车用柴油机排放物控制研究

钟光毅

（玉林市检验检测中心有限公司，广西 玉林 537000）

在内燃机技术的快速发展背景下，柴油机车因为低能耗且经济效益好等特点应用更为广泛。鉴于车用柴油机的大范围使用，了解其废气排放污染物的生成机理，探讨明确现有的排放控制的各种净化方法，指导其日常合理应用，以达到节能减排效果具有积极意义。

1 车用柴油机排放物成分组成

对于车用柴油机来说，其排放物种类多样，成分较多的是CO、NOX、HC、SOX、PM、和醛类。其与传统的汽油机的排放物特性不同在于其混合气体的形成方式不同，这也使得其各种污染气体的含量较之重型汽油机有了明显下降。柴油机的排放物主要成分是CO，其含量在0.05-0.50，辛烷值、混合气质量、压缩比、负荷等是影响柴油机燃烧性的主要因素[1]，影响其废气的排放。

2 现行排放标准

1）国内现行排放标准。随着国家对汽车排放物的关注加大，出台了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6-2016），重型燃气和柴油车执行《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》(GB 17691-2018)[2]。“国六”标准排放限值为国六A：一氧化碳700mg/km、非甲烷烃68mg/km、氮氧化物60mg/km、PM细颗粒物4.5mg/km等；国六B：一氧化碳500mg/km、非甲烷烃35mg/km、氮氧化物35mg/km、PM细颗粒物3mg/km等。

2）国外现行排放标准。在全球环境问题日益严重的情况下，欧洲1992年公布了重型柴油车的排放限制标准，且随着时间的推移，多次降低柴油机排放物种主要排放物CO、NOX、HC、PM的限制，ICO限值从4.5降低到0.2，HC从1.1减为0.005，氮氧化合物更是降到2.0。

3 柴油发动机排放物生成机理

1）CO和HC的生成。CO是因为烃的不完全燃烧所造成的。混合气的分布并不均匀，总会出现局部缺氧的情况，产生CO。同时即使燃料和空气混合很均匀，由于燃烧后的高温，已经生成的C02也会有小部分分解成CO。另外排气中未燃烃HC也可能将排气中的部分C还原成CO。排气中的HC是由未燃烧的燃料烃、不完全氧化产物以及燃烧过程中部分被分解的产物所组成。它包括饱和烃、不饱和烃、含氧碳氢化合 物等。

2）NOx和PM的生成。NOx主要是在高温，一般说就是高温富氧产生的，特别是2000℃（大概）以上时，空气中的氧气和氮气化合反应产生的NO和NO2。PM则是因为柴油喷入汽缸时是液态，柴油机是在油束的表面开始燃烧，慢慢燃烧完全，在油束中间位置就会缺氧而产 生PM。

4 柴油机排放物排放的影响因素

柴油机的燃烧过程较为复杂，燃料与空气在燃烧过程中会受到外部诸多条件的影响，很难达到理想完全燃烧的状态，常常是不完全燃烧状态。而不完全燃烧导致排放物中的废气含有的有害排放物的含量明显增加，一方面燃烧方式对车用柴油机排放物排放有影响，二次燃烧室的结构形状、容积比、通道面、油气的位置、预热塞等都会影响排放质量，而主燃烧室形状应致力于二次燃烧中不完全燃烧燃料的进一步混合燃烧，以达到理想的燃烧状态。燃烧室结构与形状是实现均匀空气混合和良好燃烧过程的关键，更是柴油机性能提高，排污量减少的技术手段。燃油喷射系统如果定量定性喷射特征良好，可以取得较为理想的排放效果。此外，燃油喷射油束的数量、穿透速度应匹配燃烧室的形状、进气流的运动、活塞动态位置等以实现达到的燃烧状态，减少废气排放量。另一方面，运转情况对排放量的影响。柴油机作为动力输出机械，受从动机械工况影响，性能改变明显。运行状态下，一氧化碳的排放量变化不大，转速、负荷有所增加的情况下，碳氢化合物排放量减少，氮氧化合物排放量增加。而在不稳定运行状态下，特别是冷启动状态下碳氢化合物排放量最大，氮氧化合物和颗粒物排放量在突然加速的情况下也有明显增加的趋势，减速期间喷射量减少，其对排放的影响可以忽略。

5 柴油机排放物控制方法

1）内净化技术（说得太简单）。内净化技术，又称废气再循环技术，简称EGR，其主要优势是降低燃烧温度，缩短NO在柴油机中的滞留时间。目前废气再循环技术还处于不断完善中。后期研究的重点是柴油机废气再循环率及冷却废气再循环技术系统的研究，废气再循环使温度升高，加热进气，燃烧进一步恶化，增加了微粒的排放量，这是其应用的明显不足。

2）外净化技术。当前应用较广的外净化技术主要有三种，过滤除去碳烟微粒的微粒捕集器、降低NOX排放的NOX吸附器、新兴的SCR后处理技术。其中微粒捕集器，微粒捕集器主要是针对微粒、PM等杂质进行有效的过滤和去除，以陶瓷纤维、金属纤维、金属蜂窝载体等为主要材质，也常配合使用纸滤芯的过滤器。而NOX吸附器主要处理对象是氮氧化合物，鉴于NO是造成光化学烟雾且污染大气的主要元首，NOX吸附器有效处理，应用优势明显，值得推广。SCR后处理技术的标准SCR反应，是NH3催化还原NOX的主要反应，在300-400℃时会出现高反应效率，但温度较低如柴油机冷启动时，NOX的转化效率比较低，因此需要寻找一种能够在温度低时仍保持高转化的方法。

3）EGR +SCR+DPF技术。当前国六排放物控制主流技术是EGR +SCR+DPF。其中SCR路线在缸内减少颗粒物产生，在排气系统上加装附属部件，减少氮氧化物排放；而EGR路线是在缸内部抑制氮氧化物产生，在排气系统上安装POC、DOC降低颗粒物排放。而DPF是安装在排气系统中，通过DPF将尾气中的颗粒物过滤捕捉，减少尾气中的颗粒物。过滤效果能达到70%-90%，效果明显。

6 柴油机内净化外净化方法对比

内净化可以对最高温度与燃油浓度关系进行调节，优化燃烧，以减少氮氧化物的生成，可以采用废弃涡轮增压技术，以提升喷射压力，减少机油的消耗，并调节燃油量。但此种方式具有较高的操作难度。外净化就是加后处理装置，包括微粒捕集器、SCR+DPF等，但现在的法规要求更严格，如果仅采用其中一种方法则无法达到理想效果，所以要用内外结合。而新型的SCR技术，选择尿素作为添加剂，让NOx生成N2和N2O，其具有理想的催化效果，且没有副产物，对应的柴油机的成本也较低。综合来说，选择SCR后处理技术指导柴油机的排放物控制最为合理。

7 结束语

柴油机排放控制技术是柴油机发展的指导技术，当前生态环境保护的压力越来越大，柴油机的排放更应符合排放标准，对比国外先进国家在这方面的研究，我们起步较晚，成果较少，应借鉴学习国外技术并加强自主研发，以实现柴油机技术的不断优化。当前较为理想的处理技术是SCR处理技术，但在实际的应用中，也可以结合机内净化技术，以提升其应用效能。