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车用柴油机的排放控制策略


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车用柴油机的排放控制策略
何喜朝 杜传进
(武汉理工大学汽车工程学院) 【摘 要】 本文通过对柴油机有害排放物的生成机理及影响排放的技术因素、 使用因素的分析, 从燃油品质控制、 燃油供给系统、 排气后处理技术等方面综述控制柴油机排放物的措施与策略, 以满足不断严格的排放法规和环保 要求。 关键词:柴油机 排放物控制

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he Emission Control Strategy for Automobile Diesel Engines HE Xizhao DU Chuanjin

School of Automobile Engineering, WHUT 430070 【Abstract】 :In this paper, the pollutant creation principal of diesel engines are described, and several factors about technique and application which are concern emission controlling are discussed. meantime feasible technical solution for diesel engines to meet the increasing emission regulation are analyzed. Key words: emission control, diesel engine

一. 引 言 柴油机自问世以来, 就因其能量密度高、 柴油的高安全性、 更高的经济性得到了广泛的应用。 但随着人们环保意识的增强,对柴油机的排放的要求以及排放法规将越来越严格。我国《汽车排 放控制技术政策》规定到 2010 年要充分与国际接轨,这就使得柴油机生产企业必需采用一系列 的技术措施,使柴油机变得更加清洁、环保,符合不断严格的排放法规的要求。 1.柴油机有害排放物的形成与影响因素分析 柴油机有害排放物有 NOx、PM、HC、CO、SOx,但主要是 NOx、PM,除在低负荷区域外, HC、CO 的排放都比较小。 PM:在燃烧进程中的富燃油区,如果氧化不及时,多环芳香烃就互相碰撞、粘合最终形成 碳烟颗粒,在燃烧后期由于温度的下降,其外围粘附一层可溶的有机物,这就是 PM。另外,燃 油燃烧形成的硫酸盐促使的 PM 固体核心形成。一般来说,增加湍流、提高反应温度、延长高温 时间有利于减少 PM 的排放。但这同时会增加氮氧化物的排放。 NOx:是在火焰前锋高温区间氮气和氧气反应产生,反应的温度越高,时间越长,氧气越充 分,产生的 NOx 量越多。通常降低反应的温度和压力,降低氧气浓度的措施可以减少 NOx 的排 放。 HC:HC 的生成与发动机的运行状态、燃油系统、发动机的设计有关,其成分主要是未燃的 燃油蒸汽、 随废气带出的机油蒸汽、 高温下分解的小分子烃类以及少量参与氧化反应的中间产物。

