柴油发动机原理如何减排机动车氮氧化物

柴油发动机原理如何减排机动车氮氧化物?

我国“十二五”时期新增氮氧化物作为受控大气污染物。而机动车排放是氮氧化物的主要贡献者之一。如何减少机动车氮氧化物排放已成为各地关注的重点。本版今日刊登机动车排放专家的文章，介绍机动车氮氧化物排放控制技术和原理，以及如何减少氮氧化物排放的相关建议，以飨读者。氮氧化物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此控制氮氧化物对于改善大气质量具有重要意义。由于汽油车和柴油车的工作原理不同，对于氮氧化物的控制技术也有所不同。可喜的是，目前机动车氮氧化物的控制技术成熟，且已在发达国家得到广泛应用。此外，控制机动车氮氧化物，在选择使用合适的技术同时，相关的政策和保障措施也十分必要。为什么要控制机动车氮氧化物排

放？

（柴油车尾气减少器）

■阅读提示汽油车和柴油车的排气污染物都包括氮氧化物。排放法规中规定的氮氧化物主要包括一氧化氮和二氧化氮。由于氮氧化

物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此国家将氮氧化物削减作为“十二五”的约束性指标。机动车对环境的污染主要来自排气排放。汽油车的主要排气污染物是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）；柴油车的排气污染物除一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物以外，还包括微粒排放。排放法规中规定的氮氧化物主要包括一氧化氮和二氧化氮。一氧化氮是在燃烧室高温条件下生成的，由空气中的氮气和氧气发生氧化反应产生，在汽油机和柴油机中都有。一氧化氮的生成强烈依赖温度。化学动力学研究结果表明，当反应温度从2200℃提高到2300℃时，一氧化氮的生成量几乎翻一番。氧浓度提高也使一氧化氮生成量增加，高温持续时间越长，一氧化氮的生成量越大。这给降低发动机的氮氧化物排放提出了难题。众所周知，热效率是随最高燃烧温度的增加而增加的，这表明在发动机设计阶段必须在发动机油耗和排放之间进行折中处理，尽可能精确地进行实验才能取得最佳匹配效果。随着排放法规的严格化，必须采用后处理技术才能有效降低氮氧化物排放并保持良好的燃油经济性。机动车排到大气中的碳氢化合物和氮氧化物在一定的地理、温度、气象条件下，经强烈的阳光照射，会发生光化学反应，生成以臭氧（O3）、醛类为主的过氧化产物，称为光化学烟雾。臭氧具有独特的臭味和很强的毒性，醛类对人眼及呼吸道有刺激作用。此外，它们还妨碍生物的正常生长，危害巨大。由于氮氧化物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此国家将氮氧化物削减作为“十二五”的约束性指标。减少机动车氮氧化物有哪些技术？

■阅读提示汽油车和柴油车的氮氧化物控制技术有所不同。目前汽油机采用的排放控制技术主要是三元催化器，能同时控制氮氧发动机维修保养常识化物、碳氢化合物和一氧化碳。柴油机由于过量空气系数较大，一般采用废气再循环和选择还原技术控制氮氧化物排放。由于汽油车和柴油车的工作原理不同，实际空燃比也相差较大，因此汽油车和柴油车的氮氧化物控制技术有所不同。目前汽油机采用的排放控制技术主要是三元催化器，能同时控制氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳。柴油机由于过量空气系数较大，不适合使用三元催化器，一般采用废气再循环和选择还原技术（SCR）控制氮氧化物的排放。一、三元催化器是安装在汽油车排气系统中最重要的机外净化装置。它可将汽车尾气排出的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体通过氧化和还原作用转变为二氧化碳和水。其中一氧化碳在高温下氧化为二氧化碳气体；碳氢化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；氮氧化物还原成氮气和氧气，使汽车尾气得以净化。常温下三元催化转化器不具备催化能力，催化器必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力。通常催化转化器起作用的温度在200℃～250℃之间，正常工作温度一般在350℃～700℃。催化转化器工作时的内部反应越强烈，氧化还原反应的温度也越高。当温度超过850℃～1000℃时，催化器涂层很可能会脱落，载体碎裂，导致实际排放恶化。所以，必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱、失火等，这都会使大量未燃烧的可燃混合气进入催化反应器，在催化器内进一步发生反应，造成排气温度过高，影响催化转化

器的寿命，甚至直接烧毁催化器。三元催化器对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感。其中硫和铅来自于汽油，磷和锌来自于润滑油。这4种物质及它们在发动机中燃烧后形成的氧化物颗粒很容易吸附在催化器的表面，使催化器无法与废气接触，失去了催化作用，这就是所谓的“催化器中毒”现象。因此使用三元催化器的汽车严格禁止使用含铅汽油，并要尽可能降低燃油中的硫含量。为使汽油机排放的各种废气的转化效率达到最佳效果（90％以上），需要在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制。其工作原理是氧传感器根据废气中剩余氧的浓度给电子控制单元反馈信号，将发动机的空燃比控制在一个狭孝接近理想的区域内（14.7∶1）。如果燃油中含铅、硅，会造成氧传感器中毒，影响空燃比控制精度，直接影响三元催化器的工作效率。另外，如果使用不当，还会造成氧传感器积炭、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。氧传感器的失效会导致发动机的空燃比失控，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。催化转化器只要正确使用，一般不需要维护，故不要随便拆卸，如需更换时一定要与发动机匹配。卡车发动机市场特点二、废气再循环，简称EGR，是一种降低氮氧化物排放的有效措施。其基本工作方式是，将5％～20％的燃烧废气重新引入进气管，与新鲜混合气一同进入燃烧室。由于废气不能再燃烧，所以冲淡了混合气，降低了燃烧速度。废气中大多是以二氧化碳和H2O 蒸汽为主的三原子分子，热容大，因此废气再循环降低了最高燃烧温度，直接减少了氮氧化物排放。当EGR量太小时，无法有效降低氮

氧化物排放；而如果EGR量太大，则可能会导致发动机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。所以，必须根据发动机的工况精确控制废气再循环量。一般情况下，汽油机在怠速和暖机时，由于混合气质量差，燃烧不稳定，所以发动机不需要进行废气再循环，在大负荷和全负荷时，考虑到发动机对输出功率的要求，也不进行废气再循环。柴油机和汽油机都可以通过EGR来降低氮氧化物排放，因为柴油机排气中的氧含量比汽油机高，所以柴油机允许并需要较大的EGR率来降低氮氧化物排放。柴油机所用EGR系统与汽油机类似。在增压柴油机中，再循环废气一般流到增压器后的进气管中，以免玷污增压器叶轮。这时，为防止增压压力大于排气压力时再循环废气的倒流，要在EGR阀前加一个单向阀，以便利用排气脉冲进行EGR。把再循环的废气加以冷却，采用所谓冷EGR，可以提高降低氮氧化物排放效果，为防止柴油机采用EGR后磨损加剧，应选用高质量润滑油和低硫柴油。我国重型柴油机广泛采用废气再循环降低柴油的氮氧化物排放，以满足国家Ⅲ阶段排放标准的要求。三、选择还原技术，简称SCR，是迄今为止最有效的柴油机氮氧化物控制技术。SCR技术由美国安格公司发明，于1957年申请专利，后来日本在本国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的V205/Ti02催化器，并于上世纪70年代末在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运行。目前，SCR方法在燃煤电厂脱硝方面已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。10多年来，随着各国汽车排放法规的日益严格，SCR技术已经成为降低车用柴油机氮