柴油機NOX排放機外凈化技術初探

摘要：本文論述了柴油機NOX排放物的危害及其控制的必要性，探討了NOX的生成機理，介紹了各種柴油機NOX排放的控制技術，并分析了各種凈化技術的特點和存在的問題。

關鍵詞：柴油機 NOX排放 排放控制

柴油機自1892年問世以來，憑借其具有低油耗、高熱效率和低排放等特點，又具有良好的經濟性、動力性和可靠性，因而被廣泛地用作汽車和工程機械的動力。柴油機與同等功率的汽油機相比，微粒和NOX是排放中兩種最主要的污染物，但由于柴油機排氣微粒與NOX的生成機理不同，在減少微粒的同時會增加NOX的排放，同時微粒的減少又使得催化劑中毒得以有效的扼制。

1.柴油機NOX排放的危害和生成機理

1.1 柴油機NOX排放的危害

柴油機排出的NOX中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無色無味、毒性不大，但高濃度時能導致神經中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強（毒性大約是NO的5倍）的紅棕色氣體，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴重時能引起肺氣腫。當濃度高達100×10-6體積濃度以上時，會隨時導致生命危險。

NOX和HC在太陽光作用下會生成光化學煙霧，NOX還會增加周圍臭氧的濃度，而臭氧則會破壞植物的生長。此外，NOX還對各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。

基于上述原因，柴油機排放物中的NOX對環境的嚴重污染引起了世界范圍的普遍關注，因此各國限制其排放的法規亦越來越嚴格。

1.2 柴油機NOX排放物的生成機理

迄今為止人們已經對NOX的生成機理進行了大量的研究，但尚未達成共識。比較容易接受的是策爾多維奇機理。該機理認為：柴油機排放中的NO并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續高溫而形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反應式如下：

柴油機燃燒過程中噴射各區均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產物的冷卻速度和滯留時間等因素有關。

從理論上講，柴油機NOX排放的形成是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。

2.柴油機控制NOX排放的主要凈化措施

排放物中NOX的凈化有兩種途徑：機內凈化和機外凈化。

2.1 機內凈化措施

采取機內凈化是治本之舉。它是通過改進柴油機結構參數或者增加附加裝置來改善燃燒性能，進而達到減少NOX排放的目的。

2.1.1 進氣系統的優化

對進氣系統進行優化設計，主要目的是在提高充氣效率的同時，合理組織進氣渦流，以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少NOX的生成。

2.1.1.1.進氣渦流的優化

提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結果可導致缸內最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOX的排放明顯增加；若減少進氣渦流的強度雖可減少NOX的排放，但又勢必會犧牲柴油機的動力性和經濟性。因此，可采用可變渦流進氣道技術使渦流比在0.2-2.5范圍內變化，以兼顧柴油機在整個工況范圍內各個方面的性能。但采用可變渦流進氣道技術存在著結構復雜和成本較高的問題，因而限制了該技術的推廣。

2.1.1.2.增壓中冷技術

柴油機采用進氣增壓技術后，由于壓縮溫度升高，在動力性與經濟性提高的同時，NOX的排量也必然增加。但增壓柴油機在采用中冷技術以后，增壓空氣在進入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增壓中冷技術可使柴油機NOX的排放降低。目前，柴油機增壓中冷技術在中型柴油機上應用日益廣泛，小型柴油機上也逐漸在采用。一些新研制的轎車柴油機上也開始采用。

2.1.2 噴油系統的優化

噴油系統的優化就是使燃油噴射參數最佳化。這些參數包括噴油定時、噴油壓力、噴油速度和噴孔結構等。通過參數的優化來抑制預混合燃燒，即減少在滯燃期內形成的可燃混合氣量是降低NOX排放的有效途徑，分別敘述如下：

2.1.2.1.優化噴油定時，NOX排放對噴油定時極為敏感。采用電控技術和根據運行工況調節噴油始點，可降低NOX的排放。

2.1.2.2.優化噴油壓力，為減少NOX排放應該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會使微粒排放增加。

