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1、摘 要本文通过概述柴油机排放物的危害、生成机理以及检测技术，对柴油机氮氧化合物排放控制从机内净化技术、后处理技术以及车用燃料的改善三个方面进行了总结。机内净化技术主要从燃油系统、喷射系统、进排气系统方面进行解析；后处理技术主要是通过氧化催化、微粒捕集器等进行优化；最后论述了柴油机燃料的改善和替代发展现状。本文指出了现有控制技术的不足及缺陷，如催化剂技术的不成熟，并对今后柴油机控制技术的发展方向进行了展望，提出了加大新的替代能源的开发与研究比如生物柴油，加大环保宣传与科研扶持等措施。关键字：柴油机，排放，检测技术，控制AbstractThis article outlines the harmf
2、ulness of diesel engine emission, forming mechanism and testing technology and summarizes diesel engine nitric oxide emission control technologies from inside machine purification technology, the post-processing technology and automotive fuel improvements of this three aspects purifying technology i
3、nside machine mainly analyzes the fuel systems, injection system, and exhaust system;The post-processing technology is mainly about oxidation catalytic, particulate trap, etc and the automotive fuel improve mainly diesel fuel improvements and alternative development.This article has pointed out the
4、existing control technology insufficiency and flaw, like catalyst technology not mature and so on;and has predicted the future development direction of diesel engine control technology，proposed increase new alternative energy development and research, such as biological diesel, increasing environmen
5、tal awareness and scientific research supporting measures. Key words：Diesel engine, emissions, examination technology, control目 录前 言11柴油机排放控制技术的现状22柴油机尾气检测以及控制32.1柴油机尾气形成机理及影响因素32.1.1一氧化碳CO的排放形成机理32.1.2碳氢化合物HC42.1.3氮氧化物NOX42.1.4微粒生成机理42.2柴油机尾气检测标准62.2.1柴油机尾气排放控制标准62.2.2柴油机尾气检测的设备63柴油机的尾气控制技术83.1柴油机机
6、内控制技术93.1.1燃烧系统的改进技术措施93.1.2喷射系统的改进技术措施103.1.3进排气系统的改进技术措施113.1.4废气再循环113.2柴油机后处理净化技术143.2.1氧化催化转化器DOC143.2.2微粒捕集器（DPF）及其再生153.2.3选择催化还原法173.2.5稀燃NOx捕集193.2.6各种组合方案203.3改善燃油品质224代用燃料的改善及其发展244.1生物柴油244.2二甲醚244.3国内外生物以及二甲醚柴油发展应用现状25结 论26致 谢27参考文献28前 言随着人们生活水平的提高，汽车数量的迅速增加，汽车尾气产生的危害也越来越严重，对生态环境平衡及人类身体
