降低柴油機有害排放物的幾種控制技術

    柴油機的有害排放物是造成大氣污染的一個主要來源，隨著環境保護問題重要性的日趨增加，降低柴油機有害排放物這一目標成為當今世界上柴油機發展的一個重要方向。為了減少柴油排放對大氣的污染，開展柴油機有害排放物控制方法的研究，是從事柴油機設計者的首要任務，本文在這里簡述幾種降低有害排放物的控制技術。

    1柴油機有害排放物及其危害

    柴油機排氣中包含各種成分，其基本成分是二氧化碳（CO2），水蒸氣（H2O），過剩的氧氣（O2）以及存留下來的氮氣（N2）等。他們是燃料和空氣*燃燒后的產物，從毒物學的觀點看，排氣中的這些成分是無害的，除上述基本成分外，柴油機排氣中還含有不*燃燒的產物和燃燒反應的中間產物，包括一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC），氮氧化合物（NOX），微粒（PT）及醛類生平。這些成分的質量總和在柴油機排氣中所占的比例雖然還不到1%，但它們大部分是有害的，或有強烈刺激的臭味，有的還有致癌作用，因此被列為有害排放物。

    2控制方法之一——高壓共軌噴射系統

    柴油機降低排放的對策主要是改善燃燒，而噴射系統性能是影響柴油機燃燒過程的關鍵因素，要改進傳統的由柱塞泵分缸脈動噴射系統難度較大，高壓共軌噴射系統正是順應上述需求而誕生，且正得到了很大發展。它被世界內燃機行業*為二十世紀三大突破之一（另外兩項是汽油直噴技術和DME代用燃料）。

    高壓共軌噴射系統是建立在直噴技術、預噴射技術和電控技術基礎之上的一種全新概念的噴射系統。它主要有高壓泵，帶調壓閥的共軌管，帶電磁閥的噴油器，ECV（電子控制單元）和各種傳感器組成高壓共軌系統不再用柱塞泵分缸脈動供油原理，而是用一個設置在噴油泵和噴油器之間的具有較大容積的共軌管把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來并平抑壓力波，再通過各高壓油管輸送到噴油器上，由噴油器上的電磁閥的動作控制噴油的開始和終止。電磁閥作用的時刻決定噴油定時，起作用的持續時間和共軌壓力共同決定噴油量。由于這種系統采用壓力時間式燃油計量原理，因此又可稱為壓力時間控制式控噴射系統。

    高壓共軌噴射系統的特點是；噴油壓力的建立與噴油過程無關；噴油壓力，噴油過程和噴油持續期不受負荷和轉速的影響；噴油定時與噴油計量*分開，可以自由調整每缸的噴油量和噴油始點；能實現預噴射，快速停噴和多段噴射。因此高壓共軌噴射系統通過對噴油要素的優化控制柴油機燃燒更充分，從而減少燃燒中有害物的形成，使柴油機的有害排放，噪聲排放和冷起動性能都得到很大改善。

    3控制方法之二——廢氣再循環系統

    廢氣再循環系統是將柴油機產生的廢氣的一小部分再送回氣缸。由于柴油機中富余的氧氣較多，當送回汽缸的廢氣與新鮮空氣混合后，該過程導致氣缸內氧氣濃度降低，使燃燒速度減慢，燃燒溫度下降，從而減少有害成分氮氧化物（NOX）的形成。

    目前采用和研究廢氣再循環系統有多種類型，日野汽車公司開發的脈沖式廢氣再循環系統在柴油機進氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流到汽缸內。排氣門的這個作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環系統微升來實現的。

    在脈沖式廢氣再循環系統中，廢氣被重新送回氣缸內，因此廢氣的壓力應高到足以使氣流反向。要達到這樣高的壓力只有通過優化氣門微升和定時，從而利用廢氣的壓力波才能實現，在該廢氣再循環系統中，廢氣壓力“脈沖”被有效利用。

    增壓中冷柴油機實現廢氣再循環還有另外兩種方式，一種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反向。采用可變截面渦輪增壓器，可以擴大廢氣再循環有效工作范圍，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，這可能是將高壓廢氣再循環系統用于增壓中冷柴油機的方法。

    另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機之前，稱為低壓廢氣再循環系統，它可有效降低氮氧化物（NOX），而廢氣循環工作范圍較大，與柴油機匹配能有效地發揮其功能。

    4控制方法之三——增壓中冷技術

    所謂增壓，就是增加進入柴油機汽缸內的空氣密度。中冷則是將壓縮后的空氣的溫度降低。因此，柴油機采用增壓中冷系統后，滯燃期縮短，在稀烯火焰熄滅區內積壓的燃油量較少，從而減少排氣中有害成分碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的生成。目前，增壓方法主要有機械增壓三種方式。其中廢氣渦輪增壓器主要是由渦輪和壓氣機組成，它與柴油機沒有機械傳動，柴油機排出的廢氣經排氣管進入渦輪，對渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至柴油機進氣管。增壓中冷柴油機在壓氣機出口和柴油機進氣管入口之間增設中間冷卻器（簡稱中冷器），使壓縮后的空氣的溫度下降，密度增大。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低，以及機械負荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油機的功率，降低有害物的排放。

