柴油機(jī)實現(xiàn)超低排放的應(yīng)對策略

陳永賢，俞建達(dá)，黃 見，沙有勝

（無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063）

柴油機(jī)具有熱效率高、升功率大、功率范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、使用壽命長以及便于移動等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于運輸車輛、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、船舶等領(lǐng)域。據(jù)公安部最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2011年6月底，我國機(jī)動車保有量已達(dá)到2.17億輛，并仍保持較快增長之勢。

機(jī)動車保有量的飛速增加，除帶來石油短缺問題外，其排氣污染物也給大氣環(huán)境和城市環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染破壞作用。然而，排放法規(guī)卻日益苛刻，降低柴油機(jī)主要排放污染物的要求刻不容緩，為很好地降低柴油機(jī)的主要污染物，我們必須深刻理解其主要污染物的生成機(jī)理及影響因素，同時闡述降低這些主要排放污染物的對應(yīng)策略。

1 主要排放污染物及產(chǎn)生機(jī)理

眾所周知，柴油機(jī)的排放污染物主要是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）。一般說來，在缸內(nèi)直噴柴油機(jī)中，由于噴霧與進(jìn)氣充量的混合時間很短，再加上柴油的粘度大、揮發(fā)性差，形成的可燃混合氣嚴(yán)重不均勻，不均勻的混合氣被分為高溫過濃區(qū)和高溫火焰區(qū)。

高溫過濃區(qū)在高溫高壓下，由于缺氧而形成碳煙（Soot）粒子，并在降溫過程中吸附各種凝聚相物質(zhì)，形成了柴油機(jī)重要的污染物微粒（PM）；

高溫火焰區(qū)在高溫高壓下，由于氧氣富足，缸內(nèi)的氮氣被氧化生成NO和NO2，從而形成了柴油機(jī)排放中的另一種重要污染物——氮氧化物（NOx）。

可見，控制柴油機(jī)有害排放物的重點，在于控制PM和NOx。

研究表明，在傳統(tǒng)燃燒技術(shù)優(yōu)化過程中，柴油機(jī)本身由擴(kuò)散火焰控制的燃燒方式?jīng)Q定，必然存在PM和NOx排放的Trade-off關(guān)系，這為柴油機(jī)的主要排放物控制帶來了很大困難。本文分別從機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化的角度出發(fā)，針對這兩種主要排放物，分別闡述了先進(jìn)而有效的應(yīng)對策略，以實現(xiàn)柴油機(jī)的超低排放，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和人類健康的目的。

2 機(jī)內(nèi)凈化控制策略

2.1 冷卻的EGR技術(shù)

冷卻的EGR技術(shù)是實現(xiàn)柴油機(jī)降低NOx排放的主要技術(shù)措施之一。

一般來講，隨著EGR率的增大，進(jìn)入缸內(nèi)的N2、H2O和CO2等惰性氣體增加，新鮮空氣被稀釋，氧濃度下降，再加上H2O和CO2等三原子氣體有較大的比熱容，致使同樣的放熱量缸內(nèi)平均溫度降低，因而NOx排放總是下降的，但常常伴隨著PM排放的增加。然而，在LTC燃燒方式下，PM排放卻隨EGR率的增大呈先上升后下降的趨勢。

其原因如下：當(dāng)EGR率較小，氧濃度較高時，隨著EGR率的增大，氧濃度的降低，當(dāng)量燃氧比越來越大，缸內(nèi)平均溫度越來越低，再加上燃燒過程屬于一邊燃燒一邊噴射，致使Soot排放的氧化率低于生成率，故PM排放隨EGR率的增大而增大；

隨著EGR率的進(jìn)一步增大，氧濃度的進(jìn)一步降低，盡管燃氧當(dāng)量比進(jìn)一步增大，但由于缸內(nèi)平均溫度很低，以至不能滿足Soot的生成條件，致使Soot排放隨EGR率的增大而減少，但HC和CO排放卻急劇增加。

目前被廣泛研究的冷卻的EGR管路布局有：低壓EGR管路、高壓EGR管路、長EGR管路和短EGR 管路等[1～2]。

2.2 多級渦輪增壓與中冷技術(shù)

采用多級渦輪增壓中冷技術(shù)，提高了進(jìn)氣終了壓力，增加空氣的供給量，提高充氣系數(shù)，促進(jìn)了燃油與進(jìn)氣充量的混合氣的形成，加快了燃燒反應(yīng)速率，使柴油燃燒充分，使Soot排放大大降低，并降低了HC和CO的排放；同時進(jìn)入氣缸的總的進(jìn)氣充量增加，尤其是再循環(huán)廢氣成分的增加，從而缸內(nèi)工質(zhì)的總比熱容增大，致使缸內(nèi)平均溫度降低；再加上由于中冷作用，使進(jìn)氣溫度降低，以控制NOx的惡化。