7、健康都造成了一定的损害，主要表现在人体患病率的增加以及光化学烟雾的产生，我们应及时对汽车尾气的污染重视起来并加强汽车尾气控制和治理。与此同时柴油机自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和车辆上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在20世纪70年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。根据国外有关机构预测，20012014年的十五年间，全球汽车市场总规模将增长39%，其中汽油车增长23%，柴油车增长97%。以其显著的节油效果以及能满足不断提高的高排放标准，柴油车得到欧盟、美国、韩国、印度、日本等国家的高度重视，汽车的柴油化逐渐成为一种趋势。然而快速的城市化和汽
8、车的普及给人们带来了极大的物质享受的同时，如果不加以精心规划和管理，中国城市小汽车拥有量的爆炸式增长态势将使交通阻塞和烟雾等环境问题困扰人们生活的方方面面。随着机动车保有量的持续增长，我国机动车污染物排放总量持续攀升。从公安部交通管理局获悉至2011年2月底，我国机动车保有量达到2.11亿辆，2010年全国新增机动车2048万辆、驾驶人1317万，有20个城市的机动车保有量超过100万辆。事实上，汽车所产生的空气污染量比其他任何单一的人类活动产生的空气污染量都要多。全球因矿物燃料而产生的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物的排放量几乎50%来自于汽油机和柴油机。因此，机动车的排放控制研究刻不容缓。
9、另外由于柴油机具有较高的热效率，使得世界范围内车辆柴油化的趋势加快，未来柴油的需求量会愈来愈大。另一方面，随着石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，寻找新的清洁的可再生代用燃料已经迫在眉睫。本文就是在此背景下，对柴油机的排放控制技术以及可用的柴油可代替燃料进行了综述分析。简要介绍了柴油机排放污染物的危害，重点分析了柴油机尾气的生成机理及机内和后处理净化技术以及代用燃料的应用，指出了今后的尾气控制技术发展方向。1柴油机排放控制技术的现状与汽油车相比，柴油车一氧化碳（CO）和碳氢化物（HC）的排放比汽油车低很多，但其过量空气系数很高，且燃烧过程中产生高温，导致氮氧化物（NOx）大量生成，同时，柴
10、油机油气混合不均匀，燃料不能完全燃烧，导致分解为以炭烟为主的微粒（PM）。因此，汽车大量柴油化的同时，柴油机的排放优化问题也急需解决。优化柴油机的排放性能主要解决如何降低氮氧化物（NOx）和微粒（PM），本文着重从这两方面浅析柴油机降低PM和NOx的直接排放。所以针对柴油机排放的问题，研究人员主要从以下几个方面进行入手解决：（1)改进发动机内部结构和尾气后处理技术。改进发动机内部结构和尾气后处理技术是控制排放最直接的方法，但前者所需周期长，技术含量高，投入大，对已经投入使用的车辆来说是不现实的；后者存在催化剂价格昂贵、容易失效、有效温度范围小、捕捉器的自清洁性能差、动力损失等问题，还需进一步研
11、究。（2)发展各种代用燃料。各种代用燃料一般都有降低环境污染的效果，但使用代用燃料成本较高，因而就目前的研究成果来看大面积推广起来较为困难。（3)研究节能降污的柴油添加剂，对于已经投入使用的车辆来说是控制排放较为便捷的方法。结合中国目前的实际情况，研究节能降污柴油添加剂是一种简便快捷的办法。由于有灰型添加剂会造成二次污染，因此研制新型的无灰型节能降污添加剂将是今后的发展方向。2柴油机尾气检测以及控制2.1柴油机尾气形成机理及影响因素柴油机排放的废气中，氮气(N2)约占75.2%，二氧化碳(CO2)约占7.1%，氧气(O2)及其它成分约占16.89%，有害排放约占0.81%。有害物主要包括：氮氧
12、化物(NOx)占35.4%，一氧化碳(CO)占35.3%，碳氢化合物(HC)占8.54%，氧硫化物(SOx)及微粒(PM)等占20.76%。柴油机污染物与空燃比的变化如下图2.11。尽管柴油机混合不均匀，会有局部过浓区，但由于过量空气系数较大，氧气较充足，能对形成的CO在缸内进行氧化，因而CO一般较少，只是在接近冒烟临界时急剧增加，HC也较少，当a增加时，存在局部高温富氧区域，因而会产生大量碳烟。随着a增大，碳烟浓度会快速下降。图2.1 柴油机污染物与空燃比变化Fig.2.1 Changes in diesel engine pollutants and air-fuel ratio2.1.1