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在发动机的运行中,主要有以下三种原因形成 HC 排放:部分的混合气体超出了燃烧着火极限, 而不能彻底氧化燃烧;机油的窜入,燃烧组织不善;气缸壁面的激冷使得稀薄火焰熄灭等。柴油 机在小负荷时候,喷油量小,喷油压力低,稀薄火焰不能燃烧,HC 的排放就比较严重。 CO:生成机理非常复杂,主要受空燃比的影响,燃料的成分影响很小。在燃料燃烧的时候, 氧气不足,C 的不完全燃烧就会形成 CO。所以柴油机油气混合局部不均匀、反应的温度过低, 使得 CO 不能深度氧化而留在排气之中。另外发动机在起动、加热、急加速、急减速的时候 CO 排放比较严重。 SOx:是燃油中所含有的硫氧化形成的,主要是二氧化硫,SOx 不光本身是污染物,而且还 会促使 PM 的形成,是形成 PM 排放固体核心之一。SOx 形成的硫酸盐容易对排气后处理系统造 成催化剂中毒和孔隙的堵塞。 从以上柴油机有害排放物生成机理分析可以看出, 柴油机的有害排放与燃油品质、 发动机设 计制造技术水平等多方面因素有关。 2. 柴油机排放控制策略分析 (1) 燃油品质改善 柴油的十六烷值:十六烷值是柴油重要的物性参数之一。提高柴油的十六烷值,可改善柴油 的自燃特性,缩短着火延迟期及其预混燃料量,有助于降低 NOx 的排放。但过高的十六烷值, 会造成 HC、PM、碳烟(Soot)排放的增加。比较合适的十六烷为 70 左右。 降低柴油中大分子芳香烃的含量: 大分子芳香烃含量的增加会使柴油不容易着火燃烧,着 火延迟期变长,使得反应剧烈,柴油机工作粗暴,NOx 排放增加。同时大分子的芳香烃雾化不 易,容易形成局部富燃区,高温分解产生碳烟(Soot) ,增加微粒(PM)排放。 降低硫的含量:柴油中的 S 在气缸中被氧化为二氧化硫,少部分被氧化为三氧化硫,这两者 本身即为大气污染物之一;形成的硫酸盐类,是 PM 微粒的核心之一,会加重 PM 的排放;而且 S 的存在会使得排气后处理过程的催化剂中毒,硫酸盐类会使得排气孔隙发生堵塞,造成排气后 处理设备失效。 为减少微粒的总量及保持排气净化设备的寿命, 柴油中的含 S 必须降低到足够低 的水平(例如 30ppm 以下) 。 柴油添加剂:如在柴油中添加Ba、Fe、Ca、Cu、Ce、Pb等成分,可以改善柴油的燃烧性能、 减少碳烟生成、降低PM的起燃温度,同时有助于改善微粒捕集器的再生效能。作者进行过柴油 添加剂的系统研究,实验发现其在微粒再生控制中具有实际的作用。 柴油的乳化:采用乳化柴油或在进气系统或燃烧过程喷水,可以降低反应温度,从而使得 NOx 的排放下降,但是这会影响到柴油机的功率。同时,必须解决好乳化柴油的稳定性问题。 代用燃料的运用: 比较有发展前途的代用燃料有天然气 (CNG、 LNG) 液化石油气 , (LPG) 、 甲醇、二甲醚(DME)等。特别是二甲醚在排放方面表现强大的潜力。DME的十六烷值 55~60, 沸点为-20℃,自燃性好,热效率高。采用DME作为点火促进物质可以大幅度的降低CO、HC和 PM的排放;采用单液态的DME可以大大降低NOx的排放,PM的排放几乎为零。 (2) 燃油系统新技术的应用 要使柴油机燃烧过程组织合理,减少有害排放物的生成,燃油系统的作用非常重要。 采用电子控制技术: 柴油机电子控制原理如图 1,电控单元 ECU 根据各种传感器信号确定
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批注 [e1]: 参考 2

批注 [e2]: 参考

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发动机工况后,按照预定的喷油量和喷油时间 MAP 图,对柴油机的供油系统进行控制。电控系 统可以实现燃油喷射过程的精确控制,监控整个发动机系统的运转及排放,进行自动调整,综合 调控发动机的进气、燃油系统和 EGR 系统。由于对柴油机工作全程控制,其排放情况得以改善。








进 气 压

进 气 温

冷 却 水






速 器



调 开 关

启 动 开 关

过 电



















控制单 元 ECU





油 量


时 间

怠 速 控 制

进 气 节



E G R 控 制

进 气 预 热







图1

柴油机电控系统结构图

采用泵喷嘴系统: 在泵喷嘴系统中, 电控的油泵和喷油嘴没有用多余管路连接, 而是被做成 一体, 直接装在汽缸盖上, 泵喷嘴系统结构紧凑, 喷油嘴孔径非常小, 所以燃油喷射压力非常高, 目前用于满足欧洲 IV 号标准的车辆上使用的柴油机的峰值压力可达 200MPa。 高压共轨系统: 这是目前比较公认的理想喷射系统,公共油轨(共轨)起着储存和输送燃油 的作用,高压泵将燃油送入油轨,再从油轨送到喷油器,最终进入汽缸。喷油压力的产生和喷射 正时控制分开。在共轨油道与喷油嘴之间有短管相联,这样喷油器顶端始终保持高压力,喷油器 的开启由 ECU 驱动电磁阀控制,始终保持高压是同传统喷油系统的最大区别,消除了压力随柴 油机转速的变化, 而且电子控制使得可以对喷油过程进行控制, 较高的喷射压力还提高了喷雾的 质量,使得油气混合更充分,为实现均质燃烧创造条件。 总的来说,低排放环保型柴油机燃油系统技术的发展方向是: 提供较高且适宜的喷油压力,以改进燃烧,降低油耗,减少烟尘和颗粒物的排放; 灵活而准确地控制喷油时刻,降低 HC 和 NOx 的排放,提高燃油经济性; 优化喷油规律曲线,降低燃烧噪声。

