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柴油機(jī)廢氣排放控制技術(shù)新進(jìn)展

文檔作者：唐大學(xué) 文檔來(lái)源：湖南交通職業(yè)技術(shù)大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月12日
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第5期
2012年l0月
內(nèi)燃機(jī)
Internal Combustion Engines
No．5
0ct．2012
摘要：首先論述了柴油機(jī)的主要排放污染物，概述了目前公認(rèn)的排放物生成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，分析了控制柴油機(jī)排放的
機(jī)內(nèi)和機(jī)外凈化措施，特別是采用電控技術(shù)優(yōu)化燃燒過(guò)程、用還原法降低NO 的SCR法、用微粒過(guò)濾器降低PM。最后，
展望了柴油機(jī)廢氣排放控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并討論了在我國(guó)為降低柴油機(jī)排放所采取的技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排放控制技術(shù)；選擇性還原法；微粒過(guò)濾器；進(jìn)展
中圖分類號(hào)： TK421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000—6494(2012)05—0001—04
Progress of Diesel Engine Exhaust Emission Control
TANG Daxue
(Hunan Communication Polytechnic，Changsha 410132，China)
Abstract：The main pollutant of diesel engine exhaust is introduced，and its formation mechanism is also presented．On the base，the
ways of reducing emission，including in-engine combustion process and in-engine exhaust，especially about electronically control
technical，Selective Catalytic Reduction Method(SCR)，Diesel Particulate Filter(PDF)，are indicated．At last，the prospect for
diesel engine emission control way is showed，and it was discussed that diesel engine emission control way is applied in China．
Key words： diesel engine； emission control； SCR； PDF； progress
0前言
由于柴油機(jī)具有寬廣的功率范圍，高的扭矩
輸出和低的燃油消耗率，以及采用先進(jìn)的廢氣排放
控制技術(shù)，使其得到了廣泛的應(yīng)用。在重型動(dòng)力裝
置中，柴油機(jī)占絕對(duì)統(tǒng)治地位；而在汽油機(jī)傳統(tǒng)的
應(yīng)用范圍，如小轎車等輕型車輛中，柴油機(jī)的應(yīng)用
也越來(lái)越廣。特別是在歐洲，由于柴油的補(bǔ)貼政
策、先進(jìn)的電控噴射技術(shù)、嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)和
先進(jìn)的控制技術(shù)以及人們的環(huán)保意識(shí)， 已有45％
的轎車采用柴油機(jī)作為動(dòng)力。我們主要論述了柴油
機(jī)廢氣排放控制技術(shù)方面的新進(jìn)展。
1柴油機(jī)的有害排放物生成機(jī)理
與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的燃燒方式主要是擴(kuò)
散燃燒，過(guò)量空氣系數(shù)大，空氣充足，燃燒速率主
要受可燃混合氣形成速率的控制，混合比從零變化
作者簡(jiǎn)介：唐大學(xué)(1966一)，男，湖南衡陽(yáng)人，教
授，高級(jí)工程師，博士生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、
性能和排放控制技術(shù)。
收稿日期：2012—04—11
到無(wú)窮大，因此，柴油機(jī)的廢氣有害排放物主要是
CO，，NO ，PM，而CO，HC較小。
1．1 CO，排放
CO，氣體是近十年來(lái)在內(nèi)燃機(jī)中開(kāi)始進(jìn)行控制
的(以前主要控制工廠的CO，排放)，它是一種
溫室氣體，過(guò)多導(dǎo)致全球氣溫升高。石油燃料完全
燃燒的最終產(chǎn)物是CO，和H，0，因此，降低柴油機(jī)
的CO，排放就是要降低燃油消耗，也就是說(shuō)以少
的CO，排放獲得較大的功率輸出。
1．2 NO 排放
柴油機(jī)廢氣中的NOx是NO，NO2，N2 ，N20，
NzOs，N204，NO3的總稱，其中，主要是NO，N0'，其
他成分可以忽略，而NO占9O％，NO2占10％，因此，
柴油機(jī)中的NOx排放主要指NO的排放。
柴油機(jī)中NO的來(lái)源有兩個(gè)，一是大氣中的氮
轉(zhuǎn)化而來(lái)，一是燃料中的氮轉(zhuǎn)化而來(lái)。由于柴油中
氮的含量很低(質(zhì)量百分比不到0．2％)，對(duì)NO
的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。燃燒過(guò)程空氣中NO的生成
來(lái)自火焰中“瞬發(fā)”形成和焰后區(qū)形成的NO，而
火焰中“瞬發(fā)”形成的NO量很少，主要是焰后區(qū)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
· 2· 內(nèi)燃機(jī) 2012年10月
形成的NO。目前，公認(rèn)的焰后區(qū)形成的NO是
1946年原蘇聯(lián)學(xué)者Zeldovich提出的NO生成機(jī)
理，他認(rèn)為高溫分解所產(chǎn)生的氧原子引發(fā)了NO生
成的連鎖反應(yīng)。
O+N：=NO+N (1)
N+O ：NO+O (2)
N+OH=NO+H (3)
其中，式(1)反應(yīng)的活化能最高， ：
315 932 J／mol，它是控制NO生成速率的關(guān)鍵反應(yīng)。
根據(jù)Zeldovich的NO生成機(jī)理，影響焰后區(qū)的NO
生成的主要因素是焰后區(qū)的溫度、氧原子濃度和反
應(yīng)時(shí)間，前兩個(gè)因素決定了式(2)的反應(yīng)速率，
后一個(gè)因素決定了整個(gè)鏈反應(yīng)的有效時(shí)間。也就是
說(shuō)，NO的生成條件是高溫、富氧以及反應(yīng)時(shí)間。
1．3 PM排放
PM (Particulate Matter)是柴油機(jī)排放的微粒
物的總稱。柴油機(jī)廢氣中的PM主要有碳、碳?xì)浠?