13、一氧化碳CO的排放形成机理柴油机总的来说一般在稀混合气下运转，其平均过量空气系数a大多数工况下是在a=1.53，CO排放量要比汽油机低得多，只有在a=1.21.3，CO的排放量才大量增加，但是柴油机的特性是燃料和混合气混合不均匀，燃烧空间中总有局部缺氧、温度低的地方以及反应物在燃烧区燃烧时间不足以彻底完成燃烧而生成CO，这也可以解释上图中a很大（即负荷很小）时CO排放反而上升的原因，尤其高速运转时更加明显。2.1.2碳氢化合物HC车用柴油机中的未燃HC都是在缸内燃烧过程中产生的，柴油中的碳氢化合物比汽油中的碳氢化合物沸点要高、分子量大，柴油机的燃烧方式使油束中的燃油的热解作用难以避免，故柴油机
14、排气中未燃或者部分氧化的HC成分比汽油机复杂。柴油机的燃料以高压喷燃烧室后，直接在缸内形成可燃混合气并且很快燃烧，燃料在缸内停留的时间较短，冷激效应、狭隙效应、润滑油膜的吸附、沉积物吸附作用时间很短，因此这些反应所起的作用很小，导致HC排放较低故柴油机排气中的HC比较少。2.1.3氮氧化物NOXa1的稀混合气区，X NOe随温度的升高而迅速增大。a1，X NOe随a的减小而急剧下降。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
15、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NOx和其它氮氧化物。影响因素：（1）喷油正时的影响。喷油提前角减小，使燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOx较少。这种推迟方法是降低柴油机NOx排放最简单易行且有效的方法，但会使燃油消耗率略有提高。（2）放热规律的影响。传统的放热规律是在压缩上止点前即由于不可控混合燃烧而出现一个很高的放热率尖峰，接着是由于扩散燃烧造成一个平缓的放热率峰。前者导致生成大量的NO；而后者缓慢拖拉的燃烧导致柴油机热效率恶化，导致排放增加。低排放放热模式一般都在上止点后开始放热，第一峰值点较低，使NOx生成较少；中期扩散燃烧尽可能加速，使燃烧过程提前结束，不
16、仅提高热效率，也能降低微粒的排放。（3）转速和负荷的影响。NOx随负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大可燃混合气的平均空燃比减小使燃烧压力和温度提高所致。柴油机转速对NOx的影响相比负荷较小。对于非增压柴油机，一般最大的转矩转速下的NOx体积分数大于标定转速下的值。2.1.4微粒生成机理柴油机排气微粒的组成主要取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度：当排气温度超过500时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体，称为碳烟（Soot或者DrySoot,DS）；当温度低于500时（柴油机绝大多数工况都是在这种情况下）炭烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分（SOF）。沿柴油机的排气管道测试取样
17、，可观测到微粒粒度不断增多，且由于排气中的有机化合物不断吸附冷凝在微粒上，使SOF含量增加。柴油机微粒排放包括我们所说的白烟、蓝烟、黑烟。白烟、蓝烟中含有较高的H/C值，主要成分是未燃烧的燃料微粒，蓝烟中还窜有燃烧室的润滑油成分。黑烟也就是炭烟，通常在较大负荷时发生，具有较低的H/C值。碳烟的生成机理：柴油机中的碳烟一般分为生成和长大两个阶段：（1）烟粒的生成，这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或者热解产物萌生凝聚相。在这些产物中各有不饱和的烃类，特别是乙炔以及其较高阶的同系物CnH2n-2和PAH。这两类分子已被认为是火焰中形成碳烟粒子最有可能的前兆物。（2）烟粒长大阶段这包括表
18、面生长和聚集两个方面。表面生长指用烟粒表面黏住来自气相的物质，然后合并在一起。烟粒的氧化燃烧过程中生成的碳烟颗粒是可燃的。它其中很大一部分在燃烧的后续过程中会被烧掉（也就是氧化）。碳烟在缸内燃烧室成黄色火焰。碳烟的氧化速率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧以及在高温下逗留的时间有关。研究发现，碳烟的生成主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟的氧化主要是在燃烧的中期和后期。图2.2柴油机燃烧火焰碳烟形成与氧化曲轴转角关系Fig.2.2 Diesel soot formation and flame oxidation of the crank angle relations由图2.2可见，碳烟浓度先