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图2

高压共轨系统实物图

(3) 废气涡轮增压与 EGR 技术 增压中冷技术:采用废气涡轮增压技术,可以提高发动机的功率,柴油机压缩终了的温度升 高,改善了燃油的雾化性能,降低HC、CO和微粒PM的排放,但柴油机热负荷的加大,反应温 度的提高,过量空气会使得NOx的排放增加。为了降低反应温度,就必须对增压空气进行冷却, 进一步提高了进气量的同时,使得 NOx的排放量相对下降。 可变涡轮增压技术: 可变喷嘴涡轮技术 (VNT) 可以满足发动机的全程要求: 低速或怠速时, 喷嘴叶片关闭或开度很小,从而提高发动机的低速扭矩和响应性;高速时,喷嘴叶片全开或开度 加大,但保证发动机的动力。采用VNT后,低速工况CO、HC和PM的排放得以改善,NOx的排 放同比没有增加。在同等的条件下,适当增加 EGR 的强度,可以进一步的降低NOx的排放

批注 [e3]:

批注 [e4]:

a) 喷嘴开度小的情况

b) 喷嘴开度大的情况

c)

AVNT 内部结构 图3

d) AVNT 控制机构 可变涡轮增压系统结构图

废气再循环(EGR) :采用废气再循环可使燃烧放热反应的强度下降,反应的最高温度和压力 降低,NOx 的排放量下降,这是降低氮氧化合物排放最有效的办法。为了进一步降低反应混合
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气的温度,可以对 EGR 进行冷却,这会使得发动机的机构复杂;可以加大 EGR 的深度,进一 步降低氧气的浓度,但过深 EGR 会使得燃烧不畅或熄火,排放增加。 (4)发动机参数优化 柴油机的多气门技术: 采用多气门技术,通过控制部分气道的关闭来控制进气涡流的强度, 形成与柴油机转速匹配的涡流。在柴油机低速时候,关闭部分气道,可以让进气涡流大大提高, 实现对涡流控制,使得柴油机在低速状态混合质量提高,改善柴油机排放质量。 选取合适的压缩比: 压缩比过小会影响柴油机的起动性能, 过高的压缩比将导致最高的燃烧 压力和温度升高, NOx的排放增加,而经济性上升又不明显,PM排放的改善也不多。 优化燃烧室形状: 燃烧室的形状是必要的优化参数之一, 对于小缸径高速柴油机, 要求燃烧 室本身能够组织涡流,一般应采用缩口形的燃烧室以便形成二次燃烧涡流。 改进设计, 降低润滑油的消耗: 柴油机的运转工况非常复杂, 润滑油在气缸壁面上的不合理 分布,会让更多的润滑油进入排气之中,这是造成 PM 排放增加的因素之一。影响这方面的因素 有: 缸套:表面变形、表面粗糙度、加工精度等 活塞环:气环和油环的截面形状、数目、开口方式、压力分布、加工精度等。 活塞与缸套:活塞的外部形状、与缸套的配合、变形、回油措施等 精加工过程和更好的材料 尽量使用更加精密的零件和更好的材料,减少磨损。 (5) 排气后处理 后处理是指在发动机中的废气排入大气前, 对其进行收集处理的方法。 这方面最有前途的三 个系统是降低 NOx 的催化反应器、微粒捕集器和 HC 排放的氧化催化转换器。 用于减少NOx主动选择催化还原装置: NOx的排放控制有其固有的难度, 柴油机上使用的NOx 控制技术必须依靠NOx与一种还原剂产生反应来实现。稀薄燃烧(氧气过量)的排放环境,使得 缺乏足够的用于将氮化物还原为氮气的还原剂(主要是碳氢化合物) ,会使这个反应变得更为困 难;NOx的直接分解需要一定的热量,使用这种方法所需的活化能量极高,以至于目前所知的催 化剂效果都过于缓慢,耐用性差,而且容易被燃油中的硫所“毒化” 。稀燃NOx的催化转化主要 使用氨水(NH3) 、三聚氰酸(HNCO)或其它碳氢化合物作为催化剂还原剂,在实际应用中还 原剂的使用难以准确定量,因为NOx的生成没有精确的计量方法。 颗粒捕集器及再生技术: 微粒捕集器包括过滤体材料和过滤体再生技术两个关键技术, 再生 式捕集器有外部式再生和内部式再生两种。 对于前者, 需要每隔一段时间就将捕集装置取下来以 清除颗粒物。内部式再生式收集器可自动燃烧掉颗粒物。主动式系统使用发动机本身的能量,被 动式系统则需使用外部能量。车辆排气系统中任何一种捕集或过滤系统都会导致发动机功率损 失,降低燃油经济性。使用陶瓷或金属的过滤装置,效率约为 50~90%。根据汽车工程师协会的 研究结果,那些为人们所关注的能进入我们肺部的细小颗粒物(尺寸小于 100nm 的)几乎可以 全部清除。 氧化催化转换器: 氧化催化转换器也可以减少 PM、CO、HC 等有害气体的排放,抵消因使 用 EGR 而导致的 PM 排放的增加。对于健康专家所关注的液态碳氢化合物,由于其燃烧温度较 低,使用氧化催化剂可以使其减少 90% 以上,目前影响其性能的主要问题是燃油含硫量较高,

