毕业设计（论文）-柴油机NOX排放控制研究.doc

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。阐述了柴油机污染的产生及有害排放的组成，以及当今世界排放法规体系；分析比较了柴油机排放控制的电控燃油喷射和后处理技术，对满足更高排放法规的柴油机排放控制技术路径进行了探讨。 柴油机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，随着环境保护问题重要性的日趋增加，降低柴油机有害排放物这一目标成为当今世界上柴油机发展的一个重要方向。为了减少柴油排放对大气的污染，开展柴油机有害排放物控制方法的研究，是从事柴油机设计者的首要任务，本文在这里简述几种降低有害排放物的控制技术。 关键词： 柴油机nox排放排放控制abstractthis paper describes in detail the several typical financing skills and five cars performance parameters comparison. which explained all kinds of insurance and claims knowledge and methods, this paper introduces the principle of skills, from several objective problem solved some of the car performance, choose from understanding, measuring the car, car financing, after-sale service and maintenance and repair of the basic method and procedure, and from side to solve the problems in the channels of financing in buyers choose to suit oneself how cost-effective car. let the consumer more satisfied, let sellers more at ease. when in further shows the importance of each link financing. keywords: kunstfertigkeit, power, economy 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。汽车排放是指从废气中排出的co（一氧化碳）、hcnox（碳氢化合物和氮氧化物）、pm（微粒，碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。这些有害气体产生的原因各异，co是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生co，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的co增加。hc是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。nox是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。pm也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。 因为柴油机采用压燃方式，柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。为了抑制这些有害气体的产生，促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头，欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。汽车的出现使我们的经济生活有了极大的进步，但随着汽车在全世界范围内的使用，汽车文明的副产品汽车尾气所带来的污染也日益严重。目前，全球汽车保有量已超过9亿辆，据有关机构预测2010年全球汽车保有量将超过10亿辆。我国汽车保有量迅速增长，我国汽车保有量从2000年底的1609万增长到2009年底的7619.31万辆，预计到2020年，我国汽车保有量将突破1.5亿辆。随着汽车保有量的暴涨，如何控制汽车的有害排放，降低汽车尾气对环境的破坏，已成为能源与环境研究中的一个重大课题，也是汽车工业发展道路上必须解决的一个问题。1.柴油机原理简介 柴油机所用燃料是柴油，起评价的指标是： 1. 发火性：评价柴油的自燃能力，用辛烷值来表示。 2. 蒸发性 3. 粘度：燃料流动性的尺度 。 4. 凝点：柴油开始失去流动性的温度 在结构方面，柴油发动机与汽油发动机具有基本相同的结构，都有气缸体、气缸盖、活塞、气门、曲柄、曲轴、凸轮轴、飞轮等。但前者用压燃柴油作功，后者用点燃汽油作功，一个“压燃”一个“点燃”，就是两者的根本区别点。 汽油机的燃料是在进气行程中与空气混合后进入气缸，然后被火花塞点燃作功；柴油机的燃料则是在压缩行程接近终了时直接喷注入气缸，在压缩空气中被压燃作功。 这个区别造成了柴油机在燃料供给系统的结构有其自己的特点。