19、是上升到最大值，然后浓度下降，这表明碳烟的氧化反应加快，碳烟浓度急剧降低，因而柴油机排出缸外的碳烟生成速率是碳烟生成速率与氧化速率之差，且碳烟的氧化过程会一直延续到排气管进行。碳烟的氧化速率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧及在高温下的逗留时间有关。2.2柴油机尾气检测标准2005年7月1日，我国全面实施相当于欧洲号排放标准的国家第二阶段排放标准（国标准）。2008年7月1日，我国全面实施相当于欧洲号标准的国家第三阶段排放标准（国标准）。2.2.1柴油机尾气排放控制标准由于机动车排气污染物控制强调的是全过程控制从新车定性开始直到机动车报废，因此我国的机动车排气污染物控制标准可分为新车型和在用
20、车辆两大类2。 表2.1轻型汽车污染物排放限值实施时间表Tab. 2.1 Limits for emissions from light timetable名称颁布时间标准号实施时间相当于国标准2001年GB18352.1-20012001.10.1欧洲号标准国标准GB18352.220012004.7.1欧洲号标准国标准2005年GB18352.3-20052007.7.1欧洲号标准国标准2007.7.1欧洲号标准表2.2重型汽车污染物排放限值实施时间表Tab. 2.2 Heavy-duty vehicle emission limits of the implementation time
21、table名称颁布时间标准号实施时间相当于国标准2001年GB1769120012001年欧洲号标准国标准GB1769120012004年欧洲号标准国标准2005年GB17691-20052008年欧洲号标准国标准2010年欧洲号标准国标准2012年欧洲号标准2.2.2柴油机尾气检测的设备对于柴油机尾气的检测若采用自由加速工况法时，配置的设备有滤纸式烟度计和不透光仪；若采用加载减速法，则需配置不透光度仪及底盘测功机。（1）滤纸式烟度计根据GB3847-2005的要求，目前用于柴油车排放检测的仪器，主要是滤纸式烟度计及不透光仪。对于在用压燃式发动机，根据不同的年限，采用自由加速法时应采用不同的设
22、备。对于2001年10月1日前生产的在用汽车应按要求进行自由加速试验，用滤纸式烟度计测得烟度值（Rb）滤纸式烟度计是一种非直接检测设备，通过测量介质被所测量的烟所污染的程度大小来间接读出烟度的大小。仪器的取样系统插入排气管中央吸取一定容积的尾气，使其通过一张一定面积的洁白滤纸，排气中的碳烟积聚在滤纸表面，使滤纸污染。仪器的使用方法：仪器接通电源应预热15分钟，使仪器处于待检测状态；测量时应将踏板开关和油门踏板一并迅速踩到底，保持4分钟松开；测量过程中不允许手动复位，每两次测量之间时间间隔应大于15秒；烟度计滤纸使用完毕后应及时更新滤纸；取样探头不得随意扔到地上，以免沙、泥、水等杂物进入仪器，造
23、成仪器故障。（2）不透光计对于2001年10月1日起生产的在用汽车，应按要求进行自由加速试验，用不透光计测得排气光吸收系数（K）。不透光度计使用来测试排气可见污染物试验所用的仪器。它通过测量气体的不透光度程度来确定排气污染的严重性。其原理是被测气体在光源和光接收器之间连续通过，利用碳烟对光的吸收作用，使透光率发生变化而测定气体的烟度。使用方法：接通仪器预热30分钟，然后按键，仪器提示“请将探头放于清洁处，准备校准”，操作员按K键确认，仪器准备校准；校准完毕后将探头插入排气管中，机动车保持怠速状态，一起确定启动和停止试验的阈值；怠速状态检测完毕后仪器提示“请加速”，迅速踩下车辆的油门踏板，使发动
24、机至最高速并保持；当仪器出现“请减至怠速，并保持”的提示后，立即松开油门踏板，使发动机恢复怠速状态；机动车自由加速试验至少重复6次，如果光吸收系数示值连续4次均在（0.251）m-1带宽内，且没有连续下降的趋势，4次示值平均值作为结果。3柴油机的尾气控制技术柴油车排放污染物控制技术可以分为三类：以改进发动机燃烧过程为核心的机内净化技术，在排气系统中采用化学或物理的方法对已经生成的有害排放物进行净化的排放后处理技术，以及对柴油燃料的改善和代替研究。每一种技术措施在降低某种排放成分时，往往效果有限，因而实际中常常是几种措施同时并用。柴油机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到并符合混合均
