基于滿足汽車柴油機(jī)國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的新方法探討

王德云

摘 要：隨著重型柴油車污染物排放國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)現(xiàn)有排放不達(dá)標(biāo)的重型柴油車的升級(jí)改造工作迫在眉睫。本文作者在分析現(xiàn)有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了柴油摻水燃燒能同時(shí)處理NOx和碳煙的作用機(jī)理，提出了柴油機(jī)廢氣缸內(nèi)處理的新方法，此法在對(duì)柴油機(jī)廢氣處理的同時(shí)，還有不低于4%的節(jié)油效果，探討了一種實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)廢氣缸內(nèi)處理新方法的水噴射系統(tǒng)，并就其工作原理與工作過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，有望成為對(duì)排放達(dá)不到國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車進(jìn)行升級(jí)改造使其達(dá)到國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)最有效的方法。

關(guān)鍵詞：柴油車;國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn);廢氣排放與處理;柴油摻水燃燒;水噴射系統(tǒng)

1 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物主要是NOx和顆粒物（PM），其對(duì)環(huán)境與人類健康造成嚴(yán)重危害，引起了世界范圍的普遍關(guān)注，因此各國(guó)限制其排放的法規(guī)亦越來(lái)越嚴(yán)格。2018年7月國(guó)家生態(tài)環(huán)境部與國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合下發(fā)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（俗稱，國(guó)六）公告，該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：“2021年7月1日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和登記注冊(cè)的重型柴油車應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求”。

截止2018年底，我國(guó)柴油車保有量達(dá)到2393.8萬(wàn)臺(tái)，其中國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的有1011.6萬(wàn)臺(tái)，國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的有802.2萬(wàn)臺(tái)。如果這些車輛不做減排處理，到2021年時(shí)將受到使用限制。因此，探尋一種切實(shí)可行的解決方案，來(lái)改造這些排放達(dá)不到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車就顯得尤為急需與迫切。

2 現(xiàn)有柴油機(jī)尾氣排放處理技術(shù)

目前，針對(duì)柴油機(jī)的排氣后處理技術(shù)的主要裝置有：降低NOx排放的廢氣再循環(huán)（EGR）及選擇還原催化轉(zhuǎn)化器（SCR）（俗稱添藍(lán)處理系統(tǒng)或車載尿素處理系統(tǒng)）;降低微粒排放的微粒捕捉器（DPF）;以及用來(lái)降低微粒中有機(jī)可溶成分SOF（主要是高分子的HC）以及氣態(tài)HC和CO排放的氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）等三類?；蛘呤巧鲜鋈惣夹g(shù)的組合，例如，DOC+DPF與EGR+DPF。其中NOx選擇還原催化器（SCR）和微粒捕捉器（DPF）是主流。

但上述技術(shù)在使用過(guò)程中存在一些缺陷，使用廢氣再循環(huán)（EGR）雖能有效降低NOx排放，但是以犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)，同時(shí)，對(duì)柴油含硫量敏感;選擇還原催化器（SCR）要求NO與NO2之比接近1：1才有比較理想的效果，微粒捕捉器（DPF）關(guān)鍵是再生技術(shù)，但也必須使用低硫柴油，而我國(guó)現(xiàn)行柴油中硫含量達(dá)不到低硫要求，因此，微粒捕捉器（DPF）在我國(guó)基本不適用。

另外，現(xiàn)行機(jī)內(nèi)凈化措施也同樣存在一些缺陷，例如，（1）燃燒室噴水冷卻技術(shù)，水具有較高的比熱，在燃燒過(guò)程中吸熱可降低燃燒最高溫度;水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進(jìn)一步降低。該技術(shù)在降低NOx排放的同時(shí)，還有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排氣煙度，并有降噪的作用。噴水冷卻有如下形式：進(jìn)氣管噴水;用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室;通過(guò)附加噴嘴把水直接噴入燃燒室;在噴嘴的兩個(gè)燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。但如何控制噴水的時(shí)機(jī)、數(shù)量等問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。（2）選擇非催化還原（SNCR）技術(shù)，只能在一定的溫度區(qū)間（800℃-1000℃）使用，而柴油機(jī)排氣不可能達(dá)到這樣高的溫度，只能通過(guò)在柴油機(jī)膨脹過(guò)程中，向氣缸中噴入氨水來(lái)實(shí)現(xiàn)，但效果不很理想。該技術(shù)只是在發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用，在車用柴油機(jī)上尚未應(yīng)用。

