重型柴油车满足近零排放法规的技术探析

陈曦 邸少伟

摘 要：随着社会经济水平的不断提升与发展，人们对质量的要求也在逐渐的提升，污染空气质量的主要来源就是汽车尾气的排放，重型柴油车的近零排放标准是指，重型柴油车尾气排放中含有的碳氢、氮氧化物与颗粒物等对大气造成的污染基本可以忽略不计。本文主要针对重型柴油车的排放处理进行相关的分析，重型柴油车通过缸内净化和高效尾气后处理技术结合的方式降低尾气污染物排放量，使其达到近零排放技术的要求。

关键词：重型柴油车;零排放;缸内净化;后处理技术

1 重型柴油车概述

柴油车的发动机是活塞式的内燃机，其碳氢化合物与一氧化碳的排放量都要比汽油机低，其热效率十分高，能量的转化效率十分高，节能效果非常好，也正是因为柴油机的这一优势，大部分的重型载货车辆都是使用的柴油发动机。在欧洲国家，使用柴油发动机的轿车数量十分多，并且其数量也在不断的上升。在柴油车不断普及与车辆排放控制标准越来越严格的环境下，柴油机所面临的挑战也是十分巨大的。柴油机是通过机制调节的方式形成混合气体，通过气体扩散的方式燃烧，这一燃烧方式决定了柴油机的污染物排放特点：柴油机的排放气体中含有较高的氮氧化合物，颗粒物等。有相关的研究结果显示，如果柴油车行驶一百公里，柴油消耗量为22升，那么柴油机的有效效率为百分之四十左右，计算得知发动机每公里的输出功率为0.86千瓦时，那么对应的氮氧化合物含量大致在每公里0.40克左右。为了降低柴油车尾气排放的污染，大量的学者开始研究柴油机的净化技术，目前研究的柴油车尾气控制技术主要有机内净化技术，尾气后处理技术等。

2 重型柴油车的机内净化技术分析

机内净化技术的主要措施是使用比较先进的燃油喷射系统，比如高压共轨系统、单体喷油泵等，使喷油的压力增强，从而达到降低颗粒物排放的目的;运用比较先进的电控技术来对喷油量、喷油速度等进行优化控制;对柴油机燃烧室内部结构进行改造，提高燃烧效率;必要情况下还可以采用EGR方式控制氮氧化合物的排放量。柴油车尾气排放控制的主要对象就是为其中氮氧化合物与颗粒物的含量，氮氧化合物需要在缸内高温并且氧气富足的情况下才能产生。颗粒物主要是由于缸内的燃油与空气之间混合度不足所导致的，在燃油浓度过高的区域受到高温缺氧作用的影响所形成的。由此我们可以知道，氮氧化合物与颗粒物之间的排放关系是呈此消彼长状态的。所以，我们需要通过高低压废弃再循环与两级增压方式综合的策略的提高EGR率，有效降低柴油燃烧的温度，减小少氮氧化合物的排放;通过提高柴油喷射压力，加快缸内气体流动的方式来使柴油与氧气充分混合，降低颗粒物的排放含量。

2.1 EGR技术

EGR系统是根据废气提取位置的差异来区分高压与低压。高压EGR是在废气进入到涡轮之前提取出来的，在涡轮之前排放出来的废气压力要比压气机后进气的废气压力要大一些，因此会很容易将废气引入。可以通过在进气管中安装一个节气门的方式使其压力产生改变，通过控制节气门的方式来对进气的压力进行调整，将废气引入到节气门的后部;低压EGR也就是从涡轮后部将废气取出，然后再将其引入到压气机的前端，涡轮后的废气压力要比大气压力要高一些，在压气机之前进入的废气其压力都是负压，因此可以将其引入。

有关实验表明：在相同的稀释比例之下，采用低压EGR处理方式，会导致废气中通过后尾气处理装置的颗粒物含量增加。但是低压EGR处理方式不会对增压器的工作性能产生影响。

