排放与噪声

车用柴油机排放控制的研究现状及前景分析

北京交通大学 吕祥奎

(原载<内燃机动力装置>2007第三期)

0前言

与汽油机相比，柴油机具有热效率高、燃油消耗率低、燃油价格便宜等优点，其应用范围也越来越广，但是随着柴油机使用量的不断增多，加之世界各国对汽车有害排放物控制的日益严格，柴油机排气净化问题越来越受到重视，对柴油机而言，最主要的污染物是NO。和PM，由此而生的柴油机排放控制方法和控制技术也多种多样。本文从机前处理、机内净化和机外处理三条途径着手，就柴油机排放控制技术的发展状况进行了分析。

1机前处理

所谓机前处理，就是对进人发动机燃烧室的燃料与空气作有益于净化的预处理。对于柴油机而言，主要方式是改进柴油品质。

柴油的品质对柴油机排放影响极大，增加柴油的十六烷值能有效地降低发动机排气PM、CO和NO；排放；降低柴油中硫的含量，可降低13％～22％的颗粒排放；降低燃油中的芳香烃成分可以减少NOx排放；加入一些添加剂也可以有效的降低微粒的排放。柴油改质应从以下几方面进行。

1．1降低燃油中的含硫量

一方面在燃烧过程中，柴油中的硫约有98％转化为s吐，其余成为硫酸盐颗粒，部分sq被进一步氧化并与燃烧过程中生成的H'0结合，形成硫酸盐，增加了颗粒的排放量。另一方面，燃料中的硫还会引起催化剂中毒。使用含硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果。

1．2减少燃油中的芳香烃成分

1．3根据燃油的馏程合理提高燃油的十六烷值

如果十六烷值由40％增加到50％，则NO，排放约下降11％。

1．4进行柴油的乳化处理

在柴油中加入适当的乳化剂，通过燃料中的水汽化来降低气缸温度和燃烧温度，减少NO。的排放；另外，乳化燃料中的水分子迅速汽化、膨胀，促进了燃料与空气的迅速混合，加速r燃烧，减少了气缸内的激冷层，有利于减少HC的生成。

1．5加入降污添加剂

碳酸二甲酯具有含氧量高、沸点高、与柴油互溶性好和无毒性的特点，使用该添加剂，无须改造柴油机的燃油供给系统。试验表明：加入添加剂后，在保持原来供油系统不变的条件下，可大幅度降低柴油机的碳烟排放量，尤其对柴油机急加速时碳烟的控制较为明显。

1．6在柴油中掺烧消烟添加剂

将金属钡、镁、锌等溶性碱化盐或中性盐中作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，消除喷油嘴头部的积炭，可减少30％～50％碳烟颗粒排放。

1．7在柴油中加人活性剂

如加人H H_一B活化剂可降低生成NO。的热分解活化能，加速No’热分解。

2柴油机机内净化

所谓机内净化，就是从有害排放物的生成机理出发，在燃烧室内部对有害排放物的生成反应予以最大限度的控制，而对它们的消失反应则尽量提供有利的条件，进而从根本上达到减少排气污染的目的，目前主要有以下几种方式：

2．1改进燃烧室

柴油机燃烧室的型式形状和结构参数对柴油机的燃烧及污染物的生成有重要的影响，柴

油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两类。对于直喷式燃烧室，趋向于采用中央布置，加大燃烧室直径，能改善燃油与空气的分布，使燃油空气充分混合，燃烧更彻底，会有效减少PM、HC和NO。的生成。目前较先进的中央布置方法足采用四气门结构的燃烧室。对于分隔式燃烧室利用部分燃料先期燃烧的能量，促成后期混合气的形成和燃烧，使得(比同规格的直喷式燃烧窒)N01的排放量降低，其他有害成分HC、CO等也相对较低。此外，以HCCl为代表的新燃烧方式，同样能大幅度地降低NoT和PM排放，可以全面改善柴油机的燃烧性能，只足目前仍处于基础研究阶段。