柴油机的燃料喷射系统是由喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属辅助件组成。 柴油机燃料输送的简单过程是：输油泵将柴油送到滤清器，过滤后进入喷油泵（为了保证充足的燃料并保持一定的压力，要求输油泵的供油量比喷油泵的需要量要大得多，多余的柴油就经低压管回到油箱，其它部分柴油被喷油泵压缩至高压）经过高压油管进入喷油器直接喷入气缸燃烧室中压燃。 为了柴油机能在怠速稳定工作和限制柴油机超速，在喷油泵上还带有调速器。喷油泵是柴油机燃料供给系统中最精密的部件，它的作用就是根据柴油机工况的变化调节柴油量，并提高柴油压力，按规定的时间与规律将柴油供给喷油器。 1.1柴油机新技术高压共轨电子控制燃油喷射技术简介 传统的柴油机存在着供油不精确的问题，解决的办法是采用电子控制燃油喷射的技术。与汽油机相比柴油机的电子控制燃油喷射系统有很多相同之处，在整机电脑管理方面两者基本相同，但因柴油机的喷射系统形式多样，电控系统的硬件也呈多样形式，同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力、喷油路等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。 第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的 tics 系统。 第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。 第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式，通过共轨压力和喷油压力时间的综合控制，实现各种复杂的供油回路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点。 因柴油机的喷射系统形式多样，国外柴油机的电控系统也形式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程 tics 系统，有基于时间控制泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。 1.2共轨式电控燃油喷射技术的原理 共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。 其主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。 现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。 1.3共轨式电控燃油喷射技术的特点与现状柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是： 1. 采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀； 2. 采用共轨方式供油； 3. 高速电磁开关阀频响高，控制灵活； 4. 系统结构移植方便，适应范围宽。 这一技术的研究与开发热点在于： （1）如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题； （2）如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题； （3）如何解决高压共轨系统的多 map （三维控制数据表）优化问题； （4）如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。 共轨式电控燃油喷射技术对环境保护的促进作用 共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能；它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。 1.4增压中冷增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。 但是事物总有矛盾性，空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%5%，还能降低排放中的氮氧化合物（nox），改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。 柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。 空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。 中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配。 柴油机的燃油经济性优于汽油机20以上，并具有良好的动力性、经济性和较低的co、hc 排放，在客车尤其是大型客车上的应用占据主要份额。但柴油机其氮氧化物nox和微粒pm排放较高，破坏了环境。为降低汽车排放污染的加剧，世界各国家、地区的排放法规愈加严格。为满足严格的排放法规要求，柴油机的电控燃油喷射技术和后处理技术得到快速发展。1 柴油机污染的产生和世界排放法规1.1 柴油机污染的产生 （1）柴油机排放的主要排气成分从毒物学的观点看，这些成分是无害的。