柴油机排气前处理技术研究

柴油机排气前处理技术研究龚为佳，廖世勇，刘训标（重庆通信学院军事电力工程系，重庆400035）摘要：基于柴油机的燃料、结构和燃烧特点，分析目前排放前处理技术特点及存在不足，展望了未来的前处理技术的发展方向。

关键词：柴油机；燃料；前处理技术；燃烧系统；排气控制中图分类号：TK421+文献标识码：A 文章编号：1000-6494（2009）05-0004-03Investigation on Exhaust Pre-treatmentTechnology of Diesel EnginesGONG Wei-jia,LIAO Shi-yong,LIU Xun-biao(Military Electric Power Engineering Dept.,Chongqing Communications College of PLA,Chongqing 400035,China)Abstract:Based on the fuel,structure and combustion characteristics of the diesel engine ，the characteristics and existing shortage of current pre -treatment technology had been discussed ，and then the development direction of future pre -treatment technology was prospected.Key words:diesel engine;fuel;pre-treatment technology;combustion system;exhaust control随着科技的日益进步，柴油机排放控制技术也得到了不断的更新改进。

目前柴油机的排放控制措施主要分为前处理和后处理两种方式。

后处理技术主要针对已排出缸外的尾气。

前处理技术主要针对柴油机的燃料、燃烧系统、进气系统和喷油系统，包括了燃料预处理和机内处理措施。

后处理技术是柴油机净化技术的必要补充，机内处理技术是减少内燃机排放的前提条件，燃料技术处理则开辟了一条排放控制的新途径。

1柴油机排气前处理技术在欧Ⅲ之前，柴油机的排放控制基本上只采用前处理技术，欧Ⅲ之后，需要前处理和后处理技术配合使用才能达到日益严格的法规标准。

表1归纳了达到欧洲各阶段标准所必要的技术措施[1，2]。

从表1可知，传统的增压中冷、多气门、EGR 等技术一直沿用至今，而要达到最新的排放标准，革新燃烧方式、电控高压共轨、窄角直喷、代用燃料、后处理等技术显得必不可少。

1.1燃料预处理措施燃料预处理措施的第一方面是改善燃油的品质，主要从以下六点着手，一是提高十六烷值，从而有效降低柴油机的PM ，CO 和NOx 的排放量；二是降低硫含量，可减少13%~22%PM 颗粒排放量；三是降低柴油密度，可使微粒排放物减少13%；四是减少燃油中的芳香烃成分，以有效降低NOx 的排放；五是柴油的乳化，通过乳化燃料的降温和加速燃烧功能分别降低NOx 和HC 的排放；六是掺烧消烟添加剂，促进碳烟粒子的再燃烧，降低30%~50%的PM 排放。

燃料措施的另一方面是代用燃料的使用。

内燃作者简介：龚为佳（1982-），男，福建福州人，助理工程师，硕士研究生，主要从事动力机械工程的研究。

收稿日期：2009-05-07表1适应各排放法规的排气控制技术排放法规排气控制技术欧Ⅰ直喷的柴油孔，通过改进供油系统，分配泵燃油系统，增压或增压中冷技术，改进燃料品质欧Ⅱ高压燃油喷射技术和EGR 技术欧Ⅲ四气门技术、燃油高压喷射技术、燃烧室与涡流优化技术、涡轮增压中冷技术、VNT 可变喷嘴涡轮增压技术、高EGR 率及其冷却技术和后处理技术，使用代用燃料欧Ⅳ在欧III 基础上，革新燃烧方式、排放催化剂技术、电控技术（电控泵喷嘴系统、电控单体泵系统、共轨燃油喷射系统）欧Ⅴ、欧Ⅵ在欧IV 基础上，采用窄角直喷技术内燃机Internal Combustion Engines第5期2009年10月No.5Oct.2009机的代用燃料主要有甲醇、乙醇、天然气（压缩天然气、液化天然气、液化石油气、二甲醚、碳酸二甲酯、生物柴油以及氢燃料等；其中部分代用燃料还可与柴油掺烧，包括甲醇、植物油等。

目前，除天然气和氢的使用主要集中在火花点火发动机上外，其余代用燃料都适用于柴油机。

1.2机内处理措施机内处理的核心是对燃烧过程的优化，使发动机达到混合均匀，燃烧充分，工作柔和，启动可靠，排放较少的要求，可以说为降低尾气排放而进行的机内处理过程与燃烧的改善过程在本质上是一致的。

目前机内措施主要有改善喷油系统，进排气系统，优化燃烧系统，采用新的燃烧方式、电控技术、废气再循环技术（EGR）、机油燃烧控制技术等。

表2反映了各种具体技术措施的实施方法及其控制对象。

在使用上，通常需要几种方法配合才能达到同时控制NOx 与PM的效果。

2柴油机排气前处理措施分析2.1燃油预处理技术分析柴油是从石油中提炼的，国内原油先天品质较差加之冶炼加工技术相对落后，导致国产柴油的稳定性差，十六烷值低，硫含量高（达世界发达国家的几倍到几十倍），氧化安定性较差，部分柴油密度较高，芳烃和多环芳烃没有限制，这些特性与低排放燃油的要求背道而驰。

