现代汽车柴油机排放控制技术--及欧Ⅳ之后中重型柴油机主要技术路线

　　1 柴油机的主要排放物及其生成机理

　　1.1 主要排放物

　　二氧化碳(CO2)：燃烧含炭元素的物质而产生的，本身对人体无害。进入本世纪以来，随着石油等化石燃料的大量消耗和作为吸收源的热帯雨林被大量砍伐等，空气中CO2含量飞速增长。CO2造成地球转暖，即所谓的温室效应，因此成为近年全球关注的热点和焦点。相对于汽油机来说，柴油机燃油消耗量小，所排除的CO2也相对较少。

　　一氧化碳(CO)：CO是在排放的气体的所含成分中最有害的物质，是燃料在氧分不足的状态下不完全燃烧的情况下产生的。空气中CO排放量的约90%被认为是来自汽车，在各种排放的气体中CO是最初的作为限制対象的。该气体被吸入人体后，会产生溶血反应导致中毒。但是，柴油机和汽油机相比，燃烧较为充分，所以CO的产生量非常少。

　　未燃烃(HC)：氢和炭构成的化合物质的总称。这也是光化学烟雾的形成原因，根据种类不同会对呼吸系统产生影响。

　　微粒(PM，主要是黒烟)：PM是从柴油机中排放出来的颗粒状物质的总称。主要是由黒烟、SOF(可溶性有机组分)燃烧后剩下的燃料和润滑油成分、轻油燃料中的硫黄成分燃烧后的生成物所构成的。包括颗粒细小的SPM。

　　氮氧化物(NOx)：NO、NO2、N2O、N2O2等各种化合物的总称。在高温下氮分子和氧分子结合后产生的。不只是汽车，香烟和火炉等也会产生。燃烧温度越高越容易产生NOx，因此发动机的设计中必须考虑适当降低燃烧温度。

　　1.2 生成机理

　　CO2：CO2是石油化工燃料燃烧产生的。排放量根据燃烧时的燃料消耗多少成比例増加。柴油机在车用内燃机中热效率较高，燃料消耗率小。而汽油机热效率较差，燃料消耗率较大，CO2排放量较多。

　　CO/HC：CO是氧分不足不完全燃烧时产生的。柴油机的排放量极少，汽油机的排放多。柴油机中，燃烧是在相对于燃料空气量充分的状态下进行的。汽油机中，相对燃料/空气量比例是几乎一样的，所以在燃烧时引起局部的氧分不足，产生量变多。HC和CO一様，也是在燃烧时相对燃料的空气不足而产生的。

　　NOx：是在高温完全燃烧状态下生成的。和以上所说的三种物质不同，NOx在柴油机中的排放量多，而汽油机的排放较少。原因是柴油机不用点火装置，自燃着火而燃烧的原理。我们通常将燃烧阶段分为：1)、着火延迟期间;2)、预混合燃烧期间;3)、扩散燃烧期间;4)、后燃烧期间。其中预混合燃烧期间产生爆发性燃烧发生高热，气缸内的温度急速上升。这时，会产生NOx。而且，NOx的成分N和O是在高温时促进反应，这是产生NOx的主要原因。

　　PM：是在低温时不完全燃烧状态下生成的。和NOx一样，柴油机相比汽油机PM排放量要多很多。这个原因也在于燃烧的特征。柴油机是向气缸内部喷射燃料，混合燃料和空气，混合状态通常不均匀，而且在扩散燃烧期间和后燃烧期间气缸内的温度和圧力下降。这样燃烧状态恶化后，引起燃料的蒸烧状态，也就是不完全燃烧状态。这时，产生PM和黑烟。另外一方面，汽油机通常向混合好的混合气点火，这样发生不完全燃烧的燃烧过程短了，PM排放量少了。

　　由上可知，对柴油机而言，长期来其有害排放物的控制对象主要是NOx和PM。

　　2 柴油机NOx排放控制技术

　　2.1 机内净化技术

　　采取机内净化是治本之举。它是通过改进柴油机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少NOx排放的目的。