25、匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。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2。柴油机的尾气控制技术总结如下表3.1和表3.2表3.1 降低颗粒（PM）的措施 Tab. 3.1Measures to reduce the particle原理方法改善混合气的质量多气门、增压、增压中冷、可变涡流截面改善喷射高压共轨、喷涌规律改进燃烧新型燃烧方式、改进燃烧室燃料改进降低硫含量、芳香烃含量、醇类燃料降低机油消耗改进油环结构、减少间隙排气后处理微粒补集器（DPF）、氧化催化剂（DOC）表3.2 降低氮氧化物（NOx）的
26、措施Tab. 3.2 Reduce nitrogen oxides (NOx) measures原理方法降低燃烧温度推迟喷油提前角、废气再循环、预喷射、多段喷射、新型燃烧方式、改进燃烧室燃料改进增加十六烷值排气后处理NOx催化器3.1柴油机机内控制技术所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术，即降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射、采用废气再循环技术等等。机内净化技术被公认为是治理车用汽油机和柴油机排气污染的治本措施。3.1.1燃烧系统的改进技术措施混合气的形成
27、和燃烧与燃烧室有密切的关系。燃烧室的几何形状对柴油机的性能和排放具有重要的影响。根据混合气的形成和燃烧室的结构特点，柴油机基本分为两大类：直喷式柴油机和分割式柴油机。重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采用直接喷油燃烧方式，而轿车和轻型车要求高转速以及小型农用机械要求使用方便等因素多采用分割式燃烧室。由于直喷技术的进步，以及为满足降低油耗和二氧化碳排放要求的需要，高速的轿车柴油机也开始使用直喷式，并用逐步增长趋势。应用最广的直喷式柴油机燃烧室形状，是直边不缩口的型燃烧室，因为它的工作形状与多孔喷嘴的喷雾形状配合最好，能适应增强进气涡流，产生适度的挤压涡流和燃烧湍流，合理利用空气，得出良好的综合性
28、能。另外，一种还有新型的燃烧方式均质充量压缩燃烧技术（HCCI），若同时降低PM和NOx，均质充量压缩燃烧是最好的途径。传统的柴油机在接近压缩上止点时喷油，随后燃油一边蒸发、一边雾化、一边燃烧，因此混合气极不均匀，这就造成了PM排放较高。另外，柴油机的主体是扩散燃烧，火焰前锋实际上是a=1的扩散火焰，其温度高达2700K，有利于NOx的生成，因此NOx的排放也很高。均质充量压缩燃烧技术（HCCI）是将点燃式内燃机和压燃式内燃机有机结合的一项技术，可有效减小汽车碳烟和NOx排放。其基本原理是：HCCI发动机与传统的点燃式内燃机类似，将比例非常均匀的燃油和空气进行预先混合，然后注入气缸内；传统的点
29、燃式内燃机通过火花塞点燃混合气，而HCCI发动机的点火过程则与压燃式内燃机类似，通过活塞压缩混合气，使之温度升高至一定温度后自行点燃4。HCCI的特点：第一，HCCI发动机无扩散燃烧过程，避免气缸内形成局部高温和浓混合气，有效降低了碳烟的排放；第二，HCCI发动机保留了压燃式内燃机高热效率的特点，降低了燃油消耗和废气排放。3.1.2喷射系统的改进技术措施为降低柴油机的排放，燃油喷射系统的改进是关键环节。为了减少燃料燃烧过程中碳烟的生成，减少微粒产生，要改善燃料喷雾在燃烧室中分布的宏观均匀性和微观均匀性。宏观均匀性可保证燃烧室各个角落的空气都能得到充分的利用，微观均匀性可保证燃油粒子足够细且大小
30、均匀，使其能及时蒸发并且与空气混合均匀。在足够均匀的混合气形成条件下，保证足够的空燃比，就不会出现导致碳烟生成的极浓混合气（a=1.01.2）。燃油喷射系统的改进其中一项比较成熟的技术就是高压共轨。高压共轨燃油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燃油喷射系统。其主要由低压供油系统、高压供油系统、燃油喷射系统和电控管理系统等组成5(如图)。关键部件是由高速电磁阀控制喷射的喷油器和所有喷油器公用的公共蓄压油管(共轨油管)。柴油机共轨式电控燃油喷射技术（CRFIS），柴油机运行时转速很高，喷油器每次喷油时间很短，高压油管内各处压力随时间、位置不同而变化；当喷油器针阀
