降低柴油机排放污染措施

1.柴油机排放污染物的成因；

2.柴油机排放污染物的主要影响因素；

3.降低柴油车废气排放的措施。

1.能够解答客户关于柴油机排放污染方面的咨询；

2.能够识别主要柴油机排放控制系统的组成及工作原理；

3.树立以客户为中心的理念，增强服务意识；

4.具有与客户沟通交流的能力；

5.具备信息搜集和处理的能力。

关于汽车排放控制的要求越来越严格，汽油机污染物主要是CO、HC和NOx，而柴油机污染物主要是PM（微粒和碳烟）和NOx。柴油发动机普遍采用了各种排放污染控制装置，那么排放控制装置都有哪些？这些装置又是怎样降低排放的呢？通过下面的学习，相信你会找到答案。

针对某一型号柴油发动机，整理编制该发动机在排放污染物方面所采取的措施，向客户说明该发动机排放控制系统的特点、组成及工作原理。

柴油机污染物主要是PM（微粒和碳烟）和NOx。

一、柴油机排放污染物的成因

从总体看，由于柴油机的平均混合气浓度比汽油机稀得多，即使在高负荷区，平均过量空气系数也远大于1，所以柴油机总有足够的氧气对已形成的CO和HC进行氧化。柴油机的CO和HC排放量要比汽油机低得多。从细节上看，柴油机CO和HC的具体生成原因也与汽油机有所不同。

1.一氧化碳

柴油机CO主要来源于缺氧造成喷注中过浓部分的不完全燃烧。

2.碳氢化合物

柴油机HC的生成主要有下述两个原因。

①滞燃期中，处于喷注前缘的极稀混合气如图5-10所示。其浓度远低于燃烧极限而无法着火，便产生HC。滞燃期越长，滞燃期中喷油量越多，过分稀释的混合气也越多，HC排放也就增多。

图5-10　滞燃期喷入气缸内的喷注形状示意

②在柴油机中，喷雾质量、喷雾贯穿度、与空气的混合等因素对未燃HC的生成影响很大。喷油器结构不合理，特别是针阀后压力室容积过大是形成未燃HC的重要原因。此外，窜机油、起动时不着火及不正常喷射（如二次喷射）也是产生未燃HC的原因。在冷起动、怠速、低负荷等条件下，喷注中的大颗粒油滴来不及蒸发，严重的后燃也会造成未燃HC的排放。

3.氮氧化物

柴油机的NOx生成条件与汽油机的相同，也是高温、富氧和较长的作用时间。但是达到上述条件的具体情况各不相同。

柴油机在燃烧过程中产生NOx的区段有速燃期的稀燃火焰区和缓燃期的扩散燃烧区。因为这两个区段具有生成NOx的条件。

4.微粒和碳烟

柴油机中，微粒和碳烟的生成来源于高温和局部混合气过浓。

混合气越浓，其中碳成分就越多。在柴油喷注中，混合气浓度由芯部的极浓到前缘的极稀，所以，在燃烧过程中，芯部总会有自由碳产生。

在高于一定温度条件下，混合气与某些燃料分子会产生热裂解而分解成许多相对分子质量小而碳比例高的碳氢化合物，如乙炔、乙烯等，其中也有自由碳。以这些裂解产物为核心，会不断使表面增长和凝聚，尺寸不断扩大，形成球形粒子。到一定尺寸后，多个粒子又会聚成键状的集合体。当燃烧进行到末期时，缸内温度下降，一些未燃HC和有机、无机物凝结与黏附在这些集合体表面，这就成为柴油机排气中的微粒。

碳烟生成量与温度及混合气浓度的关系如图5-11所示。1 600～1的温度范围对碳烟形成的影响最大；混合气越浓，碳烟值越大。

图5-11　碳烟生成量与温度及混合气浓度的关系

二、柴油机排放污染物的主要影响因素

1.混合气浓度

混合气浓度与直喷式柴油机排气污染物的关系如图5-12所示。尽管柴油机混合气不均匀，会有局部过浓区，但由于过量空气系数较大，氧气较充分，能对生成的CO在缸内进行氧化，因而一般CO较少，只是在接近冒烟界限时急剧增加。HC也较少，当φa增加时，HC将随之上升。在φa稍大于1的区域，虽然总体是富氧燃烧，但由于混合气不均匀，当局部高温缺氧使1＜φa≤2时，就会急剧产生大量碳烟，随着φa增大，碳烟浓度将迅速下降。柴油NOx排放量随混合气浓度变稀、温度下降而减少。

图5-12　混合气浓度与直喷式柴油机排气污染物的关系

2.运行工况

车用柴油机不仅在宽广的负荷和转速范围内工作，而且还经常进行加、减速工况转换。这些情况下的排放特性各有其自身特点，对总体排放量有不可忽视的影响。

（1）稳定工况时负荷和转速变化的影响

工况对排放的影响总体表现为：低速、低负荷时，CO和HC排放偏高，而NOx和微粒排放量很低；高速、高负荷则微粒和NOx排放上升；特别是微粒碳烟排放，即使是中、低转速，由于转矩校正、油量加大，往往烟度超标，所以低速冒烟常常成为车用柴油机的一个痼疾。

（2）柴油机的加、减速排放特性(www.xing528.com)

对于全速式调速器，踩下加速踏板，相当于加大弹簧预紧力，调速器起作用，很快加大供油量，转矩上升，然后再下降达到新的平衡点，因此加速迅猛，过大的油量往往造成过高的碳烟和HC、CO排放量。而两速式调速器，踩下加速踏板直接操纵喷油泵供油拉杆，达到新的平衡点后加速平缓，污染物排放量的增加很少。柴油机的减速过程是减小供油量，所以污染物排放量下降。

