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《濱州學院學報》2016年第2期

摘要：

針對柴油機排放污染物的生成特點，從提高燃料品質、選用合適的機內凈化技術和增加后處理裝置三方面分析了排放控制技術，并展望了未來的發展方向。

關鍵詞：

柴油機；污染物；柴油清潔；控制技術；聯合凈化

經濟增長和城市化建設促進了我國汽車工業的快速發展。2014年全國汽車保有量為1．54億輛，較去年增長1707萬輛。在節能惠民補貼、二手車置換等利好政策的引導下，汽車產銷量分別達到2372．29萬輛和2349．19萬輛，同比增長7．3％和6．9％，我國連續6年成為世界第一大汽車產銷國［1］。在汽車產業迅速發展的同時，也帶來了嚴重的污染問題。環保部的《2013年中國機動車污染防治年報》中顯示，2012年機動車作為污染總量的主要貢獻者，總的排放量已達4612．1萬噸，排放的NOx和PM所占比例超過90％，HC和CO超過70％。從所用燃料上看，柴油機排放的NOx接近汽車排放總量的70％，PM超過90％；而汽油車CO和HC排放量則較高，超過排放總量的70％［2］。與汽油機相比柴油機，在動力性和經濟性上都具有明顯優勢，因此得到了廣泛應用。柴油機的排放污染物主要是NOx和PM。NOx包括NO和NO2，具有較強的刺激性，能夠引起人體呼吸道的疾病，還可與空氣中的水蒸氣反應形成酸雨，使土地酸化。PM是空氣中的懸浮顆粒物，直徑微小的顆粒物被人體吸入肺中可造成肺功能下降，甚至引起癌變。此外，顆粒物大規模聚集還會形成霧霾，影響人們的正常生活。如何有效降低柴油機污染物的排放量已成為內燃機領域研究的熱點問題。目前，控制技術主要集中在提高燃料品質、采用合適的機內凈化措施和增加機外后處理裝置三方面。

1提高燃油品質

作為內燃機的動力源，燃油的品質對發動機動力性、經濟性和排放性能都有重要影響。目前，柴油機以柴油為主要燃料，其他新興代用燃料也發展很快，應用前景廣闊。

1．1柴油

在柴油的成分中，含硫量對排放性能影響很大。柴油中的硫在燃燒后會生成硫酸鹽顆粒物，使PM排放量增加。研究人員選用4種含硫量不同的柴油在直噴渦輪增壓柴油機上進行排放特性研究，實驗結果表明，PM的排放量隨柴油含硫量的減小呈下降趨勢，最大降幅為38％［3］。而且，硫還會造成排氣后處理裝置的催化劑中毒，影響凈化效果。因此，各國的燃油標準都對柴油中的硫含量有明確規定，且逐年嚴格。表1是各排放標準中柴油含硫量的限值變化。針對柴油中硫化物對排放性能的影響，主要的凈化方法包括加氫脫硫和非加氫脫硫兩種。加氫脫硫技術經過多年發展已較為成熟，目前大規模柴油脫硫主要應用該種方法。加氫脫硫是指在催化劑的作用下，將柴油中的有機硫化物同H2反應生成H2S，從而降低含硫量的工藝。加氫脫硫對反應條件要求較為苛刻，對反應溫度和壓力有嚴格的控制范圍，凈化設備費用較高。凈化后的柴油含硫量雖能滿足目前的法規要求，但對油品中的噻吩類衍生物去除效果不理想，難以實現深度脫硫，從而限制了該技術的進一步發展及應用［4］由于加氫脫硫存在各種缺陷，非加氫脫硫技術逐漸受到重視，并取得了較大發展。非加氫脫硫主要包含氧化脫硫、生物脫硫和吸附脫硫等。氧化脫硫是指硫化物在氧化劑的作用下反應生成砜類物質，再通過極性溶劑將其除去的方法。該方法脫硫效果明顯，工藝流程簡單，能耗較低。生物脫硫利用菌類對硫化物的吸收作用，達到凈化效果。該方法對酶菌類的清潔生產、運輸存儲及使用條件等都有嚴格的要求。吸附脫硫是利用吸附劑對油品中的含硫化合物進行選擇性吸附，從而達到去除的效果。其技術難點主要集中在吸附劑的制備和選擇［5］。柴油中芳香烴的含量也會影響PM的生成。芳香烴是分子中含苯環的碳氫化合物，高溫下燃燒過程緩慢且容易發生不完全燃燒，生成顆粒物。實驗表明，ESC穩態循環時，柴油中芳香烴含量下降20％，NOx和PM的生成量都會有明顯降低［6］。

