柴油机排放污染物控制技术研究范文

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《滨州学院学报》2016年第2期

摘要：

针对柴油机排放污染物的生成特点，从提高燃料品质、选用合适的机内净化技术和增加后处理装置三方面分析了排放控制技术，并展望了未来的发展方向。

关键词：

柴油机；污染物；柴油清洁；控制技术；联合净化

经济增长和城市化建设促进了我国汽车工业的快速发展。2014年全国汽车保有量为1．54亿辆，较去年增长1707万辆。在节能惠民补贴、二手车置换等利好政策的引导下，汽车产销量分别达到2372．29万辆和2349．19万辆，同比增长7．3％和6．9％，我国连续6年成为世界第一大汽车产销国［1］。在汽车产业迅速发展的同时，也带来了严重的污染问题。环保部的《2013年中国机动车污染防治年报》中显示，2012年机动车作为污染总量的主要贡献者，总的排放量已达4612．1万吨，排放的NOx和PM所占比例超过90％，HC和CO超过70％。从所用燃料上看，柴油机排放的NOx接近汽车排放总量的70％，PM超过90％；而汽油车CO和HC排放量则较高，超过排放总量的70％［2］。与汽油机相比柴油机，在动力性和经济性上都具有明显优势，因此得到了广泛应用。柴油机的排放污染物主要是NOx和PM。NOx包括NO和NO2，具有较强的刺激性，能够引起人体呼吸道的疾病，还可与空气中的水蒸气反应形成酸雨，使土地酸化。PM是空气中的悬浮颗粒物，直径微小的颗粒物被人体吸入肺中可造成肺功能下降，甚至引起癌变。此外，颗粒物大规模聚集还会形成雾霾，影响人们的正常生活。如何有效降低柴油机污染物的排放量已成为内燃机领域研究的热点问题。目前，控制技术主要集中在提高燃料品质、采用合适的机内净化措施和增加机外后处理装置三方面。

1提高燃油品质

作为内燃机的动力源，燃油的品质对发动机动力性、经济性和排放性能都有重要影响。目前，柴油机以柴油为主要燃料，其他新兴代用燃料也发展很快，应用前景广阔。

1．1柴油

在柴油的成分中，含硫量对排放性能影响很大。柴油中的硫在燃烧后会生成硫酸盐颗粒物，使PM排放量增加。研究人员选用4种含硫量不同的柴油在直喷涡轮增压柴油机上进行排放特性研究，实验结果表明，PM的排放量随柴油含硫量的减小呈下降趋势，最大降幅为38％［3］。而且，硫还会造成排气后处理装置的催化剂中毒，影响净化效果。因此，各国的燃油标准都对柴油中的硫含量有明确规定，且逐年严格。表1是各排放标准中柴油含硫量的限值变化。针对柴油中硫化物对排放性能的影响，主要的净化方法包括加氢脱硫和非加氢脱硫两种。加氢脱硫技术经过多年发展已较为成熟，目前大规模柴油脱硫主要应用该种方法。加氢脱硫是指在催化剂的作用下，将柴油中的有机硫化物同H2反应生成H2S，从而降低含硫量的工艺。加氢脱硫对反应条件要求较为苛刻，对反应温度和压力有严格的控制范围，净化设备费用较高。净化后的柴油含硫量虽能满足目前的法规要求，但对油品中的噻吩类衍生物去除效果不理想，难以实现深度脱硫，从而限制了该技术的进一步发展及应用［4］由于加氢脱硫存在各种缺陷，非加氢脱硫技术逐渐受到重视，并取得了较大发展。非加氢脱硫主要包含氧化脱硫、生物脱硫和吸附脱硫等。氧化脱硫是指硫化物在氧化剂的作用下反应生成砜类物质，再通过极性溶剂将其除去的方法。该方法脱硫效果明显，工艺流程简单，能耗较低。生物脱硫利用菌类对硫化物的吸收作用，达到净化效果。该方法对酶菌类的清洁生产、运输存储及使用条件等都有严格的要求。吸附脱硫是利用吸附剂对油品中的含硫化合物进行选择性吸附，从而达到去除的效果。其技术难点主要集中在吸附剂的制备和选择［5］。柴油中芳香烃的含量也会影响PM的生成。芳香烃是分子中含苯环的碳氢化合物，高温下燃烧过程缓慢且容易发生不完全燃烧，生成颗粒物。实验表明，ESC稳态循环时，柴油中芳香烃含量下降20％，NOx和PM的生成量都会有明显降低［6］。

1．2代用燃料

虽然车用柴油机仍以柴油作为主要燃料，但随着世界石油资源的日益枯竭，各国排放法规的日渐严格，开发清洁环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、二甲醚和天然气等。生物柴油是以生物油脂为原料，经过酯交换反应得到的脂肪酸化合物。生物柴油具有与石化柴油相似的物理特性，但芳香烃、硫和铅等有害成分却少得多，因此燃烧时产生的污染物排放量较低。二甲醚的含氧量较高，分子中无碳键结构，故燃烧后几乎不产生碳烟。另外，二甲醚的十六烷值较高，自燃性好，沸点低，喷入气缸后能快速形成均匀的可燃混合气，且汽化潜热量高，汽化过程能吸收较多热能，故降低了缸内燃烧温度和压力，抑制了NOx的生成［7］。天然气的主要成分是CH4，作为代用燃料主要应用在油气双燃料柴油机上。天然气以直喷的方式被喷入气缸内，经少量柴油压缩自燃后产生的火焰中心点燃，燃烧过程平稳，放热率峰值较低，燃烧持续时间长，污染物生成量较低［8］。