批注 [e5]:

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对催化剂产生毒害。 作者单位经过多年的研究, 开发出对柴油机气体排放具有良好效果的氧化催 化剂。 (6)良好的维护保养 常规性的维护保养是降低排放的一个简单办法, 而得不到很好维护保养的汽车, 其排放会比 较严重。由于使用时间的关系,灰尘和其它颗粒物将在有相对运动的部件之间沉积下来,造成不 必要的摩擦和磨损;发动机使用运行之中,使用松动的零部件,会造成性能恶化,排放增加;润 滑油进入燃烧室将会因缺氧燃烧将会导致 PM、HC 排放增加;优质的机油和柴油过滤器可以延长 维护保养周期,因为它们可以收容更多的颗粒物,并延长机油分解、老化时间。 喷嘴必须保持 清洁,同时进行常规校准,以保持正确的供油量和排放。灰尘和颗粒物也会阻塞供油系统或引起 过量磨损,如果喷嘴损坏的话,会引起不完全燃烧。 3. 结 论 由以上分析可以看出, 要使得柴油机排放得到很好的控制, 涉及到燃油、 发动机的设计制造、 排气后处理装置的研制、使用操作人员的技术环保意识等,可说是一个全方位的综合课题。从总 的方面看,控制排放要考虑以下几个方面: 1) 柴油企业提供高品质的柴油或代用燃料。 2) 柴油机生产企业开发设计采用低排放技术措施。 3) 柴油机操作使用人员要注意环保节能,尽量在操作中减少有害物和温室气体的排放。 降低柴油机排放量,必须从发动机工作的整体来考虑,包括燃油、机内净化、排气后处理, 广义上的排放控制还应包括个人的操纵、 技术保养等各个方面。 需要发动机厂商和石油企业的密 切结合,也需要广大的动力机械使用者的参与。 参 考 文 献
1.蒋德明 3、唐玉成 5、董 刚等 内燃机燃烧与排放学 西安交通大学出版社 2001 现代化工 2000(8) 1999(3) 2001(1) 2. 杜传进等 柴油添加剂在柴油机微粒净化中的应用研究 武汉理工大学学报 (信息与管理科学版) 2002(1) , 减少柴油机卡车污染物排放的新催化剂 4、刘杰 柴油机汽车尾气净化装置的研制 汽车技术

十六烷值改进剂对涡流室柴油机排放特性的影响 燃烧科学与技术

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