　　(1)进气系统的优化：对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流，以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少NOx的生成。

　　a) 多气门技术：柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放法规的有效途径。缸盖上喷油嘴和活塞上燃烧室凹坑布置气缸中央，优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器冷却条件，并可实现涡流比不同转速下变化，这使混和气形成进一步优化，提高动力性和经济性同时减少了NOx排放，但增加了成本和结构复杂性。

　　b)进气涡流的优化：提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使NOx的排放明显增加;若减少进气涡流的强度虽可减少NOx的排放，但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2～2.5范围内变化，以兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。

　　c)增压中冷技术：柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOx的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOx的排放。因此，采用增压中冷技术可使柴油机NOx的排放降低。目前，柴油机增压中冷技术在中重型柴油机上应用广泛，在轻型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。

　　(2)喷油系统的优化：喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOx排放的有效途径，分别叙述如下。

　　a)优化喷油定时：NOx排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOx排放，但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOx的排放。

　　b)优化喷油压力：提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能，使混合气的混合质量得以改善，燃烧更加充分，燃烧温度上升，NOx排放增加。因为提高喷油压力能改善燃烧过程，故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升，但这又使延迟喷油以降低NOx排放的目的落空。为减少NOx排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

　　c)优化喷油速度：当喷油提前角一定时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，可以使柴油机产生的NOx较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOx的排放。另外，喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合权衡以谋求各参数的最佳值。

　　d)优化喷孔结构：喷油器喷孔直径和数目对柴油机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时，减少孔径会减少初期喷油量，抑制预混合燃烧和最高燃烧温度，以减少NOx的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下，增加喷孔直径或增加孔数，可降低流阻，改善燃油的雾化和分布，因而能降低NOx的排放。

　　(3)燃烧室结构和参数优化

　　a)优化压缩比：柴油机压缩比控制着着火延迟期长短。降低压缩比，有利于着火延迟，能够减少峰值压力，可使燃烧最高温度降低，NOx排放减少。但压缩比过低，柴油机难于着火。压缩比对NOx影响较为复杂，选取压缩比时应综合考虑。

　　b)燃烧室型式优化：燃烧室型式与NOx排放有着密切关系。直喷式柴油机NOx排放明显高于非直喷式柴油机，这是因为非直喷式柴油机前期燃烧发生在混合气过浓的预燃室或涡流室里，缺氧NOx生成受到了抑制，又因主燃烧室中燃烧开始较晚，且是较低温度下进行。同一类型但结构不完全相同的燃烧室，其NOx排量也有差异。例如直喷式柴油机中，涡流最强的球型燃烧室NOx排放最高，浅盆型燃烧室最低。

　　(4)燃烧室喷水冷却技术：水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度;水与油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOx排放的同时，还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式：进气管喷水;用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室;通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室;在喷嘴的两个燃烧层之间填充水，并分层喷入燃烧室。但如何控制喷水的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还有待于进一步研究。

　　(5)燃料的改进

　　a)提高柴油十六烷值：十六烷值在柴油机燃料参数中对NOx排放影响最大。十六烷值较高时，由于其稳定性变差，极易裂解为碳烟。柴油机排气烟度较高，但其发火性能好，柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低，NOx排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时，NOx排放可降低10%左右。

　　b)使用柴油添加剂：在柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的十六烷值，缩短着火延迟期，使得NOx排放减少。但使用添加剂会导致二次污染。

　　(6)采用废气再循环(EGR)技术

　　采用废气再循环(EGR)是降低NOx排放的一项极为有效的措施，过去只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOx排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等气体对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOx的生成。大约60%-70%的NOx是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOx是很有效的。废气再循环率为15%时，NOx排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOx排放可减少80%以上，但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量，其响应速度较慢，所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。

　　2.2 机外净化技术

　　由于机内净化并不能完全达到法规要求，因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理，采取机外净化技术显得很有必要。