2机内净化技术

2．1改善进气系统

改善进气系统可使油气混合更充分，有效减少机内高温缺氧区域，降低排放物的生成。目前，一般采用可变涡流与多气门结合的控制方法。可变涡流技术通过控制阀门开度，改变进气管截面积，从而使进气涡流强度发生变化，减少PM的生成［9］。多气门控制系统通过增加气门数量，增大气门处的流通面积，使残余废气能排出气缸，有效的提高充气系数，优化燃烧过程，降低PM和NOx的生成量。

2．2电控高压柴油喷射技术

电控高压柴油喷射技术，特别是高压共轨喷射系统已成为柴油机提高动力性、经济性，降低排放的重要手段。高压共轨喷射系统将柴油在高压的作用下通过细小的喷油器喷孔喷入气缸中，期间柴油液滴得到充分雾化，保证了气缸内油滴的均匀分布，减小了不充分燃烧区域，降低了PM的生成［10］。高压共轨喷射系统还可根据实时工况，由电控单元调整喷油器的开启时刻和持续时间，从而获得最佳提前角度，有效控制缸内的压力和温度，降低NOx的排放。

2．3增压中冷技术

增压中冷技术不仅可以提高柴油机的动力性和经济性，还可降低污染物的排放，因此在现代柴油机上被广泛应用。增压中冷器包含增压器和中冷器两部分。增压器通过提高进气压力达到增加进气量的目的。但气体压力的增加会导致进气温度升高，过高的温度不仅限制了进气密度，还会使缸内燃烧温度升高，造成NOx排放增多。因此增压后的气体需通过中冷器降低进气温度。研究表明，进气温度每降低1℃，NOx生成量可减少0．5％～0．67％。而中冷器可将增压后的进气温度降至50℃以下，有效控制了污染物产生［11］。

2．4废气再循环

废气再循环是通过将排气管排出的部分废气重新导入气缸中燃烧来降低NOx排放的控制技术。实验表明，EGR率（再循环的废气量与进入气缸的进气总量的比值）为15％时，NOx排放量降低50％，EGR率为25％时，NOx排放量降低80％。废气再循环中重新导入的废气可降低缸内的氧气浓度，减缓燃烧速率，从而降低了缸内的最高温度和压力，进而抑制NOx的生成［12］。但过多的废气进入气缸，会影响油气的正常混合和燃烧，对柴油机的动力性和经济性产生影响。因此，EGR率的控制成为EGR技术的关键。EGR系统通过EGR阀门调节进入气缸的废气量，实现不同工况对EGR率的要求。

2．5新的燃烧模式

柴油机的缸内燃烧对污染物的生成起决定性作用，通过优化燃烧过程可以从根本上控制污染物的排放。但传统的燃烧方式无法实现NOx和PM的同时降低，因此，探索新的燃烧方式成为柴油机排放控制领域新的研究方向。均质压燃燃烧、预混合充量燃烧和低温燃烧都是通过改善空气和燃油混合方式及燃烧传播过程控制污染物的新燃烧方式。HCCI优化进气系统和燃油喷射过程，增强缸内涡流运动，加强燃油雾化效果，以获得均匀的混合气。形成的均匀混合气在压缩上止点附近被压缩后多点同时着火，减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期，降低缸内温度，减少了NOx和PM的排放量［13］。尽管HCCI可以有效降低缸内污染物的生成，但要获得绝对均匀的混合气，实现条件苛刻且控制过程复杂，而且较低的燃烧温度使得后期燃烧过程缓慢，热效率不高，这限制了HCCI在柴油机上的应用。PCCI是燃料在进气冲程中随空气进入气缸，并与空气迅速混合形成均质混合气，在压缩冲程中，喷入的燃油在活塞到达上止点附近发生自燃，均质混合气发生预混燃烧，未燃的燃油同时进行扩散燃烧。相比HCCI的均质混合气燃烧，PCCI一部分是预混均质混合气燃烧，另一部分是喷雾扩散燃烧，因此预混合量和喷射时间是影响燃烧进行的主要因素［14］。LTC是HCCI技术的延伸。研究表明，将缸内燃烧温度控制在1280℃左右时，即使混合气浓度较高（过量空气系数＞2），也可有效减少PM的生成。LTC技术采用较高的EGR冷却率降低缸内温度，延长燃烧过程的滞燃期，并通过高压燃油喷射与缸内涡流运动相互作用形成浓度分层的混合气，加强后期的燃烧反应，可有效降低PM排放量，同时较低的燃烧温度也控制了NOx的生成［15］。

