柴油机清洁排放控制技术的发展

[摘 要]以新一代燃烧技术的发展、演变及特征为出发点，从燃料改质技术、缸内净化技术和后处理技术三方面归纳了柴油机清洁排放控制技术研究的发展。重点分析了各种技术的特点以及对发动机排放的作用和影响。

[关键词]清洁排放；燃料改质；燃油优化；后处理；控制技术

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0089-01

引言

传统柴油机所造成高的PM和NOx排放的根本原因在于油气混和不好，油气混和不好是由于柴油机固有的燃烧方式所决定的（柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧）。燃油在压缩冲程末期被喷人缸内，经过短暂的滞燃期开始自燃着火。由于燃油与空气混合时问短，而且在着火开始时，喷射尚未结束，结果造成了燃烧室内存在许多局部“很浓”的适宜碳烟产生的区域以及当量比为1附近的有利于NO。产生的区域（燃烧火焰温度高达2700K）。柴油机这种非均质燃烧的固有性质，使它必然存在NOx和碳烟排放的最低限值。

1 排放控制的措施和应对方案

在今天环境破坏和资源枯竭的双重压力下，各国政府都先后通过各种法律法规来对汽车市场进行规范，主要技术路线有：燃料改质技术、缸内净化技术及后处理技术。

1.1 燃料改质技术

燃料特性对放热率以及自燃着火特性有着显著的影响，这给燃烧过程的控制提供了可能，即通过混合燃料、添加剂、燃料预处理等各种措施使燃料的自燃着火特性改变，从而实现控制燃烧过程的目的。以下是各种燃料改质技术的方法和特点介绍。

（1）减少燃油中芳香烃成分，可以减少NOx的排放；

（2）根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值，能有效降低NOx的排放；

（3）乳化处理。在柴油中加入适当的乳化剂，通过乳化燃料中水的汽化降低缸内燃烧温度，减少NOx的排放；

（4）降低硫含量。含硫量增加，除使燃烧过程所产生的硫酸盐固体颗粒增多外，还由于中间产物能够催化碳烟生成，使总的颗粒物数量增加；

（5）掺烧消烟剂。在燃油中添加钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐可以减少碳烟排放；

（6）添加含氧燃料。提高柴油中的氧分子含量，有助于降低碳烟排放。

1.2 缸内净化技术

现代柴油机技术的发展为控制柴油机混合气的形成和燃烧优化及清洁排放提供了更好的控制手段和实现方法。下面就增压中冷技术、EGR技术、可变气门技术、燃油喷射技术和电控技术的发展和特点进行介绍。

1.2.1 增压中冷技术

涡轮增压可增大柴油机的空气量，用较大的过量空气系数组织燃烧，可限制最高燃烧温度，抑制NOx的增加。进气中冷技术可降低进气温度，进一步增加发动机进气量，从而降低燃烧温度，控制NOx的生成。

1.2.2 排气再循环技术

排气再循环（EGR）是降低发动机NOx排放的有效技术手段。EGR对NOx排放的降低作用主要来自于再循环排气对燃烧过程的影响，包括热作用、稀释作用、进气温度作用和化学作用等几个方面。

1.2.3 可变气门技术

基于可变气门技术的可变压缩比技术可以改变混合气的密度、压力和温度，从而对燃油的自燃过程产生影响。降低有效压缩比，可以降低缸内的温度和压力，使得NOx排放大幅降低。同时，降低有效压缩比还可以利用较大的膨胀比，实现米勒（Miller）循环，使作功能力增强。

1.2.4 燃油喷射技术

以共轨技术为代表的多次喷射技术被越来越多的应用到新一代清洁、高效柴油机开发上。其不仅用于缸内燃烧净化，而且被用于后处理系统中的NOx以及颗粒捕捉器等的再生。

1.2.5 电控技术

就柴油机先进燃烧模式的控制方法，诸多先进的燃烧模式（HCCI、PCCI、LTC），排气再循环技术和增压技术是其实现的重要手段，为了得到稳定的、精确的燃烧过程，柴油机燃烧过程控制已出现较复杂的闭环控制。其中包括基于缸压的控制技术和气路的控制技术。基于缸压的控制技术，可以直接对缸内的燃烧过程进行监控，对燃烧相位、IMEP（指示平均有效压力）、最大缸内压力和最大压升率等重要参数进行闭环控制，也便于发动机燃烧故障诊断，其对燃烧过程的控制更直接、更精确；气路的控制技术，是一种基于模型的控制，传感器成本低，但需要建立气路系统的动态模型，通过动态模型来评估或直接监测气路中重要的参数状态（EGR率、进气流量、进气氧浓度、进气温度等），以对气路系统的控制参数和喷油参数进行调整，从而达到控制燃烧过程的目的。

1.3 后处理技术

在传统燃烧技术优化过程中，衍生出两条不同的技术途径。一条是通过排气再循环（EGR）把NOX降下来，然后通过排气后处理装置一主要是微粒捕集器或微粒氧化器来降低微粒排放；另一条途径是通过燃烧系统优化，把微粒降下来，但同时允许NOX升高。然后，在排气后处理系统中，通过后处理器降低NOX的排放量。

1.3.1 燃烧优化+SCR路线

该路线的主要特点是通过燃烧过程的优化控制PM满足排放要求，此时NOX的原始排放会有较大幅度的升高，然后通过SCR技术来有效降低NOX排放。

车用柴油机SCR的还原剂主要采用名称为“添蓝（AdBlue）”的尿素水溶液，通过喷嘴将尿素喷入排气管道分解为氨气作为还原NOX的还原剂。

1.3.2 EGR+DPF路线

该技术路线的主要优点是，与SCR技术相比不需加装体积庞大的添蓝罐和加注添蓝液，不需要建设添蓝加注站，对基础设施建设的依赖程度较低。

采用EGR+DPF路线的主要缺点是，采用EGR后会导致经济性变差；DPF对燃油中的含硫量比较敏感，抗硫中毒能力差；排气中的盐类物质会造成捕集器堵塞，使排气背压升高，燃油经济性恶化；DPF需要再生。

2 总结

综上所述，随着人类社会对环境保护意识的加强和汽车法规的日益严格，柴油机清洁排放控制技术得到了全方位、多角度深入的研究。发动机的排放控制技术始终要服从缸内燃烧控制和发展的需要，通过不断的改进和优化，才能到达最终清洁排放的目的。