31、落座完成主喷后，高压油管内的压力波动可能会引起“二次喷射”现象，造成喷油不均匀问题，增加了燃油消耗和废气排放。针对上述问题，CRFIS对柴油机的喷油时刻和喷油过程进行控制，其基本原理是：通过柴油机共轨直接或间接形成恒定高压预喷射燃油，然后将其送至带有高速电磁开关阀的对应喷油器内，高速电磁开关阀的开启、关闭实现喷油过程的开始、结束。ECU（电控单元）根据发动机的转速、输出功率控制高速电磁开关阀的开闭和开启时间，从而间接控制喷油时刻和喷油过程5。图3.1 高压共轨系统组成示意图Fig 3.1 Schematic diagram of high pressure common rail system
32、 components 3.1.3进排气系统的改进技术措施（1）多气门技术进气涡流一般有螺旋进气道或者切向进气道产生，它们均以进气阻力为代价获得较强的涡流运动。其后果是泵气损失增大，充气系数下降。在自然吸气柴油机和每缸两气门的柴油机的情况下，后果更为严重。多气门技术可以改变这种情况。例如四气门柴油机扩大了进气门的总流通面积，一般可比二气门柴油机大15%20%，从而降低排气流动阻力，提高充气系数。在柴油机上采用多气门技术是满足更严格的排放要求的有效途径。由于气缸盖上的喷油嘴和活塞的燃烧室凹坑布置在汽缸中央，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。
33、在最新的车用四气门柴油机中，还开始采用一个进气道中的调节阀使开度连续可调的结构。这样就可以通过电控系统使进气涡流强度随工况变化而变化。这样的措施使混合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的排放。柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国内外内燃机的气门最多时达到6个，目前已经应用在大型柴油机上。还有目前出现五气门，进气更充分燃烧效率也相应提高。（2）涡轮增压技术（Turbocharger）涡轮增压技术利用发动机排放废气的惯性力推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，旋转的叶轮压送经过空气滤清器的空气，使其增压并进入气缸。伴随着空气量增加，循环供油量相应增加，达
34、到了增加功率的目的。其特点：第一，在不增加发动机排量的基础上，涡轮增压技术可以增加发动机的输出扭矩和功率；第二，涡轮增压技术利用废气排放动能对新鲜空气增压，回收了部分能量，降低了燃油消耗和废气排放。3.1.4废气再循环废气再循环控制系统即EGR（ExhaustGasRecirculation）控制系统，EGR是指将发动机排放的一部分废气返回到进气管中，和新鲜的混合气混合，然后进入气缸参加燃烧的过程。废气再循环(EGR)是目前常用于控制内燃机NOx排放的有效措施之一。它把一定数量的废气引入发动机的进气系统，使发动机混合气中惰性气体(HO、N和CO)的比例增加。由于这些惰性气体有较高比热，使经再循
35、环废气稀释的混合气的比热增高，致使发动机最高燃烧温度下降，由于再循环废气对新混合气的稀释，降低了混合气中氧气的浓度，因而废气再循环破坏了NOx的生成条件，从而有效抑制了NOx的生成。其功用是根据发动机工况，控制再循环的废气量，减少排放污染。废气混入的多少用EGR率表示：EGR率=废气还流量/（废气还流量+进气量）100%(1)构造废气再循环系统由EGR阀、EGR真空调节阀和电控真空开关阀组成。如图3.2所示。图3.2 废气再循环系统Fig 3.2 ExhaustGasRecirculation1.进气室 2.EGR阀 3.进气门 4.节气门体5.ECU 6.废气真空调节阀 7.电控真开关阀（2
36、）工作原理利用废气再循环技术可以有效降低NOx机内发生量，从而有效控制NOx排放。NOx是在高温和富氧条件下氮气和氧气发生化学作用的产物。燃烧温度越高，氧浓度越高，持续时间越长，NOx的生成物也越多。而通过采用EGR技术，一方面废气可以稀释新混合气，降低氧浓度；另一方面，废气中主要为N2、CO2、H2O，且三原子气体的比热比较高，因而使混合气比热容得到提高，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量也随着增加，因此可以降低最高燃烧温度，从而抑制NOx的生成，降低NOx的排放。高比功率的发动机，由于有较好的充气，通常重叠角较大，因而NOx排放量相对较低。但是重叠角不能无限加大，过大的重叠角会使发