3 NOx和PM的排放機(jī)理及應(yīng)對(duì)策略

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)NOx和PM的排放的研究一直沒(méi)有間斷，大量的研究文獻(xiàn)資料表明：NOx是在高溫富氧條件下形成，碳煙是在高溫缺氧條件下形成，如果通過(guò)以傳統(tǒng)燃燒方式改進(jìn)缸內(nèi)燃燒的同時(shí)除出NOx和PM（碳煙）有所謂“treat-off”效應(yīng)，然而根據(jù)NOx和PM（碳煙）的形成條件可知，如果能降低缸內(nèi)燃燒的最高溫度和高溫持續(xù)時(shí)間，從理論上講，就可同時(shí)除出NOx和PM（碳煙），正是基于這樣的考慮，我們就可以通過(guò)燃料摻水燃燒的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低NOx和PM（碳煙）排放的目標(biāo)，其理由：一是水的蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，這樣就有效的降低混合氣的最高燃燒溫度，抑制了NOx的生成;二是混合氣燃燒生成的碳煙與高溫水蒸氣發(fā)生水煤氣效應(yīng)（其反應(yīng)方程式為），生成的CO與O2反應(yīng)生成CO2（其反應(yīng)方程式為），生成的H2與O2反應(yīng)生成水（其反應(yīng)方程式為），這樣就有效的除出了碳煙，同時(shí)，燃料中水蒸發(fā)做功可以部分彌補(bǔ)由于水分蒸發(fā)使溫度和壓力下降所造成的不利影響而提高柴油機(jī)的熱效率，另外排氣最高溫度與平均溫度都有所下降，排氣損失反而減小也提高柴油機(jī)的熱效率，從而產(chǎn)生了一定的節(jié)油效果。因此，從上述理論分析可知：柴油摻水燃燒是能同時(shí)降低NO2和PM排放的最有效方法。但由于各種摻水燃燒的方式都存在自身的弱點(diǎn)，無(wú)法在降低排放的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，至今沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

4 我國(guó)重型柴油車應(yīng)用的車載尿素處理系統(tǒng)及其缺陷

我國(guó)重型柴油車應(yīng)用的車載尿素處理系統(tǒng)使用的是BOSCH公司開(kāi)發(fā)的共軌SCR系統(tǒng)（俗稱添藍(lán)處理系統(tǒng)或車載尿素處理系統(tǒng)），SCR是Selective（選擇性）、Catalytic（催化）、Reduction（還原）的英文縮寫。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是：通過(guò)還原劑NH3和NOX進(jìn)行反應(yīng)，將NOX還原成無(wú)害的N2和H2O的過(guò)程，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

SCR系統(tǒng)目前采用的還原劑是32.5%的尿素溶液，尿素溶液用來(lái)產(chǎn)生還原劑NH3，其產(chǎn)生還原劑NH3的過(guò)程是：尿素NH2CONH2和H2O在高溫下分解成NH3和CO2，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

BOSCH公司的共軌SCR系統(tǒng)的缺陷在于不能對(duì)碳煙進(jìn)行處理，隨著國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，共軌SCR系統(tǒng)必須加裝微粒捕捉器（DPF）才有可能滿足國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的需要。因此，現(xiàn)有的共軌SCR系統(tǒng)也無(wú)法滿足國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)的需要。

5 滿足國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)的新方法探討

針對(duì)現(xiàn)有尾氣排放處理系統(tǒng)的缺陷，作者提出二種改進(jìn)措施，一是對(duì)現(xiàn)有安裝有BOSCH公司共軌SCR系統(tǒng)的尾氣排放系統(tǒng)加裝微粒捕捉器（DPF），此法技術(shù)上沒(méi)有什么問(wèn)題，但改裝成本比較高，推廣也比較困難（因?yàn)樗挥袉我坏奈矚馓幚砉δ埽?二是開(kāi)發(fā)一種全新的既能高效節(jié)能又能高效減排的綜合尾氣處理系統(tǒng)，這是最有效的解決途徑，因?yàn)樵诮鉀Q排放問(wèn)題的同時(shí)，又體現(xiàn)了高效的節(jié)能效果，會(huì)深受用戶的歡迎。