除上述基本成分外，柴油机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，这些成分的质量总和在柴油机排气中所占比例虽然还不到1%，但它们大部分是有害的，或有强烈刺激的臭味，甚至致癌作用，因此被列为有害排放物。有害成分的比例：氮氧化合物（nox，约占35.4），一氧化碳（co，约占35.3），碳氢化合物（hc，约占8.54），颗粒及氧硫化物（pm、sox，约占20.76）。因此世界各国制订的排放法规也主要是针对nox和微粒pm的控制。1.2 世界排放法规体系 美国、日本和欧洲的汽车排放法规是当今世界上的三个主要法规体系。世界上其他国家也都不同程度上采用这些法规，尤以采用欧洲、美国法规的比较多。 1）美国是世界上控制汽车排放最严格的国家，有多种不同的汽车排放法规和标准，但主要分为加利福尼亚和美国联邦两大类，一般以加州制定的标准最为严格，并且往往早于联邦国家标准。从2007 年1 月1 日起，美国开始实施epa07。由于美国法规的先进性，许多控制汽车排放较早的国家一直都在采用美国法规，美国法规的测量方法相对较复杂，对测量设备的要求也比较高。 2）日本对汽车污染物的控制比美国起步晚，但20 世纪70 年代以来，它对nox的控制进程却比美国快。由于日本的测试方法与美国和欧洲不同，因此其排放限值也无法相比。事实上，很少有国家采用日本法规，但由于日本是控制汽车排放较早的国家之一，也是控制技术较为先进的国家，且其控制法规自成体系，因此，一直被人们认为是一个独立的法规体系。 3）联合国欧洲经济委员会（ece）制订的法规是由各成员国自愿实施的，直至20世纪80年代中期，才有个别成员国采用和执行。而ece法规一旦转化为欧盟指令，则在其成员国国内强制执行。欧洲标准的严格性要落后于美国标准，主要由于在ece 范围内建立统一的标准是很复杂和困难的。不同的国家有各自不同的目的，关注的热点也不相同，因此很难达成一致。 目前，许多发展中国家更倾向于采纳欧盟法规，一方面是由于欧盟法规相对要求松一些，另一方面也因为其测量方法的运行工况及对设备的要求相对简单一些。我国目前所采用的排放法规也主要参考欧洲法规。表 1 中列出了欧洲排放标准对有害排放物的限值标准。18 年来nox排放下降了86，13 年来pm 下降了95。从图1 美国与欧洲排放限值的对比，可以看出美国和欧洲殊途同归，最终都是限制nox和pm有害污染物的排放。1993euro11996euro22000euro32005euro42008euro5nox 8.0 7.0 5.0 3.5 2.0hc 1.1 1.1 0.66 0.46 0.46pm 0.36 0.15 0.10 0.02 0.02co 4.5 4.0 2.1 1.5 1.5smoke 0.8 0.5 0.5表1 欧洲排放标准对污染物的要求（g/kw h） 4）我国采用的排放法规主要是依据欧盟ece法规，主要是与我国的许多车型与欧洲的汽车生产厂家开发生产的有关，所以在尾气排放量的标准制订上也趋于等同欧洲标准，即国三等同于欧三。图 1 美国与欧洲排放限值对比2 柴油机排放控制技术 要控制柴油机有害物质的排放，首先从其生成机理考虑，nox是在高温条件下氧和氮反应生成的，其生成量于缸内燃烧温度、反应时间及氧的浓度有关；pm 的组成为碳烟、未氧化或未完全氧化的hc，硫酸盐等物质。柴油机要想从有害排放的生成机理上优化缸内燃烧，就必须对各燃油喷射参数（喷油压力、喷油量、喷油时间、喷油率）按照不同的工况进行最优控制。传统机械式燃油喷射系统其控制自由度小、精度低，难以做到对燃油喷射参数的精确控制。采用电控喷油系统可以有效的控制各燃油喷射参数。目前的电控喷油技术主要有：电控单体泵、电控泵喷嘴、蓄压增压电喷系统、高压共轨系统、电控直列泵、电控分配泵、外挂式电控单体泵等。采用电控喷油系统往往仅能对排放的一种或几种有害物质进行控制，对其它有害物质控制不理想甚至增加了，这样除了采用电控喷油系统，为达到更高排放，还需要后处理技术。2.1 电控单体泵（eup） 电控单体泵在欧洲柴油机领域的应用约占75，道依茨、达夫等发动机大量应用。 电控单体泵可实现后三角形的喷射规律，使燃烧更充分、效率更高，其结构紧凑、可靠性好，喷射压力可达2000bar，采用双阀系统可以达到2500bar 的喷油压力。同时其维修成本较低。但其喷射压力随发动机转速变化，动态控制不理想。目前核心技术主要掌握在博世、德尔福等企业。2.2 电控高压共轨系统（crs） 电控高压共轨在轻型车柴油机领域的应用占主导地位，大约占78的份额。该系统可以实现德尔塔、靴型和预喷型三种喷射规律。可实现预、主、后三次喷射，甚至更多次喷射，对于降低燃烧噪声、使燃烧充分有重要意义，同时后喷能力使共轨系统方便和后处理匹配，具有实现欧四、欧五的升级潜力。第三代高压共轨系统可达到2000bar 的喷油压力。目前高压共轨系统的核心技术主要掌握在博世、德尔福、电装、西门子几家外国企业。2.3 电控泵喷嘴 电控泵喷嘴由于取消了高压油管，容易产生高喷油压力。喷油压力可达2050bar。通过电磁阀的两次动作可实现可控予喷射，大大降低噪音和振动，改善排放。由于电控泵喷嘴及驱动装置都安装在气缸盖上，使发动机结构紧凑。但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。目前生产厂家主要有：博世、德尔福、康明斯和卡特彼勒等。