1．2代用燃料

雖然車用柴油機仍以柴油作為主要燃料，但隨著世界石油資源的日益枯竭，各國排放法規的日漸嚴格，開發清潔環保的代用燃料已迫在眉睫。目前，主要的代用燃料有生物柴油、二甲醚和天然氣等。生物柴油是以生物油脂為原料，經過酯交換反應得到的脂肪酸化合物。生物柴油具有與石化柴油相似的物理特性，但芳香烴、硫和鉛等有害成分卻少得多，因此燃燒時產生的污染物排放量較低。二甲醚的含氧量較高，分子中無碳鍵結構，故燃燒后幾乎不產生碳煙。另外，二甲醚的十六烷值較高，自燃性好，沸點低，噴入氣缸后能快速形成均勻的可燃混合氣，且汽化潛熱量高，汽化過程能吸收較多熱能，故降低了缸內燃燒溫度和壓力，抑制了NOx的生成［7］。天然氣的主要成分是CH4，作為代用燃料主要應用在油氣雙燃料柴油機上。天然氣以直噴的方式被噴入氣缸內，經少量柴油壓縮自燃后產生的火焰中心點燃，燃燒過程平穩，放熱率峰值較低，燃燒持續時間長，污染物生成量較低［8］。

2機內凈化技術

2．1改善進氣系統

改善進氣系統可使油氣混合更充分，有效減少機內高溫缺氧區域，降低排放物的生成。目前，一般采用可變渦流與多氣門結合的控制方法。可變渦流技術通過控制閥門開度，改變進氣管截面積，從而使進氣渦流強度發生變化，減少PM的生成［9］。多氣門控制系統通過增加氣門數量，增大氣門處的流通面積，使殘余廢氣能排出氣缸，有效的提高充氣系數，優化燃燒過程，降低PM和NOx的生成量。

2．2電控高壓柴油噴射技術

電控高壓柴油噴射技術，特別是高壓共軌噴射系統已成為柴油機提高動力性、經濟性，降低排放的重要手段。高壓共軌噴射系統將柴油在高壓的作用下通過細小的噴油器噴孔噴入氣缸中，期間柴油液滴得到充分霧化，保證了氣缸內油滴的均勻分布，減小了不充分燃燒區域，降低了PM的生成［10］。高壓共軌噴射系統還可根據實時工況，由電控單元調整噴油器的開啟時刻和持續時間，從而獲得最佳提前角度，有效控制缸內的壓力和溫度，降低NOx的排放。

2．3增壓中冷技術

增壓中冷技術不僅可以提高柴油機的動力性和經濟性，還可降低污染物的排放，因此在現代柴油機上被廣泛應用。增壓中冷器包含增壓器和中冷器兩部分。增壓器通過提高進氣壓力達到增加進氣量的目的。但氣體壓力的增加會導致進氣溫度升高，過高的溫度不僅限制了進氣密度，還會使缸內燃燒溫度升高，造成NOx排放增多。因此增壓后的氣體需通過中冷器降低進氣溫度。研究表明，進氣溫度每降低1℃，NOx生成量可減少0．5％～0．67％。而中冷器可將增壓后的進氣溫度降至50℃以下，有效控制了污染物產生［11］。

2．4廢氣再循環

廢氣再循環是通過將排氣管排出的部分廢氣重新導入氣缸中燃燒來降低NOx排放的控制技術。實驗表明，EGR率（再循環的廢氣量與進入氣缸的進氣總量的比值）為15％時，NOx排放量降低50％，EGR率為25％時，NOx排放量降低80％。廢氣再循環中重新導入的廢氣可降低缸內的氧氣濃度，減緩燃燒速率，從而降低了缸內的最高溫度和壓力，進而抑制NOx的生成［12］。但過多的廢氣進入氣缸，會影響油氣的正常混合和燃燒，對柴油機的動力性和經濟性產生影響。因此，EGR率的控制成為EGR技術的關鍵。EGR系統通過EGR閥門調節進入氣缸的廢氣量，實現不同工況對EGR率的要求。

2．5新的燃燒模式

柴油機的缸內燃燒對污染物的生成起決定性作用，通過優化燃燒過程可以從根本上控制污染物的排放。但傳統的燃燒方式無法實現NOx和PM的同時降低，因此，探索新的燃燒方式成為柴油機排放控制領域新的研究方向。均質壓燃燃燒、預混合充量燃燒和低溫燃燒都是通過改善空氣和燃油混合方式及燃燒傳播過程控制污染物的新燃燒方式。HCCI優化進氣系統和燃油噴射過程，增強缸內渦流運動，加強燃油霧化效果，以獲得均勻的混合氣。形成的均勻混合氣在壓縮上止點附近被壓縮后多點同時著火，減少火焰傳播距離，縮短燃燒持續期，降低缸內溫度，減少了NOx和PM的排放量［13］。盡管HCCI可以有效降低缸內污染物的生成，但要獲得絕對均勻的混合氣，實現條件苛刻且控制過程復雜，而且較低的燃燒溫度使得后期燃燒過程緩慢，熱效率不高，這限制了HCCI在柴油機上的應用。PCCI是燃料在進氣沖程中隨空氣進入氣缸，并與空氣迅速混合形成均質混合氣，在壓縮沖程中，噴入的燃油在活塞到達上止點附近發生自燃，均質混合氣發生預混燃燒，未燃的燃油同時進行擴散燃燒。相比HCCI的均質混合氣燃燒，PCCI一部分是預混均質混合氣燃燒，另一部分是噴霧擴散燃燒，因此預混合量和噴射時間是影響燃燒進行的主要因素［14］。LTC是HCCI技術的延伸。研究表明，將缸內燃燒溫度控制在1280℃左右時，即使混合氣濃度較高（過量空氣系數＞2），也可有效減少PM的生成。LTC技術采用較高的EGR冷卻率降低缸內溫度，延長燃燒過程的滯燃期，并通過高壓燃油噴射與缸內渦流運動相互作用形成濃度分層的混合氣，加強后期的燃燒反應，可有效降低PM排放量，同時較低的燃燒溫度也控制了NOx的生成［15］。

