李博星，郭健忠，吳君華，沈 琪

Li Boxing, Guo Jianzhong, Wu Junhua, Shen Qi

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢 430081）

1 發(fā)動機超低排放的研究背景

1.1 背景

我國石油資源總量相對豐富，但是人均占有量貧乏，僅為世界人均占有量的11%。20世紀(jì)80年代末，我國還是除歐佩克之外最大的石油出口國，可是從90年代開始，經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展帶動了石油消費量的急劇上升。1993年，我國由石油凈出口國變?yōu)閮暨M口國；到了2012年，我國石油對外依存度已經(jīng)達到了58%，石油消耗量已經(jīng)達到了世界第2位。預(yù)計到2015年，我國石油對外依存度將達到60%，屆時將面臨更加嚴(yán)峻的資源形勢。不僅如此，我國石油儲量也十分不足，明顯落后于世界主要發(fā)達國家。

截止2013年1月31日，我國機動車保有量己達2.4億輛，其中汽車保有量達1.2億輛，工信部預(yù)測到2020年，我國汽車保有量將達到2億輛。汽車在給人們帶來方便快捷的同時，產(chǎn)生的尾氣也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。來自聯(lián)合國教科文衛(wèi)組織和環(huán)境組織的聯(lián)合調(diào)查顯示，現(xiàn)代城市污染中，汽車污染占34%，其尾氣污染至少在20年內(nèi)無法排除。而環(huán)保部門監(jiān)測表明，大氣中碳氧化合物（HC）的96%，一氧化碳（CO）的86%，氮氧化物（NOx）的56%來自機動車排放，而NOx的大量排放會導(dǎo)致酸雨、低空臭氧、光化學(xué)煙霧，北京、上海、廣州等十余個城市已經(jīng)出現(xiàn)了最為嚴(yán)重的光化學(xué)煙霧的先兆。

全球環(huán)境污染加重的普遍性，使得各國不斷推出更加嚴(yán)苛的排放法規(guī)。我國也不例外，但是相比國外，目前的排放法規(guī)還是有著十年左右的差距。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是歐洲2005年的歐III標(biāo)準(zhǔn)，而2013年，歐洲也將執(zhí)行歐Ⅵ這一新標(biāo)準(zhǔn)，差距變得更大。嚴(yán)峻的環(huán)境形勢一方面促使相關(guān)研究人員對傳統(tǒng)燃料的排放后處理進行深入研究，另一方面也促使人們?nèi)ふ遗欧判再|(zhì)更低的代用燃料。事實表明，作為新型代用燃料的二甲醚發(fā)動機，具有較好的動力和排放性能，成為人們保護環(huán)境和替代石油的重要選項。

1.2 二甲醚發(fā)動機動力和排放性能

二甲醚十六烷值高，動力性能好，自燃溫度低、滯燃期短、NOx排放少，環(huán)境性能好，資源較為豐富，對人體無毒。同時二甲醚的能量密度小，低熱值是柴油的 66.8%，要使二甲醚發(fā)動機達到原柴油機功率，必須增大燃油系統(tǒng)的燃料供應(yīng)量。實驗測得二甲醚和柴油發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩和功率對比如圖1所示。

圖1中不難看出，在發(fā)動機的所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃用二甲醚的發(fā)動機其外特性轉(zhuǎn)矩都比柴油機大，相應(yīng)功率也大，尤其是轉(zhuǎn)速低于 1400 r/min時，二甲醚發(fā)動機的外特性轉(zhuǎn)矩有較大的提高。

在排放方面，二甲醚發(fā)動機在某些方面的表現(xiàn)達到了非常不錯的效果。二甲醚發(fā)動機和歐III排放測試結(jié)果如圖2所示，HC排放比歐III（也就是國III）排放標(biāo)準(zhǔn)的l/5還要低，遠遠超過了歐V標(biāo)準(zhǔn)，達到了超低排放；CO排放同樣不到歐III排放標(biāo)準(zhǔn)的40%，遠低于歐V的標(biāo)準(zhǔn)，達到了超低排放，兩者都有著非常明顯的效果。相比之下，NOx排放雖有下降，但明顯不足，是歐III排放標(biāo)準(zhǔn)的80%，但卻要比歐Ⅳ要高出14%多，如果能將 NOx排放降低到同樣程度，自然是再好不過。

NOx由N2和O2在高溫下反應(yīng)生成，二甲醚發(fā)動機因其燃燒溫度較低故排放較低，因此如果采用相應(yīng)的排放后處理技術(shù)，使得 NOx能夠像 HC和CO排放一樣大幅度降低，三者排放之間相互匹配，對于實現(xiàn)二甲醚發(fā)動機整體排放性能的超低排放有著極大的指導(dǎo)意義。因此，本改進方案旨在二甲醚發(fā)動機上采用 SCR，進一步大幅度降低NOx排放，使其達到歐Ⅳ、歐V甚至歐Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)。

