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降低柴油機NOx排放的控制技術(shù)研究

紀(jì)曉靜1，焦運景1,2,3

（1.上海柴油機股份有限公司，上海200438；

2.天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津300072；

3.北華航天工業(yè)學(xué)院，廊坊0650003）

摘要氮氧化物（NOx）是大氣的主要污染物之一。首先論述了氮氧化物的生成機理，從生成的影響因素方面入手，對柴油機NOx排放控制技術(shù)進行分析和論述。按機內(nèi)凈化技術(shù)和機外凈化技術(shù)分別進行了論述，提出了目前尚待研究的幾個問題，展望了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：柴油機氮氧化物機內(nèi)凈化機外凈化

來稿日期：2015-05-09上海市博士后科研資助計劃資助，項目編號：14R21420600

1　引言

柴油機因其在動力性、燃料經(jīng)濟性及耐久性方面具有獨特的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。除了在輪船、拖拉機、重型車上應(yīng)用外，轎車柴油機化已逐漸成為汽車行業(yè)的發(fā)展方向。但是，隨著環(huán)境保護日益受到世界各國的普遍關(guān)注，汽車發(fā)動機的有害物質(zhì)排放已成為大中城市空氣污染的重要來源；其中，氮氧化物由于參與光化學(xué)煙霧和酸雨的形成而危害性更大。柴油車尤其是重型柴油車已成為我國機動車NOx排放的主要污染源，急需重點控制。本文主要對NOx排放控制技術(shù)進行分析和論述。

針對機動車尾氣排放的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，世界各國制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)[1]，表1為歐洲柴油機NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。由表1可以看出，排放標(biāo)準(zhǔn)中對NOx的控制越來越嚴(yán)格，歐6與歐5相比，在數(shù)值上要降低75%，可見NOx排放控制技術(shù)面臨的嚴(yán)峻形勢。

表1　歐洲柴油機NOx排放標(biāo)準(zhǔn)

2　NOx的生成機理

氮氧化物（NOx）包括多種化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5）等，汽車發(fā)動機燃燒過程中主要為NO，另有少量的NO2，統(tǒng)稱為NOx。對于汽油機而言，其過量空氣系數(shù)較小，一般NO2/NOx=1% ~10%；柴油機的過量空氣系數(shù)較大，NO2/NOx=5% ~15%。因此，在此主要研究NO的生成機理。NO的生途徑有3種，熱力型NO、激發(fā)NO和燃料NO。燃料NO主要是由燃料中的氮化合物分解后生成中間產(chǎn)物，并逐步生成NO。一般柴油的含氮率較低，所以在柴油機NO排放控制中基本可以不考慮燃料NO。

熱力型NO的生成機理是由蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldovich提出。其反應(yīng)過程如反應(yīng)式（1）和（2）所示，反應(yīng)式（3）為后人研究后補充提出的，3個反應(yīng)式合在一起稱為Zeldovich擴展反應(yīng)機理。該反應(yīng)只有大于1 600℃的高溫下才可進行[2]。

激發(fā)NO的生成機理是在20世紀(jì)70年代初才被提出，其反應(yīng)機理如下列反應(yīng)式（4）~（8）所示。其反應(yīng)生成過程是由一系列活化能不高的反應(yīng)所組成，因此不需要很高的溫度就可進行，在混合氣過濃條件下易產(chǎn)生。但從整個燃燒過程來看，激發(fā)NO只占很小一部分。

3　NOx排放控制技術(shù)

由NOx的生成機理可以得知，影響熱力型NOx生成量的主要因素有燃燒反應(yīng)的溫度、氧氣濃度和反應(yīng)時間，而且溫度對熱力型NOx的生成影響最大。降低NOx排放需要從影響其生成的因素方面入手。目前，國內(nèi)外關(guān)于NOx的排放控制技術(shù)從控制方式來分，主要可分為機內(nèi)凈化技術(shù)和機外凈化技術(shù)。

3.1機內(nèi)凈化

機內(nèi)凈化技術(shù)是指從發(fā)動機有害污染物的生成機理及影響因素出發(fā)，通過對發(fā)動機進行調(diào)整或改進，達(dá)到控制燃燒，減少和抑制污染物生成的各種技術(shù)。

3.1.1采用先進增壓技術(shù)

采用增壓器可以增加進氣壓力和部分負(fù)荷的廢氣再循環(huán)率（EGR率），實現(xiàn)較穩(wěn)定的低溫燃燒[3]。目前使用較多的增壓技術(shù)包括可變參數(shù)增壓器（VGT）、二級增壓系統(tǒng)和電動增壓器。采用二級增壓并匹配低壓和高壓EGR，同時對燃燒正時優(yōu)化調(diào)整，發(fā)動機效率不會受到影響，可同時降低NOx和PM排放，達(dá)到歐6排放要求，并保持燃油經(jīng)濟性不變[4]。

