高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程

赵木顺

柴油机是所有内燃机中效率最高的一种动力装置，由于其性能上的优越性，在未来相当长一段时间内，柴油机的保有量还会增加，发展前景仍被看好。
近年来，车用柴油机中直喷式柴油机份额不断提高，国内外对高速直喷式柴油机性能与排放的研究也不断深入，应用领域大大扩大，其倍受青睐的原因在于直喷式柴油机具有燃油消耗率低，一般比同类型的分隔式燃烧系统要降低10％～15％，相应的CO2排放也较低，在燃烧室中，着火开始前燃油与空气的混合相对较好，不需采取附加的辅助起动装置就能顺利实现冷起动等优点。但与分隔式燃烧系统相比，直喷式燃烧噪声较大，NOx和PM排放较高。
本文主要针对高速直喷式柴油机（HSDI）燃油喷射系统、燃烧系统及后处理技术的多种实现形式进行分析比较，并对其发展趋势作出预测。
一、燃油喷射系统
（一）电控泵—喷嘴喷油系统
随着燃油喷射向短喷油持续期、大喷油率和高喷油压力方向的发展，穴蚀和二次喷射问题、燃油的泄漏问题等都已成为传统的泵—管—嘴喷油系统发展的主要障碍，从而为泵—喷嘴系统的发展提供了广阔的前景。在20世纪80年代后期由于排放对高喷油压力的要求及电控技术的急速发展，电控泵—喷嘴成了极有魅力的新一代喷油系统。
电控泵—喷嘴由于取消了高压油管，所以容易产生高喷油压力，而喷油压力直接影响着柴油机的功率和扭矩，并能改善排放，博世公司生产的柴油轿车用电控泵—喷嘴的喷油压力已高达205MPa，由于泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵—喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这很符合发动机的要求，大众公司的TDI发动机就是使用这个技术。由于采用电控系统，使系统控制灵活，通过电磁阀的两次动作可实现可控喷射，大大降低了噪声和振动，并改善了排放，不易产生穴蚀和二次喷射等异常喷射。
与其它新一代柴油喷油系统的共轨系统比较，电控泵—喷嘴最大的特点是容易实现高压喷油，而共轨系统由于其结构特点特别是需要密封的高压部位多使其能够达到的高压受到限制，但电控泵—喷嘴系统喷油压力受发动机转速和负荷（喷油量）影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题；另一方面由于电控泵—喷嘴的供油规律仍采用凸轮控制，在控制喷油压力及实现多次喷射等方面不如共轨系统的自由度大。
（二）高压共轨喷油系统
柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制在众多的电控系统中有最大的灵活性和自由度。
相对于其他燃油喷射系统，高压共轨燃油喷射系统的特点如下[1]:在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化后可达180MPa的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达7次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩；排放、噪声降低，柴油机整机性能有所提高。
二、燃烧系统
（一）传统柴油机燃烧
传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区产生NOx，内部高温缺氧区产生PM。由于NOx生成的主要机理是高温富氧，为减少NOx排放而采取的导致燃烧温度降低的措施，往往会减少碳烟的氧化，从而导致碳烟排放恶化，因此，无法同时有效降低NOx和PM排放。这是以扩散燃烧为主的传统柴油机所无法避免的。
如上所述，NOx和PM排放及燃烧噪声是高速直喷式柴油机必须解决的主要问题，研究资料表明，减少预混合燃烧以降低NOx，强化扩散燃烧以降低颗粒和烟度，同时通过控制喷油速率等措施降低燃烧噪声是燃烧系统改进的主要思路。按此思路，应该采取的措施[2]见图1。
     
（二）HCCI燃烧
直喷式柴油机是一种效率很高的发动机，其温室气体CO2和有害气体HC、CO的排放都比汽油机低。但由于它的扩散燃烧和燃烧产生的局部高温这样一些燃烧特点，很难遏制NOX和炭烟（包括微粒物）的生成，并且还存在NOX和PM排放控制目标之间相互冲突的问题。因此，必须促进燃油和空气的混合，从这个观点出发，许多研究者研究了预混合的压缩点燃燃烧，即HCCI[3]。
HCCI的技术特点:
（1）放热率在一定的工况下，HCCI的放热速率可接近Otto循环:没有高温区和不发光的燃烧，使得热损失减小。因此，HCCI有较高的热效率。
（2）污染物排放
NOx
HCCI是以较稀的混合比、高的废气再循环（EGR）燃烧，由于燃烧室中没有高温区，能显著降低NOx的排放，不过目前NOx排放减少的结论都是在部分负荷条件下得出的，在相同过量空气系数下，HCCI对降低NOx排放效果不大。
PM
目前的研究表明，采用HCCI的PM排放较低。PM减少的机理目前还不十分清楚，大部分人认为燃油碰壁扩散燃烧和局部浓混合区的减少都有效地抑止了PM的形成。
HC和CO人们普遍认为与传统的柴油机燃烧相比，HCCI的HC和CO排放是增加的。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI采用较稀的混合气和高的废气再循环（EGR），缸内温度较低，最终使得HC和CO的氧化率下降，排放增加。
（3）运行工况在发动机整个工作过程中，燃烧始点和燃烧快慢的控制是两个主要问题。在HCCI中控制燃烧始点很困难，为了获得良好的自燃就需要较高的充量温度和压缩比，而在发动机的整个工况范围内，由于爆震和失火的限制，这样高的温度和压缩比不可能在所有工况都实现。目前HCCI方式在2行程发动机上主要应用在中低负荷工况区。

