柴油发动机的最新排放控制技术

1、柴油发动机的最新排放控制技术 （ 图）作者： 日期： 2007-1-1 来源： 本网字符大小：【 大 】 【 中】 【小】据初步统计， 2006 年以来在欧洲销售的汽车中大约有三分之一使用了柴油发动机，尤其是在比利时和法 国这些特别注重环保的国家中，这个比例要接近二分之一。 虽然在美国柴油车的销量很低，但是由于政府政策 的改变以及新型发动机技术的应用， 不久的将来美国市场上柴油车的销量也将会大大增加。 电控技术的应用将 会催生出新型的高科技柴油发动机，这种发动机将改变美国人对柴油发动机的偏见。柴油与汽油相比，其燃油经济性可以提高25%，并且其价格只有汽油的一半。柴油的这些优点对于欧洲人来说有着

2、很大的吸引力。英国伦敦出租车联盟的市场调查报告显示：伦敦的柴油出租车的城市平均油耗为 9.6km/L（10.4L/100km） ，高速平均油耗为 12 km/L （8.32L/100km） 。该联盟在其报告中还特别强调，如果车辆 得到良好的维护保养的话，柴油发动机可以跑到80万km甚至更多而不用大修。报告中同时指出，由于高压缩比给柴油发动机带来优异的扭矩特性，使得它更适合于城市中经常走走停停的工况。最近， 在谈及柴油发动机对美国市场的影响时， 克莱斯勒集团主席兼首席执行官 （CEO） Dieter Zetsche 先生讲到：“如果美国人购买柴油轿车的比例能够和欧洲的消费者一样的话，那么每年将节

3、省300万L左右的原油。另外，也将减少 800万 t 二氧化碳的排放。”然而，对美国市场来说，柴油发动机的缺点也是相当多的，其中最主要的就是污染问题。柴油发动机的污染主要来自三个方面微粒排放物质、氮氧化物（NOX）和硫。其中微粒排放物质（烟灰）大部分是由碳或碳化物的微小颗粒（尺寸小于1卩m）所组成的。据确认，在柴油发动机的排放物中含有大约40种不同的化学成分。据美国环保署（EPA和世界卫生组织（WHO验证，柴油发动机中所排放出的烟灰为致癌物质。加州 空气资源部（CARB估计，在南加州，空气中 71%勺致癌物质是由柴油车产生的，而这些柴油车仅占当地车辆 的 2%。其它的健康问题，如与日俱增的哮喘

4、和肺部疾病也同样在业内人士的关注范围之内。我们知道， 柴油发动机的燃烧原理是将稀混合气用非常高的压缩比压燃。 典型的柴油发动机的压缩比在 20:1 到24:1之间。燃烧室内的压力可以达到汽油发动机内的4050倍。过剩的氧气、高温高压环境等因素的综合作用，为氮氧化物的产生提供了天然的有利条件。应该说，最严重的问题是第三污染源硫。柴油机所使用的燃料可以用劣质的原油制成，并且大部分 的柴油都是这么来的，而这些原油很显然受到了硫的污染。现在，美国市场上销售的柴油中含有500ppm的硫。而在中国使用的柴油中硫的含量是美国的 10倍。就如同四乙基化合物使汽油发动机中转化器中毒一样，硫可 以使柴油发动机中的

5、催化转换器和颗粒捕捉器中毒。 硫也同样随废气一起排出， 它是形成烟雾和酸雨的原因之 一。为了进一步减少柴油发动机的污染物排放量，克莱斯勒公司推出了三项技术，并把它们作为公司高技术 柴油机策略的核心。这三项技术包括：发动机电子控制、捕捉和清除烟灰的颗粒过滤器以及选择性催化剂还原 法（SCF）的使用。而微粒排放物质控制和选择性催化剂还原过程，都需要低硫燃料以及有效的电子控制系统。如今在减少硫含量方面已经取得了很大的进展，并且还有更多的研究仍在进行当中。从1970年代后期第一辆柴油车在美国生产出来以后，烟灰和氮氧化物的排放量减少了90%。到2006年6月，美国柴油中硫含量的限制将从500ppm降至1