2．2进气系统的改进

改进进气系统可适当的降低NO，排放，可以通过组织适当的进气涡流强度、改变进气重叠度、改变进气状态和采用多气门技术等多个方面着手。进气涡流减弱，NO，降低，但烟度增加。其原因是混合气形成条件变差而使燃烧速度变慢，因而气缸内温度降低。因此，进气涡流强度需要在NO。与烟度之间作适中的选择。气门的大小和配气相位影响气缸内残余废气系数，从而影响Nq排放。当残余废气增加时，NO，排放降低。此外，通过改变进气状态如适当地增加进气湿度，使最高燃气温度降低，也可以使NUl排放降低。在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。在多气门技术方案中，由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑一般布置在气缸中央处，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOx排放，但增加了成本和结构的复杂性。在柴机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐小型柴油机上开始应用。

2．3增压中冷

柴油机采用增压中冷技术不仅可显著地提高柴油机的动力性和经济性，而且能极大地改善排放指标特别是NO，和PM。采用增压中冷以后，一方面进气管内的空气压力温度着火滞后期燃烧速率和过量空气系数都相应地发生了变化使得NO，的生成更加困难，另一方面增压可使气缸内浓度增加为改进混合气形成和燃烧创造条件，同时增压还可以提高进气温度促使液体燃料蒸发汽化，从而减少微粒的生成。

2．4废气再循环

废气再循环(EGR)是指让发动机一部分排气引回到进气管，与新鲜空气混合后进人气缸作为工质参加气缸内的热循环，EGR作为控制NO。排放的一项有效措施，越来越受到重视，对柴油机采用EGR的研究已取得了一定的成果。由于废气再循环(EGR)减少了进气中含氧量+废气的热容量增加而使最高温度下降，所以只有在部分负荷或空燃比足够大的工况下采用，以不使HC和PM排放量明显增加。EGR技术的关键应使NOx在最大程度降低情况下，又不影响柴油机经济性和HC与PM排放。采用有效的调整装置来优化柴油机整个工作范围内的废气再循环量，电控技术可有效地解决这一矛盾，和增压中冷技术的结合使用，可提高发动机的整机性能。利用废气中的冷凝水导人进气管从而使NO。下降，在进气系统中加入q，可促使混合气氧化，改善性能和排放。

2．5采用电控高压喷射技术

目前研究的比较多的是共轨式电控高压喷射。电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油速率和预喷射与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，使颗粒排放降低40％以上，并且发动机过渡工况的排放性能也得到显著改善。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，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。

2．6喷油定时延迟

延迟喷油定时是柴油机降低NO。排放的一项行之有效的措施。推迟喷油定时的主要作用是降低燃烧峰值温度和减少高温出现的持续时间，但是增加了排气门出口的温度，会引起烟度和油耗的增加。要解决降低污染物排放与保证发动机性能之间的矛盾，较好的办法是综合运用EGR废气再循环、延迟喷油定时和高压喷射等技术，达到NO。和微粒排放、油耗、功率等的最佳平衡。

2．7改进润滑系统

窜人燃烧室的润滑油不完全燃烧，不但产生大量的碳烟微粒(蓝烟)，而目．还大大地促成可溶性有机物的生成。该润滑油来源于活寒环与气缸臂之间的间隙和气门挺杆周嗣的缝隙。所以，在结构上要改善气缸套与活塞的配合，提高接触面的加工精度，改进气门挺杆的密封措施等，尽可能地减少窜漏的润滑油数量。

2．8可变控制技术

可变控制技术是根据发动机不同的工况，适时地调整喷油定时、燃烧窒涡流状况以及增压系统的各项参数，以达到充分发挥燃油效率，减少污染排放的目的。

3 柴油机机外处理技术

机外净化就是利用各种滤清净化装置和催化转化器，对排气系统内废气进行最后处理，以进一步降低有害物的排放量，是机前处理和机内净化方法的重要补充。柴油机排气后处理技术也分为两类，分别是排气后NO，处理技术和排气后PM处理技术。除此之外，近来人们还对能够同时处理NO和PM的技术进行了探索。

3．1排气后NO。处理技术

3．1．1氧化催化转化器

柴油机氧化催化转化器中使用的氧化催化剂铂(Pt)，主要用来氧化柴油机尾气中的HC与CO，其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和c0的原理基本一样。柴油机氧化催化器还能氧化掉PM中的一部分可溶性有机物SOF，但同时也将尾气中的部分sq，氧化成硫酸盐。所以对于含硫量较高的柴油来说，使用氧化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大，这样就降低了氧化SOF的效果，甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒。所以使用高硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果，还会降低催化器的寿命。因此，选择合适的催化器和使用低硫化燃油就显得尤为重要。 3．1．2稀NO。技术

