论文部分内容阅读
[摘 要]本文首先对相关内容做了概述，详细分析了柴油机后处理技术，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面提出了车用柴油发动机排放治理技术措施，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
[关键词]车用柴油发动机；排放；治理；措施
中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0062-01
1前言
车用柴油发动机排放治理是一项实践性较强的综合性工作，其具体实施措施的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对排放治理技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。
2概述
柴油是在533K～625K的温度范围内从石油中提炼出来的碳氢化合物。其中各成分质量分数分别是碳87%，氢12.6%，氧0.4%。碳氢化合物燃料完全燃烧时，将只产生CO2和H2O，没有其它成分。和汽油机相比，柴油机的CO和HC排放均比较小，这是因为柴油机总体来说在稀混合气下运转，平均过量空气系数一般在1.5～3之间，CO生成后可以得到进一步的氧化；作为汽油机HC排放的主要来源——狭缝效应在柴油机中大为弱化，原因是柴油机中进入狭缝的是空气而不是可燃混合气，因此HC排放得到大幅度降低。NOx的排放与汽油机在同一个数量级，微粒排放则要大几十倍甚至更多，所以NOx和微粒是柴油机最主要的排放物。
近年来随着科技水平的发展和对柴油机研究的深入，通过机内机外净化措施已经大大改善了柴油机的排放水平。为防止高压喷射带来的氮氧化物排放增加，必须延迟喷油，这样又导致热效率下降。要想从根本上解决排放问题，需要对NOx和微粒这两种主要排放物的生成机理有深刻的认识。
3柴油机后处理技术
3.1PM处理技术
3.1.1柴油机氧化催化转化器（DOC）。DOC一般安装在柴油汽车排气系统中，其主要对PM中的SOF进行氧化，同时也可以降低CO和HC的排放量。因其具有同时降低颗粒及HC和CO的功能，常常在发动机上与EGR结合使用，以全面提高发动机的排放水平。同时，由于柴油机氧化催化器具有良好的氧化性能，也多与SCR（选择催化还原）系统结合使用，以促进尿素的水解反应和减少NH3的泄漏，另外还可以把部分NO氧化为NO2。因此，只采用DOC不能满足PM的排放法规，所以必须采用该装置与其他后处理装置配合使用。
3.1.2柴油机颗粒捕集器（DPF）。目前，DPF是控制PM排放最有效的技术，其主要降低PM排放的质量和数目。研究DPF的关键技术主要有过滤体材料和过滤体再生。当前，过滤体材料研究已经成熟，但过滤体再生技术研究却相对滞后。
再生技术分为主动再生和被动化再生两类，主动再生是由外界提供热量，提高滤芯的温度，使沉积在滤芯中的PM燃烧，恢复滤芯的洁净状态。热量由燃烧器、电阻加热器和DOC等产生。主动再生依赖于汽车制造技术的提高。被动再生主要通过利用催化作用降低PM的起燃温度，在正常排气温度下使PM氧化再生，使DPF在柴油机使用条件下有足够的再生效率。目前，国内主要集中在被动再生中尾气催化剂开发与应用的研究上。
3.2NOx处理技术
3.2.1NOx选择性催化还原（SCR）。SCR技术是以尾气中的有机物为还原剂或添加还原剂，在富氧浓度条件下，通过催化剂的催化作用选择性地将柴油机排气中有害成分NOx转化为氮气和水，从而降低NOx的排放量。SCR系统的主要部分是还原剂和催化剂。还原剂类型有许多种，如NH3、烃类或醇类。催化剂主要有三类：贵金属催化剂如Pt、Rh和Pd等为活性组分，氧化铝或整体式陶瓷（堇青石）作为载体；金属氧化物催化剂如V2O5-WO3/TiO2，V2O5-MoO3/TiO2等；沸石類型的催化剂有如含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。
3.2.2稀薄NOx捕集技术（LNT）。LNT技术首先用于直喷式汽油机和稀燃汽油机，后来才逐渐用于柴油机研究。其工作原理是通过柴油机稀燃时，排气中的NO通过贵金属Pt、Rh等催化剂被氧化成NO2，而后通过具有吸附NOx能力的碱金属或碱土金属化合物构成的吸附剂以硝酸盐的形式存储起来；当柴油机进行燃料重整，达到富燃条件时，硝酸盐分解并释放出NOx，NOx通过贵金属Pt、Rh等催化剂的催化作用，与尾气中的HC、CO和H2等反应被还原成N2。
4车用柴油发动机排放治理技术措施
4.1推迟喷油，降低排放
喷油提前角是喷油始点早于气缸压缩上止点的角度。柴油机都要求喷油提前，这是因为从喷油到着火有一段滞燃期，为保证实际燃烧放热中心能接近上止点，避免燃烧拖后，经济性下降，所以喷油要提前。单从动力性和经济性出发，最佳提前角应随转速上升而增大，也应随负荷加大而稍稍增大。车用柴油机因为在宽广的转速范围内工作，所以有专设的转速自动提前装置来满足此要求。同一工况，若提前角改变，会使滞燃期改变。一般推迟喷油时，因初期喷油更接近上止点，故缸内压力、温度较高，滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。当然，若喷油太迟，使滞燃期挪到上止点之后，则缸内压力、温度未必上升。这种情况一般难以碰到。预混燃烧阶段是影响NOx排放最重要的时期。预混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低，从而大大减少NOx的排放量。