本文作者就開(kāi)發(fā)出一種全新的既能高效節(jié)能又能高效減排的綜合尾氣處理系統(tǒng)提出自己的構(gòu)想，其基本的思路是：使用柴油摻水燃燒技術(shù)，因?yàn)榇思夹g(shù)是最有可能同時(shí)降低NOx和PM排放的最有效方法（前面已作了分析）。設(shè)計(jì)獨(dú)立的水噴射系統(tǒng)直接噴入氣缸，其結(jié)構(gòu)如圖二所示。包括儲(chǔ)液箱1、過(guò)濾器2、流量計(jì)3、電磁閥4、霧化噴嘴5、密封墊6、電磁閥7、電磁閥8、微型空壓機(jī)9、電控ECU10、液位計(jì)11。其中，霧化噴嘴5安裝在柴油機(jī)進(jìn)氣總管上，用來(lái)噴射含水尾氣處理液，流量計(jì)3和電磁閥4用來(lái)控制含水尾氣處理液的供給，微型空壓機(jī)9用來(lái)產(chǎn)生高壓空氣供給霧化噴嘴5使霧化噴嘴5噴出的含水尾氣處理液進(jìn)行霧化，電磁閥7用來(lái)控制高壓空氣的供給，電磁閥8用來(lái)控制空氣供給壓力。水中含尿素、柴油燃燒促進(jìn)劑、消煙劑、十六烷值改進(jìn)劑、乳化劑、防凍劑等的復(fù)合處理液（簡(jiǎn)稱尾氣處理液）。

其工作原理為：水由安裝在柴油機(jī)進(jìn)氣總管上的霧化噴嘴噴入進(jìn)氣總管，隨柴油機(jī)在進(jìn)氣時(shí)與空氣一并進(jìn)入氣缸內(nèi);在柴油噴入后，在氣缸內(nèi)形成乳化柴油狀態(tài)。通過(guò)油、水分輸技術(shù)，在氣缸內(nèi)形成乳化柴油的全新方法，克服了配制好的乳化柴油長(zhǎng)期放置容易分層的缺點(diǎn)，克服了在線乳化乳化效果不良的缺點(diǎn)，由于水并不是與柴油混合后通過(guò)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)來(lái)輸送，還徹底地解決了乳化柴油與在線乳化腐蝕柴油機(jī)噴油系統(tǒng)噴咀的致命缺陷，真正使乳化柴油能進(jìn)入實(shí)用狀態(tài)，使柴油摻水燃燒能同時(shí)降低NOx和PM排放的技術(shù)得以真正的實(shí)現(xiàn)。

6 新型尾氣處理系統(tǒng)控制過(guò)程

圖2所述獨(dú)立的水噴射系統(tǒng)的控制過(guò)程如下：

①車輛啟動(dòng)與暖車過(guò)程本系統(tǒng)不工作，以免影響柴油機(jī)冷啟動(dòng)和快速暖車。具體控制邏輯是電控ECU10通過(guò)傳感器采集或電控ECU10與車載網(wǎng)絡(luò)CAN進(jìn)行信息通訊，通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)CAN獲取所需控制信號(hào)（如柴油機(jī)水溫信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)等信號(hào)），柴油機(jī)水溫信號(hào)溫度值設(shè)定T>50℃，車速信號(hào)V>30km/h，油門踏板開(kāi)度=0，上述信號(hào)條件只要有一個(gè)不滿足，電控ECU10將控制本系統(tǒng)不工作。

②車輛運(yùn)行中的控制，電控ECU10通過(guò)傳感器采集所需控制信號(hào)，或者電控ECU10與車載網(wǎng)絡(luò)CAN進(jìn)行信息通訊，通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)CAN獲取所需控制信號(hào)（如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、柴油機(jī)水溫信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)等信號(hào)），并對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行分析與處理，通過(guò)電控ECU10控制調(diào)壓電磁閥的壓力大小來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整噴射量的大小。

③車輛停車控制，在停車前，當(dāng)車速信號(hào)V<30km/h時(shí)，電控ECU10先關(guān)閉電磁閥4停止尾氣處理液的供給，電磁閥7、8延遲3-5S關(guān)閉，以吹盡殘留在霧化噴嘴中的含水尾氣處理液，以保證在柴油機(jī)停機(jī)前，利用柴油機(jī)的進(jìn)氣吹盡殘留在進(jìn)氣總管或氣缸內(nèi)的含水尾氣處理液，以免給柴油機(jī)的正常工作帶來(lái)不利影響。

④車輛停止?fàn)顟B(tài)下開(kāi)空調(diào)的控制，把空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)引入電控ECU10，通過(guò)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)n>650轉(zhuǎn)/分，柴油機(jī)水溫信號(hào)T>50℃，電控ECU10接收到空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)，在滿足上述信號(hào)的條件下，電控ECU10控制噴射系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

⑤當(dāng)儲(chǔ)液箱中所述尾氣處理液不足時(shí)，電控ECU10通過(guò)接收到液位計(jì)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，提示駕駛員添加含水尾氣處理液，同時(shí)控制噴射系統(tǒng)停止工作。