2.1.2.3.優化噴油速度，當噴油提前角一定時，提高噴油速率，縮短噴油持續期，可以使柴油機產生的NOX較少。噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關，應綜合權衡以謀求各參數的最佳值。

2.1.2.4.優化噴孔結構，噴油器噴孔直徑和數目對柴油機排放也有明顯的影響。當循環供油量與啟噴壓力一定時，減少孔徑會減少初期噴油量，抑制預混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOX的生成。當噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOX的排放。

2.1.3 燃燒室的結構和參數優化

2.1.3.1.優化壓縮比

柴油機壓縮比控制著著火延遲期的長短。降低壓縮比，有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可使燃燒最高溫度降低，NOX排放減少，碳煙增加。但壓縮比過低，柴油機難于著火。壓縮比對NOX的影響較為復雜，選取壓縮比時應綜合考慮。

2.1.3.2.燃燒室型式的優化

燃燒室型式與NOX的排放有著密切關系。直噴式柴油機NOX排放明顯高于非直噴式柴油機，這是因為非直噴式柴油機前期的燃燒發生在混合氣過濃的預燃室或渦流室里，由于缺氧NOX的生成受到了抑制，又因在主燃燒室中的燃燒開始較晚，且是在較低溫度下進行的。對于同一類型但結構不完全相同的燃燒室，其NOX的排量也有差異。

2.1.4 燃燒室噴水冷卻技術

水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術在降低NOX排放的同時，還有利于改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。

2.1.5 燃料的改進

2.1.5.1.提高柴油機十六烷值

十六烷值在柴油機燃料參數中對NOX排放影響最大。十六烷值較高時，由于其穩定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較高，但其發火性能好，柴油機點火延遲期縮短，缸內溫度與壓力降低，NOX排放亦降低。當十六烷值從40提高到50時，NOX排放可降低10%左右[19]。

2.1.5.2.使用柴油添加劑

在柴油中添加適量的硝酸鹽、亞硝酸鹽和各種過氧化物，可以提高燃料的十六烷值，縮短著火延遲期，使得NOX排放減少。但使用添加劑會導致二次污染。

2.1.5.3.使用代用燃料

可以采用醇類、氫氣和天然氣等代替柴油。柴油機燃用醇類燃料時，基本可以實現無煙排放，在中、低負荷時NOX的排量也很低。近年來可以作為內燃機代用的醇類燃料很多，其中甲醇是目前應用最廣的內燃機代用燃料。但如果不采用適當措施，柴油機排放的HC、甲醛將成為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機代用燃料時，NOX和其它污染物的排放都很低。將來太陽能利用及氫的存儲技術解決之后，氫將成為柴油機的主要燃料，但缺點是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉化效率在40%-65%之間，遠遠高于柴油。燃料電池的工作溫度低于1000℃，此時基本不產生NOX，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應用在技術上已不存在重大問題，唯一的障礙在于成本太高。燃用壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG），NOX和微粒排放可同時減少75%-80%。二甲基乙醚作為最新出現的液體燃料，其燃燒后無微粒產生且NOX的排放亦很低。

2.1.6 采用多氣門技術

在柴油機上采用多氣門技術是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現渦流比在不同轉速下的變化，這使混和氣的形成進一步優化，因而在提高動力性和經濟性的同時減少了NOX排放，但增加了成本和結構的復雜性。在燃用汽油的大、中、小型轎車上，多氣門技術已經作為成熟技術得到了應用。在柴油機上應用多氣門技術是國際學術界研究熱點之一，國外內燃機的氣門最多時已達到5個，目前已在大型柴油機應用的基礎上，逐漸開始在小型柴油機上應用，國內在這方面的研究尚未成熟。

