车用柴油发动机尾气排放的分析与控制.docx

车用柴油发动机尾气排放的分析与控制龚文资 杨 丽( 无锡商业职业技术学院江苏 无锡214153)摘 要:简要介绍了国内车用柴油机的现状、特点及排放法规; 阐述了柴油机的主要排放污染物及其控制难点; 重点对 NOx 和 PM 的控制技术要点进行了分析与研究。关键词:排放法规 排放污染物 分析 控制难点 技术要点 优化 后处理中图分类号: TK421 5文献标识码:A文章编号:1671 0630(2011)06 0086 03The Analysis and Control of Diesel Engines EmissionGong Wenzi，Yang LiWuxi Institute of Commerce( Wuxi，Jiangsu，214153，China)Abstract: This paper briefly introduced the present situation，the characteristic and emission regulations of au-tomotive diesel engine; expounded the main pollutants and its controlling difficulties; focused on the the tech- nical key points of controlling on NOx and PMKeywords: Emission regulations， Emission pollutants， Analysis， Controlling difficulties， Technical keypoints，Optimize，Post processing引言随着电子技术和计算机技术的飞速发展，特别是 以微电子技术为核心的计算机控制技术和现代传感器 技术的迅速发展为进一步提高柴油机性能、改善排放 奠定了基础。目前柴油机技术实现了从机械式燃油喷 射向电控燃油喷射的历史性跨越。随着电控燃油喷射 技术的不断发展和成熟，柴油机在性能、排放、比功率、 噪声、振动等方面都取得了重大突破，特别是在排放和 噪声等方面已接近或达到汽油机水平，因此，电控柴油 机在轻型、重型汽车上得到了广泛的应用，甚至在轿车 上也有迅速发展的趋势1。随着我国对环保的日益 重视，要满足日益严格的政策法规，研究排放技术乃是 当务之急。我国中小缸径多缸柴油机生产厂家中约 60%( 约 40 家) 生产小缸径的轻型柴油机，其中约 60% 与 各类车辆配套，产量已超过 300 万台，用户对其价格很 敏感;轻型车用柴油机绝大部分是以原农用车用柴油 机为基础，长期为微利产品，缺乏研发和生产投入，柴 油机本体技术水平较低，生产制造装备相对落后;近年来通过对柴油机本体的技术改进以及选用 高性能的燃油系统，现在基本能够满足国排放法规 要求。而对于目前量大面广的中低端市场的轻型车用 柴油机，国排放开发工作进行得非常有限，很多工作 还没有进行。2) 重型车用柴油机生产厂家装备相对先进、柴油机本体技术水平 较高、售价也相对较高;国内车用柴油机的现状和特点1) 轻型车用柴油机1作者简介: 龚文资( 1968 ) ，男，本科，副教授，主要从事汽车电子控制技术方面的研究及汽车专业的教学工作。第 6 期龚文资等: 车用柴油发动机尾气排放的分析与控制87通过对柴油机本体的技术改进以及选用高性能的燃油系统，很多已能够满足国排放法规要求;目前有些厂家已开展国、甚至欧排放研究， 并有厂家报道在采用外国公司的共轨燃油系统以及相 关后处理系统后达到了国排放标准。排放法规基本介绍GB17691 2005 和 GB18352 3 2005 分别对车 用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物 第、和阶段( 通称国、国和国标准) 的排 放限值与测量方法以及轻型汽车第、阶段的排放 限值与测量方法作出了新的更加严格的规定。根据 GB17691 2005，对于重型柴油机来说，从国 到国 ，CO、HC 和 NOx 要减少 30% ，但 PM 要降低 80% 。 而从国到国，CO、HC 和 PM 要求不变，但 NOx 要 降低 43% 。根据 GB18352 3 2005，对于轻型柴油机 来说，从国 到国，CO 要降低 22% ，而 NOx 和 PM 均要减少 50% 。由此可见，从国到国 / 国，排放要求越来越 严，对柴油机( 尤其是轻型车用柴油机) 的开发工作影 响很大，需要做大量的技术开发工作。特别是对于某 些轻型车用柴油机而言，由于用途不同，需要分别适应 GB17691 2005 和 GB18352 3 2005 这两个标准，其 匹配、标定和认证工作量、难度更大。2图 1 炭烟与 NOx 排放的关系及控制方法示意图刚度) ; 先进的热管理( 冷却系统和水流场优化) ; 低的 机油消耗。先进的空气处理技术先进的增压 / 增压中冷技术，控制进气温度，先进 的 EGR 技术。