    由于廢氣渦輪增壓方式與機械增壓和氣波增壓方式比較，結構簡單，工作可靠，在柴油機上得到普遍采用，其他兩種增壓方式基本不使用。

    5控制方法之四——微粒捕集器

    柴油機微粒捕集器，可將排氣中微粒捕捉不使其排出機外，再利用催化劑，氧化器，燃燒器等進行分解、燃燒。這利裝置可將柴油機排氣中有害物微粒減少70%-90%。

    用來捕集微粒的過濾器的材料和結構有許多種，常用的有整體式陶瓷，金屬絲網，紡織纖維圈，陶瓷纖維，泡沫陶瓷等。這些過濾材料的捕集原理一般認為有以下幾種：

    1碰撞機理：柴油機廢氣流經捕集單元時，其流線發生了多次拐彎，在流線拐彎處，較大的微粒由于運動慣性大多脫離原來的流線與捕集單元相碰，并吸附或沉積于其上。

    2截流機理：柴油機廢氣流經捕集單元時發生兩種情況，一是粒徑比過濾材料孔隙大的微粒就被擋住并被粘附住，即發生篩濾效應；二是粒徑比過濾材料孔隙小的微粒由于粘著與聚合作用而部分被截流。

    3擴散原理：柴油機廢氣中的微粒物由于氣體分子熱運動的碰撞而產生布朗運動，縣城越小的微粒越顯著，又會造成擴散效應。當廢氣流經捕集單元時，纖維狀的捕集單元對微粒的運動起到了匯合的作用，從而有可能將微粒捕集。

    4重力沉降機理：當緩慢運行的柴油機廢氣流經捕集器時，廢氣逗留時間比較長，較大的粒子的可能在重力作用下發生脫離流線的位移而沉淀在捕集單元上。

    排氣系統中安裝微粒捕集器后將會使柴油機的排氣背壓提高。功率下降，捕集材料上沉積的微粒越多，排氣背壓越高。因此，必須定期清除沉積在過濾材料上的微粒。

    清除沉積在過濾材料上的微粒的過程為捕集器的再生。在柴油機正常工作的轉速和負荷下，排氣溫度一般在250-500℃，而微粒的燃點一般為550-600℃，依靠柴油機的排氣很難使捕集器再生。要使捕集器再生必須降低微粒的燃點或提高排氣溫度。通過在燃油中加入添加劑或在過濾材料表面涂催化層可以降低微粒的燃點，使微粒能在較低的溫度下燃燒掉，一般稱主動再生。另一種是利用外部能源，如電熱器加熱補燃和燃燒器加熱補燃來提高排氣溫度將捕集器材料上的微粒燃燒掉，一般稱為被動再生。被動再生是一種定期再生，需要復雜的檢測和控制技術以決定再生時間。當前，捕集器再生將主動再生和被動再生技術結合起來，*。

    6控制方法之五——催化凈化裝置

    催化凈化裝置是一種內部裝有催化劑的裝置，裝在發動機的排氣管中。催化劑能使發動機排氣中的有害成分加速轉變成無害成分。催化凈化方法有兩種，一種是催化氧化法，它以鉑，鈀，黃金，鈷，鎳等金屬及其氧化作為催化劑，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）氧化成無害成分二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）。另一種是催化還原法，它以堿金屬，鈷鉻合金作為催化劑，使有害成分氮氧化合物（NOX）還原為氮氣（N2）和氧氣（O2）。

    目前催化凈化裝置有氧化催化反應裝置和三元催化反應裝置。氧化催化反應裝置僅依靠氧化反應降低有害成分一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC），柴油機和汽油機都適用。三元催化反應裝置則氧化與還原反應同時進行，能使一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOX）三種有害成分同時得到凈化處理，它要求發動機的空燃比地控制在理論空燃比附近的*范圍內，以保證同時對三種有害成分率凈化，因此，三元催化反應裝置一般與燃油電子噴射發動機一起使用，用氧傳感器檢測排氣中的氧濃度，反饋控制發動機的空燃比范圍。由于柴油機排氣中殘留的氧量較多，使氧傳感器的控制不靈敏，故三元催化反應裝置一般不用于柴油機，而只用于汽油機。

    7控制方法之六——采用代用燃料

    當前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油資源日益枯竭。油價居高不下，積極尋找并研究代用燃料以成為降低有害物排放的另一個方向。二甲醛（DME）就是一種很有前途的代用燃料，其化學分子式為CH3—O—CH3，原來用于噴霧工業。通過Danish公司的革新，其工業生產成本明顯降低，基本上達到與柴油機同的價格水平，并且DME可由煤天然氣、甚至生物來制取，用于甲醛時的NOX值較用柴油時可降低50%以上。

    采用二甲醛的特點是，由于其噴射壓力低，所以當zui高噴射壓力為25-35MPa時就可獲得滿意的功率、油耗和排放指標。其前提條件是噴射系統應設計成共軌式，并且需要特殊的防護措施。

    綜上所述，隨著柴油機的廣泛使用，柴油機的環境污染，噪聲污染、冷起動性能及振動，已經成為衡量柴油機的技術水平的重要指標，同時也是決定柴油機能否繼續擴大其*的主要因素之一。因此，要滿足現行及未來的排放法規，就必須降低有害物質CO、HC、NOx和微粒的排放，也即是采取各種技術措施，從而獲得良好的動力性，經濟性和低排放目標。