2.2 两极增压技术

涡轮增压技术可以有效带走柴油机排气中的余热，通过涡轮回收的原理，将压气机驱动，吸入新鲜空气，提高发动机气体进入的速度，得到提高喷油速度的目的。涡轮增压技术可以在更高的EGRKV之下使用，可以有效控制二氧化氮气体的排放。为了能够是重型柴油车满足日益严格的尾气排放标准，越来越多的柴油缸内净化技术大量引入了EGR系统的使用，这使得涡轮的增压能力来说是一个不小的挑战。两极增压技术的使用，可以有效实现增压比例的提升，可以满足更大比例的EGR系统的使用。两极增压系统的示意图如图1所示。

2.3 高效油气混合技术

油气混合效率的高低是决定缸内碳烟生成数量多少的重要标准，油气混合效率的增加方法有两种：第一种是提高燃油的喷射压力，燃油的喷射速度加快了，燃油与气体之间的混合效率就可以得到有效的提升，碳烟的生成量自然也就减少了。另一种就是对燃烧室的结构进行优化，利用缸内气流的流动速度来促进燃烧效率，使燃油充分燃烧，减少碳烟排放量。

2.4 新型燃烧方式

燃烧过程中混合气的浓度比例与温度条件对采油气废气排放中碳烟与二氧化氮含量的影响十分大，新型的燃烧模式可以有效减少缸内有害气体与物质的生成。柴油的挥发性比较差，因此很难制备出质量均匀的混合油气，所以人们就对燃烧的方式进行了进一步的研究，开发出了预混充量的压燃模式，简称PCCI模式，不是关注油气混合的均匀程度，而是通过将浓度与温度分层混合燃烧的方式实现燃油的充分燃烧，达到控制减少碳烟与有害气体产生的目的。

3 重型柴油车尾气后处理技术

3.1 针对二氧化氮的尾气排放后处理技术

低温高效的SCR催化技术。该技术主要是将同铜铁复合分子作为催化剂材料，铜分子筛催化剂的氧化特定十分好，可以将一氧化氮转化为二氧化氮气体，然后再对其进一步的优化，并且该方式在低温条件下的转化效率也十分高，但是铜分子筛在高温的条件下，将氨气氧化，二氧化氮的高温转化效率会被大大降低。铁分子筛催化剂在低温条件之下，其性能比较差，高温条件下，其性能比较好。可以在铜分子筛催化剂的前端涂上一层铁分子筛催化剂，就可以是这两者的性能得以综合利用。

被动NOx吸附技术。被动NOx吸附（PNA）技术能够在相对低的排气温度下吸附NOx而在高的排气温度（超过SCR起燃温度）下，释放被吸附的NOx。PNA还可以将NO氧化成NO2，用于提高SCR对NO，的转化效率，以及催化型颗粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter， CDPF）对颗粒物的再生效率。PNA也能够在较低的温度氧化排气中的CO和HC。

3.2 针对PM的尾氣排放后处理技术

柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter， DPF）是降低PM排放最常用的后处理装置，主体部分是过滤载体，主要分为陶瓷基和金属基两大类。陶瓷基DPF载体材料有堇青石（cordierite）、碳化硅（SiC）、莫来石（mullite，多铝红柱石）、莫来石/氧化锆等。金属基DPF载体材料有烧结金属式、泡沫金属、金属丝网等。董青石导热性差、熔点低，但成本较低，主要应用于重型柴油机DPF。DPF 的过滤效率取决于过滤载体孔径以及颗粒物的成分，一般DPF的颗粒物质量（PM）过滤效率可以达到85%以上，而颗粒物数量（PN）的过滤效率一般超过99%。

4 结束语

为了使重型柴油车尾气的排放标准达到近零要求，我们在实验机内净化方式进行处理的同时还应该结合柴油车后处理技术的使用，有效提高尾气排放控制的水平，促进零排放标准的达到。

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