37、动机燃烧不稳定、失火和使HC排放量增加，因此在确定配气相位重叠角时必须综合考虑动力性、经济性和排放性能6。对于自然吸气柴油机所用的废气再循环系统结构与汽油机类似，由于进、排气之间有足够的压力差，废气再循环的控制就比较容易。对于增压柴油机，经常会出现增压压力大于排气压力大现象。为了确保废气再循环，应再加上一个单向阀，以便利用废弃脉冲进行废气再循环。对于增压中冷柴油机，通常有以下两种方式：从涡轮前取气回流到压气机后的废气再循环；从涡轮后取回流到压气机前的废气循环。涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计采用前一种方式。图3.3 有增压中冷的柴油机废气再循环系统工作示意图Fig3.3 Turbocharg
38、ed diesel engine with exhaust gas recirculation system working diagram采用废气再循环技术控制。废气再循环是目前控制车用发动机NOx排放的常用和有效措施。由于柴油机排气中的氧含量相对汽油机要多的多，以及CO2浓度小得多，因而必须使用更大量的废气再循环才能有效地降低NOx。一般汽油机的废气再循环率不超过20%，而直喷式和非直喷式柴油机的废气再循环率可分别超过40%和25%。柴油机的废气再循环也有其缺点；排气中的SO2最终会变成硫酸，对废气再循环系统的管路和阀门以及气缸壁面形成腐蚀，并使润滑油劣化；同时，排气中的颗粒还流回气缸，容
39、易在摩擦面上或混入润滑油里。这些都会导致气缸套、活塞环以及配气机构的异常磨损，这也是废气再循环实用化中未解决的问题。废气再循环在汽油机和轻型柴油机上已经是一种较为成熟的工业技术，其发展方向如何优化其性能，如何与整车其他技术相匹配，也是废气再循环技术与后处理技术、电控高压喷油技术、进气技术密切结合起来，是各种有害排放物全面降低，实现废气再循环变工况时的精准控制以及动态响应特性的提高。3.2柴油机后处理净化技术从上世纪80至90年代，柴油机主要依靠技术的进步进行机内净化，从源头上控制污染物的生成，如改进喷油器、采用涡轮增压、优化燃烧、电子控制、废气再循环等技术，可以达欧水平。到90年代后期，排放法
40、规日益严格，为了有效控制污染物的排放，机内净化已经不能满足排放的苛刻要求，需要进行机外处理，迫使人们进行复杂而又昂贵的排放后处理系统的研发。众所周知，柴油车在具有动力性和经济性优势的同时，其排放的微粒污染相当严重，与汽油机相比，柴油机通过控制喷油量来实现功率的改变，其燃烧过程远比汽油机复杂，控制难度极高，微小的差别都会使排放特性发生很大变化，而且在降低PM和NOx中存在折中（Trade-off）原理，即在高温缺氧区会产生大量炭烟，在高温富氧区会产生大量氮氧化合物。这种折中效应使机内处理技术受很大的限制。而且许多机内净化措施是以牺牲动力性和燃油经济行为代价的。另外考虑目前的开发研究现状、技术复杂
41、性以及效益成本的因素，围绕NOx和PM展开的后处理技术是解决当今柴油机排放这个问题最直接最有前途的办法。此外，重质烃在高温缺氧环境下直接脱碳化成炭状微粒，粒度一般比较大，表现为固相，轻质烃经气化蒸发-冷凝，聚集成气相析出型炭粒，粒度相对较小，表现为液相，再加上CO、HC、NOx、NOx等污染物，表现为气相，柴油机的排放物成为“气、液、固”三相结合。这决定了柴油机排放控制后处理技术艰难而复杂。3.2.1氧化催化转化器DOC氧化催化转化器(DieselOxidationCatalyst)的示意图如3.4。常用的催化反应效果较好的催化剂是由铂（Pt）系、钯（Pd）系等贵重金属和稀土金属组成。用有多孔
42、的氧化铝作催化载体的材料并做成多面体形状或蜂窝状结构。采用沉积在面容比很大的载体表面上的催化剂作为催化元件，降低化学反应的活化能，让发动机的废气通过，使HC和CO的氧化反应能在较低的温度下很快地进行，使其中的部分或者大部分HC和CO与排气中的残留O2反应，生成CO2和H2O。DOC同时对于目前排放法规还未限制的有害成分(如多环芳香烃，乙醛等)都能净化。研究表明DOC可以使有毒的部分减少68，多环芳香碳氢化合物排放减少56，乙醛减少70。图3.4 DOC系统以及实物图Gig 3.4 DOC system and the physical map3.2.2微粒捕集器（DPF）及其再生微粒捕集器也称