研究表明，隨著進(jìn)氣壓力的提高，Soot排放峰值有所下降，且Soot排放增大的始點推遲，這表明隨著進(jìn)氣壓力的提高，NOx與Soot的trade-off關(guān)系有所改善。一般說來，隨著進(jìn)氣壓力的提高，燃油與進(jìn)氣充量的混合速率增大，局部過濃區(qū)減少，Soot生成速率降低，氧化速率增大，致使Soot排放峰值下降。隨著進(jìn)氣壓力的提高，進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量越多，氧濃度越高，越利于Soot氧化。因而，Soot排放增大的始點推遲。

實踐證明：增壓空氣溫度每降低10℃，柴油機(jī)的工作循環(huán)平均溫度可降低25～30℃，采用多級渦輪增壓與中冷技術(shù)，是降低NOx和PM排放、改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和提高升功率的有效措施[3]。

2.3 可變氣門技術(shù)

采用可變氣門技術(shù)是控制化學(xué)特征時間的主要技術(shù)手段之一[4]。該技術(shù)的理論依據(jù)為Miller/Atkinson循環(huán)，即通過推遲關(guān)閉進(jìn)氣門，來產(chǎn)生發(fā)動機(jī)內(nèi)部的冷卻效應(yīng)，以減少發(fā)動機(jī)壓縮功的消耗，并利用增壓來彌補(bǔ)由于進(jìn)氣門晚關(guān)而引起的進(jìn)氣量減少問題。

該技術(shù)在降低有效壓縮比的同時，保持了較大的膨脹比，是解決缸壓過高的有效手段之一。同時由于有效壓縮比的降低，缸內(nèi)溫度也相應(yīng)降低，有利于增加缸內(nèi)燃油的著火延遲期，使其混合情況大為改善，且低溫也有利于降低NOx排放。

目前，按照控制參數(shù)的不同，可變氣門技術(shù)分為：可變氣門正時（VVT），即氣門開啟與關(guān)閉時刻可變；可變氣門升程（VVL），即僅改變氣門的最大升程；可變氣門升程與定時（VLT），即在改變升程的同時，改變了定時與開啟持續(xù)期。

而實現(xiàn)可變氣門技術(shù)則有多種途徑，按照有無凸輪軸，可分為基于凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)和無凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)兩大類。

研究表明，在總的進(jìn)氣流量相同的情況下，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉定時的推遲，NOx和Soot排放能同時降低，其原因歸于缸內(nèi)燃燒溫度的降低，而當(dāng)量燃氧比相對較高。

2.4 多次噴射技術(shù)

多次噴射被分為3個基本類型：預(yù)噴射、后噴射和分離噴射[5]。

預(yù)噴射，是指在長主噴射之前的短噴射。預(yù)噴射的作用，使主噴著火前缸內(nèi)壓力和溫度有一定程度的提高，預(yù)噴射形成的混合氣的燃燒，促進(jìn)了主噴可燃混合氣的形成，使著火延遲期明顯縮短，燃燒提前，并使主噴階段預(yù)混合燃燒溫度，壓力升高率及放熱率大幅度下降，避免了傳統(tǒng)燃燒初期壓力和溫度急劇升高的現(xiàn)象，使得NOx排放和燃燒噪聲，在不同工況得到了不同程度的降低。

后噴射，是指在長主噴射之后的短噴射。后噴射的主要作用是加快Soot氧化，這歸于其增加了燃燒后期的湍流能量，改善了外圍空氣與燃油的混合，提高了空氣利用率。

分離噴射，僅僅是指一次噴射被分為兩次或更多次進(jìn)行噴射。分離噴射的主要作用，是后續(xù)噴射脈沖能引起湍流，該湍流有助于改善燃油揮發(fā)以及油氣混合，從而致使空氣利用率得到改善，同時加快了燃燒速度；分離噴射的另外一個作用，是有利于控制燃燒噪聲和有害排放物的形成。然而，針對分離噴射，只有優(yōu)化的噴油定時、脈沖間隔時間、脈沖油量及其比例以及噴射次數(shù)，才能顯著地改善脈沖燃油與空氣的混合過程，降低未燃油滴損失率，控制缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分層，進(jìn)而實現(xiàn)對燃燒過程中著火和放熱速率的有效控制。

