二甲醚发动机NOx超低排放的优化设计

李博星，郭健忠，吴君华，沈 琪

Li Boxing, Guo Jianzhong, Wu Junhua, Shen Qi

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉 430081）

1 发动机超低排放的研究背景

1.1 背景

我国石油资源总量相对丰富，但是人均占有量贫乏，仅为世界人均占有量的11%。20世纪80年代末，我国还是除欧佩克之外最大的石油出口国，可是从90年代开始，经济的持续高速发展带动了石油消费量的急剧上升。1993年，我国由石油净出口国变为净进口国；到了2012年，我国石油对外依存度已经达到了58%，石油消耗量已经达到了世界第2位。预计到2015年，我国石油对外依存度将达到60%，届时将面临更加严峻的资源形势。不仅如此，我国石油储量也十分不足，明显落后于世界主要发达国家。

截止2013年1月31日，我国机动车保有量己达2.4亿辆，其中汽车保有量达1.2亿辆，工信部预测到2020年，我国汽车保有量将达到2亿辆。汽车在给人们带来方便快捷的同时，产生的尾气也导致了严重的环境污染问题。来自联合国教科文卫组织和环境组织的联合调查显示，现代城市污染中，汽车污染占34%，其尾气污染至少在20年内无法排除。而环保部门监测表明，大气中碳氧化合物（HC）的96%，一氧化碳（CO）的86%，氮氧化物（NOx）的56%来自机动车排放，而NOx的大量排放会导致酸雨、低空臭氧、光化学烟雾，北京、上海、广州等十余个城市已经出现了最为严重的光化学烟雾的先兆。

全球环境污染加重的普遍性，使得各国不断推出更加严苛的排放法规。我国也不例外，但是相比国外，目前的排放法规还是有着十年左右的差距。我国现行标准是欧洲2005年的欧III标准，而2013年，欧洲也将执行欧Ⅵ这一新标准，差距变得更大。严峻的环境形势一方面促使相关研究人员对传统燃料的排放后处理进行深入研究，另一方面也促使人们去寻找排放性质更低的代用燃料。事实表明，作为新型代用燃料的二甲醚发动机，具有较好的动力和排放性能，成为人们保护环境和替代石油的重要选项。

1.2 二甲醚发动机动力和排放性能

二甲醚十六烷值高，动力性能好，自燃温度低、滞燃期短、NOx排放少，环境性能好，资源较为丰富，对人体无毒。同时二甲醚的能量密度小，低热值是柴油的 66.8%，要使二甲醚发动机达到原柴油机功率，必须增大燃油系统的燃料供应量。实验测得二甲醚和柴油发动机外特性转矩和功率对比如图1所示。

图1中不难看出，在发动机的所有转速范围内，燃用二甲醚的发动机其外特性转矩都比柴油机大，相应功率也大，尤其是转速低于 1400 r/min时，二甲醚发动机的外特性转矩有较大的提高。

在排放方面，二甲醚发动机在某些方面的表现达到了非常不错的效果。二甲醚发动机和欧III排放测试结果如图2所示，HC排放比欧III（也就是国III）排放标准的l/5还要低，远远超过了欧V标准，达到了超低排放；CO排放同样不到欧III排放标准的40%，远低于欧V的标准，达到了超低排放，两者都有着非常明显的效果。相比之下，NOx排放虽有下降，但明显不足，是欧III排放标准的80%，但却要比欧Ⅳ要高出14%多，如果能将 NOx排放降低到同样程度，自然是再好不过。

NOx由N2和O2在高温下反应生成，二甲醚发动机因其燃烧温度较低故排放较低，因此如果采用相应的排放后处理技术，使得 NOx能够像 HC和CO排放一样大幅度降低，三者排放之间相互匹配，对于实现二甲醚发动机整体排放性能的超低排放有着极大的指导意义。因此，本改进方案旨在二甲醚发动机上采用 SCR，进一步大幅度降低NOx排放，使其达到欧Ⅳ、欧V甚至欧Ⅵ的标准。

2 二甲醚发动机 NOx超低排放的改进设计

2.1 国内外研究现状及其研究意义

关于二甲醚发动机的研究，仅仅只有十几年的历史，国内外主要研究都是在传统柴油机上经过燃油系统的局部改造，进行二甲醚燃料的替代。近几年，欧美及日韩等国家均在二甲醚发动机上做了较为深入的研究。二甲醚发动机不但有着较好的动力性能，还具有较低的排放。二甲醚燃料能实现碳烟零排放，大幅降低发动机微粒排放，NOx有一定程度的降低，实验结果表明可以不加尾气后处理装置轻易达到国III的标准。

