陳翔 1001305004
摘要：柴油機本是一種清潔高效的發動機，但是在汽油機應用三效催化器後，柴油機的碳煙顆粒及nox排放就顯得尤為突出。本文簡要介紹了碳菸及nox生成機理，並著重從燃油油品、
柴油機的碳菸及nox排放控制技術綜述
陳翔 1001305004
摘要：柴油機本是一種清潔高效的發動機，但是在汽油機應用三效催化器後，柴油機的碳煙顆粒及nox排放就顯得尤為突出。本文簡要介紹了碳菸及nox生成機理，並著重從燃油油品、機內淨化技術及尾氣後處理技術方面對柴油機的碳煙顆粒及nox排放控制技術現狀進行了**分析。
關鍵詞：柴油機；碳煙；nox；排放控制；尾氣後處理
柴油機具有耐用、清潔、高效、可靠性高等優點，和汽油機相比，柴油機是一種環境友好的發動機，但是和裝配了三效催化劑的汽油車相比，以氮氧化物(nox)和顆粒物(pm)為特徵的柴油車的尾氣排放汙染成為制約其推廣應用的重要因素。柴油車尾氣中nox的濃度與汽油機相當，顆粒物(pm)是汽油機的幾十倍。三效催化劑已經成功開發並被廣泛應用，可同時將汽油車排放的主要汙染物nox、co、hc削減90%以上。
但柴油機在工作過程中是處於富氧狀態下，使得傳統的用於汽油機的三效催化轉化器twc(three way catlyst)不能有效地降低柴油機的nox，且柴油機由於混合和燃燒的固有特點，其排出的碳煙微粒很多。加上碳煙微粒與nox之間又存在著一條權衡曲線（trade-off）關係，傳統的方法很難對兩者進行有效地控制，所以目前解決柴油機的碳煙微粒及nox的排放已經成為乙個重要研究方向，隨之也產生了許多相關的新技術。
nox的生成機理
nox並不是來自燃料,而是空氣在氣缸內燃燒時由高溫條件下氧和氮反應而產生的。在氣缸高溫下其主要生成no,而生成的no2的含量特別少;在高負荷的情況下no2的含量可以忽略[1]。根據鏈反應機理可知:
o+n2no+n n+o2no+o
在這2個反應過程中，n2，o2，n，o的濃度、燃燒所提供的高溫以及高溫持續時間決定了反應的速度和程度,並直接影響最終的nox的濃度。空燃比一定時，no的生成量隨溫度增高而增加,也隨轉速和負荷的增加而迅速增加。同時no的生成量也取決於火焰前鋒中是否富氧，在空氣過量係數α稍大於1時，no的生成量達到最高；當α小於1時,混合氣越濃，no濃度越高；當α大於1，過了產生no的峰值以後,混合氣稀薄,no濃度下降。
由於no的生成反應達到化學平衡需要一定的時間,而且這個時間要比每一迴圈中燃燒反應時間長,故為了降低nox的含量應著手降低火焰的高峰溫度、縮短高溫持續時間和採用適當的空燃比[2]。大量的試驗表明,要降低nox排放必然會引起燃油經濟性不同程度的降低,引起熱效率的降低和影響燃燒的徹底性。
碳煙的生成機理
由於柴油機是非均質燃燒,燃燒室內各區域的化學反應條件不一致,因此在燃燒過程中產生炭煙顆粒是難以避免的,而炭煙顆粒是烴類燃料燃燒過程的中間產物。brome及khan根據對火焰的研究資料,提出了炭煙顆粒的產生程序[3]。他們認為烴類燃料在過濃的高溫區中通過深度裂解和脫氫過程,產生較小分子量的物質,且在後期出現聚合反應;在燃燒室壁等非火焰區則通過聚合產生較大分子量的物質。
這兩個途徑單獨作用或相互交錯最終產生炭煙顆粒。
從技術的範疇來看,減少柴油車排放應該從燃油品質、內燃機機內技術和內燃機機外排放控制技術3方面同時著手，從國外的經驗看,3種技術應該配套使用、分層次地協調發展。
1、燃料和代用燃料
柴油的主要引數為密度、含硫量、芳香烴含量和十六烷值。柴油機運轉中，柴油中約有98％ 的硫轉化為氣體so ，其餘2％左右生成硫酸鹽顆粒隨尾氣排出。研究表明：
柴油含硫量由0．3％減少到0．05％時，顆粒物汙染將減少9％。十六烷值是影響nox排放的主要引數，十六烷值由40增加到50，nox排放下約ll％。面對低硫、低芳烴、高十六烷值含氧柴油要求，世界各國都紛紛制定新的柴油標準，規定柴油含硫量應小於0．05w％ 、芳烴含量小於35v％ ，以後逐年加嚴。
採用含硫、芳烴少高十六烷值富氧柴油可大幅改善柴油機碳煙微粒排放[4]。
二甲基醚dme(ch3一o—ch3)由於含氧原子，加之只有c—h鍵和c—o鍵，沒有c—c鍵，因此燃燒生成的排放物co、hc和碳煙微粒低。由於它蒸發潛熱大，可採用較大的egr率，十六烷值比柴油高，著火延遲期短，因此可以抑制nox生成和低的壓力公升高率，是一種較理想的新興代用燃料。發動機上燃用dme的試驗結果表明：