3機外后處理技術

柴油機通過機內凈化技術可以有效控制污染物的生成，但要滿足日漸嚴格的排放法規要求，還需加裝后處理裝置。目前，針對柴油機排放控制主要有兩種技術路線。一種是在歐洲應用較多的優化燃燒＋選擇性催化還原技術。該路線通過優化混合氣形成及燃燒過程，降低PM的生成，再由SCR后處理裝置凈化排出的NOx。另一種是美國廣泛采用的EGR＋柴油機顆粒捕集器技術。該路線采用EGR降低NOx的排放量，然后通過加裝在排氣管上的顆粒捕集器實現對PM的凈化。

3．1SCR技術

SCR技術是將一定量的還原劑（常用32．5％濃度的尿素溶液）由安裝在排氣道上的尿素噴嘴噴入SCR催化器上游，尿素溶液經高溫水解釋放的NH3在SCR催化劑的作用下將NOx還原成N2和水，從而降低NOx的排放，且還要將未反應的NH3控制在法規限值以下，防止過多的NH3排入大氣，造成二次污染。SCR系統不需對發動機原機結構進行改動，只需在排氣道上加裝SCR噴嘴和催化器，且與采用EGR＋DPF的發動機相比可節省燃油5％～7％，經濟性能優良。凈化效果方面，在300℃～500℃的排氣溫度下，可使NOx排放量下降50％～90％，轉化效率高［16］。常用的催化劑如V2O5－WO3－TiO2，鐵－沸石，銅－沸石等材料對硫反應不敏感，不易因中毒而失去活性，穩定性好。因此，SCR技術在中重型柴油機上有很好的應用前景。但SCR技術也存在應用上的缺陷，主要表現在：由于既要控制NOx的排放量，又不能使過多的NH3排入大氣，因此要取得良好的后處理效果，需要精確復雜的控制策略且要與發動機工況和諧匹配。SCR系統組件尿素罐和尿素管路的布置、噴嘴的安裝位置和角度都要根據車型進行設計［16］。此外，SCR催化劑在低溫條件下活性不高，長時間使用后會出現老化失效，這些都會對凈化效果產生影響。

3．2DPF技術

DPF技術通過安裝在排氣道上的顆粒捕集器吸附廢氣中的PM，并能將沉積在捕集器表面的PM燃燒凈化，使捕集器持續使用。經過多年的研究開發，DPF技術可以減少柴油機90％的碳煙排放，凈化效果明顯。目前，DPF技術發展的最大瓶頸集中在捕集器的再生問題。當DPF過濾的顆粒物趨于飽和時，如不及時燃燒清理，會堵塞捕集通道，影響PM凈化效果，同時還會造成排氣背壓上升，影響發動機的動力性和經濟性。因此，捕集器需要具有再生使用的能力。DPF的再生方式主要有兩種，即主動再生和被動再生［17］。主動再生是通過外部熱源提高排氣溫度，使之達到微粒的起燃溫度實現再生功能，應用較多的是電加熱和燃燒器加熱。電加熱再生通過溫控單元調節加熱電阻絲的電流強度，控制加熱量并使DPF內腔溫度保持恒定。燃燒器加熱通過加裝在捕集器前端的低壓燃油噴射系統將柴油和空氣噴入氣道，在入口處安裝的點火器將油氣點燃，產生的熱能燃燒顆粒物。被動再生是指不借助外部輔助加熱裝置，通過催化劑作用降低顆粒物的最低燃燒溫度，完成再生過程。常用的催化劑包括Cu、Sr、Ce和Pt等貴金屬材料，實驗表明，在上述催化劑的作用下，顆粒物的最低燃燒溫度可下降到350℃，且火焰傳播速度加快，反應完全。

4展望

面對日益嚴重的排放污染和嚴格的法規要求，只有將提高燃油品質、完善機內凈化技術和增加后處理設備綜合應用，才能取得良好的控制效果，達到凈化污染排放的目的。隨著國Ⅴ排放標準的實施，通過提煉和加工工藝上創新，柴油中硫及芳香烴含量將會降低，而代用燃料、合成燃料及生物燃料的開發和研究，也為燃料的可持續發展發展提供了保障。同時，發動機的集成化發展趨勢、電控技術的廣泛應用、柴油機與后處理裝置的性能匹配及新型燃燒方式的探索都將有成為柴油機污染物控制的新方向。

參考文獻：

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作者:馮川 單位:濱州學院機電工程系