这方面的研究，我国与国际基本处于同一个水平。随着近几年关于二甲醚发动机理论研究的不断成熟，二甲醚发动机的实体机车也开始出现，但随着排放法规的水涨船高，还需进一步控制NOx排放，实现 NOx的超低排放，从而满足未来国V乃至国Ⅵ的标准。文中通过将SCR技术引进到二甲醚发动机上进行排放后处理，实现二甲醚发动机NOx的超低排放。

超低排放是相比较现行汽车排放水平而言，污染物排放含量极少，对环境几乎不造成污染或者排放在环境可以自我更新程度范围内。如果超低排放能够实现，将极大缓解汽车尾气对大气造成的污染，也极大程度地提高人们的生活质量，对我国经济建设的可持续发展具有重要的意义。

2.2 二甲醚发动机上的SCR设计

在传统柴油机的基础上改进后用做二甲醚燃料发动机，二甲醚燃烧之后的废气通过SCR系统，在添蓝的还原作用下，转化为氮气（N2），降低废气当中NOx的含量，电子检测装置也会不断检测废气中NOx的剩余含量，确定还原工作的进行。后面连接一个氨气（NH3）捕捉器，回收 NH3，最终将处理后的气体排入大气，如图3所示。

二甲醚发动机实现了碳烟零排放，大幅度降低了发动机的微粒排放，排出的尾气经过进一步的氧化，进入SCR催化转化器；同时，SCR控制器通过各种传感器确定适宜的尿素喷射量，通过尿素泵提供高压尿素溶液，并通过喷嘴喷入雾化的尿素溶液与NOx发生反应，完成后通过NH3捕捉器回收多余的 NH3或者因尿素溶液不足而进一步增加喷射量，形成闭环控制，最终将达到标准的尾气排入大气。

二甲醚发动机大多是由柴油机改进而来，并没有专门对NOx的反应机理做出改进措施。因此，在二甲醚发动机上增加SCR技术，充分利用二甲醚发动机碳烟零排放和大幅降低发动机微粒排放的优良特性，极大幅度地降低NOx的排放量，实现超低排放，使其满足未来国V甚至国Ⅵ的标准，从而为今后的环境保护防止空气污染提供更好的借鉴意义。

2.3 二甲醚发动机SCR电控系统的设计策略

SCR在处理汽车废气中，NOx和NH3是矛盾的关系，为了避免在处理NOx中生成多余的NH3而造成二次污染，需要对 NH3等还原剂进行准确的控制，这同样是二甲醚发动机的关键技术之一。还原剂喷射控制方式可以分为开环和闭环两种，开环控制可以满足国Ⅳ的排放要求，但要满足国V乃至国Ⅵ的标准就需要与电控喷油类似的闭环控制策略。具体包括了尿素基本喷射量、稳态修正模块、瞬态修正模块以及反馈修正模块。

尿素基本喷射量是通过计算进气流量和排气NOx浓度，得到发动机每个工作循环中尿素的基本喷油量。稳态修正控制是针对NOx的转换率对基本尿素的基本喷射量进行修正。因为给定的催化剂对 NOx的转化性能主要与空速和催化剂温度，特别是催化剂温度相关，这样可以避免过量的NH3造成泄露。瞬态修正控制是因为发动机的实际工作状况复杂多变，必须根据发动机的工况负荷变化施以不同的修正才能保证任何工况下都能有效降低NOx排放和NH3泄漏。

相比开环控制，闭环控制的优势虽然十分明显，但控制策略较为复杂，由于技术条件限制，闭环控制的可靠性、精度等都有待提高，成本也较高昂。

3 总 结

文中结合当今石油紧缺、空气污染等现状，介绍了近几年二甲醚发动机的发展现状和重要意义，重点分析其在NOx排放方面的不足，并结合当前在欧洲应用广泛的 SCR技术，对二甲醚发动机 NOx超低排放的实现提出了建议，并得出以下结论：

（1）二甲醚发动机是在传统的柴油机基础上改进而来，在烟度、HC排放方面远低于现行排放指标的要求，达到了国V乃至国Ⅵ的标准，但在NOx排放方面仅达到了现行的国III标准，如果能使NOx排放大幅度降低，将使二甲醚发动机具有更加强大的生命力。

（2）SCR技术在传统柴油机上有着广泛的应用，对NOx排放有50%甚至更高的转化效率。因为SCR技术对NOx的转化效果与发动机种类型并无关系，因此如果将SCR技术做适当的改进，应用到二甲醚发动机上，预计同样可以将NOx转化率达到 50%甚至更高，使 NOx排放与烟度、HC排放相匹配，整体排放达到国V乃至国Ⅵ的标准，对未来5～10年实现汽车尾气NOx超低排放有着重要的指导和研究的意义。

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