2.4 后处理技术 实践、研究表明，仅靠机内净化已不能满足欧三以上法规，这主要由于微粒排放和nox排放之间的折衷效应（trade-off）的关系，降低一种污染物的排放，会使另外一种污染物的排放增加，而且排放物的限值越来越低时这种矛盾更为突出。对于微粒而言，机内净化虽然降低了排放总质量，同时也减小了微粒尺寸，即使微粒越来越细小，对人体的危害却未减少，因此柴油机后处理技术就显得尤为重要。实践证明，实现欧三的关键技术是：电控喷油系统，实现欧四、欧五的关键技术是：后处理系统。目前采用的后处理系统主要有颗粒捕集器（dpfdiesel particulate filter），氧化催化转化器（docdiesel oxidationcatalyst），氮氧化物还原催化转化器等。 （1）dpf 采用蜂窝载体、陶瓷纤维等作为过滤材料。其工作原理是：先由过滤器捕集颗粒物pm，然后再将过滤器中捕集的颗粒物pm 氧化燃烧以完成捕集器的再生。在收集到一定数量的微粒后导致过滤器背压上升，过滤效率下降，柴油机运行的经济性和动力性恶化。因此必须对dpf进行再生，除去dpf中的微粒，dpf的再生包括主动再生（强制再生）和被动再生。美国康明斯发动机满足epa07 排放法规的柴油机上采用dpf后处理技术。 （2）doc以铂（pt）、钯（pd）等贵金属作为催化剂，主要降低pm排放中的可溶性有机物（sof，sof主要包括hc，也含有h2、nox以及微量的s、zn、cr等）的含量，从而降低pm 的排放。doc 可以去除90的sof，从而使pm 排放量减少40-50。doc 目前存在的主要问题有：对燃油的硫含量极其敏感、催化剂价格昂贵，且活性随使用时间的增加逐渐降低，对pm的净化效率不及pdf。 （3）nox还原催化转化器，目的主要是降低排放中nox的含量，主要措施有选择性催化还原反应scr和选择性非催化还原sncr、非选择性催化还原nscr等。scr技术是利用尾气中有机物为还原剂或添加还原剂，选择性的优先把nox还原为n2，nscr技术一般采用nh3作为还原剂，与nox反应后生成n2和h2o，可以省去昂贵的催化剂。3 我国目前柴油机排放控制的技术路径 目前，我国的柴油机主要采用的电控喷油技术是电控单体泵和电控高压共轨系统，并且在客车用柴油机领域高压共轨占主导地位。并且开发了成本更低的机械泵加内置egr实现国三排放，在卡车上得到了应用，但由于其一致性问题，没有在客车领域得到应用。电控喷油系统核心技术掌握在博世、德尔福、电装等外国企业手里，我国目前还没有一家企业单位能生产出成熟、具有一定市场竞争力的电控喷油系统。由于高压共轨系统的结构轻巧、安装方便、机体改动少、换型投资低，适应与我国机械柴油机的改动，因此电控高压共轨系统在我国得到广泛应用。目前我国主要柴油机生产厂家均采用高压共轨系统。为实现欧四、欧五排放，我国也主要采用电喷高压共轨加scr后处理系统实现。4 结论 2007年7 月1日起，我国全面实行国三排放，并且北京、上海、广州、深圳已率先实施了国四排放。排放法规将会随着能源、环境污染及人们环保意识的提高而日益严格，对nox和pm排放的控制将更为严格。国内外的研究均已证实，要满足欧四以上排放法规，必须结合使用电控喷油系统和后处理系统。从技术角度分析，nox的还原催化和微粒捕捉技术是满足未来的超低排放法规的主要技术路径。其中尤以nox的尿素选择性催化还原，连续再生dpf具有最为光明的前景。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10010-6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。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。3.18 控制柴油机排放的措施 从控制柴油机排放的角度可以从三方面来考虑：燃油、柴油机燃烧过程组织、机外控制，而最主要的，还是柴油机燃烧过程对排放的影响最大。21 nox的控制措施 控制排气中的no 含量最简单可行的方法是降低柴油机的燃烧温度，而降低柴油机的燃烧温度，则会带来降低柴油机热效率，增加燃油消耗的结果。所以，在采取降低最高燃烧温度措施的同时，还必须兼顾柴油机的其他性能指标，具体措施有： (1)适当推迟燃油的喷射，使发火点和燃烧后移，将降低柴油机最高燃烧温度，据计算”j：在采用喷射延迟的方法降低no 时，每降低10的no ，燃油消耗率会上升2。 （2)增压中冷：柴油机增压，可以提高柴油机功率，但如增压后不中冷，则由于汽缸进气温度的提高，会提高柴油机的燃烧温度，促进no 的生成；对增压不中冷的柴油机而言，增压中冷是一条减少no 排放的有效途径；对已增压中冷的柴油机而言，改善中冷器的冷却效果，降低中冷后的进气温度，也是降低no 排放的方法。根据粱桂森等人对d6114zl柴油机的试验研究，在标定工况：中冷后进气温度从6o降低到30，no 降低约34i 。 (3)为改善推迟喷油后对柴油机热效率的影响，目前国外有学者在研究先导喷油多次喷油以及预混合压缩着火等技术，这些技术从根本上说，是通过限制柴油机燃烧时的燃油量，来降低最高燃烧温度，而通过多次喷油使相对而言较低的柴油机燃烧温度维持较长的时间使柴油机的热效率下降较少或不下降。haruyuki等人建议采用多次喷射和稀薄预混合压燃结合的一种新燃烧概念，其模拟结果表明可以使柴油机的燃油消耗与no 的排放的折衷关系获得改善。 (4)燃油乳化 燃油乳化是在柴油中，加入一定比例的水和表面活性剂，形成乳化油。