　　NOx的机外净化主要是采用催化转化技术。由于柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高，这使得利用还原反应进行催化转化比汽油机困难。例如在汽油机上使用三元催化转化器，其有效净化条件是过量空气系数大约为1。若空气过量时，作为NOx还原剂的CO、H2和HC便首先与氧反应;空气不足时，CO、HC不能被氧化。显然，用三元催化转换器降低NOx的技术在柴油机上是不适用的。

　　(1)采用催化转化技术：从理论上讲，可以将NOx分解为N2与O2，但实际上这个过程相当慢，到目前为止，该方法尚未得到实际应用。因NOx的氧化产物为固态，这对车用柴油机不适合。对于车用柴油机NOx的排放只能采用还原方法除去。

　　a)选择非催化还原(SNCR)：SNCR技术只能在一定的温度区间(800℃-1000℃)使用。而柴油机排气不可能达到这样高的温度，只能通过在柴油机膨胀过程中，向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想。该技术只是在发电厂得到了广泛应用，在车用柴油机上尚未应用。

　　b)非选择催化还原(NSCR)：NSCR技术是将还原剂(如氨气、尿素、HC)喷入排气管中，在催化转换器的作用下与废气中的NOx进行反应。由于废气中含氧量较高，还原剂很容易直接被氧化，故消耗量极大。

　　c)选择催化还原(SCR)：SCR的原理与NSCR相似，也是将NH3加入到高温废气中与NOx发生反应生成N2和H2O，只是催化剂配方不同。在车用柴油机上该技术比前两种更具有应用价值。NOx的还原反应在选择性催化转化器中被加速，还原剂的氧化反应被抑制。

　　(2)采用碳素纤维加载低电压技术

　　采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOx的排放。碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOx排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。

　　3 柴油机PM排放控制技术

　　3.1 机内净化技术

　　与NOx机内净化技术相反，所有改善发动机燃烧，增加缸内最高燃烧压力与温度，从而提高柴油机的动力性和经济性的技术措施，如增大供油提前角，提高进气涡流比，优化喷油系统等，均可大幅降低PM排放量。

　　3.1.1 机外后处理技术

　　(1)氧化催化转化器(POC)

　　柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤。柴油机加装氧化催化转换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。采取此措施(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。

　　但是，氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明，当使用硫的质量分数为368×10-6的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的PM排放降低23%-29%，HC降低52%-58%;若改用硫的质量分数为54×10-6的柴油，PM可降低53%。所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料;并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。

　　(2)微粒捕集器(DPF)

　　微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。微粒捕集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态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

　　微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积。

　　耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷;具有较小的热膨胀系数，通过性好，流通阻力小，在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强，质量轻。目前，最常使用的过滤材料为堇青石(其主要成分为MgO、AlO、SiO)和碳化硅晶体SiC。

　　微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。在过滤过程中，会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16-20kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生;“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量(热能)的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。根据外加能量的形式可分为：全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。随后又开发出CRT(连续再生捕集器)系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

　　就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的：对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向，但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。连续再生将是以后一个重要的发展方向，但就中国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响(要求为50ppm以下)，国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。

　　在各种柴油机微粒捕捉器再生技术中，除连续再生外，都要对再生时机进行判断，即进行再生控制，再生控制系统是微粒捕捉器不可缺少的部分。现代自动捕集器系统已经具备在线诊断系统形式的电子监测，并同时控制再生过程，除了简单地监测背压，还用复杂的运算来确定烟尘装载量。最新开发的烟尘传感器(如测电导率)可连续监控排气的清洁度，保证了捕集器在正确的时机进行再生。

　　(3)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。但目前的问题是设备体积过大，成本太高，在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题。但是随着技术的发展也是极有前景的。

　　(4)电压捕集技术

　　在柴油机排气管的上下游分别装金属网，网间加约50V直流电压。一般上游的金属网网格较大，加负电压;下游的金属网网格较密，加正电压。当微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的，这种方法装置简单且过滤效率较高。

