第六節 柴油機廢氣排放控制技術

隨著人們環保和節能意識的不斷加強，對柴油機的技術要求也越來越高。這些要求就是提高柴油機動力性能的同時降低燃油消耗、降低排氣污染。

1.柴油機廢氣中有害氣體的成分

柴油機廢氣中有害氣體的成分見表1-15。

表1-15 柴油機廢氣中有害氣體的成分

2.柴油機的排放控制技術

目前柴油機常用的減小排氣污染的控制技術如下：

（1）改善燃油品質 若增加柴油的十六烷值，能有效地降低柴油機尾氣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；減少燃油中的芳香烴成分，可以減少NOx的排放。國Ⅲ柴油機用柴油的基本要求見表1-16。

表1-16 國Ⅲ柴油機用柴油的基本要求

改善燃油的技術措施如下：

①根據燃油的餾程，合理提高燃油的十六烷值。

②在柴油中摻燒一定比例的消煙添加劑，將金屬鋇、鎂、鋅等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑，通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒，來促進和消除噴油器頭部的積炭，可以減少30%～50%的碳煙顆粒排放。

③降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有98%轉化為SO2，其余的2%成為硫酸鹽顆粒，部分SO2被進一步氧化與燃燒過程中生成的H2 O結合，形成H2 SO4和硫酸鹽（CaSO4等），增加了微粒的排放量。

（2）進行柴油機機內凈化 柴油機機內凈化是對燃燒過程進行優化，使燃料混合均勻、燃燒充分，柴油機工作柔和、起動可靠、降低排放。

①防止機油竄入燃燒室。由于柴油機所排放的顆粒狀物質的相當部分是由竄入燃燒室的機油的不完全燃燒造成的，所以應盡可能地減少竄入機油量。

②采用柴油電控高壓噴射技術。柴油電控技術已從第一代的位置控制、第二代的時間控制發展到如今的共軌式電控高壓噴射。電控高壓噴射控制對噴油規律進行控制，能根據柴油機的運行工況實現最佳噴油，同時通過控制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和控制柴油機的空燃比，有利于實現有效的機外凈化措施。

③提高噴油壓力和減小噴油器孔直徑。提高噴油壓力和減小噴油器孔直徑可明顯地降低顆粒的排放。為了避免高壓噴射導致NOx增加，要求適當降低空氣渦流運動，提高壓縮比和可變定時燃油噴射與其相適應，以達到控制PM和NOx排放的目的。

④改進燃燒系統。改進燃燒系統是指燃燒室的形狀、供油系統、進氣流動的最佳匹配，應保證在柴油機整個工況范圍內，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動，有合理的噴油規律和噴油定時。采用電控噴油泵、電控泵噴嘴、電子調速器、可變渦流系統、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油機性能，又可降低柴油機尾氣排放物，尤其是顆粒物質的排放。

⑤采用廢氣再循環（EGR）。EGR是將一部分排氣導入進氣系統中，通過降低燃燒室燃燒的最高溫度來降低NOx的排放。利用EGR降低NOx的排放，需要與電子控制結合，根據柴油機負荷、轉速、冷卻液溫度傳感器及起動開關信號，由ECU對EGR率和EGR隨機進行控制，保證在對柴油機性能影響不大的條件下，降低NOx的排放。

⑥增壓中冷技術。廢氣渦輪增壓提高了氣缸內的平均有效壓力、過量空氣系數和整個循環的平均溫度，可使柴油機顆粒物的排放量降低50%左右，并減少CO和HC的排放。利用中冷技術，NOx的排放量可降低60%～70%。所以采用增壓中冷技術是降低車用柴油機排氣污染物的有效措施之一。

（3）代用燃料的使用 采用代用燃料將是控制柴油機和汽油機排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然氣（壓縮天然氣CNG，液化天然氣LNG）、液化石油氣（LPG）、甲醇、乙醇、氫燃料及與柴油摻燒的復合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認為是最有前途的清潔能源代用燃料。代用燃料的特點如下。

①天然氣成本低，儲量豐富，主要以壓縮天然氣汽車為代表。壓縮天然氣本身呈氣態，不需進行霧化，燃燒充分，尾氣中CO的含量較低，無排煙，但動力降低10%，攜帶不便。

②甲醇具有辛烷值高、低發熱量、低公害和無排煙的特點。但甲醇的十六烷值低，著火性能差，需要加裝點火裝置；冷起動性差，有腐蝕性；并要解決潤滑油消耗量大和處理未燃甲醇來降低排放。

（4）柴油機排氣凈化裝置 隨著柴油機保有量的與日俱增，柴油機排氣對人類健康的危害及對環境的污染也日甚一日。對此，世界各國都制定了相應的法規和標準，以期把柴油機有害排放物控制在較低的水平。為了滿足排放標準，必須對柴油機排氣進行凈化。近幾年來，汽車界開發和創制出許多凈化排氣的新技術和新裝置，主要有以下兩種。

①催化轉化器技術。催化轉化器是利用催化劑的作用將排氣中的CO、HC和NOx轉換為對人體無害的氣體的一種排氣凈化裝置，也稱為催化凈化轉換器。金屬鉑、鈀或銠均可作催化劑。在化學反應過程中，催化劑只促進反應的進行，不是反應物的一部分。催化轉化器有氧化催化轉化器（圖1-70）和三元催化轉化器（圖1-71）。

圖1-70 氧化催化轉化器示意圖

圖1-71 三元催化轉化器的結構示意圖

氧化催化轉化器只能將排氣中的CO和HC氧化為CO2和H2 O，因此這種催化轉化器也稱為二元催化轉化器。必須向氧化催化轉化器供給二次空氣作為氧化劑，才能使其有效地工作。

三元催化轉化器可同時減少CO、HC和NOx的排放，以排氣中的CO和HC作為還原劑，把NOx還原為氮（N2）和氧（O2），而CO和HC在還原反應中被氧化為CO2和H2 O。當同時采用兩種轉化器時，通常把兩者放在同一個轉化器外殼內，而且三元催化轉化器置于氧化催化轉化器前面。

排氣經過三元催化轉化器之后，部分未被氧化的CO和HC繼續在氧化催化轉化器中與供入的二次空氣進行氧化反應。

②柴油機微粒過濾技術。柴油機廢氣中的微粒（主要是碳粒—黑煙）是柴油機排放的突出問題。對車用柴油機排氣微粒（黑煙）的處理主要采用過濾法。

微粒過濾器（圖1-72）的濾芯由多孔陶瓷制造，過濾效率較高。排氣穿過多孔陶瓷濾芯進入排氣管，而微粒則滯留在濾芯上。過濾器工作一段時間后，需及時清除積存在濾芯上的微粒，以恢復過濾器的工作能力和減小排氣阻力。為此，在過濾器入口處設置一個燃燒器，通過噴油器向燃燒器內噴入少量燃油，并供入二次空氣，利用火花塞或電熱塞將其點燃，將滯留在濾芯上的微粒燒掉。

圖1-72 柴油機排氣微粒過濾器的結構示意圖

采用微粒過濾器，可以有效地降低柴油機的排氣黑煙，是提高柴油機排氣質量的有效方法之一，雖然存在微粒過濾器的使用成本過高及使用維修維護方面的諸多不便，但其在柴油機上的實際應用正越來越受到廣泛關注。圖1-73所示為奧迪柴油轎車的排氣凈化系統，經過這套系統的凈化后，柴油機有害氣體的排放可以得到有效降低。

圖1-73 奧迪柴油轎車的排氣凈化系統