先进的高压喷射技术高的喷射压力，可以任意控制喷射压力、喷油时 间，可以控制喷油率形态，实现多次喷射，可变喷孔技 术，特殊的喷油器和喷油嘴结构设计3。系统优化匹配技术 进气涡流比、燃烧室、喷孔参数( 孔径、数量、角度和流量系数) 等参数的合理选择、匹配，提高油气混合 质量。低温燃烧技术 一种能够在各种负荷和转速工况下根据增压压力和 EGR 率有效提供正确的混合气的增压 / 空气处理 / EGR 系统。且能够在低温燃烧模式和常规燃烧模式 之间进行切换。2) 实现清洁高效燃烧的油料技术 柴油机要实现清洁高效燃烧还需要采用高质量的柴油机的排放污染物及其控制难点虽然内燃机排放污染物种类很多( 140 多种) ，但 是，世界各国排放标准一般只控制其中几种主要的排 放物。对柴油机来说，主要控制 CO、HC、NOx 和 PM。 而且柴油机的 CO、HC 排放较低，因此，柴油机应重点 控制 NOx 和 PM。但柴油机的 NOx 不仅和 PM 是一对 矛盾，还与燃油消耗率构成一对矛盾，此降彼涨。故同 时降低 NOx 、PM 排放和油耗成为柴油机排放控制的难3点2。PM 的主要成分炭烟与 NO 排放的关系及控制柴油，必须控制油品质量，制订相关标准 供应高标准，x方法如图 1 所示。的柴油。优化柴油配方、提高十六烷值、降低含硫量和多环芳香烃含量是目前提高柴油品质的重点。3) 实现超低排放的后处理技术 后处理技术是未来柴油机实现超低排放的关键和核心技术。随着排放法规日益严格和对发动机的要求 不断提高，仅通过优化发动机设计和燃烧过程及应用 清洁高效燃油也是很难满足要求的，往往需要采用后 处理方法。对柴油机而言，目前还没有找到一种像汽4柴油机的排放控制技术要点排放控制是一项系统工程，必须结合中国的国情采用合适的技术手段。1) 先进的发动机本体设计与先进的高压燃油喷 射技术先进的发动机本体设计和优化 适应高强化要求的先进的结构设计( 高的强度和小 型 内 燃 机与 摩 托 车第 40 卷88油机的三效催化器那样十分有效的技术 / 装置，足以解决柴油机的所有排放问题。NOx 的后处理技术和装置a 选择催化还原系统 SCR以氨或尿素作还原剂，以 V2 O5 、TiO2 作为催化剂， 在专门的催化反应器中进行反应来达到去除 NOx 的 目的4。b 稀 NOx 催化剂 LNCLNC 技术是近年来发展的一种较新的 De NOx 技术，它利用 HC 作还原剂脱除 NOx 。LNC 系统分为 主动式和被动式两种，其技术的进一步研究主要集中 在增加催化剂的运行温度范围及转化效率上。c NOx 吸附催化器 NAC利用贵金属催化剂在稀混合气状态下将 NOx 中 的 NO 转化成 NO2 ，并吸咐在 BaO 等碱性氧化物上生 成硝酸盐，定期在浓混合气状态下将 NOx 脱除并还原 成 N2 。d 低温等离子技术 NTP因等离子对 NOx 较 SOx 具有很高的选择性，并能 促进活性物质的生成，使其在催化剂活性作用下选择 性地生成目标产品，以获得高活性与高选择性。PM 的后处理技术和装置5a 氧化催化装置 DOC柴油机 PM 排放物是一种由许多固态和液态成份 组成的复合物，其构成和影响因素很复杂。归纳起来 其成份主要可分为可溶性有机成分( SOF) 、不可溶有 机颗粒物( INSOL) 、硫酸盐和水、少量的其它成分等。 DOC 技术主要对 SOF 有效，同时可去除 HC、CO 等污 染物。它是在蜂窝陶瓷载体上负载贵重金属铂、铑作 为催化剂，在一定温度及催化剂的作用下，使排气中的 SOF、CO、HC 氧化来降低排放污染物。它对燃油中硫 含量极其敏感，要求柴油硫含量低。b 微粒捕集器 DPFDPF 是目前国际上最接近商品化的柴油机微粒后 处理技术。主要由过滤装置、再生装置、控制装置三部 分组成，关键技术是过滤材料和过滤体再生。4) 降低机油消耗6研究发现，柴油机的不可溶颗粒排放物还与润滑 油有关，机油消耗对颗粒排放的影响是相当大的。所 以，减少机油的消耗量也是降低柴油机颗粒排放的关键技术。优化活塞和活塞环的结构形状，通过气缸套珩 磨使其表面形成合理的平台网纹; 优化发动机机体结 构、提高机体刚度、减小机械变形; 优化冷却系设计、使 水流场、温度场分布合理、减小热变形，从而使活塞、活 塞环和缸套良好配合。通过提高气门导管和气门杆配合表面的制造精 度，优化配合间隙，减少通过气门导管、气门座圈进入 燃烧室的机油。优化增压器轴承结构或配合，改进增压器密封 效果，控制增压器的机油消耗。对曲轴箱扫气通风进行油气分离，优化油气分 离器的设计，减少从曲轴箱通风管路进入燃烧室的机 油消耗。根据发动机负荷、技术配置等优化设计润滑 油路。结论柴油机排放污染物的控制重点是 NOx 和 PM，同 时也是控制难点。当前的排放控制技术仍以机内净化 和后处理技术为主，柴油品质也是影响柴油机排放的 一个重要方面。机内净化本质上是合理优化机体本身5及燃烧过程; 后处理实质上主要依赖化学反应 将各。种技术 结 合使用将是柴油机排放控制技术的发展 趋势。参考文献杜愎刚，朱会田，许力 车用柴油机排放控制现状与技术进展J 内燃机工程，2004，25( 3) : 71 74 邱卓丹，张洪涛 柴油机微粒排放后处