稀NO，技术是指用HC化合物作为还原剂减少NO，排放。其中被动的稀NO。技术是指直接利用发动机废气中的HC作为还原剂，主动的NO，技术是指通过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的HC作为还原剂，但是由于柴油机废气中HC的浓度比较低，所以其最大转换率不超过15％；若采取主动喷射HC化合物的技术，NO。最大转换率将增长到30％． 3．1．3非选择性催化还原NO。(NSCR系统)

在催化剂存在的条件F，若还原剂优先与气相中的氧发生反应，再与NO。发生反应的还原过程称为非选择性催化还原．1970年以来，利用H2，CH,和cO作还原剂进行非选择性催化还原NO、得到r广泛的研究．其中，CO还原NO，的研究更加深人，原因是CO是柴油机排气中的成分之一。常用催化剂主要有：CuO，NiO，SnO，CeO，和Pt一、Rh—Tiq、Ruo， 等。

3 1 4选择性催化还原NO。技术(SCR) 采用NH3(尿素)和HC(乙烯、丙烯、丁烯和丙烷)作为还原剂的选择催化系统已经得到了广泛的研究。利用(尿素)作为还原剂进行催化还原NO，反应的催化剂有贵金属、贵金属氧化物和沸石体系，其催化反应是： CO(NH2)2+2H2p 2N地+C02+H20 4NTl3+2NOz+q一3心+6H=O

4NH3+4NO+q一4M+6H20

SCR系统已经在诸如电厂、船舶等大型柴油机上实用化，用于降低NO。的排放，转化效率高达90％。在国外，已有SCR运用实例，如戴姆勒一克莱斯勒公司为了使配备柴油机的商用车符合欧N及欧v排放标准，采用了使用尿素的SCR法。已于2005年上半年在卡车及大巴中采用SCR法，并在2006年10月符合欧N标准前，开始阶段性地支持欧N标准。该公司今后还将继续开发SCR技术，以尽早达到欧v标准的要求．但该种技术的缺点在于NI-13(尿素)需要定时填充来维持正常工作，且选择催化转化器的体积大、成本高，需要动态计量控制还原剂，在低负荷时，由于废气温度较低，催化效率下降。另外，需要高流量的氨气才能使NO；转化效率最高。 3．1．5 NO。吸附催化剂技术

由于电控技术在汽车上的应用，由此产生了NAC技术。NAC技术就是指用能吸附NO。的催化剂在富氧的条件下对NO；进行吸附反应，在缺氧的条件进行再生，缺氧条件的产生主要是通过燃油喷射系统的后喷实现。对于柴油机而言，由于在浓混合气的条件下容易产生黑烟，使得再生变得十分困难，通过适当地调节燃烧系统，可以将柴油机产生的黑烟降到允许的范围。通过对吸附和再生过程的适当搭配，NAC技术在稳态工况下可以将90％左右的 NO。还原。要使NAC技术在瞬态工况获得很好的性能，需要增加复杂的控制系统，需要进一步的研究。影响NAC技术应用于汽车的最关键因素是硫的容忍性，因为废气中的硫将会使催化剂中毒，影响再生过程。

3．1．6等离子辅助催化还原技术

等离子体技术原来主要用来处理碳颗粒的排放，现在该项技术研究的重点是NO，处理，在稀燃排气中等离子放电主要是氧化反应，单独用等离子体对NO，还原没有效果，但当将等离子体与催化剂结合，等离子体增强了催化剂的选择性，对柴油机排气中的NO，和碳颗粒都有很好的净化效果。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求，可以在相对低的温度下运行。Delphi和Caterpillar等公司已经利用等离子体和催化剂系统开发出NO。和碳颗粒处理系统，可用于柴油小轿车、重型车上。 3．1．7碳纤维加载低电压技术 碳纤维具有吸附性、导电性和催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应。目前，该技术正处于研究阶段。