三、后处理系统
柴油机排气污染物包括PM、NOx、HC和CO等。其中，HC和CO含量较低，且易于净化，所以柴油机排气控制主要针对PM和NOx进行，由于PM和NOx无论在物理形态上还是化学性能上都存在很大差异，相应地，柴油机排气后处理技术系统也分为PM净化系统和NOx净化系统。近来人们还对能够同时处理PM和NOx的技术进行了探索。
（一）PM净化系统
1．催化氧化法
柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤，利用催化氧化技术减少载重车和城市公交车柴油机尾气PM排放始于20世纪90年代。催化剂为蜂窝整体直通式，能部分氧化去除排气PM的可溶性有机组分以及气态污染物HC和CO，发动机负荷低时，PM可溶性有机组分含量高，催化氧化降低PM排放效果明显；而发动机负荷高时，PM中可溶性有机组分含量低，催化氧化降低PM排放效果较弱。典型的PM排放降低值为20％～50％，而且随着排气温度提高，降低率增大，但排气温度提高也会导致SO3和硫酸盐排放增加。
2．过滤法
过滤是降低PM排放最直接的方法，但将柴油机排气微粒收集起来后，决定微粒捕集器可行性的就是再生的问题了，微粒捕集器的再生一般都采用燃烧法，即利用外界能量提高微粒捕集器内的温度，使微粒着火燃烧，或通过使用某些催化剂降低微粒的着火温度，使之能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧分解。目前，催化再生的燃油添加剂再生和连续再生已成为研究的热点。
燃油添加剂再生可能会造成新的二次污染，但这类燃油添加剂通常为含钙或铁钡铜锰的金属化合物，成本相对低，降低微粒着火温度显著，在国内该方法应该具有较为广泛的应用前景；而连续再生是将催化剂与微粒表面充分接触，降低微粒排放量的效果也较为明显。
连续再生式DPF装置目前要解决的问题是:在发动机的各种运转条件下不发生碳粒堵塞现象，以确保碳粒净化率的长期稳定性，提高其使用寿命[4]。
3．低温等离子体技术
目前，低温等离子体技术在柴油机尾气控制中较多的是将其用于排气微粒的捕集，其主要依据在于柴油机排气微粒中有70％～80％（以质量计）是带电的。利用低温等离子技术捕集柴油机微粒的技术现在还处于实验室阶段，而且已获得较满意的数据。等离子体静电捕集微粒装置的流动阻力小，对发动机的性能影响较小，这是传统微粒捕集器所没有的，而且具有较高的捕集效率，能解决微小微粒难于收集的困难等优点。但是这种技术实用化的最大困难在于设备庞大，结构复杂及成本较高，在车用上则有高压电电源的供给问题。因此，该项技术的商品化还需要进一步的研究[6]。
（二）NOx净化系统
由于柴油机机内NOx控制与PM控制存在所谓的trade-off效应，而机外的NOx控制又因排气中含有大量O2而变得非常困难。目前，柴油机排气NOx净化研究主要从选择性催化还原和吸附—催化还原两条技术路线入手。
1．选择性催化还原
选择性催化还原有一个很明显的优点就是:催化剂不会因为燃料或润滑油中所含的硫而引起硫中毒。以尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以降低柴油机排气中绝大部分的NOx，也能降低部分HC。因此，以尿素为还原剂的SCR被认为是最具有应用前景的。但尿素SCR技术的难点在于处理城市基本建设与植被尿素水的矛盾，所以使将来车用尿素的SCR的实用性受到影响。
1990年，Iwamoto和Held分别报道在Cu/ZSM-5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx。随后，作为净化柴油机和吸燃汽油机排NOx的潜在技术，HC选择性催化还原NOx受到重视。对小型客车来说，HC选择性催化还原系统的发展旨在改进催化剂材料和增大NOx净化效率的控制方法上，同时也尽量减少燃料经济性的恶化[5]。
2．吸附—催化还原
吸附—催化还原对NOx的净化率高达80％左右，其还原NOx的机理是:基于发动机周期性进行稀燃和富燃工作的一种NOx净化技术，在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。
对于。


    汽车尾气排放中的传统问题
    未来汽车尾气排放的限值目标，明显地减少柴油机废气中的微粒（PM）或者碳烟和氮氧化物（NOx）的含量。传统的问题是，在采用的废气后处理系统中，PM和NOx两者通常减少了一种量而增加了另一种量。
    目前，为满足2006年10月实施的欧Ⅳ排放限值，大多数欧洲货车制造商已经凭借设计的发动机以生成极少PM，继之利用选择性催化还原技术（SCR）来减少废气中的NOx。这将需要以尿素添加剂以还原催化转化器中的NOx。尿素添加剂也需要含硫量较低的燃油，否则硫会大大减少催化转化器材料的使用寿命。
    另一种达到欧Ⅳ的策略是曼公司和斯堪尼亚公司所选择的EGR方法。这里，可以通过冷却废气和让流过发动机的废气进行再循环以更加完全地燃烧，以此减少NOx的生成。然后在一个微粒捕集器上捕集PM。然而，微粒捕集器需要连续再生，否则捕集器很容易被碳烟阻塞，发动机会停止工作。为了再生，通过将柴油喷入废气流中无害地燃烧掉碳烟微粒以提高废气温度。
    因此，采用以上两种方案，都难于避免传统存在的上述问题。据排气系统和车桥制造商阿文美驰公司（ArvinMeritorinc）称，一种两全其美的方法，就是将等离子体燃料转化器（plasmareformer）引入到废气流中。大约在2010年，欧V将会带来甚至更严格的排放限值和新的挑战，plasma reformer可能有助于处理这种更严格的排放限值问题。据称，Plasma Reformer是一种在汽车尾气排放上具有突破性进展的技术，对商用车和轻型汽车制造商为满足即将到来的2010年柴油机废气排放标准开辟了变革性的道路。plasma reformer从车载的柴油或者汽油中产生一种富氢燃气，可以用之启动废气控制系统。目前，这种装置正在重型和轻型货车以及大客车上进行装车试验。预期这种plasma reformer可以在2010年投入生产。
“氢”正登台清洁排放的主要阶段
    氢燃料电池动力汽车距离商业实用阶段也许尚有多年时间，但随着排放法规逐渐严格，氢的作用远远不只是作为一种燃料，它在未来排放中也可减少柴油机排放中的pM和NOx限值。据阿文美驰公司称，他们将在今后几年里在柴油机中使用氢来简化排放控制系统。阿文美驰公司已经开发出的这项新技术，可以缩小当今内燃机和燃料电池动力系统间的差距，并极大的促进燃油经济性的提高。
    阿文美驰公司新系统的核心技术，是“低能等离子体燃料转化器系统”（low-powered plasma reformer sys-tem），通过等离子体裂化碳氢化合物气体和水蒸汽反应来产生氢，它无需一个单独的氢燃料供给系统。这种plasmare former根据车辆供燃油的需要而产生氢，无论是汽油或是柴油，都可以省去单独供油系统的重量和成本。由于等离子燃料转化器对车上氢的自生非常有效，该技术也可被发展为燃料电池的一项过渡技术，作为一种重要的内燃机（ICE）代用燃料资源。
    等离子燃料转化器的工作原理及效果
    等离子体燃料转化器类似于强连续“点火”，部分地燃烧空气与碳氢化物燃料（柴油或者汽油）的混合气。在设计上，这里的空气是有意不让其支持燃烧，而代之以将燃油/空气混合气分解，形成一种富氢燃气。在柴油机中，这种富氢燃气可能有助于恢复和改善废气排放系统的性能，启动其它废气排放系统的工作。在商用车上，富氢燃气可以作为一种低成本、高效率、完全燃烧、快速启动的NOx和PM捕集器的再生器，立刻就可以应用到柴油机废气后处理系统。从长远看，富氢燃气可能大大提高汽油机的燃烧效率。plasma reformerit用大约1OOW的电能，相当于一对传统的前照灯。
    阿文美驰公司新型等离子燃料转化器，最初就是作为商用车柴油机尾气排放系统清洁氮氧化物（NOx）的再生器而设计的。将plasma reformer应用到汽车尾气排放净化系统，从原理上讲是在系统的媒质表面形成有活性物质的覆盖层，使尾气中的氮氧化物被吸收从而避免其排放到环境中。在传统的氮氧化物气体中，柴油燃料是作为碳氢化合物引入的，其缺点包括在低温下难以起动，造成更多的燃料消耗，让更多未燃尽的柴油排放到大气中去。采用plasma reform-er，通过低能等离子体裂化碳氢化合物气体和水蒸汽反应自生成氢气，从而减少NOx的排放。plasma reformer系统对于NOx和pM排放两者皆可降低，其处理方式和明显的效果在下列两种情况下都得以体现。
    在处理NOx时，与SCR系统不同，阿文美驰公司的研究集中在使用等离子技术，利用一种“双管路NOx捕集器”（dual leg NOx trap）。plasma reformer安装在NO对甫集器的进气端，在气体进入一个或者另一个管路之前。双管路NOx捕集器结构意味着废气可以一条管路处理，而另一条被处于再生状态。
    富氢燃气能非常有效地定期“再生”PM和NO对甫集器。试验表明，等离子转化器的富氢燃气只用相当于传统方法大约一半的柴油对NOx捕集器进行再生。氢启动的NO对甫集器也可以制作得非常小，更能抵抗硫的毒化。NOx捕集器也可以比其使用柴油有更宽的温度范围。也可能在货车发动机怠速工作时对氢启动的NOx捕集器进行再生，这一点是不可能简单地用传统方法做得到。试验表明，氢可以把储存在捕集器里的NOx降低90%以上，其效率远高于欧IV采用的SCR系统。另一个优点是不需要任何添加剂，这对于车辆制造商和经营业主具有相当大的吸引力。因为取消了尿素添加剂储存箱和剂量系统会减少重量和节约成本。
  