6、5ppm低硫柴油机燃料将会促使很多新技术的应用，而这些技术将进一步改善发动 机的排放性能。微粒捕捉器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90%以上。这种捕捉器是一种安装在排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。为了做到这一点，捕捉器应用了先进的电控系统、催化涂层和燃料添加型催化剂（FBC。这种燃料添加型催化剂包含诸如铈、铁和铂等金属。这些材料按比例加入到燃料中，在发动机控制系统的帮助下不仅控制微 粒排放物质的数量，而且还控制碳氢化合物和污染气体等污染物的排放量。捕捉器的再生或净化功能必须在可控的基础上完成，以保持过滤器不被

7、烟灰堵塞。在净化周期结束以后，任何残留的灰尘或滤渣最终都将在日常维护中被人为地清除。在减少氮氧化物方面有两种供选择的方法。第一种方法是使用储存式氮氧化物转化器，只要将这个转化器的工作温度控制在一个非常小的范围内，并且输入气体的硫含量保持在很低的水平时，它的效果就很好。当 催化储存装置处在再生或净化模式时，需要使用一种非常复杂的电控方法来保证温度维持在安全范围内。在实际净化周期中，发动机运转得很充分，并且燃油经济性也得以提高。第二种方法是选择性催化剂还原过程，它是在排放的废气中引入一种气体或液体的还原剂，并且这种还原剂被吸收在催化剂表面上。选择性催化剂还原过程的核心的化学方程式为：4NO+4NH

8、3+O2=4N2+6H2O对我们这些不是从事化学行业的人来说，这个方程意味着在催化剂条件下当4个氮氧化物分子与 4个氨分子起作用时，产生出4个氮分子和6个水分子。在转化反应结束后氮氧化物就变成了氮气和水。有一套名叫“清洁柴油发动机技术”的设备，这套系统已申请了专利。只要催化转化器的温度保持在320500C之间，这套系统就能利用尿素喷射技术将氮氧化物的含量减少7090%这种催化转化器与汽油发动机上所使用的不同。这种专业的催化转化器可以利用下面两种技术中的任意一种：使用钒基化学制剂，其工作效果最好，但由 于使用了金属元素所以不被加州空气资源部广泛使用；也可以使用带有硅酸盐涂料的催化剂，但效率不高，

9、而 且发动机的运转温度范围非常小，这需要应用精确的发动机电子技术来控制。在将氮氧化物转化成氮分子的过程中需要对氨喷射量和喷射位置进行严格的控制。因为氨的数量取决于 当前氮氧化物的数量，并且由于发动机运行的工况是变化的，所以还需要一套配剂算法的软件。发动机控制系 统监控发动机的运行状况来决定氮氧化物的产生量，然后将所需剂量的氨喷射到转化器内。一篇由 Mesa Research Institute 出版的论文中指出，如果喷射的氨量太多，它将穿过催化剂直接进入 到大气中去。因为氨本身就是一种污染物，所以这种叫作“氨泄漏”的过程是必须防止的。当选择性催化剂还 原过程温度太低以致于转化过程不能发生，或者

10、当电控系统发现一个瞬时工况而无法及时对它作出反应时，“氨泄漏”常常会发生。控制喷射的最好方法就是安装一个反馈装置来监控氨，即当氨穿过转化器时，监控氨 在废气中的含量。作为一个有效的传感器，这个氨传感器必须能够在几乎没有氨的排放气体中，检测到极少量的氨。与氧 传感器很相似， 氨传感器必须能够承受转化器内的高温环境并且反应要非常迅速，以保持对整个过程的精确控制。监测氨有六种不同的方法，其唯一的共同点是工作温度范围都很小。对汽车而言，最实用的技术是一种“扩散技术”。 这种技术是将一种酶暴露在排放的气体中， 当氨扩散到酶基体上， 它将改变这种材料的导电性， 进而改变输出的电压信号，以达到对氨气浓度变化作出响应的目的。这里关键的要