第六节 柴油机废气排放控制技术

随着人们环保和节能意识的不断加强，对柴油机的技术要求也越来越高。这些要求就是提高柴油机动力性能的同时降低燃油消耗、降低排气污染。

1.柴油机废气中有害气体的成分

柴油机废气中有害气体的成分见表1-15。

表1-15 柴油机废气中有害气体的成分

2.柴油机的排放控制技术

目前柴油机常用的减小排气污染的控制技术如下：

（1）改善燃油品质 若增加柴油的十六烷值，能有效地降低柴油机尾气PM、CO和NOx的排放；降低燃油中S的含量，可以降低13%～22%的PM排放；减少燃油中的芳香烃成分，可以减少NOx的排放。国Ⅲ柴油机用柴油的基本要求见表1-16。

表1-16 国Ⅲ柴油机用柴油的基本要求

改善燃油的技术措施如下：

①根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。

②在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷油器头部的积炭，可以减少30%～50%的碳烟颗粒排放。

③降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有98%转化为SO2，其余的2%成为硫酸盐颗粒，部分SO2被进一步氧化与燃烧过程中生成的H2 O结合，形成H2 SO4和硫酸盐（CaSO4等），增加了微粒的排放量。

（2）进行柴油机机内净化 柴油机机内净化是对燃烧过程进行优化，使燃料混合均匀、燃烧充分，柴油机工作柔和、起动可靠、降低排放。

①防止机油窜入燃烧室。由于柴油机所排放的颗粒状物质的相当部分是由窜入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少窜入机油量。

②采用柴油电控高压喷射技术。柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到如今的共轨式电控高压喷射。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据柴油机的运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制柴油机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。

③提高喷油压力和减小喷油器孔直径。提高喷油压力和减小喷油器孔直径可明显地降低颗粒的排放。为了避免高压喷射导致NOx增加，要求适当降低空气涡流运动，提高压缩比和可变定时燃油喷射与其相适应，以达到控制PM和NOx排放的目的。

④改进燃烧系统。改进燃烧系统是指燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配，应保证在柴油机整个工况范围内，燃油在燃烧室中均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律和喷油定时。采用电控喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油机性能，又可降低柴油机尾气排放物，尤其是颗粒物质的排放。

⑤采用废气再循环（EGR）。EGR是将一部分排气导入进气系统中，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用EGR降低NOx的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却液温度传感器及起动开关信号，由ECU对EGR率和EGR随机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低NOx的排放。

⑥增压中冷技术。废气涡轮增压提高了气缸内的平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，可使柴油机颗粒物的排放量降低50%左右，并减少CO和HC的排放。利用中冷技术，NOx的排放量可降低60%～70%。所以采用增压中冷技术是降低车用柴油机排气污染物的有效措施之一。

（3）代用燃料的使用 采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气（压缩天然气CNG，液化天然气LNG）、液化石油气（LPG）、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点如下。

①天然气成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车为代表。压缩天然气本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中CO的含量较低，无排烟，但动力降低10%，携带不便。

②甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性能差，需要加装点火装置；冷起动性差，有腐蚀性；并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放。

（4）柴油机排气净化装置 随着柴油机保有量的与日俱增，柴油机排气对人类健康的危害及对环境的污染也日甚一日。对此，世界各国都制定了相应的法规和标准，以期把柴油机有害排放物控制在较低的水平。为了满足排放标准，必须对柴油机排气进行净化。近几年来，汽车界开发和创制出许多净化排气的新技术和新装置，主要有以下两种。

①催化转化器技术。催化转化器是利用催化剂的作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的气体的一种排气净化装置，也称为催化净化转换器。金属铂、钯或铑均可作催化剂。在化学反应过程中，催化剂只促进反应的进行，不是反应物的一部分。催化转化器有氧化催化转化器（图1-70）和三元催化转化器（图1-71）。

图1-70 氧化催化转化器示意图

图1-71 三元催化转化器的结构示意图

氧化催化转化器只能将排气中的CO和HC氧化为CO2和H2 O，因此这种催化转化器也称为二元催化转化器。必须向氧化催化转化器供给二次空气作为氧化剂，才能使其有效地工作。

三元催化转化器可同时减少CO、HC和NOx的排放，以排气中的CO和HC作为还原剂，把NOx还原为氮（N2）和氧（O2），而CO和HC在还原反应中被氧化为CO2和H2 O。当同时采用两种转化器时，通常把两者放在同一个转化器外壳内，而且三元催化转化器置于氧化催化转化器前面。

排气经过三元催化转化器之后，部分未被氧化的CO和HC继续在氧化催化转化器中与供入的二次空气进行氧化反应。

②柴油机微粒过滤技术。柴油机废气中的微粒（主要是碳粒—黑烟）是柴油机排放的突出问题。对车用柴油机排气微粒（黑烟）的处理主要采用过滤法。

微粒过滤器（图1-72）的滤芯由多孔陶瓷制造，过滤效率较高。排气穿过多孔陶瓷滤芯进入排气管，而微粒则滞留在滤芯上。过滤器工作一段时间后，需及时清除积存在滤芯上的微粒，以恢复过滤器的工作能力和减小排气阻力。为此，在过滤器入口处设置一个燃烧器，通过喷油器向燃烧器内喷入少量燃油，并供入二次空气，利用火花塞或电热塞将其点燃，将滞留在滤芯上的微粒烧掉。

图1-72 柴油机排气微粒过滤器的结构示意图

采用微粒过滤器，可以有效地降低柴油机的排气黑烟，是提高柴油机排气质量的有效方法之一，虽然存在微粒过滤器的使用成本过高及使用维修维护方面的诸多不便，但其在柴油机上的实际应用正越来越受到广泛关注。图1-73所示为奥迪柴油轿车的排气净化系统，经过这套系统的净化后，柴油机有害气体的排放可以得到有效降低。

图1-73 奥迪柴油轿车的排气净化系统