    就工作温度而言，plasma reformer以在低到400℃温度下除硫，这大致相当于传统柴油机排气的温度；而低到1500C温度时能有效除去氮氧化物（NOx）。阿文美驰公司发现，利用等离子技术把氧化催化转化器和微粒捕集器组合一起，在排气温度低到100℃时氢气混合物对氧化催化转化器发生影响。这显示出甚至在冷发动机温度下都可能有效。
    与目前利用柴油来提高捕集器温度的再生方法相比较，等离子系统为获得相同的能量释出而使用排气中不到20%的氧气。
    如果减低NOx和PM这两种技术证明皆可行的话，那么这种等离子燃料转化器将对排放控制具有很大的冲击。提升了简化排放控制并降低成本的可能性。是否两个系统能通过使用等离子燃料转化器按顺序工作来减少PM和NOx，尚待观察。如果是，这就非常值得转移到欧Ⅳ以及更严格的欧V标准。
    阿文美驰公司还报道了等离子燃料转化器能很好地与均质充量压缩点火（HCCI）柴油机技术协同工作，这有望于同步降低PM和NOx的排放。公司认为plasma reformer技术可能在2009年前得以商用，但日CCI未必能在2014年前能得到。
氢加强燃烧——一种具有前景的超稀薄均质燃烧的设想
    plasma reformer（美国麻省理工学院（MIT）称之为Plasmatron可能对排放和燃料经济性具有巨大的影响。如果广泛使用pasmatron氢加强汽油发动机，实际上能提高小客车和其它轻型汽车的平均效率20%，一年可节省的汽油大约250亿加仑，估计改善汽油燃料经济性20%～30%。这堪称于一台现代轻型柴油机，从而可能对未来轻型商用车发动机结构的一种冲击。
    在汽油发动机中，plasma reformer适用于进气燃油/空气混合气。在plasmareformer里，经过计量的空气进入一个位于燃烧器下游的等离子发生器中。将高电压施加于气流，于是形成高温等离子体。高温等离子体将气流喷入燃烧器，起燃可燃成分高的燃油一空气混合气。plasma reformer内，在无需催化剂情况下由等离子建立的高温气相中发生局部化学反应。
    将氢气添加到均质燃油混合气中可改善混合气的可燃性，提高火焰速度和燃烧稳定性。从理论上讲，稀燃发动机与等离子转化器组合，把NOx排放降低到在废气流中无须后处理的程度。
    超稀薄燃烧被认为是汽油机革命中后续必走的重大一步。然而，排放控制要求这些发动机应在理想空燃比条件下工作，以避免昂贵的排放控制系统。把少量的氢气添加到气缸充气之中，在无须处理NOx排放情况下让这类发动机比其它方案以更稀的混合气工作。虽然这并非是一种新设想，但阿文美驰公司开发的这种快速反应的小型等离子转化器概念却更趋于现实。
    阿文美驰公司正在探索在汽油机上使用以支持超稀薄涡轮增压的这种装置，用之降低排放和提高燃料经济性。阿文美驰公司与德国汽车交通工程股份有限公司（IAV）合作对此做进一步的研究和开发工作。IAV公司和阿文美驰公司专.业人士在MTZ杂志上撰文宣称，他们研制的氢加强燃烧发动机（HECE）方案，在SUV的3.2L试验发动机上做了试验。HECE假定的前提是，少量添加到气缸混合气之中的氢气可以让均质充气的超稀薄燃烧发动机其工作时的混合气更加稀薄得多。


    美国麻省理工学院（MIT）Sloan汽车实验室的研究人员也揭示出氢（H-2）和一氧化碳（CO）（两者皆是plasma reformer部分氧化反应的产物）都能提高混合气的辛烷值。将改善的可燃气体添加到发动机中从而可以使压缩比获得明显提高。甚至在涡轮增压条件下也能获得较高的压缩比。这可以让小发动机实现大发动机的工作，从而改善燃料经济性。增大压缩比能改善的热力学效率，从而改善油耗。一种集所有性能为一体的氢加强燃烧发动机（HECE）便会应运而生。超稀薄燃烧、高压缩比和涡轮增压的氢加强燃烧发动机（HECE）可以显示出下列特性：
    •极低的发动机NOx排放，只要求少量的或者不要求排放控制；
    •减少了泵气损失（赢得5%～10%效率）：
    •改善了热力学特性（赢得1.%～12%效率）；
    •减少了摩擦（赢得5%～8%效率）；
    •总效率提高20%～30%。
    这正是阿文美驰公司与美国麻省理工学院（MIT）和德国汽车交通工程股份有限公司（IAV GmbH）紧密合作，所展示添加日2扩大稀薄燃烧限值的成果。
中重型车用柴油机实施欧IV排放的技木路径
1 欧洲重型柴油机排放限值的演变
    在一些国家和地区，中重型车用柴油机的排放在发动机对环境排放贡献度中要达到70%左右，因此中重型车用柴油机的排放一直是内燃机排放控制领域的重点。2005年欧洲车用发动机已开始实施欧Ⅳ排放法规，其对柴油机提出了更为苛刻的要求。表1为欧洲重型柴油机排放限值的演变，其中NOX排放限值自排放法规实施20年以来下降了81%；PM排放限值15年以来下降了97%。

