汽车柴油机排放控制技术

汽车柴油机排放控制技术

摘要：本文了燃油品质的改善方法，采用颗粒过滤及再生技术、加装

氧化型催化转化器、可溶性SOF氧化催化、非过滤技术和NOx催化转化器

等排气净化后处理技术和采用增压中冷技术、改进燃烧系统、采用电控高

压喷射技术、废气再循环、可变技术等柴油机机内净化技术、使用代用燃

料等措施相的结合综合控制技术。

关键词：柴油机排放净化控制

0 引言

车用柴油机排放物主要为颗粒状物质PM和NOx，而CO和HC排放较低。控制柴油机尾气排放主要是控制颗粒物质PM和NOx生成，现代柴油

机排放控制采取的措施有：改善燃油品质，排气净化后处理、柴油机机内

净化、使用代用燃料等控制技术。

1 改善燃油品质

若增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、C0和

NOx的排放：降低燃油中S的含量，可以降低13～22％的PM颗粒排放；

减少燃油中的芳烃成分，可以减少NOx的排放。改善燃油的措施如下：①

根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。②在柴油中掺烧一定比例的

消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷油器头部的积碳，可以减少30～50％的碳烟颗粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃烧

过程中，柴油中的硫约有98％转化为SO2，其余的2％成为硫酸盐颗粒，

部分SO2被进一步氧化与燃烧过程中生成的H2O结合，形成H2SO4和硫酸

盐(CaSO4等)，增加了微粒的排放量。

2 排气净化后处理

采用氧化催化转化器对柴油机排气处理，可以降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；用选择性还原催化转换器在富氧条件下还原NOx，用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

2.1 采用颗粒过滤及再生技术颗粒过滤由颗粒过滤器和再生装置组成。颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固定碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

2.2 加装氧化型催化转化器柴油机加装氧化型催化转化器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。加装氧化型催化转化器(以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂)能使HC、CO减少50％，颗粒PM减少50～70％，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

2.3 非过滤技术非过滤技术目前主要研究的方向有两种：静电式微粒收集器。柴油机排气微粒中有70～80％呈带电状态，每个带电微粒约带1～5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果，但由于附加设备体积大、结构复杂以及高压电源的供给等，给实用化带来一定的困难。

2.4 NOx催化转化器NOx催化转化器对NOx在350～550℃的温度范围内进行良好的催化转化，使NOx排放降低20～30％。NOx催化转化技术可分为催化热分解和选择性催化还原反应两种。催化热分解是利用由金属离子沸石、钒和钼构成催化剂来降低NOx热分解反应的活化能，使NOx分解成无毒的N2，该方法简单且反应生成物无毒；选择性的还原反应是在

排气中喷入饱和的HC和NOx，反应生成物为N2、CO2和H2O，选择性的还

原反应将会生成额外的CO2。

3 进行柴油机机内净化

柴油机机内净化是对燃烧过程进行优化，使发动机达到混合均匀、燃

烧充分、工作柔和、启动可靠、降低排放。

3.1 防止机油串入燃烧室由于柴油机排放颗粒状物质的相当部分是

由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少串机油量。

3.2 采用柴油电控高压喷射技术柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。电控高压喷射

控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通

过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机

的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。

3.3 提高喷油压力和减小喷孔直径提高喷油压力和减小喷孔直径可

明显地降低颗粒PM的排放。为了避免高压喷射导致的NOx的增加，要求

适当降低空气涡流运动，提高压缩比和可变定时燃油喷射与其相适应，以

达到控制颗粒PM和NOX排放的目的。

3.4 改进燃烧系统改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、

进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内，燃油在燃烧室中

均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律和喷油定时。采用电控

制喷油泵、电控泵一喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央

配置喷油器等措施，既可改善柴油机性能，又可降低柴油机尾气排放物，

尤其是颗粒PM物质的排放。

3.5 采用废气再循环(EGR)EGR是将一部分排气导入进气系统中，通

过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用EGR降低NOx的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及

启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR随机进行控制，保证在对柴油机性

能影响不大的条件下，降低NOx的排放。

3.6 增压中冷技术废气涡轮增压提高了气缸内平均有效压力、过量

空气系数和整个循环的平均温度，可使柴油机颗粒物的排放量降低50％

左右，并减少CO和CH的排放。利用中冷技术，NOx的排放量可降低60～70％。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。

4 代用燃料的使用

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代

用燃料主要有天然气(压缩天然气CNG，液化天然气LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天

然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点：①天然气汽车成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车CNG为代表。CNG燃料本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中CO含量较低，

无排烟，但动力降低10％，携带不便。②甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性差，需要加装点火

装置，冷启动性差，有腐蚀性，并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇

来降低排放。

5 结束语

通过计算机辅助设计对柴油机燃烧系统、进排气系统、燃油供给系统

和燃烧室结构的优化设计，并采用新材料和新工艺，广泛采用增压中冷和

电控高压喷射控制技术，并采用尾气处理技术综合控制，将是柴油机发展