　　(5)脉冲电晕等离子体化学处理技术

　　此种技术利用5-20eV的高能电子轰击反应器中的气体分子NOx、SO、O和HO等。经过激活、分解、电离等过程产生很强的自由基COH、HO、原子氧(O)和臭氧等，强氧化物迅速氧化掉碳粒，NOx和SO在水的作用下生成硝酸和硫酸，加入适当的添加剂(NH等)则生成相应的铵盐，可通过滤清器和静电除尘收集产物，从而达到减少污染的目的。但由于本过程产生了新的盐类和其它化学成份，有可能形成二次污染，目前尚处于理论研究和实验室内的应用。

　　(6)静电旋风技术

　　研究人员对静电旋风技术捕集去除柴油机PM的效果进行了探索性研究。结果表明，借助高压脉冲静电作用不仅能较好地捕集柴油机排气中的PM，而且对尾气中的HC和NOx也有一定的去除作用。静电旋风捕集器具有排气阻力小、清灰简单等优势。

　　4 欧Ⅳ及之后中重型柴油机排放控制主要技术路线

　　相比目前全国正在普遍实施的国Ⅲ标准，国Ⅳ标准(实际实施时间已经推迟)的要求在前者基准上轻型汽车单车污染物排放降低50%左右，中重型汽车单车有害气体排放降低30%左右，颗粒物排放降低80%以上。由表1分析可知，对中重型车而言，国Ⅲ至国Ⅳ是排放法规升级过程中，限值跨越最大的一次，因此也是技术路线升级相对最艰难的一次。

　　表1：美欧日和中国中重型车排放法规限值与实施时间对比(单位：g/kWh)

　　表注：1.中重型车是指总重>3.5吨的商用车;2.实施时间为型式认证的时间，生产一致性的时间一般推迟一年。

　　由于我国中重型车实施国Ⅳ的相关技术路线在行业上并没有统一要求，因此大多数车企都倾向发动机结构不发生大的改变的SCR技术，当然也有部分企业倾向于采用EGR+DPF(颗粒捕集器)技术。目前，业内人士普遍认为，国Ⅳ阶段中高端市场会以SCR为主，低端市场有可能仍然采取EGR+DPF路线。其中高速物流用牵引车会采用SCR技术路线，而对于中短途载货车及自卸车将会采用EGR+DPF技术路线。在国Ⅳ实施的时间上，除北京、上海、深圳等地区外，全国大部分地区的国Ⅳ标准的实行预计将会延期2年左右，即型式核准会在2012年1月1日真正执行，新车销售、上牌将会在2013年1月1日真正执行。

　　对于欧Ⅳ及之后，欧美主要采用了两条机外后处理技术路线：其一是SCR(选择性催化还原)技术路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒PM的产生，而在机外后处理过程中，采用尿素溶液对氮氧化物NOx进行选择性催化还原。这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载重车几乎全部采用SCR技术，不过短途运输或者城市公交车则主要选择EGR+DPF技术。目前采用SCR技术路线的主要有康明斯、马克、底特律柴油机、戴姆勒-克莱斯勒、沃尔沃、达夫、依维柯;其二是EGR+DPF/DOC(废气再循环+微粒捕集器/柴油氧化催化转换器)技术路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制NOx的产生，在机外后处理过程中采用微粒捕集器对PM进行微粒捕捉，这一技术路线在北美市场占主流，目前采用该技术路线的主要有康明斯、卡特彼勒、万国、斯堪尼亚、曼等。

　　两种技术路线各有优缺点，采用SCR方案，对发动机不须做进一步的强化处理。燃油中的硫含量对于系统的影响较小，可回避燃油含硫量高的难题，而硫含量高是国产柴油近几年难以克服的技术问题，采用SCR方案可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5%，但需在加油站设立相关的尿素溶液补充设备，整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。采用EGR+DPF/DOC方案需对原发动机进行强化，提高喷油压力和增压中冷能力。其次，需提高微粒捕集器的再生能力，还有对燃油含硫量要求较严，且燃油消耗较高，但不增加额外的装置，用户只要定期更换微粒捕集器即可。