柴油发动机排放尾气的控制分析

柴油发动机排放尾气的控制分析

发表时间：2018-07-30T11:14:22.530Z 来源：《建筑模拟》2018年第9期作者：赵韩松

[导读] 本文首先阐述了柴油发动机尾气的主要成分和生成机理，简要介绍了柴油机机前预处理和机内净化措施，然后重点针对柴油发动机PM和NOx排放最具代表性的后处理技术进行了综述。

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿山东省莱州市 261442

摘要：柴油发动机具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效率和较低的CO、HC排放，因而逐渐被广泛应用。柴油发动机不仅在农用机械、工程机械上占有统治地位，轿车柴油机化也是未来汽车行业的发展趋势。近年来，欧洲轿车使用柴油机的数量上升了

40％，而整个柴油轿车已经达到了在用轿车总量的50％。但是柴油发动机高的颗粒物（PM）和NOx排放也对大气环境造成了一定程度的污染，因此控制柴油机污染物的生成和排放已经迫在眉睫。本文首先阐述了柴油发动机尾气的主要成分和生成机理，简要介绍了柴油机机前预处理和机内净化措施，然后重点针对柴油发动机PM和NOx排放最具代表性的后处理技术进行了综述。

关键词：柴油发动机；排放尾气；控制

1车用柴油机现状及特点

1.1轻型车用柴油机

轻型柴油机使用主要是针对家用小车型，在我国国内汽车生产中使用超过60%，其中大部分为农用车型，在生产制造技术上已经足够先进，在相关产品开发中专项投入比较缺失，价格以及生产技术方面仍然需要协调。农用柴油机属于微利商品，在设计阶段投入不足，轻型发动机使用中尾气排放更小，但在动力方面与重型发动机有很大差距，动力需求大的汽车在生产中并不适合使用轻型发动机，加之轻型柴油机本身生产技术性不足，有很大的发展前景空间。

1.2重型车用柴油机

生产技术以及价格水平都相对较高，使用重型柴油机的汽车动力更高，柴油机自身动力较高，促进整体汽车燃油系统稳定性得到提升进步。相对于轻型柴油发动机，拥有完善的研究体系，主要针对货运汽车进行设计，使用过程中的柴油动力系统更加稳定，柴油燃烧完全最终的尾气排放控制才更加合理。我国自主研发的柴油发动机在燃烧能力以及控制效果上，也正在不断向国际先进水平层面发展。

2柴油机的排放污染物及其控制难点

内燃机燃烧柴油后会产生污染物质，柴油燃烧不完全排放尾气中的污染物质含量也会因此增多。柴油发动机主要控制的尾气污染物质有：CO、HC、NOx、PM。相对于汽油发动机而言，柴油发动机在CO与HC方面的排放量相对较少，尾气排放控制中要重点从NOx、PM两方面进行，其中PM的主要成分为炭烟以及一氧化二氮，对尾气控制中的污染检测重点从这两方面进行，并结合技术性方法来最大程度降低该种物质产生，改善柴油机的动力系统，汽车不同操作环境下柴油发动机稳定性均能得到保障，最终的尾气排放污染物质才能得到更合理控制，污染物质含量控制在合理范围内。

3柴油发动机排放物的控制

3.1前处理

机前处理就是指对进入发动机燃烧室的燃料和空气作有利于减少排放的预处理。对于柴油发动机而言，主要是指改进柴油品质或者开发使用替代清洁燃料。改进燃油品质的措施主要有以下几种：一是根据柴油的馏程合理提高柴油的十六烷值，从而可以有效降低发动机排气PM，HC和NOx排放；二是将柴油中的含硫量控制在0.005％以下，这样不仅可以有效控制PM排放，而且对各种后处理技术中的催化剂载体有利；三是降低90％馏出点（T90），抑制成为重质成分的PM生成；四是减少芳香族成分，抑制成为相同成分的PM生成；五是进行柴油的乳化处理，通过降温和加速燃烧分别控制NOx和PM排放；六是加入降污添加剂，如碳酸二甲酯，可大幅降低柴油机碳烟排放；七是在柴油中加入活性剂（HH-B活性剂），可降低生成NOx的热分解活化能，加速NOx热分解；八是掺烧消烟添加剂，促进碳烟粒子再燃烧，可降低30％～50％碳烟排放。

3.2过程处理

过程处理即发动机机内净化，所谓机内净化，就是从有害排放物生成机理出发，在燃烧室内部对有害排放物的生成反应予以限制，而对它们的消失反应加以促进，从根本上达到减少排放污染物的目的。其核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到高效、低污染的要求。可以通过对各相关结构的改进及采用新的优化控制方式达到此目的。

3.3后处理

后处理就是利用各种滤清净化装置和催化转化器，对已经产生的排气系统内的有害废气进行最后处理，以进一步降低有害物的排放，它是前处理和过程处理的重要补充。由于柴油发动机排气中有害成分主要是NOx和PM，因此排气后处理可分为两大类，分别是针对柴油机主要排放废气PM和NOx的后处理技术或装置。1PM控制技术（1）氧化催化转化器（DOC）（DOC）一般安装在柴油汽车排气系统中，通过催化剂进行氧化反应，能同时降低排气中一氧化碳（CO）总碳氢化合物（THC）和柴油颗粒物中可溶性有机物组分（SOF）。根据可溶性有机物成分在颗粒中的含量不同，柴油机氧化催化器可以降低3％～25％的颗粒排放量。此外，基于柴油发动机氧化催化器具有同时降低HC，CO和颗粒的功能，因而常常在发动机上与EGR同时使用，以全面提高发动机的排放水平。（2）颗粒过滤及再生技术目前控制PM排放最有效的技术就是使用DPF，它可以同时降低PM排放的质量和数目。DPF技术研究的焦点主要有两方面：一是研究开发排气阻力低、过滤效率高的滤体材料；二是过滤体的再生技术。当前，过滤体的材料研究已经成熟，但再生技术研究却相对滞后。再生可分为“被动”与“主动”再生。“被动”再生即催化再生，是通过催化添加剂锶、铈、铁的金属有机物降低颗粒物的氧化活化能，从而使颗粒物的再生温度大幅降低。由于正常的过滤体温度相对较低，这就使消除大部分的SOF和硫酸盐颗粒成为可能。可以看到，带催化剂的过滤系统比不带催化剂的过滤系统过滤效率要高。“主动”再生即外加能量的再生方式，包括喷油助燃再生、电加热再生、逆向喷气再生、电加热再生及微波再生等。二者都需要优化控制再生策略，如果控制得不好，那么载体的温度会过高，这样就会降低DPF的使用寿命。2NOx控制技术（1）NOx催化转化器目前对降低NOx排放的研究主要集中在三个方向上：DeNOx催化器，SCR催化系统以及NOx吸附转化器。这些技术对硫相当敏感，故要求使用低硫燃料或附加其他脱硫措施。DeNOx催化器的研究较早，它是用金属离子沸石、钒钼制成的催化剂降低NOx的分解温度，使之分解为无毒的N2和O2。SCR催化系统又称为催化还原系统，是在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOx（主要是NO）还原