43、柴油微粒过滤器（DieselParticulateFilter，PDF）是目前公认的最有效的柴油机微粒后处理技术。这是国际上最接近商品化的柴油机微粒后处理技术，1985年，为满足美国对柴油轿车严格的排放法规，由德国奔驰公司最先应用于出口美国加利福尼亚州的轿车上。进入20世纪90年代，为改善城市大气污染，美欧相继将微粒捕集器用在城市公交上进行中试，日本也与1995年开始将其应用在东京和横滨公交车上进行中试7。目前应用最多的微粒捕集器是美国的康宁（Coming）公司和日本的NCK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器，其结构示意图见下图3.5。图3.5壁流式蜂窝陶瓷过滤微粒示意图Fig3.5 Cera
44、mic honeycomb wall-flow particulate filter schematic与一般的催化剂不同的是，这种微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷，相邻的两个通道中，一个通道的出口侧被堵住，而另一个通道的进口侧被堵住。这样排气从一个通道进来以后，必须穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的通道，而微粒就被过滤在通道壁面上。这种微粒捕集器对炭烟的过滤效果可达90%以上，可溶性有机物也能被部分捕集。但这种捕集作用受温度影响很大，排气温度较低时沉积在壁面上的HC成分将在排气温度升高时重新挥发出来并排向大气。图3.6微粒捕集器的再生Fig3.6 The regeneration of PDF微粒捕集器再
45、生技术及其再生只能把微粒从柴油机的排气中过滤出来，沉积在滤芯内，它本身并不能清除微粒如图3.6。在DPF中积聚的微粒会逐渐增加排气的流动阻力，增大柴油机排气背压，影响柴油机的换气和燃烧，降低功率输出，增加燃油消耗。因此，必须及时清除DPF中积聚的微粒，以恢复到接近原先的低阻力，这个过程称为DPF的再生（Regeneration）。再生技术是微粒捕集技术是否实用的关键。一般使用的方法是利用外界能量提高DPF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。图3.7 再生系统分为主动再系统和被动再生系统Fig3.7 Regeneration s
46、ystem is divided into active and passive regeneration system then the system柴油机微粒捕集器的净化效果已不再是技术难题，现在需要攻破的难点是其再生问题。再生系统分为主动再系统和被动再生系统其分类如上图3.7主动再生系统也称为强制再生系统，就是监视微粒在滤芯上的凝聚，当需要再生时，启动再生系统。通过外加能量提高气流温度到微粒起燃温度(450以上)，使微粒燃烧，达到洁净状态。主动再生的方式很多，如喷油助燃再生、电加热再生（如图3.8）、逆向喷气反吹再生、红外加热再生等。常用的能源是燃油（气）燃烧器、电加热再生及微波加热再生
47、等。图3.8电加热再生系统Fig3.8 Regeneration system of electric heating电加热再生用电阻加热器供热再生：用电阻丝直接点燃微粒，DPF前部微粒燃烧的火焰随着排气气流向DPF的尾部传播，将整个通道内的微粒燃烧完毕。系统的捕集器必须具有以下控制功能：确定辅助再生时间；监视和控制再生时的排气温度，以免损坏过滤器；在紧急情况下切断再生控制。（2）被动再生系统是利用化学催化的方法降低微粒的反应活性，使微粒在柴油机正常运行条件下燃烧。它分为两种，一种是在过滤体滤芯表面浸渍催化剂，对微粒进行连续再生；另一种是在燃油中添加催化剂，就是要求车辆在正常运行时能达到再生条件从而实现再生。微粒捕集器再生的控制方法：柴油机微粒的着火温度为600700，微粒捕集器上微粒点燃后将释放大量的热量，其温度可达1000，容易烧坏滤芯。为此，DPF主要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及如何点燃微粒并有效控制其再生过程。3.2.3选择催化还原法催化还原法（SCR）的基本结构如图3.9图3.9催化还原法工作原理示意图Fig