    2 中重型车用柴油机实现欧Ⅳ应具有的基本条件
    中重型车用欧Ⅳ柴油机必须建立在一台有良好基础的电控欧111发动机基础上。国外典型的12～13L车用欧Ⅳ柴油机具有如下特征：
    a.采用直列6缸形式，单级带空一空中冷涡轮增压系统，同时匹配排气旁通阀和可变截面涡轮增压器或复合增压系统，或采用二级增压系统。控制进气温度很重要，进气温度每减低1℃NQ，可减少0.5%～0.67%。
    b.采用铸铁缸盖、水冷、4气门结构，喷油嘴垂直中置。4气门结构有使发动机功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潜力。
    c.机体采用铸铁，水冷、湿式缸套，内置式机油冷却器。
    d.采用整体铝活塞/钢顶铝裙组合活塞/整体钢活塞。
    e.燃油系统采用电控共轨系统/电控单.体泵/电控泵喷嘴/HEUI/高压喷射系统。需电控、3～5次的多次喷射（包括预喷、主喷、后喷）能力和更高的燃油喷射压力。如采用共轨系统，额定工况时最大喷射压力要达到180 MPa；如采用电控泵喷嘴或电控单体泵，额定工况时最大喷射压力要达到200 MPa[3〕。为使油耗降低，应缩短喷油持续期，使放热靠近上止点。要借助于喷油规律实现柔和燃烧。表2为欧洲12～13 L车用柴油机燃油系统的构成及预估情况。

    f.进一步优化进气涡流和燃烧系统，采用直口或略微缩口燃烧室，进气涡流比为0.5～1.5，压缩比为16.5～18.5。
    g.缸内最大爆发压力可达18～22 MPa，升功率可达35 kW/L。
    h.进一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指数提高到46。
    i.严格控制活塞环、气门导管、增压器轴承等处的机油泄漏量，将发动机额定工况时机油耗与柴油耗的比值控制到0.1%以下。
    j.采用排气后处理装置。
    为实现欧Ⅲ排放，在燃烧方面，目前技术状况下能采用的技术措施多已被采用，仅依靠燃烧系统的优化已无法满足要求，更多地是将其与机后净化措施相结合，来满足更为苛刻的排放要求。控制PM排放的措施有氧化催化器（可溶性颗粒物）、颗粒捕集器（固体颗粒物）。
    研究开发中的柴油机NOX后处理方法，有选择性非催化还原（SNCR）、选择性催化还原（SCR）、非选择性催化还原（NSCR）和吸附还原催化剂，以及最新提出的低温等离子体技术，具有同时去除NOX和PM的潜力。
    3 实现欧W的两条主要技术路线
    要实现欧Ⅳ对NQx和PM都较低的限值，目前有如图1所示的两条技术路线：其一是先通过喷射系统优化和喷射定时提前以降低颗粒物，再使用SCR来降低因燃烧优化而产生的NQx排放；其二是EGR+DPF路线，即先通过废气再循环降低排放中NOx的成份，再用颗粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的颗粒、物，从而达到同时降低NOx和PM的效果〔6〕。


3.1 路线1（优化燃烧+SCR）
    此种路线在欧洲采用较多，简称欧洲路线。对于大多数制造商，发展现有的发动机技术是首选的途径。有几种可选择的方案：如先在发动机机内处理NQx，再处理PM；或者两者都进行后处理。后者存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统，在发动机机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在发动机机内减少PM排放、在废气中处理NOx的措施。
    在欧洲，目前采用的一种解决方案是：利用商业用的固体尿素和水（水溶液浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷人尿素、氨水等还原性物质，将NQx（主要是NO）还原为N2和H20。如市面上销售的AdBlue，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器。图2为SCR系统的工作原理。图3为用于欧Ⅳ发动