7 新型廢氣處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

本噴射系統(tǒng)帶來(lái)的有益效果是：

（1）柴油機(jī)所產(chǎn)生的廢氣在氣缸內(nèi)就進(jìn)行了非常高效的處理，廢氣中NOx和PM的排放值就已經(jīng)很低，降低了現(xiàn)有柴油機(jī)填藍(lán)系統(tǒng)的工作負(fù)荷，甚至可以取代現(xiàn)有柴油機(jī)添藍(lán)系統(tǒng)。特別是碳煙在氣缸內(nèi)就進(jìn)行了有效的轉(zhuǎn)化，無(wú)需在尾氣排放系統(tǒng)中再加裝微粒捕捉器（DPF）。

（2）所述含水尾氣處理液由安裝在柴油機(jī)進(jìn)氣總管上的霧化噴嘴5噴入柴油機(jī)進(jìn)氣總管，隨柴油機(jī)在進(jìn)氣時(shí)與空氣一并進(jìn)入氣缸內(nèi);在柴油噴入后，在氣缸內(nèi)形成乳化柴油狀態(tài)參與柴油的燃燒過(guò)程，而不是在柴油混合氣燃燒后，再噴入所述尾氣處理液，因?yàn)?，?shí)踐證明：在柴油機(jī)膨脹過(guò)程中噴入所述尾氣處理液，效果不很理想。

（3）由于本噴射系統(tǒng)使用的含水尾氣處理液含有防凍劑，即使在冬天使用時(shí)，也不會(huì)結(jié)冰，因此，不需要像現(xiàn)在使用的添藍(lán)系統(tǒng)在冬天使用時(shí)還需要加熱。

（4）關(guān)鍵是本噴射系統(tǒng)在對(duì)柴油機(jī)尾氣進(jìn)行處理的同時(shí)，還帶來(lái)不低于5%—8%的節(jié)油效果，這是目前任何一種尾氣排放處理系統(tǒng)都做不到的。

（5）本噴射系統(tǒng)所述柴油機(jī)尾氣排放處理系統(tǒng)是一套獨(dú)立運(yùn)行的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)須駕駛員進(jìn)行操作控制，在車上安裝方便，只在柴油機(jī)進(jìn)氣總管上裝一個(gè)霧化噴嘴5，對(duì)柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)不做任何改動(dòng)，特別適合對(duì)國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)V重型柴油車進(jìn)行升級(jí)改造，即使所述噴射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)也不會(huì)影響柴油機(jī)的正常工作。

綜上所述，本文作者構(gòu)想的如圖二所述的獨(dú)立的水噴射系統(tǒng)，在柴油混合氣燃燒時(shí)，由于水的加入，水的蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，降低了柴油混合氣在氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度，就抑制了NOx的產(chǎn)生，即使還有數(shù)少量的NOx，由于水中含有尿素，尿素高溫分解產(chǎn)生NH3的NOx與進(jìn)行反應(yīng)，把NOx轉(zhuǎn)換成了N2和H2O;由于水的加入，柴油混合氣燃燒時(shí)所產(chǎn)生的碳煙與高溫水蒸汽發(fā)生水煤反應(yīng)，也把PM （碳煙）進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。通過(guò)上述二個(gè)步驟，就把柴油燃燒所產(chǎn)生的廢氣在氣缸內(nèi)就進(jìn)行了處理，開(kāi)創(chuàng)了柴油機(jī)廢氣缸內(nèi)處理的新方法。同時(shí)，由于水蒸汽的作功效應(yīng)，在減排的同時(shí)也帶來(lái)了不低于4%的節(jié)油效果，如果在水中再加入柴油燃燒促進(jìn)劑、消煙劑、十六烷值改進(jìn)劑等，會(huì)進(jìn)一步提高柴油燃燒的熱效益，節(jié)油效果將會(huì)進(jìn)一步提升。當(dāng)然，對(duì)于柴油機(jī)在不同功況下的摻水率及尿素率，還要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。如果本文作者提出的柴油機(jī)廢氣缸內(nèi)處理的新方法得以實(shí)現(xiàn)，則是有望對(duì)國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)V重型柴油車進(jìn)行升級(jí)改造使其達(dá)到國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)最有效的方法，將會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王小琛，陳振斌，張坤鵬，高亮，張承亮.重型車用柴油機(jī)燃用乳化柴油的燃燒與排放特性試驗(yàn)研究[J].可再生能源，2015，33（06）：946-951.

[2]王小琛，汪映，陳振斌，劉燕霞.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用水乳化柴油的研究進(jìn)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2018（01）：1-9.

[3]方平，陳雄波，唐子君，黃建航，曾文豪，吳海文，唐志雄，岑超平.船舶柴油機(jī)大氣污染物排放特性及控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，2017，36（03）：1067-1076.