

b1电压捕集技术。

在柴油机排气管的上下游分别装金属网,网间加约50V直流电压。

一般上游的金属网网格较大,加负电压;下游的金属网网格较密,加正电压。

当微粒经过上游金属网时带上负电,经过下游带正电的金属网时被吸附,从而达到微粒净化的目的,这种方法装置简单且过滤效率高。

214　采用代用燃料

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。

目前,代用燃料主要有天然气（压缩天然气CNG、液化天然气LNG、液化石油气（LPG、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料（柴油与甲醇和水、植物油与柴油混合、水乳化燃料等,其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。

其中CNG,LPG,甲

醇-汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。

目前代用燃料的特点是:

a1天然气汽车成本低,储量丰富,主要是以压缩天然气汽车CNG为代表（90%以上的成分为甲烷,并经过脱水、脱硫净化处理,经加压至20MPa后得到的高压气态燃料。

在现成的柴油机上增加一套“CNG型车用压缩天然气系统”可以将其改装成柴油-天然气双燃料汽车。

CNG燃料本身呈气态,不需进行雾化,燃烧充分,尾气中CO含量较低,无排烟,但动力要降低10%左右,携带不便。

b1甲醇（Methanol作为代用燃料具有辛烷值高,低发热量、低公害和无排烟的特点。

但是,甲醇的十六烷值低,着火性差,需要加装点火装置,冷启动性差,有腐蚀性,并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来进一步降低排放。

c1LPG发动机的NOx,PM排放较低,HC易氧化,可以实现稀薄燃烧,以预燃电热塞辅助点火和电控喷射LPG排放为佳。

目前,通常采用双燃料汽车。

d1代用燃料的热值较低,增加发动机的体积。

随着发动机技术的发展,以及代用燃料品种的增多、价格的降低,代用燃料将会广泛应用于柴油机中。

柴油机主要净化措施及效果评价如表1所示。

表1　柴油机主要净化措施及效果评价

措　　施NOxHCCO颗粒燃油消耗率寿命预燃室++++++------

增压--++++++-

增压空气冷却+++++++++

废气再循环+++-------

催化剂0++++00--

高压缩比--++----0-

根据负荷调节喷油始点++--0----0

热燃烧室--++++----

推迟供油++------0

喷水++--00--

碳烟过滤器0+--++0--

灭缸方法0++0000

高压喷射+00++-

　　注:

++措施很有效;+措施有效;0无影响;-措施不利;--措施很不利。

3　结束语

a1随着电控高压喷射柴油机的迅速发展,目前第三代共轨式电子控制高压喷射柴油机,如大众公司生产的3Lupo采用电控高压共轨喷射+增压中冷技术的TDI发动机,百公里油耗仅为21997L,尾气排放达到了欧洲目前最为严格的“欧Ⅳ”排放标准。

因此,通过计算机辅助设计（CAD对柴油机燃烧系统、进排气系统、燃油供给系统和燃烧室结构的优化设计,并采用新材料、新工艺,广泛采用增压中冷和电控高压喷射控制技术（机内净化并采用尾气处理技术（包括:

氧化催化器、颗粒过滤及再生系统、NOx催化转化器等综合控制,将是柴油机发展和进行尾气控制的发展方向。

b1需要提高石油冶炼技术,研制新型柴油添加剂,消除柴油中的硫,减少燃油中的芳烃成分,降低柴油中不饱和烃的含量,使柴油的品质进一步提高,从源头上解决尾气排放的问题。

c1广泛开发和研制资源丰富、切实可行的柴油代用燃料及代用燃料发动机,降低尾气排放,并逐步缓解和彻底解决对石油的依赖。

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