2.5 高壓噴射技術(shù)

柴油機(jī)采用高壓噴射技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)Soot、HC和CO排放的同時降低，同時有利于熱效率的提高和燃油消耗率的降低，但卻常伴有NOX排放的輕微增加。若結(jié)合高的增壓壓力和一定量的EGR率，則能夠?qū)崿F(xiàn)NOX和Soot排放的同時降低。

因此，提高燃油噴射壓力，是目前內(nèi)燃機(jī)界研究的一個重要方向[6]。

一般說來，噴射壓力提高，噴油速率增大，相同的噴油量噴油持續(xù)期相對縮短，大部分燃油在滯燃期內(nèi)就噴入氣缸，為油氣混合贏得了更長的時間，因此預(yù)混合燃燒燃油量較大；同時，采用高而穩(wěn)的噴射壓力增大噴油率與增大油嘴噴孔孔徑增大噴油率相比，前者油束的貫穿能力和混合氣形成的能量，都大大增加；再加上噴孔內(nèi)外壓力差加大，更有利于噴注微粒的細(xì)化，及噴霧粒子在缸內(nèi)分布的均勻，使燃油霧化及油氣混合物的均勻性得到了改善，減少了缸內(nèi)濃混合區(qū)，加快了擴(kuò)散燃燒的速度，縮短了燃燒持續(xù)期。

由于以上3個因素，柴油機(jī)在中等負(fù)荷以上工況時，高噴射壓力能使熱效率提高，而Soot、HC和CO排放，得到不同程度的降低；而在低負(fù)荷大EGR率時，提高噴射壓力來降低Soot排放則顯得收效甚微[7]。

2.6 代用燃料技術(shù)

為緩解我國石油資源匱乏和需求之間的矛盾，及有利于我國長期可持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，需要規(guī)劃與發(fā)展內(nèi)燃機(jī)燃用清潔代用燃料，以替代石油基燃料即汽油和柴油，這里以二甲醚和生物柴油為例，主要介紹柴油替代燃料。

二甲醚簡稱DME，在其化學(xué)結(jié)構(gòu)中兩個甲基被O分隔，二甲醚沒有一個C-C鍵。氧原子不僅降低了乙烯和乙炔的形成，也促進(jìn)氧化不飽和烴。二甲醚燃料含氧量高，十六烷值低，空氣混合要求低，熱效率高，燃燒完全。因此，二甲醚燃料是能有效地降低柴油機(jī)碳煙排放的可替代燃料之一[8]。

生物柴油是指以草本油料為作物、木本油料植物、動物油脂和餐飲廢油等為原料，通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料。其具有含氧量高，十六烷值高的特點。由于生物柴油的十六烷值高，燃燒溫度低，著火延時期短，燃燒反應(yīng)速率高，且含氧量較高，致使排氣中的Soot、HC、CO排放較化石柴油相比明顯下降，而NOX排放卻有所升高。

但若生物柴油、柴油和乙醇以一定的比例混合作為燃料，則能獲得比柴油有明顯較低的Soot和NOX排放。

3 機(jī)外凈化控制策略

3.1 DPF技術(shù)

微粒捕集器（DPF）是非常實用有效的微粒后處理技術(shù)[9]。DPF系統(tǒng)通常包括過濾裝置、再生裝置和控制裝置3個部分，其關(guān)鍵技術(shù)是過濾材料和過濾體再生。目前的過濾材料主要有陶瓷基材料、金屬基材料、復(fù)合基材料等。

而過濾提再生的基本原理為：DPF工作時，PM被濾芯吸附過濾，隨著工作時間的增長，過濾體內(nèi)積聚的PM增多，過濾體前、后的壓差越來越顯著，柴油機(jī)排氣阻力加大，導(dǎo)致柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性下降，因而必須適時對PM進(jìn)行清除，以限制其最高阻力即最高背壓，該過程即為過濾體的再生。

根據(jù)再生原理的不同，可將過濾體再生方法，分為主動再生和被動再生兩類。

主動再生是利用外加能源進(jìn)行再生，此種方法再生效率高，但系統(tǒng)較復(fù)雜，運行成本高。主動再生又分為加熱再生和非加熱式機(jī)械再生。

被動再生是利用柴油機(jī)排氣本身所具有的能量，對過濾體進(jìn)行再生，其又被分為催化再生、連續(xù)再生和燃油添加劑再生。

3.2 SCR技術(shù)

SCR技術(shù)全稱為選擇性催化還原技術(shù)[10]，其轉(zhuǎn)化器具有很強(qiáng)的選擇性，主要是針對NOx的排放控制，其還原系統(tǒng)的還原劑，可用各種氨類物質(zhì)或者各種HC。其中，尿素用得較多。