3 2排气后PM处理技术

碳颗粒的后处理净化是将柴油机排气引入专门的后处理装置中，消除其中的碳颗粒后再排人大气，柴油机PM后处理技术包括非过滤和过滤技术。 3．2．1非过滤技术

非过滤技术主要包括两类：催化氧化剂技术和等离子技术。 3．2．1．1催化氧化技术

利用催化氧化技术减少载重车和城市公交车柴油机尾气PM排放始于20世纪90年代初。催化剂为蜂窝整体直通式，主要活性成分是贵金属。这种催化剂能部分氧化去除排气PM的可溶性有机组分以及气态污染物HC和CO。去除效果与发动机负荷、排气温度和燃料含硫量密切相关。发动机负荷低时，PM可溶性有机组分含量高，催化氧化降低PM排放效果明显；而发动机负荷高时，PM中可溶性有机组分含量低，催化氧化降低PM排放效果较弱。 3 2．1．2等离子技术

其工作原理类似于静电除尘，柴油机尾气中的微粒在高压电晕放电场中荷电，并在电场的作用下移向电极并聚积，过一段时间后可用燃烧方法再生。刘圣华对该技术进行了深入的研究”，研究结果表明，在中低负荷时，捕捉器效率高于90％，而在标定工况下，由于尾气在等离子捕捉器中的滞留时间短，捕捉器效率较低，采用该技术主要是为了提高柴油机尾气

在等离子捕捉器中的滞留时间。 3．2 2过滤技术

过滤是降低PM排放的最直接方法，过滤器包括壁流蜂窝陶瓷整体、陶瓷泡沫、陶瓷纤维、和金属线网等。其原理皆是借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等机理将PM从气流中分离出来。其中，壁流式蜂窝陶瓷和陶瓷纤维属于表面过滤，陶瓷泡沫和金属丝网属于深床过滤。各种过滤材料的过滤效 率见表1。 表1 过滤器类型及典型效率“ 过滤形式 过滤器娄型 过滤效率％ 表面过滤 壁流陶瓷整体 60~95 脚瓷纤维 70~90 深床过穗 陶瓷泡沫 金属线面 金属纤维 40~70 20～50 50一80 但是如果过滤体中收集的微粒不能及时清除，就会发生滤芯堵塞以致柴油机背压急剧上升的现象，影响柴油机的换气和燃烧，降低性能。因此需要定期清除沉积在过滤体中的微粒，使排气背压降低到原有水平。这就是过滤体的再生。再生技术是柴油机微粒捕捉器实用化的关键。再生实际卜就是利用热能将沉积在过滤器内的微粒烧掉。再生技术主要分为两大类，即主动再生和被动再生。主动再生利用外界能量来提高捕集器的温度，使微粒着火燃烧。被动再生一般利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。目前主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生等。被动再生有燃油添加剂再生、连续再生、催化剂辅助再生等。现在倾向于被动再生和被动与主动再生结合。因为被动再生有较好的燃油经济性、较低的成本，整个系统也比主动再生简单。

3．3同时净化N01和微粒技术 3．3．1四元催化转化器技术

四元催化转化器是由稀燃NO。催化剂(LNC)和柴油颗粒过滤器(DPF)两种技术或者由稀燃NO，催化剂(LNC)和柴油氧化催化剂(DOC)两种技术综合为一体的组合装置，即将PM和NO，的独立净化技术联合使用，即在同一装置中同时净化PM和NOx。这种装置有的已经商业化。图1为集DOC，DPF，SCR于一体的四元催化转化器。

图1四元催化转化器示意

Cleaire公司联合采用NRC和DPF技术，研发了一套集去除NO。，PM，CO和HC于一体的Longview装置。采用外加还原反应物(如尿素)以催化还原NO。，而DPF同时净化PM，CO和HC。

净化效果尽管根据柴油机而不同，但一般情况下，NO，的去除率可达25％，PM去除率大于85％，CO去除率大于90％，HC去}象擎大于65％。 3．3．2催化技术

在柴油机排气的氧化环境中，用催化的方法同时去除NO。和PM的理念是由Yoshida首次提出的。研究表明，在相同的温度范围内，PM的氧化反应和NO,的还原反应可以同时进行，在催化剂的作用F，NO和n的共同存在促进了PM的催化燃烧，因此同时去除柴油机排气PM和NO，是可行的。其催化剂可归纳为3类，即金属氧化物型催化剂、尖晶石型复合氧化物