3.1.2改進燃燒系統(tǒng)，采用新的燃燒方式

柴油機的燃燒室型式及形狀對NOx的排放量影響很大。分開式燃燒室的有害物排放量比直接噴射式燃燒室低得多。主要是因為采用分開式燃燒室時，副燃燒室壁溫較高，滯燃期短，使速燃期的燃料量減少，從而使火焰峰值溫度降低；在副燃燒室中的混合氣濃度較大，使其處于缺氧的條件下，對NOx的形成不利。而當(dāng)燃油隨燃?xì)鈬姷街魅紵疫M行二次燃燒時，又由于大量空氣的冷卻作用，加之活塞已開始下行，最高燃燒溫度降低，再度形成了不利于NOx生成的條件。如國產(chǎn)4125型柴油機采用的就是渦流室燃燒室。

采用新型燃燒方式，如均質(zhì)充量壓燃燃燒方式（簡稱HCCI燃燒方式）[5]。在HCCI燃燒方式下柴油和空氣在燃燒開始前已充分混合，形成均質(zhì)預(yù)混合氣[6]?；旌蠚獗换钊麎嚎s并發(fā)生自燃，并呈分布均勻、稀混合的低溫、快速燃燒，從根本上消除了產(chǎn)生NOx的局部高溫區(qū)和產(chǎn)生PM的過濃混合區(qū)。

3.1.3有效利用和控制缸內(nèi)渦流強度

在保障動力性和經(jīng)濟性的前提下，適當(dāng)降低進氣渦流強度。較大的進氣渦流強度，使得混合氣的形成條件得以改善，燃燒速度加快，排氣煙度降低。但由于燃燒的最高溫度升高，NOx生成量增多。因此適當(dāng)減小進氣渦流強度，可降低NOx，但是煙度會有所增加，為此需綜合控制。

通過將燃油噴射與缸內(nèi)氣體渦流運動的相互作用，燃燒室內(nèi)可形成分層的高渦流和低渦流工質(zhì)流動。通常對燃燒系統(tǒng)的設(shè)計采用CFD仿真計算開發(fā)燃燒室?guī)缀涡螤?，并通過單缸機驗證，匹配燃燒室和噴嘴，實現(xiàn)對燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化[7]。采用該方式可以有效降低柴油機碳煙和NOx排放，達(dá)到國Ⅳ或國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)[8]。

3.1.4優(yōu)化供油系統(tǒng)

適當(dāng)提高噴油壓力。提高噴油壓力，可明顯改善燃油和空氣的混合質(zhì)量，在降低碳煙及顆粒物（PM）排放的同時，高噴油壓力又可縮短可燃混合氣的滯后燃燒，能顯著降低NOx的生成?，F(xiàn)代柴油機的噴油壓力高達(dá)120 MPa，甚至180 MPa至200 MPa。

減小噴油提前角和提高噴油速率。噴油提前角大小對柴油機的排氣污染有很大影響。通過調(diào)整噴射參數(shù)，可將燃燒放熱率曲線分成多個階段，或使放熱率重心偏離上止點，以降低燃燒溫度[9]。減小噴油提前角，可減少速燃期氣缸中的柴油量，使混合氣的最高燃燒溫度降低，從而可減少NOx的生成量。但是噴油提前角過遲，會使燃料滯后燃燒，造成燃燒不完全而冒黑煙。適當(dāng)提高噴油速率，一方面可降低NOx在各種工況下的生成量，另一方面又可以抑制因單純推遲噴油提前角而引起的CO含量的增高。

改善噴油規(guī)律（噴油規(guī)律曲線形狀，預(yù)噴射，多段噴射）。多次噴射可以通過改變?nèi)加驮谌紵业姆植紶顩r，改善燃油和空氣的混合，從而可以在中等負(fù)荷工況下增加EGR率，提前燃燒并使最大放熱率接近上止點，提高燃燒熱效率的同時降低NO。Cummins公司的XPI共軌噴射系統(tǒng)可提供240 MPa以上的噴射壓力，噴油嘴采用中心壓力容腔結(jié)構(gòu)，噴射壓力不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響，可實現(xiàn)5次噴射。由于采用了高壓噴射，減少了噴射持續(xù)期和放熱持續(xù)期，配合冷卻EGR，實現(xiàn)了NOx和PM排放同時降低[10]。

3.1.5采用EGR技術(shù)

EGR技術(shù)主要用以減少燃燒工質(zhì)的氧含量，并延長著火滯燃期，可有效降低柴油機NOx排放[11-12]，是實現(xiàn)低溫燃燒的關(guān)鍵技術(shù)。通過將部分廢氣引入進氣管中來引入CO2，可有效增加進氣的質(zhì)量熱容[13-14]。同時EGR稀釋了混合氣中的O2，因而可降低NOx的生成量[15]。Akihama等采用60%的高EGR率實現(xiàn)了低溫燃燒，其燃燒溫度遠(yuǎn)低于碳煙生成所需的溫度范圍，同時降低了NOx和碳煙的排放[16]。