实验证明：乳化柴油除具有节油的效果外，由于乳化油中的水在燃烧室高温的条件下，发生气化要吸收大量的热量，所以，乳化柴油燃烧的最高温度较纯柴油燃烧温度低，no 的排放量可降低30t 。 (5)要降低no，的排放量，还可以采取废气再循环【egr)，利用10的废气量进行再循环，可以使no 排放量下降30，而对燃油消耗率影响不大 采用废气再循环后，柴油机的管路会增加，这将给柴油机的设计布置带来一定的麻烦。此外，提高压缩比，改善燃烧室结构，提高喷油压力，电子控制喷射等措施，对改善柴油机的no 排放也有效，而对具体的柴油机而言，则应根据柴油机的技术状况和可能条件，有选择_柴油机的主要特点（1） 有能量密度高（大型低速增压柴油机的有效热效率已超过50%），燃油消耗率低，这对节约能源和提高经济效益都很重要。 （2） 好的燃油经济性； （3） 温室效应气体排放少，其二氧化碳的排放量比汽油机大约低30-35%，但废气中含有害成分（no，颗粒物等）较多，噪声较大，在环境环抱方面已引起重视。 （4） 功率和转速范围很大（功率165580kw，转速545000r/min），因此应用领域宽（5） 结构较复杂，零部件材料和工艺要求较高，制造成本较高，与汽油机相比质量较大。 （6） 新技术（电子控制，增压，废气再循环，新材料）应用多，发展快。产品研制开发和生产装备的投资大，属于技术密集和资金密集性产品。 nox多种氮氧化物的统称；no 可以与某些烃类发生化学反应，生成光化学烟雾，危害人的继康，是车用柴油机排放污染的主要成分，使得压缩空气达到要求的冷却温度。1.柴油机有害排放物及其危害 柴油机排气中包含各种成分，其基本成分是二氧化碳（co2），水蒸气（h2o），过剩的氧气（o2）以及存留下来的氮气（n2）等。他们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看，排气中的这些成分是无害的，除上述基本成分外，柴油机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳（co），碳氢化合物（hc），氮氧化合物（nox），微粒（pt）及醛类生平。这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例虽然还不到1%，但它们大部分是有害的，或有强烈刺激的臭味，有的还有致癌作用，因此被列为有害排放物。2.控制方法之一高压共轨喷射系统 柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧，而喷射系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素，要改进传统的由柱塞泵分缸脉动喷射系统难度较大，高压共轨喷射系统正是顺应上述需求而诞生，且正得到了很大发展。它被世界内燃机行业公认为二十世纪三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和dme代用燃料）。 高压共轨喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系统。它主要有高压泵，带调压阀的共轨管，带电磁阀的喷油器，ecv（电子控制单元）和各种传感器组成高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。 高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。3.控制方法之二废气再循环系统 废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多，当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后，该过程导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢，燃烧温度下降，从而减少有害成分氮氧化物（nox）的形成。 目前采用和研究废气再循环系统有多种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。 在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。 增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式，一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（nox）和微粒（pt），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。 另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物（nox），而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。4.控制方法之三增压中冷技术 所谓增压，就是增加进入柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。因此，柴油机采用增压中冷系统后，滞燃期缩短，在稀烯火焰熄灭区内积压的燃油量较少，从而减少排气中有害成分碳氢化合物（hc）和氮氧化物（nox）的生成。