国产柴油使用后，既增加了排放，又使后处理技术的应用受限，特别是使涂有催化剂的DPF，DOC，NAC，LNT及FWC等国外先进的后处理技术因高硫产生催化剂中毒，从而失去活性，降低净化效率并缩短使用寿命。

乳化柴油技术是指按比例掺合柴油、水、乳化剂，以形成稳定的乳化物。

我国已研究出70天不分层的乳化柴油（加水20%），在大型柴油机上100%负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升4.3%，且烟度和NOx排放下降明显。

但实验表明，无论形成“油包水”或“水包油”状乳化物，喷水时都会造成进气管、气缸腐蚀增加，油底壳积水。

该法要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节，这使得结构设计存在困难。

另外，研究还表明该法会增加瞬态工况的排放[3]。

将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，在柴油中加入少量可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，并且由于这些金属对人体有害，现已不推荐使用，而汽车厂商间对其使用与否仍存在争议。

因此，立足国内，提高冶炼加工和柴油重整技术是当务之急。

2.2代用燃料技术分析我国从1993年起成为石油纯进口国，专家预测国内可开采石油仅能再维持六七十年，目前我国原油过半靠进口，年进口总量已超过1亿t。

加之排放法规的限值越来越低，使得代用燃料的使用成为必然的选择。

甲醇和乙醇都是较好的代用燃料，与柴油混合或单独使用，发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机，且排气的有害成分少[4]。

但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分。

甲醇对人体毒性较大，对金属有腐蚀作用，对橡胶皮革有溶涨作用，会使塑料提早老化，在实际应用中受限。

乙醇与柴油不能互溶，掺烧困难，须通过助溶剂柴油醇（diesohol）帮助两者互溶，此外乙醇燃料十六烷值低，在柴油机上须用柴油引燃或点火塞点燃，对燃烧系统要做较大改动。

国家已投入大量经费推广甲醇和乙醇的使用，前景较好，但推广实用仍需时间。

二甲醚DME是由煤或天然气制成，十六烷值高，可以实现PM近零排放，是柴油的理想代用燃料。

但它在常压下是气体，需要开发特殊的燃料供给系统，其他问题如燃料的储运、燃油系统改进等问题也需解决。

虽然目前尚未实用化，但很具发展前景[5]。

碳酸二甲酯DMC和生物柴油成本低，污染小，原料主要为农作物。

其中DMC在美国、德国、巴西、阿根廷等已投入生产。

生物柴油在世界各国的应用也比较热门。

但随着世界粮食供应不够等问题的出现，人们对上述代用燃料的使用产生争议。

我国出于表2降低柴油机NOx和PM排放的机内技术措施及其控制对象[3]技术对策实施方法主要控制对象燃烧室设计设计参数优化、新型燃烧方式NOx，PM喷油规律改进预喷和后喷、多段喷射、减小喷孔直径、喷油正时与喷油速率的配合NOx，PM高压喷射电控高压油泵、高压共轨、泵喷嘴PM进排气系统可变进气涡流、多气门PM增压技术增压、增压中冷、可变几何参数增压PM废气再循环EGR、中冷EGR NOx其他技术防止机油窜入燃烧室，采用可变技术，加装烟度限制器PM龚为佳等：柴油机排气前处理技术研究第5期5··粮食战略考虑，暂时不宜推广。

综上所述，因地制宜在局部地区代用（或掺杂）醇类燃料，同时要大力发展DME等代用燃料技术。

2.3机内处理技术分析随着直喷式柴油机比例的不断提高，世界各国的机内处理技术的研究难点、热点集中在高压共轨和稀燃技术上。

美日等发达国家已在该领域取得了很大的进展，而我国由于起点低和起步慢等历史因素落后世界10~20年，但随着玉柴、潍柴、上柴、锡柴、朝柴等大型企业的成熟，差距逐步缩小，某些技术已接近世界先进水平。

多气门技术是在柴油机高转速大功率化的背景下提出的，一个工作冲程需要更多的燃料和相应的空气，传统的二气门无法在短时间内完成换气工作。

从20世纪80年代就开始推广多气门技术，以改善燃烧，减少排放。

目前该技术较为成熟，较常见的是二进二出四气门和三进二出五气门发动机，已在国内多数机组上应用。

采用涡轮增压，可增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气系数，它是降低大负荷工况排气烟度、PM排放量以及燃油消耗的有效措施。

采用中冷技术则通过进气温度的降低使NOx的排放得到进一步的抑制。

有效的空-空中冷系统，可使增压空气温度下降到50℃以下。

工作循环温度的下降有助于NOx 和PM排量下降和燃油经济性的提高。

此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。

目前重型车用柴油机普遍是增压中冷型，国内已经成功将增压中冷技术从传统六缸机转移到四缸机上，如玉柴的YC4108、YC4110、YC4112、YC4113等系列，朝柴的4102、QD32系列，锡柴的4110系列等。

EGR技术在汽油机上的应用较为成熟，而对于柴油机，因存在PM排放，采用EGR会阻塞气缸，过去普遍认为，柴油机排放中大量的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质。

由于采用EGR相当于将一定数量的CO和水蒸气添加到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR率增大还使进气工质的密度和氧浓度下降，致使缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低，最终导致发动机的动力性和经济性下降，HC，CO和PM排放增加。

但事实表明，上述问题同样存在于不使用EGR的柴油机上，而EGR技术最终优大于劣。