SCR技術(shù)的工作原理如下：即將一定比例的尿素水溶液噴入尾氣中，在高溫環(huán)境中（溫度高于250℃），再加上催化劑的作用，NOx能迅速與氨氣反應(yīng)，生成氮氣和水。而柴油機(jī)的排氣溫度一般在250～500℃范圍內(nèi)，滿足了NOx還原所需的溫度條件，且該技術(shù)的NOx排放的最高轉(zhuǎn)化率達(dá)95%。但SCR技術(shù)卻受排氣溫度、燃油品質(zhì)等的影響很大。溫度過高時，NH3可能自行燃燒，而不與NOx起反應(yīng)；溫度太低，催化劑的活性大大降低，反應(yīng)速度太慢，轉(zhuǎn)化效率低并伴有二次污染物。同時，柴油中的硫含量，將會使裝置里的催化劑中毒，將使SCR的工作效率大大降低，因而，該系統(tǒng)對柴油中的硫含量要求較高。

3.3 DOC技術(shù)

氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）是由殼體、減振層、載體和催化劑構(gòu)成。催化轉(zhuǎn)化器殼體由不銹鋼制成，以防止因氧化皮脫落而造成催化器的堵塞；催化轉(zhuǎn)化器減振層有金屬網(wǎng)和陶瓷密封墊兩種，具有固定載體、隔熱、抗沖擊、密封以及降噪的作用；催化劑載體主要分為顆粒狀載體、蜂窩陶瓷載體和金屬載體這3種，載體應(yīng)具有抗沖擊、抗振、氣體流動性好、凈化性能好、可靠性高、成本低等特點。

氧化催化器（DOC），以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑，其主要作用是將沒有完全燃燒的HC、CO和PM中的絕大多數(shù)SOF氧化掉，氧化催化器可以除去90%以上的SOF，從而使PM排放減少近50%。其對HC和CO的處理效率可以分別達(dá)到80%、65%以上。DOC對PM的捕捉效果不如DPF，但是由于碳?xì)浠衔锏狞c火溫度較低，所以DOC不需昂貴的再生系統(tǒng)，生產(chǎn)成本較低。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)柴油機(jī)的超低排放，針對不同工況，應(yīng)采用不同的排放控制技術(shù)，以及多種技術(shù)方法的耦合，同時選用滿足不同排放要求的后處理技術(shù)。

[1]Carlo Beatrice,Giovanni Avolio,et al.The Effect of“Clean and Cold”EGR on the Improvement ofLowTemperature Combustion Performance in a Single Cylinder Research Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2008.

[2]Marc van Aken,FrankWillems,Dirk-Jan de Jong.Appliance of High EGR Rates with a Short and Long Route EGRSystem on a Heavy Duty Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[3]Usman Asad,Ming Zheng.Effects of EGR andBoost in Single-Injection Enabled Low Temperature Combustion[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[4]RyanmNevin,Yong Sun,Rolf D Reitz,et al.PCCI Investigation Using Variable Intake Valve Closing in a Heavy Duty Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[5]Rickard Ehleskog,Raúl L,Ochoterena and Sven Andersson.Effects of Multiple Injections on Engine-OuTEmission Levels Including Particulate Mass from an HSDI Diesel Engine[C].Pennsylvania：SAE,2007.

[6]MariAThirouard,Sylvainmendez,Pierre Pacaud Vincent Chielarczyk,et al.Potential to Improve Specific Power Using Very High Injection Pressure in HSDI Diesel Engines[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[7]陳永賢，于文斌，郭樹滿，等.若干燃燒控制參數(shù)對柴油機(jī)低負(fù)荷排放特性和效率影響的試驗[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2011，（3）：193-199.

[8]Ho Teng,James cmcCandless.Can Heavy-Duty Diesel Engines Fueled with DME MeeTUS 2007/2010 Emissions Standardwith A Simplified Aftertreatment System [C].Pennsylvania：SAE,2006.

[9]Timothy V,Johnson.Diesel Emission Control in Review[C].Pennsylvania：SAE,2009.

[10]Valeri I Golovitchev,Luca Montorsi,et al.Numerical Evaluation of Direct Injection of Urea as NOx Reductionmeth od for Heavy Duty Diesel Engines[C].Pennsylvania：SAE,2007.