3.2機外凈化

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，僅使用優(yōu)化燃燒、冷卻EGR技術(shù)路線等機內(nèi)凈化技術(shù)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，因而，機外凈化技術(shù)得以迅速發(fā)展。目前，研究較多的是采用催化技術(shù)來降低NOx排放，主要包括選擇性催化還原技術(shù)和NOx儲存－還原技術(shù)。

3.2.1選擇性催化還原技術(shù)

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)原理首先由美國安格（Engelhard）公司于1957年發(fā)現(xiàn)并申請專利，其后日本成功研制出現(xiàn)今被廣泛使用的V2O5/TiO2催化劑，并于上世紀(jì)70年代在燃油和燃煤鍋爐固定污染源上投入商業(yè)運行[17]。目前在研究或者應(yīng)用的還原劑為各種氨類物質(zhì)和各種HC[18]。氨類物質(zhì)包括氨氣(NH3)、氨水(NH4OH)和尿素(NH2)2CO。NH3-SCR技術(shù)被歐洲和日本認(rèn)為是未來中、重型柴油機滿足未來排放法規(guī)的主要技術(shù)路線[3]。目前，國內(nèi)外對SCR系統(tǒng)的催化劑研究較為熱門，主要為拓寬催化還原反應(yīng)溫度窗口[19-22]，以便在較寬的溫度范圍內(nèi)降低NOx排放。

3.2.2 NOx儲存－還原技術(shù)

豐田公司在20世紀(jì)90年代中期提出了氮氧化物存儲還原（NOx-Storage Reduction，NSR）技術(shù)[23-24]。NSR技術(shù)的工作原理是：在稀燃（氧化性）階段，NOx經(jīng)吸附、氧化和擴散過程，最后以鹽類形式被存儲于材料中；在富燃（還原性）階段，材料中存儲的NOx自發(fā)釋放，同時被尾氣中的CO、HC、H2和NH3還原性分子高選擇性地還原為N2O[25]。其吸附脫附原理圖如圖1所示。NSR技術(shù)因具有脫硝效率較高、不需外加還原劑、開發(fā)成本較低等優(yōu)點，而成為適用于稀燃汽油機和輕型柴油機的一種脫硝手段。其中，對NSR再生時策略的控制也是影響NOx轉(zhuǎn)化效率高低的重要因素。

圖1　NOx吸附脫附原理圖

4　小結(jié)

綜上所述，面臨世界各國愈加嚴(yán)格的排放法規(guī)，科研工作對NOx排放控制技術(shù)的研究范圍還在不斷深入。由于柴油機排放物NOx和PM處理存在多種技術(shù)并存局面，只有將機內(nèi)凈化與后處理技術(shù)有機結(jié)合，才能滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

機內(nèi)凈化方面目前存在的問題，如過高的EGR率將會使發(fā)動機的熱負(fù)荷急劇增加，加大了柴油機的設(shè)計難度，因此，目前的趨勢仍是使用中、低水平的EGR率；VGT增壓技術(shù)仍然存在著可靠性和耐久性需要進一步提高的問題。

后處理技術(shù)方面，SCR技術(shù)目前存在的問題是NOx轉(zhuǎn)化效率低以及催化反應(yīng)溫度窗口較窄。因此一方面需要對催化轉(zhuǎn)化器的影響因素進行詳細(xì)研究分析，不斷提高NOx轉(zhuǎn)化效率；另一方面要拓寬催化還原反應(yīng)溫度窗口，以求在較寬的溫度范圍內(nèi)降低NOx排放，故還需在SCR系統(tǒng)的催化劑方面進行大量的研究。NSR技術(shù)是輕型柴油車控制NOx的首選技術(shù)[26]。目前NSR催化劑存在的主要問題是：活性溫度窗口較窄，存在硫中毒和老化燒結(jié)，成本較高。未來需將拓寬活性溫度窗口，降低成本，提高抗硫、熱老化性能作為主要研究方向。

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Study on Technologies of Diesel NOx Emission Control

Ji Xiaojing1, Jiao Yunjing1,2,3

（1. Shanghai Diesel Engine Co. Ltd, Shanghai 200438, China;

2. Mechanical institute, Tianjin university, Tianjin 300072, China;

3. North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China）

Abstract:Nitrogenoxides(NOx) is one of the main pollutants in the atmosphere. The formation mechanism of nitrogen oxides is presented in this paper. Based on the influence factors, the control technology of diesel emission NOxis discussed and analyzed. Engine internal and external purification technologies are discussed respectively. At last, several problems which need resolving currently are raised and the development prospects of related technologies are viewed.

Key words:diesel engine, nitrogen oxides, engine internal purging technology, engine external purging technology

作者簡介：紀(jì)曉靜(1982-)，女，工程師，主要研究方向為發(fā)動機性能開發(fā)和后處理匹配應(yīng)用。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.002