挖掘機(jī)排放升級(jí)技術(shù)路線淺析

蘇躍強(qiáng)/SU Yue-qiang

（廈工機(jī)械股份有限公司，福建 廈門 361023）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷重視，對(duì)挖掘機(jī)排放氣體的環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放不斷升級(jí)的法律法規(guī)要求，挖掘機(jī)廠家也在不斷地探索研究如何降低挖掘機(jī)工作過(guò)程排放的污染氣體。

挖掘機(jī)目前普遍采用柴油機(jī)作為工作的動(dòng)力源，根據(jù)燃燒反應(yīng)CxHySz+O2+N2→CO2+H2O+N2+O2+NOx+HC+CO+Sox+C，除了前四種主要排氣成分外，柴油機(jī)工作過(guò)程排放的有害排氣成分主要為NOx 化物和PM 顆粒物（也稱碳顆粒物）。自1990 年開始，隨著柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展誕生并愈發(fā)成熟的技術(shù)路線有中冷（Aftercooling）、電控燃油系統(tǒng)（Electronic Fuel Systems）、冷卻EGR（Cooled Exhaust Gas Recirculation）、NOx吸收器（NOx Adsorber ）、柴油顆粒過(guò)濾器DPF（Diesel Particulate Filter）以及選擇性催化還原器SCR（Selective Catalytic Reduction）等等。

1 如何降低氮氧化物

柴油機(jī)燃燒過(guò)程中排放出來(lái)的NOx 約90%是NO，5%～10%是NO2，l%是N2O。而降低氮氧化物全部的過(guò)程即降低熱力型氮氧化物排放反應(yīng)O+N2→NO+N重點(diǎn)就是控制燃燒時(shí)的溫度。隨之產(chǎn)生為降低進(jìn)氣溫度的技術(shù)路線中冷器和控制燃燒溫度的技術(shù)路線。

1）推遲噴油提前角，降低燃油與空氣混合時(shí)間，降低壓燃前混合氣體，從而降低燃燒溫度。

2）電控高壓共軌，通過(guò)多次噴射均勻每次氣缸行程中的混合氣體，避免發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作粗暴的同時(shí)降低燃燒溫度。

3）廢氣再循環(huán)（冷卻EGR），即將排放氣體部分回流引入燃燒室再次燃燒，降低燃燒時(shí)的氧氣含量，從而降低燃燒溫度。

4）除了控制燃燒時(shí)溫度，還有另外一獨(dú)立技術(shù)路線降低氮氧化物，即通過(guò)在柴油機(jī)排放氣體至環(huán)境中前通過(guò)后處理器降低排放氮氧化物（SCR），也就是人們耳熟能詳?shù)哪蛩厮Ｄ蛩厮煞质?2.5%高清潔尿素和67.5%的去離子水，通過(guò)將尿素水高溫下與水反應(yīng)生產(chǎn)NH3和CO2（即NH4COONH2+H2O →2NH3+CO2），我們稱之為尿素水解，并在后處理器內(nèi)采集NH3選擇性氧化還原排放氣體。

2 如何降低碳顆粒物

降低碳顆粒物的方法與降低氮氧化物方法恰恰相反，都是考慮如何充分使柴油燃燒，進(jìn)而降低排放碳顆粒物大小（即PM）和數(shù)量（即PN）。其技術(shù)路線主要有：①優(yōu)化進(jìn)氣管道及燃燒室設(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣量；②優(yōu)化渦輪增壓器設(shè)計(jì)，增大進(jìn)氣量；③提高電控高壓燃燒系統(tǒng)的噴射壓力，充分混合燃油與空氣；④優(yōu)化電控燃油系統(tǒng)程序，提高燃油控制精度等。

與降低氮氧化物技術(shù)路線相似的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體外也有獨(dú)立的技術(shù)降低氮氧化物，即在后處理器中采用DOC（柴油氧化催化器）和DPF（顆粒過(guò)濾器）。DOC有二個(gè)主要作用，第一是把柴油機(jī)尾氣中的有害排放物碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）和顆粒物（PM）中的溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無(wú)害的排放物如水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2），第二是氧化顆粒物中的可溶性有機(jī)物SOF。而DPF 除了捕捉DOC 過(guò)濾后的碳顆粒物外，在累積的碳顆粒物達(dá)到一定量，影響排氣進(jìn)而產(chǎn)生排氣壓力后會(huì)反饋信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，控制器輸出指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)提取一定量燃油將堵塞的碳顆粒物氧化燃燒掉。

3 排放升級(jí)技術(shù)路線分析

通過(guò)前文對(duì)降低柴油機(jī)排放的有害氣體的技術(shù)路線介紹可以了解到，目前已存在眾多技術(shù)路線，各個(gè)技術(shù)路線都有其技術(shù)特點(diǎn)，甚至存在互相沖突的作用效果，因?yàn)椴煌紵郎囟认聦?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中碳顆粒物與NOx 化物排放量存在巨大影響（如圖1）。

圖1 排放物與燃燒溫度關(guān)系圖

因此，在眾多的技術(shù)路線中選擇滿足排放法規(guī)和市場(chǎng)需求的發(fā)動(dòng)機(jī)排放技術(shù)顯得尤為重要，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理器技術(shù)路線及各自優(yōu)缺點(diǎn)匯總見表1，應(yīng)根據(jù)不同排放要求選擇不同技術(shù)路線。

國(guó)Ⅲ排放要求發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用渦輪增加、中冷器、高壓共軌技術(shù)便可滿足排放要求，并不需要增設(shè)后處理器，國(guó)Ⅳ排放主要技術(shù)路線是在國(guó)Ⅲ基礎(chǔ)上增加廢氣再循環(huán)EGR、燃油氧化催化器DOC 和顆粒捕捉器DPF，國(guó)Ⅴ排放則是在國(guó)Ⅳ排放基礎(chǔ)上增加選擇性催化還原SCR。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理技術(shù)路線對(duì)比

4 結(jié)論

本文主要介紹挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放升級(jí)對(duì)排放有害氣體的限制和排放升級(jí)技術(shù)路線，并比較了幾種主要技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同排放要求選擇不同技術(shù)路線。