4.2降低微粒碳烟排放
在循环喷油量及喷孔大小和布不变的情况下，提高喷油压力就加大喷油速率，它直接产生两方面效果。其一，降低微粒碳烟的排放量。显然，喷油压力增高，则燃油颗粒粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷雾区的总体积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气多，也会提高燃烧和氧化速率，使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。大量试验都证实了这一点。其二，降低燃油消耗率。喷油速率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。
4.3喷油率控制
广义的喷油率控制，指的是喷油规律控制，应包括定时（喷油提前角）控制、喷油期长短控制和喷油率大小（喷油率曲线外形）控制。此处撇开喷油定时，单指在定时和循环油量不变时，喷油期长短和喷油率曲线的控制。喷油率是除混合气形成因素外，对燃烧过程又一重大的影响因素。当然，喷油率本身也和混合气的形成密不可分。可以设想，如喷油时期控制得很长，即使大幅度提高喷油压力，也无法缩短放热和燃烧时间；同样可以设想，如初期喷油量很大，即使推迟喷油，也无法把N0x和噪声降得很低。理想的喷油率图形可分为三个时期，即喷油初期、喷油中期和喷油后期。理想的喷油率图形一般公认，初期要求喷油率低，喷油量少，以降低NOx和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混合气形成，使微粒碳烟氧化。喷油中期的控制，一般通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有机械式预喷射装置、双弹簧喷油器以及电控喷油系统控制预喷射。大量的试验结果表明，要获得良好的效果，预喷射油量、主喷射和预喷射的间隔角度以及油量和时间的控制精度都有严格的规定。
5结束语
综上所述，加强对车用柴油发动机排放治理技术措施的研究分析，对于其良好治理效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的排放治理工作过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献：
[1]唐大学.柴油机废气排放控制技术新进展[J].内燃机.2016（21）：88-89.
[关键词]车用柴油发动机；排放；治理；措施
中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0062-01
1前言
车用柴油发动机排放治理是一项实践性较强的综合性工作，其具体实施措施的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对排放治理技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。
2概述
柴油是在533K～625K的温度范围内从石油中提炼出来的碳氢化合物。其中各成分质量分数分别是碳87%，氢12.6%，氧0.4%。碳氢化合物燃料完全燃烧时，将只产生CO2和H2O，没有其它成分。和汽油机相比，柴油机的CO和HC排放均比较小，这是因为柴油机总体来说在稀混合气下运转，平均过量空气系数一般在1.5～3之间，CO生成后可以得到进一步的氧化；作为汽油机HC排放的主要来源——狭缝效应在柴油机中大为弱化，原因是柴油机中进入狭缝的是空气而不是可燃混合气，因此HC排放得到大幅度降低。NOx的排放与汽油机在同一个数量级，微粒排放则要大几十倍甚至更多，所以NOx和微粒是柴油机最主要的排放物。
近年来随着科技水平的发展和对柴油机研究的深入，通过机内机外净化措施已经大大改善了柴油机的排放水平。为防止高压喷射带来的氮氧化物排放增加，必须延迟喷油，这样又导致热效率下降。要想从根本上解决排放问题，需要对NOx和微粒这两种主要排放物的生成机理有深刻的认识。
3柴油机后处理技术
3.1PM处理技术
3.1.1柴油机氧化催化转化器（DOC）。DOC一般安装在柴油汽车排气系统中，其主要对PM中的SOF进行氧化，同时也可以降低CO和HC的排放量。因其具有同时降低颗粒及HC和CO的功能，常常在发动机上与EGR结合使用，以全面提高发动机的排放水平。同时，由于柴油机氧化催化器具有良好的氧化性能，也多与SCR（选择催化还原）系统结合使用，以促进尿素的水解反应和减少NH3的泄漏，另外还可以把部分NO氧化为NO2。因此，只采用DOC不能满足PM的排放法规，所以必须采用该装置与其他后处理装置配合使用。
3.1.2柴油机颗粒捕集器（DPF）。目前，DPF是控制PM排放最有效的技术，其主要降低PM排放的质量和数目。研究DPF的关键技术主要有过滤体材料和过滤体再生。当前，过滤体材料研究已经成熟，但过滤体再生技术研究却相对滞后。