    这种净化方案的发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省5%～7%，若扣除因尿素所增加的费用，还将有节油2%～3%的优势。此外，这一路线对于燃油品质相对不敏感，戴姆勒•克莱斯勒公司认为甚至含硫量350x10-6以下的欧Ⅲ燃油就可以满足要求。
    但使用SCR后不但要增加SCR本身装置的质量约150～300 kg，另外还要增加1个尿素溶液（AdBlue）箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液运行7 000 km计算，一辆汽车损失的有效载荷在400 kg左右。SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素的喷人量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷人量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成，这就加大了装置的复杂性和保养的难度，而且这种装置的价格也是较为昂贵的。目前欧洲市场每升尿素溶液现价为40欧分，每升柴油现价为42欧分。
    SCR作为新的后处理技术，由于系统成本高  （大约是车辆成本的3%～5%）、初期投资高、操作和保养费用高、需要加1套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因，在车用柴油机上还没有得到推广。其还要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断（OBD），同时需要车辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。此外，在温度较低（-11℃）的情况下，尿素-水溶液会结冰，也使其在寒冷地区的推广使用受到限制，但现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决。在SCR技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有几年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低SCR装置成本以及尿素加注站的布局等问题。随着对SCR技术的开发研究和排放法规的日趋严格，相信SCR技术在欧Ⅳ机上很快会得到推广。
    3.2 路线2（EGR+DPF）
    该动摩托车也紧跟其后，人们借助霍尔元件实现了可换相的直流无刷电动机产品，而这种电动机不但具备了结构简单、运行可靠、终生免维护、速度快、效率高、寿命长的优点外，还具备噪音小、调速性能好等特点，故在当今国民经济各领域中得到了广泛的应用，也成为发展环保型电驱动汽车最理想的电驱装置，加上日趋成熟的高新蓄电池的发展及普及，一个以电为动力的环保型汽车的时代将会到来。
中国燃气资源丰富，发展以燃气为动力的环保型汽车潜力很大，且技术成熟，可靠性高，是当今和今后发展的重点技术工程，也是中国在申奥成功时向世界宣布和承诺于2008年前要实现的环保型汽车运输的主要目标。在达到零排放指标的基础上，为了有效地克服环保型汽车的动力单一、功能服务性差的缺点，实现动力互补且功能服务达到尽善尽美和长里程行驶的目的，将电驱动及燃气驱动等能源动力组合在一起，得到新的混合动力功能，会给未来功能更完善的环保型汽车的发展及产业化打下坚实的基础。
发展环保型汽车新产品，是有效治理人为环境污染的必要措施，是保护生态系统服务功能与实现可持续发展的重要途径，对维持人类与自然环境的和谐统一有着重要的现实意义和深远的历史意义。
6 结束语
汽车排放控制是一项综合课题，不仅要求研发机构不断改进发动机设计，提高控制系统精确性，研制有效的废气净化装置，而且要求石油化工领域不断提高燃油品质，以满足新型发动机和净化装置的要求。
为了减少汽车尾气有害排放，首先应该采取机内净化措施，即通过改进发动机设计，采用电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管等先进技术，优化燃烧条件，减少未完全燃烧混合气的生成。
对于发动机工作已产生的有害气体，通过加装三元催化转化器和氧传感器，将有害气体HC、CO和NOx转化为CO2、H2O和N2。为了进一步提高转化效率，可以通过优化布置转化器安装位置，采用排气歧管后置、安装加热器等措施。
在采用EGR系统减少NOx排量时，一定要与电子控制系统相结合，合理控制再循环到发动机燃烧室中的废气量。
在汽车使用维修、燃料提供和新型车研制方面，经过科学的管理、深入的研究和大胆的构想，对排放控制也许会产生一个积极或意想不到的效果。
汽车三元催化反应器的基本知识
结构：三元催化反应器类似消声器。它的外面用双层不锈薄钢板制成筒形。在双层薄板夹层中装有绝热材料----石棉纤维毡。内部在网状隔板中间装有净化剂。
　　净化剂：净化剂由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂。催化剂用的是金属铂、铑、钯。将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。
　　三元催化反应器的工作原理是：发动机通过排气管排气时，CO、HC、和NOx三种气体通过三元催化反应器中的净化剂时，增强了三种气体的活性，进行氧化----还原化学反应。其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳（CO2）气体。HC化合物在高温下氧化成水和（H2O）和CO2 。NOx还原成氨气（N2）和（O2 ）。三种有害气体变成无害气体，使排气得以净化。
　　凡是性能较好的三元催化器及其催化剂大多为铂(Pt)、钯(Pd)、铑、(Rn)等稀有金属制成，价格昂贵。
　　为了充分发挥三元催化器的降污效率，防止早期损坏失效，在汽车使用中应注意以下几个方面：
　　1、装有三元催化器的汽车，不能使用含铅汽油，尤其到外地加油时一定要注意，因为含铅油燃烧后，铅颗粒随废气排经三元催化器时，会覆盖在催化剂表面，使催化剂作用面积减少，从而大大降低催化器的转换效率，这就是常说的的“三元催化器铅中毒”，经验表明即使只使用过一箱含铅汽油，也会造成三元催化器的严重失效，所以这一点广大车主一定要多加注意。
　　2、应避免未燃烧的混合气进入催化器。三元催化器开始起作用的温度是200摄氏度左右，最佳工作温度在400摄氏度至800摄氏度，而超过1000摄氏度后作为催化剂的贵金属成分自身也将会产生化学变化，从而使催化器内的有效催化剂成分降低，使催化作用减弱。
　　催化器降低碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)这两种有害物质是通过在催化器内部进行燃烧使其转化为水(H2O)及二氧化碳(CO2)而实现的，而这种反映会产生热量，发动机工作正常情况下，这两种成分的含量适当，燃烧所产生的热量会使催化器保持在最佳工作温度附近，而发动机工作出现异常时排气中这两种成分的含量远远超过正常情况。
　　因此，燃烧所产生的热量有很大可能将使催化器温度超过工作上限，从而伤害到催化剂，使催化器损坏。因此，在车辆使用过程中要注意以下几种情况：(1)过久的怠速空转；(2)点火时间过迟；(3)个别缸失火不工作；(4)喷油正常但启动困难；(5)混合气过浓；(6)发动机烧机油等。
　　以上这些现象都会造成三元催化剂的过早损坏和失效，出现这些现象应尽快去维修厂排除故障。
　　3、行驶应特别注意不要“托底”，因为三元催化器大多数内部都是蜂窝陶器形成的催化剂承载体，碰撞后容易破碎，使催化器和排气系统堵塞。
车用排气催化转化器与发动机的匹配
摘要:
    阐述了车用催化转化器与发动机的匹配要求，分析了催化剂成分和用量、催化器的结构和安装位置等因素对汽车发动机综合性能的影响，介绍了一些具体的匹配方法和车用催化转化器的开发实践。
关键词：　
    催化转化器　排放控制　试验匹配
　　催化转化器作为降低机动车排气污染的有效装置之一，正得到越来越广泛的应用。国内近期推出了各种系列不同型号的排气催化转化器产品，它们能减少机动车的污染物排放量，对治理汽车排气污染发挥了一定的作用。