合物、硫酸鹽、含金屬元素的灰分等組成。含金屬
元素的灰分來(lái)源于各種添加劑和運(yùn)動(dòng)件摩擦產(chǎn)生的
磨屑，硫酸鹽主要由柴油中硫分轉(zhuǎn)變而成。柴油機(jī)
廢氣中的PM主要是以碳為主要成分的固體顆粒，
它們是燃燒不完全產(chǎn)物，以碳為主要成分的固體顆
粒常稱為碳粒子。其中，氣相燃燒過(guò)程產(chǎn)生的碳粒
子一般稱作碳煙，而液相燃料熱裂解生成的碳粒子
一般稱作煤焦或煤胞，顯然，柴油機(jī)中燃燒是氣相
反應(yīng)的結(jié)果。柴油機(jī)廢氣中的PM組成見(jiàn)表1。
一般認(rèn)為，碳煙粒子最終取決于其生成量與
氧化量之差，碳煙的形成過(guò)程(見(jiàn)圖1)經(jīng)歷成
核、表面增長(zhǎng)和凝聚、積聚幾個(gè)階段，而氧化過(guò)程
始終存在，排氣中碳煙量的多少是燃燒室內(nèi)碳煙生
成與氧化相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
2 柴油機(jī)有害排放物的控制技術(shù)
1993 1996 2001 2005 2008 201 1
歐I歐Ⅱ 歐Ⅲ 歐Ⅳ 歐V 歐Ⅵ
圖2歐洲NO 排放限值變化歷程
瑩
釜
麥
表1柴油機(jī)廢氣中PM 的組成
朵稠分十+至氣分于
鼉 8 H不完全燃燒1
先兆 分子
一 蓑j數(shù) s
碳
^基本碳嫻粒子
JL l； 表面增長(zhǎng)
：l：鏈 粒 ?
汽中的微粒{}
由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及對(duì)能源危機(jī)的擔(dān)
憂，世界各國(guó)制訂了日益嚴(yán)格的柴油機(jī)廢氣排放法
規(guī)，深受汽車尾氣污染的美國(guó)加州和環(huán)保意識(shí)很強(qiáng)
的歐洲是世界上排放法規(guī)最嚴(yán)格的地方。一方面是
有害物的排放限值越來(lái)越低，另一方面是限制的排
放物種類越來(lái)越多。圖2、圖3、圖4是歐洲對(duì)柴
油機(jī)有害物(CO ，NO ，PM)排放限值的變化。
嚴(yán)格的排放法規(guī)是柴油機(jī)排放控制技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)
力，促使各柴油機(jī)制造公司不斷研制新的廢氣排放
控制技術(shù)，優(yōu)化燃燒過(guò)程。在柴油機(jī)三種主要有害
物中，降低CO，排放與提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性
一致，而降低NO 和PM的措施有時(shí)相互矛盾。下
面綜述降低CO：，NO ，PM排放的新措施和進(jìn)展。
2．1 CO，排放控制技術(shù)
歐I歐Ⅱ 歐Ⅲ 歐Ⅳ 歐V 歐Ⅵ
圖3歐洲PM排放限值變化歷程 圖4歐洲CO 排放限值變化歷程
0 9 8 一 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
內(nèi)燃機(jī) 2012年10月
果在右側(cè)下方的面板上顯示，并且在下方中問(wèn)的圖
形區(qū)域會(huì)自動(dòng)地繪制水泵性能曲線以及水泵校核曲
線?？梢灾苯訌膱D上察看新型機(jī)的計(jì)算結(jié)果是否超
過(guò)現(xiàn)有水泵的性能，如果超過(guò)水泵性能曲線，就表
示現(xiàn)有水泵不能滿足新型機(jī)的要求，需要進(jìn)行優(yōu)
化；如果沒(méi)有超過(guò)水泵性能曲線，則表示現(xiàn)有水泵
滿足新型機(jī)的要求。
單擊“計(jì)算”按鈕后，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2計(jì)算結(jié)果
更改水泵尺寸前提下，為了滿足叉車?yán)鋮s系統(tǒng)的要
求，必須將傳動(dòng)比增至1．232，即可提高水泵的能
力，滿足現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻要求。
4結(jié)束語(yǔ)
我們通過(guò)MATLAB編程，開(kāi)發(fā)出一款友好的
圖形用戶界面，然后對(duì)某型水泵進(jìn)行了校核計(jì)算，
通過(guò)與標(biāo)桿樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)原有機(jī)型的水
泵不能滿足新機(jī)型的散熱要求。經(jīng)過(guò)分析，需要更
改傳動(dòng)比，將傳動(dòng)比增至1．232，即可提高水泵的
能力，滿足現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻要求。
這種通過(guò)編程開(kāi)發(fā)圖形用戶界面的方式，極
大地簡(jiǎn)化了繁瑣的計(jì)算過(guò)程，有效地縮短了研發(fā)周