再生技术分为主动再生和被动化再生两类，主动再生是由外界提供热量，提高滤芯的温度，使沉积在滤芯中的PM燃烧，恢复滤芯的洁净状态。热量由燃烧器、电阻加热器和DOC等产生。主动再生依赖于汽车制造技术的提高。被动再生主要通过利用催化作用降低PM的起燃温度，在正常排气温度下使PM氧化再生，使DPF在柴油机使用条件下有足够的再生效率。目前，国内主要集中在被动再生中尾气催化剂开发与应用的研究上。
3.2NOx处理技术
3.2.1NOx选择性催化还原（SCR）。SCR技术是以尾气中的有机物为还原剂或添加还原剂，在富氧浓度条件下，通过催化剂的催化作用选择性地将柴油机排气中有害成分NOx转化为氮气和水，从而降低NOx的排放量。SCR系统的主要部分是还原剂和催化剂。还原剂类型有许多种，如NH3、烃类或醇类。催化剂主要有三类：贵金属催化剂如Pt、Rh和Pd等为活性组分，氧化铝或整体式陶瓷（堇青石）作为载体；金属氧化物催化剂如V2O5-WO3/TiO2，V2O5-MoO3/TiO2等；沸石類型的催化剂有如含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。
3.2.2稀薄NOx捕集技术（LNT）。LNT技术首先用于直喷式汽油机和稀燃汽油机，后来才逐渐用于柴油机研究。其工作原理是通过柴油机稀燃时，排气中的NO通过贵金属Pt、Rh等催化剂被氧化成NO2，而后通过具有吸附NOx能力的碱金属或碱土金属化合物构成的吸附剂以硝酸盐的形式存储起来；当柴油机进行燃料重整，达到富燃条件时，硝酸盐分解并释放出NOx，NOx通过贵金属Pt、Rh等催化剂的催化作用，与尾气中的HC、CO和H2等反应被还原成N2。
4车用柴油发动机排放治理技术措施
4.1推迟喷油，降低排放
喷油提前角是喷油始点早于气缸压缩上止点的角度。柴油机都要求喷油提前，这是因为从喷油到着火有一段滞燃期，为保证实际燃烧放热中心能接近上止点，避免燃烧拖后，经济性下降，所以喷油要提前。单从动力性和经济性出发，最佳提前角应随转速上升而增大，也应随负荷加大而稍稍增大。车用柴油机因为在宽广的转速范围内工作，所以有专设的转速自动提前装置来满足此要求。同一工况，若提前角改变，会使滞燃期改变。一般推迟喷油时，因初期喷油更接近上止点，故缸内压力、温度较高，滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。当然，若喷油太迟，使滞燃期挪到上止点之后，则缸内压力、温度未必上升。这种情况一般难以碰到。预混燃烧阶段是影响NOx排放最重要的时期。预混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低，从而大大减少NOx的排放量。
4.2降低微粒碳烟排放
在循环喷油量及喷孔大小和布不变的情况下，提高喷油压力就加大喷油速率，它直接产生两方面效果。其一，降低微粒碳烟的排放量。显然，喷油压力增高，则燃油颗粒粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷雾区的总体积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气多，也会提高燃烧和氧化速率，使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。大量试验都证实了这一点。其二，降低燃油消耗率。喷油速率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。
4.3喷油率控制
广义的喷油率控制，指的是喷油规律控制，应包括定时（喷油提前角）控制、喷油期长短控制和喷油率大小（喷油率曲线外形）控制。此处撇开喷油定时，单指在定时和循环油量不变时，喷油期长短和喷油率曲线的控制。喷油率是除混合气形成因素外，对燃烧过程又一重大的影响因素。当然，喷油率本身也和混合气的形成密不可分。可以设想，如喷油时期控制得很长，即使大幅度提高喷油压力，也无法缩短放热和燃烧时间；同样可以设想，如初期喷油量很大，即使推迟喷油，也无法把N0x和噪声降得很低。理想的喷油率图形可分为三个时期，即喷油初期、喷油中期和喷油后期。理想的喷油率图形一般公认，初期要求喷油率低，喷油量少，以降低NOx和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混合气形成，使微粒碳烟氧化。喷油中期的控制，一般通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有机械式预喷射装置、双弹簧喷油器以及电控喷油系统控制预喷射。大量的试验结果表明，要获得良好的效果，预喷射油量、主喷射和预喷射的间隔角度以及油量和时间的控制精度都有严格的规定。
5结束语
综上所述，加强对车用柴油发动机排放治理技术措施的研究分析，对于其良好治理效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的排放治理工作过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献：
[1]唐大学.柴油机废气排放控制技术新进展[J].内燃机.2016（21）：88-89.