　　车用催化转化器必须在具有较高转化效率的同时，保持汽车正常的运转状态，即在安装排气催化转化器前后汽车的动力性、经济性和噪声水平等指标不能发生显著的变化，催化转化器可靠性和转化效率必须达到一定的要求。所有这些都要求排气催化转化器与发动机之间实现良好的匹配。
1　车用排气催化转化器对发动机性能及排放的影响
　　车用排气催化转化器的作用是将发动机排出的废气中的HC、CO和NOx等有害成分在催化剂的作用下转化为CO2、H2O和N2等无害成分。安装排气催化转化器对发动机性能及排放的影响主要表现在3个方面。
    1.1　由于催化转化器安装在发动机的排气系统中，它对发动机的排气过程，甚至是整个工作过程产生影响，对二行程发动机的影响尤为明显。在有些情况下使发动机的输出功率下降，燃油消耗率增大，排放状况变得更加恶劣。整车性能变差的同时，催化传化器的工作条件变得恶劣，影响其转化效率和使用寿命。因此，车用排气催化转化器的结构和性能必须与发动机的工作状况相匹配。
    1.2　车用三元催化转化器要求发动机的混合气成分处于理论混合气附近狭小的浓度范围内，才能保证其三元净化率。发动机的实际运转工况变化很大，不可能保证其始终处于理论混合气浓度，例如在冷启动和暖机等工况下就必须使用浓混合气。另外，化油器式汽车的混合气浓度变化范围较大，难于保证混合气的精确调整，不能保证三元催化转化器的工作条件，因此，对排气的净化效果不理想。
    1.3　单纯依靠催化转化器不能完全解决排放问题。有的发动机的排放状况太恶劣，催化转化器也只能起到有限的作用，随着排放法规的进一步严格，还需要采取其它措施来共同解决排放问题。
　　排气催化转化器要发挥有效的净化作用，一方面必须保证其工作条件，另一方面催化转化器本身必须与发动机的工作状态相适应，根据具体机型的结构和特性与发动机应实现良好的匹配。
2　车用排气催化转化器与发动机的匹配方法
　　要实现催化转化器与发动机之间的良好匹配，须着重从3个方面进行分析、设计和试验。
    2.1　发动机的结构特点分析与排放状况测试
　　有害排放物是在发动机内部生成的，排气净化方案必须结合发动机的结构以及工作过程的特点，并对发动机的实际排放状况进行测试，从而针对具体机型确定净化方案。
　　对于二行程摩托车发动机，由于其换气过程的固有特点，排气中的HC和CO的成分较高，必须采用以氧化为主的净化方案，同时考虑补充适量的二次空气。
　　对于四行程发动机，按照燃油系统的特点，制定相应的净化方案。电控燃油喷射的汽油机由于混合气浓度控制较精确，能够保证三元催化转化器的工作条件，因此，采用电控燃油喷射＋三元净化；化油器式汽油机由于混合气浓度范围较大，而且在许多工况下混合气偏浓，为了保证三元催化转化器的工作条件，必须采用合理的补气方法，既保证发动机工作稳定，又保证排气中合适的O2含量。
    2.2　催化转化器结构要素的选择
　　影响催化转化器工作性能的主要结构要素是催化剂、载体和垫层。
　　催化剂的成分直接影响对发动机排气中各种成分的转化能力，车用排气催化转化器所采用的催化剂主要有稀土、一般金属、贵金属以及由不同成分组成的复合型材料等，可以配比成氧化型、还原型或氧化还原型，其具体配比应该适应不同的发动机的排放状况。催化剂的配方还影响其起燃特性、抗中毒能力以及工作寿命等。因此，针对不同的发动机结构及其排放状况，应该采用不同的催化剂配方及用量。
　　车用催化转化器所采用的载体主要有陶瓷载体与金属载体两大类，其中金属载体还可分为金属丝网、金属蜂窝和热管等结构形式。金属载体热容小，温度上升快，有利于使排气快速起燃，但其保温性能不如陶瓷载体；陶瓷载体的热容大，保温性能好，一旦起燃能保持高的工作温度，提高转化效率。载体的结构形式和尺寸对排气系统的影响较大(特别是二行程摩托车发动机)，在选择载体时，必须考虑发动机的排量以及排放状况，既保证足够的转化率，又尽量避免对发动机性能产生不良影响。
　　垫层是催化转化器的一个重要结构环节，垫层有金属网和陶瓷密封垫两种形式。陶瓷密封垫在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力等方面比金属网要优越，是主要的应用垫层；而金属网垫层由于具有较好的弹性，能够适应载体几何结构和尺寸的差异，在一定的范围内也得到了应用。在载体结构及尺寸不规律的条件下，选用的垫层应该与催化转化器总成的封装方式相配合以保证其机械可靠性。
    2.3　催化转化器的结构设计
　　好的催化转化器结构并不一定就能获得好的转化效果，催化转化器的结构形式与安装方式对其工作性能有很大的影响。催化转化器的结构必须与发动机排气系统结构和排放状况相适应。在结构设计中应该着重解决好以下几个方面的关系。
    2.3.1　快速起燃与寿命
　　催化器放置在靠近发动机的位置有助于保证快速起燃，但催化器的工作温度较高，会影响其使用寿命。要解决好两者的关系，必须从载体材料、载体尺寸及其位置配合等方面进行综合考虑。
    2.3.2　二次空气与补气
　　发动机混合气较浓时，排气中的HC和CO排放量大，为提高其转化率，有必要补充一定量的O2。补O2量的多少以及补O2方式影响催化转化器的转化率和寿命，需要与发动机的工况相匹配。
    2.3.3　净化率与发动机性能
　　在选择催化剂及载体时，一方面要考虑发动机的排量以及排放状况，达到高净化率的要求；另一方面，必须保证排气系统的通畅，减小催化转化器对发动机性能的影响。在催化转化器结构设计时，要充分考虑整个排气系统的结构，既保证总的催化剂质量，又使得载体布置合理。
    2.4　催化转化器试验匹配
　　车用排气催化转化器是否能满足设计要求，必须进行系统地试验。
    2.4.1　发动机台架试验
　　目的在于考核发动机全工况下工作时的性能状况和催化转化器的工作特性，检查催化转化器对发动机功率输出和燃油消耗量等方面的影响，进行催化转化器的结构调整和优化。
    2.4.2　道路试验
　　目的在于测试汽车在行驶条件下催化转化器对整车最高车速、加速能力以及噪声等方面的影响。整车动力性试验也可在底盘测功机上进行。
    2.4.3　认证试验
　　按工况法试验标准进行汽车的排放测试。
    2.4.4　可靠性试验
　　通过快速老化试验、振动与冷热冲击试验等考核催化转化器的机械可靠性、工作耐久性和寿命。
3　车用排气催化转化器的开发
　　结合NF125摩托车排气催化转化器的开发实践，介绍催化转化器与发动机的匹配过程和效果。
　　由于摩托车的排气系统具有装饰功能，在结构设计中，将净化功能与消声功能复合在一起，按净化消声器的思路进行结构设计。
　　由于摩托车的排气温度较高，受高温和高速废气的不断冲击，工作条件较恶劣，要求催化剂具有好的热稳定性，载体具有较高的机械强度和较小的热容量和热膨胀系数，以利于保证低温下的转化率。选择金属网状载体除了能满足上述要求外，还具有流动阻力小，对排气系统的影响小，能按要求设计成特殊的形状布置在排气系统中；选择稀土—贵金属—过渡金属氧化物的高效复合型催化剂，既能避免稀土催化剂的某些缺陷，又具有贵金属的优良特性，适合于排放状况较为恶劣的二行程汽油机。
　　摩托车排气净化消声器的结构对发动机的性能影响较大，在结构设计时，要充分考虑到排气系统的结构特点，利用排气动态效应的模拟计算进行排气系统的结构优化，确定载体的结构、尺寸和安装位置。按照“分级净化、逐级推动”的思想，将催化剂载体分为两级，前级催化剂载体主要用于起燃，放置在靠近发动机排气口的位置；前级未净化的部分由后级催化剂进一步净化。这种方案既可以保证高的净化率，又可以使发动机的功率下降小。另外，二行程汽油机的混合气较浓，排气中HC和CO的含量较高，O2的含量较低，为了保证HC和CO的净化率，在排气管中引入二次空气。
　　按照上述原则设计的排气净化消声器必须通过试验进行进一步优化匹配。表1给出NF125摩托车排气净化消声器对于发动机动力性和经济性影响的台架试验结果。可以看出，安装净化消声器后，发动机的动力性指标变化不明显，其油耗率也基本保持了原机水平。表2给出了NF125摩托车排气净化消声器的净化效果。可以看出，该净化消声器具有较好的怠速净化效果。通过道路试验证实，装备有该净化消声器的NF125摩托车在行驶6 000 km以后，HC和CO仍能保持较高的净化率。