（3）冷起动过程的影响

柴油机冷起动时，缸内压缩温度很低，燃油雾化条件差，相当部分会附于燃烧室壁面，初期未燃HC以白烟的形式排出机外。由于起动时雾化程度低，直喷柴油机一般要加大50%～100%的起动油量，因此碳烟、HC和CO排放量必然增多。

3.喷油提前角

推迟喷油，直接喷射式柴油机的NOx大幅度下降，而间接喷射式涡流室柴油机的NOx的下降幅度则小一些。但是喷油过迟，燃油消耗率和碳烟排放都会恶化，对CO和HC的排放也有不利影响。

4.喷油压力

近年来，提高喷油压力的高压喷射措施日渐成为直接喷射式柴油机机内净化的最佳手段；而间接喷射式柴油机，由于主要依靠气流进行雾化、混合，所以对喷油压力要求较低。

在循环喷油量和喷孔大小及分布不变的情况下，提高喷油压力就是加大喷油率，它直接产生两种效果：

（1）降低微粒烟度的排放量

喷油压力提高，则喷雾粒子的粒径减小，贯穿度加大，喷雾锥角加大，再加上紊流的增强，直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了某一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围缩小。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。

（2）降低油耗率

喷油率增大，必然会缩短喷油时期，使燃烧加速，从而使油耗率降低。

以上高压喷射降低烟度和油耗的优点，恰恰弥补了推迟喷油所带来的缺点。我们应认识到，高压喷射并没有明显削弱推迟喷油所带来的减少NOx排放的效果。因此，若将两种措施同时应用，进行合理调配后，NOx和微粒碳烟排放都会降低。

三、降低柴油车废气排放的措施

柴油车排放控制技术主要有：

①采用废气再循环控制系统。

②采用电控可变进气涡流技术。

③采用废气涡轮增压与中冷技术。

④采用氧化催化转化器。

⑤采用四气门结构。

⑥发展电控柴油喷射系统，采用电控共轨喷射技术。

⑦采用可变配气相位技术。

⑧采用微粒捕集器。

1.电控共轨柴油喷射系统

电控共轨柴油喷射技术的最大特点是喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力、喷油量和喷油时刻由ECU控制，其喷油压力在整个喷油期内几乎保持恒定，最大值可达到Pa，是普通柴油机喷油压力的数倍，大大降低了柴油发动机的排放污染。

2.微粒捕集器

微粒捕集器也称为柴油机微粒过滤器。作为微粒捕集器的过滤材料，可以使用陶瓷蜂窝载体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝载体和金属纤维编织物等。

目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器（图5-13），与一般催化剂载体不同的是，这种微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷，相邻的两个通道中，一个通道的出口侧被堵住，而另一通道的进口侧被堵住。这就迫使排气由入口敞开的通道进入，穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在通道壁面上。这种微粒捕集器对碳烟的过滤效率可达90%以上，可溶性有机成分SOF（主要是高沸点HC）也能部分被捕集。与催化器不同的是，一般微粒捕集器只是一种物理性的降低排气微粒方法。随着过滤下来的微粒的积累，造成排气背压增加，使发动机动力性和经济性恶化。因此，必须及时除去微粒捕集器中的微粒，以便能继续工作。除去微粒捕集器中积存的微粒称为再生，这是微粒捕集器实用化中的关键技术。

图5-13　壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器及其控制系统

（a）微粒滤清器空；（b）微粒滤清器满；（c）微粒滤清器还原过程

微粒捕集器常采用的再生方法是断续加热。在实际使用加热再生方法时，需要一套复杂的控制系统。通常排气系统中装有两个微粒捕集器，当一侧的捕集器由于微粒的存积使排气背压升高到一定限值时，再生系统起动，通过电磁阀切换，使排气流向另一侧的捕集器；同时，对积存了微粒的捕集器进行电加热，以烧掉微粒使其再生。这样，两侧的微粒捕集器就交替工作或再生。

3.选择性催化还原系统

选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduction，SCR），已成功地应用于柴油机的氮氧化物的排放控制。该技术原理是利用还原剂在催化剂的作用下，在富氧的环境内将氮氧化物选择性还原生成氮气和水。

SCR尾气后处理系统主要由催化器、尿素箱、定量给料单元、喷嘴（喷雾器）、传感器、压缩空气罐、空气滤等组成，如图5-14所示。

图5-14　SCR尾气后处理系统结构

通过优化柴油发动机缸内燃烧过程，使燃烧废气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）及颗粒（PM）等排放物得到有效控制并达到法规的要求，最后对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物（NOx）再利用，使用专门的车载后处理系统进行处理，以满足法规要求。在后处理过程中，定量给料单元会根据发动机电控单元给出的指令精确地将与发动机运行工况相匹配的尿素量喷入排气管，尿素分解出的氨与氮氧化物在催化器中经过催化还原反应，最后生成无害的氮气（N2）和水（H2O）。

随堂测试

1.柴油机污染物主要是________和________。

2.柴油机中，微粒和碳烟的生成源于________和________。

3.列出四种柴油车排放控制技术：________、________、________、________。

4.选择性催化还原系统SCR的工作原理是利用还原剂在催化剂的作用下，在富氧的环境内将氮氧化物选择性还原生成________和________。

任务实施

任务工单