期，并且能夠有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在未來(lái)的研
發(fā)過(guò)程中值得推薦。
從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，新型機(jī)需要的流量為84．06 一? ，
L／min，而揚(yáng)程為7．8 mH，O，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原型機(jī)水泵 【參考又獻(xiàn)J
的能力(65．81 L／min，6．79 mH，O)，因此可以認(rèn) 【1】 陳家瑞·汽車構(gòu)造(_卜冊(cè))【M】·北京：人民交通出版社，
套 蔓 釜件 ． 7K繁 足翌 [2] 懷等．機(jī)的冷卻系統(tǒng)要求發(fā)動(dòng)機(jī)水泵經(jīng)典校核計(jì)算【Jj．汽車工程
， 因此必須提高水泵性能。在不 ～ 2011 f71．46— 47
～
(上接第4頁(yè))
HCCI是一種很有前途的技術(shù)，可以僅僅采用DOC 發(fā)動(dòng)機(jī)，1993，(4)．
便可以滿足非常嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。同時(shí)，采用 [4] 差靖攀，．賴 海-電控柴油機(jī)結(jié)構(gòu)與原理[M】．北京：人民
清潔能源技術(shù)也是降低柴油機(jī)排放的有效手段。 [51 ’
． 柴油機(jī)尾氣排放污染控制技術(shù)綜
在我國(guó)，大氣污染防治比國(guó)外起步晚，排放法 述[J1_環(huán)境科學(xué)，2007，28(6)．
規(guī)的限值高于國(guó)外的，例如，歐盟2005年采用歐 [6】 于龍 張彥軍．選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)研究
準(zhǔn) 8曩 羔 準(zhǔn) 和s 的排放與控制 ．廣I 1V 進(jìn)歐 標(biāo)準(zhǔn)
， 20l0年引進(jìn)歐 標(biāo)準(zhǔn)，歐V的引進(jìn) ~
, 200 7 ,9 6 (2 )．
” ～
還未確定(GB18362．3)。目前，在治理柴油機(jī)廢氣 [8] 張少華． 歐洲SCR選擇性催化還原技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)
污染上，歐洲采用的技術(shù)路線是SCR+PDF，此種 汽車與配件，2005，(7)．
方案要進(jìn)行尿素的布點(diǎn)。美國(guó)采用的技術(shù)路線是 [9] 徐華豐，徐儉．煙氣中氮氧化物的處理技術(shù)lJJ．中國(guó)科
EcR+PDF，此種方 莩 格釜制柴油的 妻 ：至 ]菪 ． 美 在國(guó)內(nèi)柴油機(jī)上的應(yīng)用 裝備制造
于我國(guó)的治理柴油機(jī)廢氣污染的方法，我們傾向于 枯術(shù)2007 f5、 ～
歐洲方案，因?yàn)檫M(jìn)行柴油機(jī)的改進(jìn)和尿素的布點(diǎn)， 【11】文彤．用于SCR催化轉(zhuǎn)化器的尿素添加劑【JJ．汽車與配
相對(duì)于提高煉油水平要容易一些，同時(shí)，該方法可 件，2006，(6)．
以滿足歐V的排放 艮值，一直至lj歐Ⅵ白勺弓l進(jìn)。 ¨2 曩 暴 足歐Ⅳ 準(zhǔn)
【參考文獻(xiàn)】 [131胡紅怡，編譯．歐IV排放1 609公里(1 000英里)測(cè)
[11 金國(guó)棟．內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)【M1．武漢：華中理1二大學(xué)出版社， [141 Jef J．
JAMES N．CaⅡoli Charles T．Hare etc． Emissi0n
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【2】 金國(guó)棟，唐大學(xué)．用時(shí)序多區(qū)模型預(yù)測(cè)柴油機(jī)的NO排 Tfasa tio 9l 1807．
放[C1．中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)中西部第j屆學(xué)術(shù)年會(huì)，武漢， [15J M．A．Paflers。n s．一c．K。ng G．J．Hamps。n 。tc．M。deling the
1990． Effects of Fuel Injecti0n Characteristics 0n Diesel Engine
13] 金國(guó)棟，唐大學(xué)．柴油機(jī)碳煙排放濃度的預(yù)測(cè)[J】_車用 S nd NO Emi ion 『C1．SAE Trasacti0n 940523．
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