目前，增压方法主要有机械增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要是由涡轮和压气机组成，它与柴油机没有机械传动联系，柴油机排出的废气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至柴油机进气管。增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管入口之间增设中间冷却器（简称中冷器），使压缩后的空气的温度下降，密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，以及机械负荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油机的功率，降低有害物的排放。 由于废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较，结构简单，工作可靠，在柴油机上得到普遍采用，其他两种增压方式基本不使用。5.控制方法之四微粒捕集器 柴油机微粒捕集器，可将排气中微粒捕捉不使其排出机外，再利用催化剂，氧化器，燃烧器等进行分解、燃烧。这利装置可将柴油机排气中有害物微粒减少70%90%。 用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种，常用的有整体式陶瓷，金属丝网，纺织纤维圈，陶瓷纤维，泡沫陶瓷等。这些过滤材料的捕集原理一般认为有以下几种： 1碰撞机理：柴油机废气流经捕集单元时，其流线发生了多次拐弯，在流线拐弯处，较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰，并吸附或沉积于其上。 2截流机理：柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况，一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住，即发生筛滤效应；二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。 3扩散原理：柴油机废气中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动，县城越小的微粒越显著，又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时，纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用，从而有可能将微粒捕集。 4重力沉降机理：当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时，废气逗留时间比较长，较大的粒子的可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。 排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压提高。功率下降，捕集材料上沉积的微粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。 清除沉积在过滤材料上的微粒的过程为捕集器的再生。在柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在250500，而微粒的燃点一般为550600，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温度。通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点，使微粒能在较低的温度下燃烧掉，一般称主动再生。另一种是利用外部能源，如电热器加热补燃和燃烧器加热补燃来提高排气温度将捕集器材料上的微粒燃烧掉，一般称为被动再生。被动再生是一种定期再生，需要复杂的检测和控制技术以决定再生时间。当前，捕集器再生将主动再生和被动再生技术结合起来，效果显著。6.控制方法之五催化净化装置 催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法，它以铂，钯，黄金，钴，镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（co）和碳氢化合物（hc）氧化成无害成分二氧化碳（co2）和水蒸气（h2o）。另一种是催化还原法，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（nox）还原为氮气（n2）和氧气（o2）。 目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置。氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低有害成分一氧化碳（co）和碳氢化合物（hc），柴油机和汽油机都适用。三元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行，能使一氧化碳（co），碳氢化合物（hc）和氮氧化物（nox）三种有害成分同时得到净化处理，它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比附近的最佳范围内，以保证同时对三种有害成分高效率净化，因