催化剂和钙钦矿型复合氧化物催化剂。 3．3．3低温等离子体技术 研究表明，等离子体与催化过程的结合是一个十分诱人的新领域，蕴藏着十分丰富的科学内容和潜在的实用价值。其基本思想是：等离子体促进活性物种的生成，选择性地生成目标产品，以获得高活性和高选择性。产生这些新特点主要有3个原因：其一，反应物由常规电中性状态变为等离子体时有多种电性及高活性，其化学吸附必然发生变化，导致活性和选择性的改变；其二，催化剂表面性质在等离子体作用下也将发生变化。其三，催化剂与等离子体界面存在等离子体鞘。与等离子体电位相比，催化剂表面处于负电位，阳离子在鞘电位加速作用下撞击催化剂表面有助于产物的解吸，促进反应的进行。同时等离子体放电具有结构简单、不影响柴油机运行性能以及同时捕集碳烟微粒和降低N02的潜在优势。 此外，还有研究发现，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NO。。借助等离子体耦合催化技术可使PM去除率达70％，NO，去除率达30％。最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NO。并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM、NO、CO和HC，即开发出谓的“四效催化剂”。

4结论

机前处理和机内净化以及机外处理都是适应末来排放限值的关键技术，对机外处理而亩，主要是采用新配方柴油，尤其是要降低S的含量，但受到石油冶炼技术及生产成本的限制；机内处理又要面临着柴油机中NO。和碳烟微粒处理间的固有矛盾，常常要牺牲发动机的动力性及燃油经济性，目前主要研究方向是直喷及燃油共轨系统；考虑到目前开发研究的现状、技术卜的复杂性以及效益成本比等因素，可以认为机外处理是解决当今柴油机排放问题的最直接、最有前途的策略，它符合我国目前的产业政策，特别是环保产业政策。但这并不意味着排斥柴油机其它技术的发展，其它技术依然会得到深入研究。就机外处理技术而言，等离子体技术及四元催化转化器技术被认为是两种很有发展前景且有挑战性的净化柴油机排气技术，是未来柴油机排气处理发展的趋势，具有巨大的潜在应用前景。

催化剂和钙钦矿型复合氧化物催化剂。 3．3．3低温等离子体技术 研究表明，等离子体与催化过程的结合是一个十分诱人的新领域，蕴藏着十分丰富的科学内容和潜在的实用价值。其基本思想是：等离子体促进活性物种的生成，选择性地生成目标产品，以获得高活性和高选择性。产生这些新特点主要有3个原因：其一，反应物由常规电中性状态变为等离子体时有多种电性及高活性，其化学吸附必然发生变化，导致活性和选择性的改变；其二，催化剂表面性质在等离子体作用下也将发生变化。其三，催化剂与等离子体界面存在等离子体鞘。与等离子体电位相比，催化剂表面处于负电位，阳离子在鞘电位加速作用下撞击催化剂表面有助于产物的解吸，促进反应的进行。同时等离子体放电具有结构简单、不影响柴油机运行性能以及同时捕集碳烟微粒和降低N02的潜在优势。 此外，还有研究发现，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NO。。借助等离子体耦合催化技术可使PM去除率达70％，NO，去除率达30％。最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NO。并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM、NO、CO和HC，即开发出谓的“四效催化剂”。

4结论

机前处理和机内净化以及机外处理都是适应末来排放限值的关键技术，对机外处理而亩，主要是采用新配方柴油，尤其是要降低S的含量，但受到石油冶炼技术及生产成本的限制；机内处理又要面临着柴油机中NO。和碳烟微粒处理间的固有矛盾，常常要牺牲发动机的动力性及燃油经济性，目前主要研究方向是直喷及燃油共轨系统；考虑到目前开发研究的现状、技术卜的复杂性以及效益成本比等因素，可以认为机外处理是解决当今柴油机排放问题的最直接、最有前途的策略，它符合我国目前的产业政策，特别是环保产业政策。但这并不意味着排斥柴油机其它技术的发展，其它技术依然会得到深入研究。就机外处理技术而言，等离子体技术及四元催化转化器技术被认为是两种很有发展前景且有挑战性的净化柴油机排气技术，是未来柴油机排气处理发展的趋势，具有巨大的潜在应用前景。

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