2.1.7 采用廢氣再循環技術

采用廢氣再循環（EGR）是降低NOX排放的一項極為有效的措施，目前只是在汽油機上得到了較為成熟的應用。EGR在所有負荷條件下都可以有效減少NOX排放。將定量廢氣引入柴油機進氣系統中，再循環到燃燒室內，有利于點火延遲，增加了參與反應物質的熱容量以及CO2、H2O、N2等惰性氣體的對氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少NOX的生成。大約60%-70%的NOX是在高負荷時產生的，此時采用合適的廢氣再循環率對于減少NOX是很有效的。廢氣再循環率為15%時，NOX排放可以減少50%以上，而廢氣再循環率為25%時，NOX排放可減少80%以上，但隨著廢氣再循環率的增加，發動機燃燒速度變慢，燃燒穩定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“熱EGR”還可以同時減少HC和PM的排放，并且不會增加油耗，在中、低負荷時凈化效果更佳。由于EGR氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映EGR量，其響應速度較慢，所以廢氣再循環量應通過進氣流量和EGR氣門的升程信號相結合來反映。

2.2 機外凈化措施

由于機內控制排放并不能完全起到凈化效果，因此對已排出燃燒室但尚未排到大氣中的廢氣進行處理，采取機外控制技術顯得很有必要。

2.2.1 采用催化轉化技術

從理論上講，可以將NOX分解為N2與O2，但實際上這個過程相當慢，到目前為止，該方法尚未得到實際應用。因NOX的氧化產物為固態，這對車用柴油機不適合。對于車用柴油機NOX的排放只能采用還原方法除去。

2.2.1.1.選擇非催化還原（SNCR）

SNCR技術只能在一定的溫度區間（800℃-1000℃）使用。而柴油機排氣不可能達到這樣高的溫度，只能通過在柴油機膨脹過程中，向氣缸中噴入氨水來實現，但效果不很理想，在車用柴油機上尚未應用。

2.2.1.2.非選擇催化還原（NSCR）

NSCR技術是將還原劑（如氨氣、尿素、HC）噴入排氣管中，在催化轉換器的作用下與廢氣中的NOX進行反應。由于廢氣中含氧量較高，還原劑很容易直接被氧化，故消耗量極大。

2.2.1.3.選擇催化還原（SCR）

SCR的原理與NSCR相似，也是將NH3加入到高溫廢氣中與NOX發生反應生成N2和H2O，只是催化劑配方不同。在車用柴油機上該技術比前兩種更具有應用價值。NOX的還原反應在選擇性催化轉化器中被加速，還原劑的氧化反應被抑制，在300℃-450℃時發生如下主要反應：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

2.2.2 采用碳素纖維加載低電壓技術

采用碳素纖維加載低電壓技術，可有效減少NOX的排放。碳素纖維具有催化活性，能促進廢氣中的NO與C或HC進行氧化還原反應，隨著電壓的升高，可使NOX排放明顯降低。目前，該技術正處于研究階段，尚未取得突破性進展。

3.結論

本文介紹的各種減少NOX排放的措施，都不同程度地存在著一定的局限性。在減少NOX排放的同時有可能導致柴油機動力性和經濟性的下降，對其它排放物，諸如微粒、HC、CO、CO2等反而會增加。要進一步減少NOX排放，需要改變柴油機的燃燒過程，即從非均質擴散燃燒到預混合稀薄（均質）燃燒系統的改變。目前，在柴油機上采用渦輪增壓、電控燃油噴射、電控廢氣再循環及機外催化處理都不失為綜合控制柴油機有害排放物的最佳措施。今后的研究重點應放在：

3.1.致力于柴油機性能研究和改進燃燒過程。

3.2.繼續研究NOX的產生機理。

3.3.不斷尋求高效率的機內、機外凈化措施，并合理的加以結合。

3.4.致力于微粒和NOX的同時凈化。

3.5.深入研究與推廣代用燃料汽車和綠色環保汽車。

參考文獻：

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[2]孫志強；鈣鈦礦型催化劑對柴油機尾氣中碳顆粒和NO_x的同時去除[D]；北京化工大學；2007年

[3]劉堅，趙震，徐春明；柴油車排放碳黑顆粒消除催化劑的研究進展[J]；催化學報；2004年08期

作者簡介：姓名：楊勝剛 男 （1964.02.29-）貴州黃平，初級.汽車理論研究