3机外后处理技术

柴油机通过机内净化技术可以有效控制污染物的生成，但要满足日渐严格的排放法规要求，还需加装后处理装置。目前，针对柴油机排放控制主要有两种技术路线。一种是在欧洲应用较多的优化燃烧＋选择性催化还原技术。该路线通过优化混合气形成及燃烧过程，降低PM的生成，再由SCR后处理装置净化排出的NOx。另一种是美国广泛采用的EGR＋柴油机颗粒捕集器技术。该路线采用EGR降低NOx的排放量，然后通过加装在排气管上的颗粒捕集器实现对PM的净化。

3．1SCR技术

SCR技术是将一定量的还原剂（常用32．5％浓度的尿素溶液）由安装在排气道上的尿素喷嘴喷入SCR催化器上游，尿素溶液经高温水解释放的NH3在SCR催化剂的作用下将NOx还原成N2和水，从而降低NOx的排放，且还要将未反应的NH3控制在法规限值以下，防止过多的NH3排入大气，造成二次污染。SCR系统不需对发动机原机结构进行改动，只需在排气道上加装SCR喷嘴和催化器，且与采用EGR＋DPF的发动机相比可节省燃油5％～7％，经济性能优良。净化效果方面，在300℃～500℃的排气温度下，可使NOx排放量下降50％～90％，转化效率高［16］。常用的催化剂如V2O5－WO3－TiO2，铁－沸石，铜－沸石等材料对硫反应不敏感，不易因中毒而失去活性，稳定性好。因此，SCR技术在中重型柴油机上有很好的应用前景。但SCR技术也存在应用上的缺陷，主要表现在：由于既要控制NOx的排放量，又不能使过多的NH3排入大气，因此要取得良好的后处理效果，需要精确复杂的控制策略且要与发动机工况和谐匹配。SCR系统组件尿素罐和尿素管路的布置、喷嘴的安装位置和角度都要根据车型进行设计［16］。此外，SCR催化剂在低温条件下活性不高，长时间使用后会出现老化失效，这些都会对净化效果产生影响。

3．2DPF技术

DPF技术通过安装在排气道上的颗粒捕集器吸附废气中的PM，并能将沉积在捕集器表面的PM燃烧净化，使捕集器持续使用。经过多年的研究开发，DPF技术可以减少柴油机90％的碳烟排放，净化效果明显。目前，DPF技术发展的最大瓶颈集中在捕集器的再生问题。当DPF过滤的颗粒物趋于饱和时，如不及时燃烧清理，会堵塞捕集通道，影响PM净化效果，同时还会造成排气背压上升，影响发动机的动力性和经济性。因此，捕集器需要具有再生使用的能力。DPF的再生方式主要有两种，即主动再生和被动再生［17］。主动再生是通过外部热源提高排气温度，使之达到微粒的起燃温度实现再生功能，应用较多的是电加热和燃烧器加热。电加热再生通过温控单元调节加热电阻丝的电流强度，控制加热量并使DPF内腔温度保持恒定。燃烧器加热通过加装在捕集器前端的低压燃油喷射系统将柴油和空气喷入气道，在入口处安装的点火器将油气点燃，产生的热能燃烧颗粒物。被动再生是指不借助外部辅助加热装置，通过催化剂作用降低颗粒物的最低燃烧温度，完成再生过程。常用的催化剂包括Cu、Sr、Ce和Pt等贵金属材料，实验表明，在上述催化剂的作用下，颗粒物的最低燃烧温度可下降到350℃，且火焰传播速度加快，反应完全。

4展望

面对日益严重的排放污染和严格的法规要求，只有将提高燃油品质、完善机内净化技术和增加后处理设备综合应用，才能取得良好的控制效果，达到净化污染排放的目的。随着国Ⅴ排放标准的实施，通过提炼和加工工艺上创新，柴油中硫及芳香烃含量将会降低，而代用燃料、合成燃料及生物燃料的开发和研究，也为燃料的可持续发展发展提供了保障。同时，发动机的集成化发展趋势、电控技术的广泛应用、柴油机与后处理装置的性能匹配及新型燃烧方式的探索都将有成为柴油机污染物控制的新方向。

参考文献：

［1］中华人民共和国环境保护部．2015年中国机动车污染防治年报［R／OL］．（2016－01－19）［2016－02－02］．

［2］中华人民共和国环境保护部．2013年中国机动车污染防治年报［R／OL］．（2014－01－26）［2015－11－20］．

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［6］张文美．现代柴油机燃烧过程中微粒及多环芳香烃变化规律研究［D］．天津：天津大学，2011．

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［12］王建强，杨建军，高继东，等．柴油机尾气排放控制技术进展［J］．科技导报，2011，29（11）：67－75．

［14］汪映，郭振祥，何利，等．二甲醚发动机采用PCCI－DI燃烧方式的研究［J］．内燃机学报，2008，26（4）：319－324．

［15］李克，高海洋，刘双喜，等．柴油机清洁排放控制技术的发展及展望［J］．小型内燃机与摩托车，2012，41（1）：88－92．

作者:冯川 单位:滨州学院机电工程系