表1　NF125摩托车安装排气净化消声器前后外特性试验结果
　        n/
(r.min－1)        Ttq／
N.m        Pe／
kW        t／
s        be／
(g.kWh－1)
原消声器        7 561        11.90        9.426        9.38        442.84
        6 937        11.10        8.063        10.58        458.96
        6 515        10.51        7.172        11.64        468.96
        5 998        9.63        6.048        13.05        496.03
        5 048        7.75        4.100        16.62        574.74
        4 027        6.98        2.944        21.02        632.65
净化消声器        7 533        11.48        9.052        9.85        439.09
        6 904        11.10        8.026        11.32        430.91
        6 559        10.24        7.033        12.55        443.55
        6 290        9.23        6.079        12.78        503.93
        5 048        7.49        3.959        17.01        581.36
        4 049        6.82        2.899        21.24        635.81

表2　NF125摩托车安装排气净化消声器前后怠速排放物测试结果
　        HC　10－6        CO　%
原消声器        7 460        4.7
净化消声器        2 410        1.8
净化率　%        　　 67.7        61.7

4　结论
    4.1　车用排气催化转化器要发挥有效的净化作用，其结构和特性必须与发动机实现良好的匹配。
    4.2　车用排气催化转化器与发动机之间的匹配，要以发动机的结构和排放状况为基础，进行催化剂和载体的选择、催化转化器结构形式和安装方式的设计以及发动机动力性与排气净化效果的综合试验匹配。
    4.3　NF125摩托车排气净化消声器的开发实践证实了催化转化器与发动机的匹配方法和效果。
柴油机NOx排放控制技术
摘要　本文论述了柴油机NOX排放物的危害及其控制的必要性，探讨了NOX的生成机理，介绍了各种柴油机NOX排放的控制技术，并分析了各种净化技术的特点和存在的问题。
关键词　柴油机　NOX排放　排放控制
1　前言
柴油机自1892年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置、船舶和车辆上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在70年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。从80年代后期开始，轿车上也越来越多的应用柴油机，例如目前德国生产的1.4L-2.0L排量的小轿车中，柴油机轿车占61%，而法国轿车柴油机的比例高达88%。从世界范围来看，汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物。目前，世界各国都在致力于减少柴油机颗粒排放的技术研究，并且已经取得了实质性的进展。由于柴油机排气微粒与NOX的生成机理不同，因此减少微粒的同时又增加了NOX的排放，同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制，从而使采用机外催化技术净化NOX成为可能。今后研究的重点应转向使柴油机排放的微粒与NOX同时减少。

2　柴油机NOX排放的危害和生成机理

2.1　柴油机NOX排放的危害

柴油机排出的NOX中，NO约占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强(毒性大约是NO的5倍)的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达100×10-6体积浓度以上时，会随时导致生命危险。

NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NOX还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，NOX还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。

基于上述原因，柴油机排放物中的NOX对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格，表1是美国、日本、欧洲对重型柴油载货车NOX排放的有关规定。

表1　柴油机NOX排放的限值　　　　　单位：g/kW.h

试验循环工况 过渡工况 日本十三工况 欧洲十三工况
采用年份 美国 日本 欧洲
1997 6.67 7.75(直喷)6.76(非直喷) 7.96
1998 5.33 - -
1999 - 4.48(建议) 4.97(建议)
2004 2.67 - -

2.2　柴油机NOX排放物的生成机理

迄今为止人们已经对NOX的生成机理进行了大量的研究，但尚未达成共识。比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为：柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反应式如下：

柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间（即高温下所占燃烧循环的时间量）等因素有关。

从理论上讲，柴油机NOX排放的形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

3　柴油机控制NOX排放的主要净化措施

排放物中NOX的净化有两种途径：机内净化和机外净化。

3.1　机内净化措施

采取机内净化是治本之举。它是通过改进柴油机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少NOX排放的目的。

3.1.1　进气系统的优化

对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流，以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少NOX的生成。

(1)进气涡流的优化

提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使NOX的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少NOX的排放，但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化，以兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。

(2)增压中冷技术

柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOX的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增压中冷技术可使柴油机NOX的排放降低。目前，柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛，小型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。

3.1.2　喷油系统的优化

喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOX排放的有效途径，分别叙述如下。

(1)优化喷油定时

NOX排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOX排放，但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOX的排放。

(2)优化喷油压力

提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能，使混合气的混合质量得以改善，燃烧更加充分，燃烧温度上升，NOX排放增加。因为提高喷油压力能改善燃烧过程，故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升，但这又使延迟喷油以降低NOX排放的目的落空。为减少NOX排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

(3)优化喷油速度

当喷油提前角一定时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，可以使柴油机产生的NOX较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOX的排放。另外，喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合权衡以谋求各参数的最佳值。

(4)优化喷孔结构

喷油器喷孔直径和数目对柴油机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时，减少孔径会减少初期喷油量，抑制预混合燃烧和最高燃烧温度，以减少NOX的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下，增加喷孔直径或增加孔数，可降低流阻，改善燃油的雾化和分布，因而能降低NOX的排放。

3.1.3　燃烧室的结构和参数优化

(1)优化压缩比

柴油机压缩比控制着着火延迟期的长短。降低压缩比，有利于着火延迟，能够减少峰值压力，可使燃烧最高温度降低，NOX排放减少，碳烟增加。但压缩比过低，柴油机难于着火。压缩比对NOX的影响较为复杂，选取压缩比时应综合考虑。

(2)燃烧室型式的优化

燃烧室型式与NOX的排放有着密切关系。直喷式柴油机NOX排放明显高于非直喷式柴油机，这是因为非直喷式柴油机前期的燃烧发生在混合气过浓的预燃室或涡流室里，由于缺氧NOX的生成受到了抑制，又因在主燃烧室中的燃烧开始较晚，且是在较低温度下进行的。对于同一类型但结构不完全相同的燃烧室，其NOX的排量也有差异。例如在直喷式柴油机中，涡流最强的球型燃烧室最高，浅盆型燃烧室最低。