自然吸氣式發動機排放水平可達目前euro3和加洲ulev標準，燃燒雜訊降低l5db (a)，燃用dme同時採用冷卻egr技術，nox排放可降至1．36 g／kw·h，且顆粒排放幾乎不增加， 只是燃油消耗率略有增加[5,6]。柴油機燃用dme雖可使柴油機排放大幅改善，但目前仍有一些問題亟待解決。如燃料的儲運、燃油系統改進(新型低壓30 mpa燃油噴射系統)、洩漏和潤滑等問題。
氣體燃料(主要是天然氣cng和液化石油氣lpg)和空氣混合較充分，無需汽化，加之不含鉛，因此燃燒充分並可大幅改善柴油機的排放。目前由柴油機改裝的單燃料天然氣發動機和由柴油／cng、柴油一lpg改裝的雙燃料發動機已極大地改善了內燃機的排放，特別是城市建設用的工程機械和公交汽車內燃機等，已在清潔城市的大氣環境中做出了貢獻。但由於cng 和lpg 的一些特點，目前尚有一些問題需進一步研究解決。
一是啟動慢、加速性差、排溫高和易失火問題，二是耐久安全性、資源和供氣站推廣應用等，相信不久的將來，cng、lpg等氣體燃料將在內燃機上獲得更加廣泛的應用[4]。
2、機內淨化
2．1廢氣再迴圈（egr）
egr技術是現在柴油機降低nox排放的主要技術措施之一。egr在所有的負荷條件下均能降低nox的排放。其工作機理是將定量的廢氣引入柴油機的進氣系統中,再迴圈到燃燒室內,有利於點火的延遲,增加參與反應物質的比熱容以及co2,h2o,n2等惰性氣體對氧氣的稀釋作用,從而降低燃燒最高溫度,減少nox的生成。
大約60%~70%的nox是在高負荷時產生的,此時採用合適的廢氣再迴圈率對於減少nox的排放是很有效的。廢氣再迴圈率為15%時,nox排放可以減少50%以上。而廢氣再迴圈率為25%時,nox排放可以減少80%以上,但是隨著廢氣再迴圈率的增加,發動機燃燒速度變慢,燃燒穩定性差,hc排放和油耗增加。
若採用「熱egr」還可以在減少nox排放的同時減少hc和pm的排放,並且不會增加油耗,在中低負荷時淨化效果更佳[7]。雖然egr對柴油機缸內nox形成有明顯的抑制作用,但同時會增加排氣煙度。所以,egr雖是降低柴油機nox排放量的有效措施,但需要採取相應的措施降低排氣煙度,而且如何選取適當的egr率對改善柴油機的效能至關重要。
德國曼公司公布的歐ⅳ解決方案就是採用egr技術來降低尾氣中nox的含量,再借助於微粒捕集器來減少顆粒物的排放[8]。
2．2高壓噴射技術[9]
燃油噴射系統是柴油機的心臟,也是發展最快的系統。傳統的幫浦-管-嘴系統的噴油壓力比較低,一般不超過50~80mpa,因此燃油的霧化不好,易導致pm排放高。為使pm排放嚴格地達到排放法規,國外採用了高壓噴射技術,噴射壓力從原來的80 mpa提高到了140~200 mpa甚至更高。
如果不考慮到其它效能的平衡,高壓噴射可使pm達到歐ⅲ乃至更嚴格的排放限值,使柴油機告別冒黑煙的時代。柴油機噴油壓力越高,燃油和空氣的混合就越好,排煙就越少。高壓噴射可通過3種形式的噴油系統實現:
共軌系統、單體幫浦和幫浦噴嘴。與其它的燃油噴射不同,共軌式噴油系統能提供持續的高壓噴射,而且容易實現單迴圈多次噴射。目前國外已經在用的共軌系統最高壓力可達200mpa。
據報道,日本正在研製壓力高達300 mpa的燃油噴射系統,這種高壓噴射系統與孔徑只有80μm噴孔群配合,可達到「原子化」的噴霧特性。通常,共軌系統用於轎車等輕型車,而幫浦噴嘴和單體幫浦用於重型柴油車。燃油高壓噴射同時也帶來了柴油機電控和直噴的時代。
目前的高壓噴射系統大多採用電子控制噴射。與汽油機一樣,使用電控噴射技術後,柴油機也全面進入了電控時代,噴油量、噴油壓力、噴油率、噴油定時等全面實現了電控,同時還控制egr、可變截面渦輪增壓等。電控高壓噴射可非常精確地控制噴油量和噴油時間,以適應不同的道路工況,並且有的還具有自適應能力,可以補償零件磨損和零件製造偏差引起的變化,以取得nox、pm和燃油經濟性之間的最佳配合。
高壓噴射系統一般應用於直噴柴油機,它要求發動機吸入較多的空氣,但燃燒效率高,因此比非直噴式柴油機節油5%~10%,由於高壓直噴式柴油機同時具有良好的經濟性和較低排放特性，因此電控高壓直噴技術已經在國外柴油機行業佔主導地位。燃油噴射電控化後,使燃油多次噴射成為可能。現有的共軌噴射系統大多採用多次噴射技術,可以實現柔和燃燒，也可減少柴油機pm的排放。
目前這一技術在歐洲已經被廣泛應用於柴油轎車。
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