3.1.4　燃烧室喷水冷却技术

水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度；水与油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOX排放的同时，还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式：进气管喷水；用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室；通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室；在喷嘴的两个燃烧层之间填充水，并分层喷入燃烧室。但如何控制喷水的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还有待于进一步研究。

3.1.5　燃料的改进

(1)提高柴油机十六烷值

十六烷值在柴油机燃料参数中对NOX排放影响最大。十六烷值较高时，由于其稳定性变差，极易裂解为碳烟。柴油机排气烟度较高，但其发火性能好，柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低，NOX排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时，NOX排放可降低10%左右［19］。

(2)使用柴油添加剂

在柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的十六烷值，缩短着火延迟期，使得NOX排放减少。但使用添加剂会导致二次污染。

(3)使用代用燃料

可以采用醇类、氢气和天然气等代替柴油。柴油机燃用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时NOX的排量也很低。近年来可以作为内燃机代用的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用最广的内燃机代用燃料。但如果不采用适当措施，柴油机排放的HC、甲醛将成为重要的排气污染物。以氢作为柴油机代用燃料时，NOX和其它污染物的排放都很低。将来太阳能利用及氢的存储技术解决之后，氢将成为柴油机的主要燃料，但缺点是易于回火。如采用燃料电池，其电能转化效率在40%-65%之间，远远高于柴油。燃料电池的工作温度低于1000℃，此时基本不产生NOX，且其它污染物排放也很低。燃料电池的应用在技术上已不存在重大问题，唯一的障碍在于成本太高。燃用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，NOX和微粒排放可同时减少75%-80%。二甲基乙醚作为最新出现的液体燃料，其燃烧后无微粒产生且NOX的排放亦很低。

3.1.6　采用多气门技术

在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOX排放，但增加了成本和结构的复杂性。在燃用汽油的大、中、小型轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时已达到5个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用，国内在这方面的研究尚未成熟。

3.1.7　采用废气再循环技术

采用废气再循环(EGR)是降低NOX排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%-70%的NOX是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上，但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量，其响应速度较慢，所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。

3.2　机外净化措施

由于机内控制排放并不能完全起到净化效果，因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理，采取机外控制技术显得很有必要。

NOX的机外净化主要是采用催化转化技术。由于柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高，这使得利用还原反应进行催化转化比汽油机困难。例如在汽油机上使用三元催化转化器，其有效净化条件是过量空气系数大约为1。若空气过量时，作为NOX还原剂的CO、H2和HC便首先与氧反应；空气不足时，CO、HC不能被氧化。显然，用三元催化转换器降低NOX的技术在柴油机上是不适用的。

3.2.1　采用催化转化技术

从理论上讲，可以将NOX分解为N2与O2，但实际上这个过程相当慢，到目前为止，该方法尚未得到实际应用。因NOX的氧化产物为固态，这对车用柴油机不适合。对于车用柴油机NOX的排放只能采用还原方法除去。

(1)选择非催化还原(SNCR)

SNCR技术只能在一定的温度区间(800℃-1000http://
欧 Ⅲ 排放标准的控制技术
为了满足欧II和欧III排放标准，车辆需要采用不同的排放控制技术。为了达到欧II标准，轻型车只需加装三元催化转化器并进行发动机的改进；而要达到欧III标准则需要采用更好的催化转化器的活性层、催化剂加热、将催化转化器的安装位置靠近发动机以及二次空气喷射等新技术。显然，与欧II标准相比，欧III标准的排放控制技术要复杂而困难得多。
  为了使柴油轿车能够满足欧III标准，必须采用更好的催化转化器的活性层、催化剂加热、将催化转化器的安装位置靠近发动机以及二次空气喷射等最新的排放控制技术。对于重型柴油车来说，可采用增压中冷技术、带有冷却装置的排气再循环系统和优化的燃烧室涡流形成技术，以确保车辆达到欧III标准。
满足欧III标准的轻型汽车可以考虑采用的关键技术：
● 三元催化转化器
● 发动机的改进
● 更好的催化转化器的活性层
● 催化剂加热
● 催化转化器的安装位置靠近发动机
● 二次空气喷射
● 带有冷却装置的排气再循环系统
● 优化的燃烧室涡流形成
满足欧III标准的柴油车可以考虑采用的关键技术：
● 发动机正时延迟
更好地控制燃油使其在适宜的时刻喷入燃烧室并充分燃烧
● 燃烧室结构改进
经过改进的燃烧室可以改进气体流动，从而使燃油得到更充分的燃烧
● 喷油器结构改进
提高燃油喷射系统的压力和精确性，使燃油能更充分地燃 烧。燃油泵、油路、燃油喷嘴的材料和过程都得到改进
● 电子控制
电子控制的使用改进了对喷油时间的控制，使喷 油时间更加精确
● 高压共轨燃油喷射系统
新一代的高压共轨燃油喷射系统是保证达到欧三标准的重要技术之一，其低速预喷射功能有助于降低冷启动时的排放
● 涡轮增压器的匹配
变喷嘴涡轮（VNT）
发动机在不同的转速和负荷下，对涡轮的流量要求是不同的。Garrett公司的变喷嘴涡轮技术可以满足发动机整个运转范围的要求：发动机怠速和低速端，喷嘴叶片关闭或开度很小，从而提高了发动机的低速扭矩，改善了响应性；发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或开度很大，保证发动机获得所需要的空气和动力
先进变喷嘴涡轮（AVNT）
一般的可变喷嘴结构控制装置是气动的，为了提高响应性和控制的精确度，Garrett开发了液压控制的AVNT技术。
我国在机动车污染防治产业在经过近20年的初期研发、扶持与培养，已形成产业化生产工艺与自动化生产线、适应于国2和国3标准的产品成功下线的产业大好局面。据调研数据反应，国产的汽油车排气催化转化器产品，2005年只占全国使用量的15%，而八成以上的产品仍为进口货占有，并牢牢把持国内大批量的主流汽车的配套量。国产摩托车排气催化转化器产品，虽然可以满足欧Ⅲ的排放要求，但由于我国的摩托车国3标准将在2008年实施，因此，我国的摩托车排气催化转化器产品，近两年主要用在出口摩托车的配套上，又由于有限市场中的竞争激烈，客观上影响了该产业的发展速度。
在谈到柴油车排气污染防治工作时，他指出，柴油车排气物污染控制产品，2005年已开始在国内柴油公交车上安装试用，效果良好。国内的863项目经过四年的合作攻关，取得了一些结果,开始进入试验阶段。当前国内研发的技术的主要问题是：结构复杂(特别是针对不同的污染物)装车性能一般,净化产品价格相对较高，净化过滤的再生技术的实用性不强

cvnsniper

呵呵~~~好长，好帖子，受教了，谢谢。