2 二甲醚發(fā)動機 NOx超低排放的改進設(shè)計

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其研究意義

關(guān)于二甲醚發(fā)動機的研究，僅僅只有十幾年的歷史，國內(nèi)外主要研究都是在傳統(tǒng)柴油機上經(jīng)過燃油系統(tǒng)的局部改造，進行二甲醚燃料的替代。近幾年，歐美及日韓等國家均在二甲醚發(fā)動機上做了較為深入的研究。二甲醚發(fā)動機不但有著較好的動力性能，還具有較低的排放。二甲醚燃料能實現(xiàn)碳煙零排放，大幅降低發(fā)動機微粒排放，NOx有一定程度的降低，實驗結(jié)果表明可以不加尾氣后處理裝置輕易達到國III的標(biāo)準(zhǔn)。

這方面的研究，我國與國際基本處于同一個水平。隨著近幾年關(guān)于二甲醚發(fā)動機理論研究的不斷成熟，二甲醚發(fā)動機的實體機車也開始出現(xiàn)，但隨著排放法規(guī)的水漲船高，還需進一步控制NOx排放，實現(xiàn) NOx的超低排放，從而滿足未來國V乃至國Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)。文中通過將SCR技術(shù)引進到二甲醚發(fā)動機上進行排放后處理，實現(xiàn)二甲醚發(fā)動機NOx的超低排放。

超低排放是相比較現(xiàn)行汽車排放水平而言，污染物排放含量極少，對環(huán)境幾乎不造成污染或者排放在環(huán)境可以自我更新程度范圍內(nèi)。如果超低排放能夠?qū)崿F(xiàn)，將極大緩解汽車尾氣對大氣造成的污染，也極大程度地提高人們的生活質(zhì)量，對我國經(jīng)濟建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

2.2 二甲醚發(fā)動機上的SCR設(shè)計

在傳統(tǒng)柴油機的基礎(chǔ)上改進后用做二甲醚燃料發(fā)動機，二甲醚燃燒之后的廢氣通過SCR系統(tǒng)，在添藍的還原作用下，轉(zhuǎn)化為氮氣（N2），降低廢氣當(dāng)中NOx的含量，電子檢測裝置也會不斷檢測廢氣中NOx的剩余含量，確定還原工作的進行。后面連接一個氨氣（NH3）捕捉器，回收 NH3，最終將處理后的氣體排入大氣，如圖3所示。

二甲醚發(fā)動機實現(xiàn)了碳煙零排放，大幅度降低了發(fā)動機的微粒排放，排出的尾氣經(jīng)過進一步的氧化，進入SCR催化轉(zhuǎn)化器；同時，SCR控制器通過各種傳感器確定適宜的尿素噴射量，通過尿素泵提供高壓尿素溶液，并通過噴嘴噴入霧化的尿素溶液與NOx發(fā)生反應(yīng)，完成后通過NH3捕捉器回收多余的 NH3或者因尿素溶液不足而進一步增加噴射量，形成閉環(huán)控制，最終將達到標(biāo)準(zhǔn)的尾氣排入大氣。

二甲醚發(fā)動機大多是由柴油機改進而來，并沒有專門對NOx的反應(yīng)機理做出改進措施。因此，在二甲醚發(fā)動機上增加SCR技術(shù)，充分利用二甲醚發(fā)動機碳煙零排放和大幅降低發(fā)動機微粒排放的優(yōu)良特性，極大幅度地降低NOx的排放量，實現(xiàn)超低排放，使其滿足未來國V甚至國Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)，從而為今后的環(huán)境保護防止空氣污染提供更好的借鑒意義。

2.3 二甲醚發(fā)動機SCR電控系統(tǒng)的設(shè)計策略

SCR在處理汽車廢氣中，NOx和NH3是矛盾的關(guān)系，為了避免在處理NOx中生成多余的NH3而造成二次污染，需要對 NH3等還原劑進行準(zhǔn)確的控制，這同樣是二甲醚發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。還原劑噴射控制方式可以分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，開環(huán)控制可以滿足國Ⅳ的排放要求，但要滿足國V乃至國Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)就需要與電控噴油類似的閉環(huán)控制策略。具體包括了尿素基本噴射量、穩(wěn)態(tài)修正模塊、瞬態(tài)修正模塊以及反饋修正模塊。

尿素基本噴射量是通過計算進氣流量和排氣NOx濃度，得到發(fā)動機每個工作循環(huán)中尿素的基本噴油量。穩(wěn)態(tài)修正控制是針對NOx的轉(zhuǎn)換率對基本尿素的基本噴射量進行修正。因為給定的催化劑對 NOx的轉(zhuǎn)化性能主要與空速和催化劑溫度，特別是催化劑溫度相關(guān)，這樣可以避免過量的NH3造成泄露。瞬態(tài)修正控制是因為發(fā)動機的實際工作狀況復(fù)雜多變，必須根據(jù)發(fā)動機的工況負(fù)荷變化施以不同的修正才能保證任何工況下都能有效降低NOx排放和NH3泄漏。

相比開環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)勢雖然十分明顯，但控制策略較為復(fù)雜，由于技術(shù)條件限制，閉環(huán)控制的可靠性、精度等都有待提高，成本也較高昂。

3 總 結(jié)

文中結(jié)合當(dāng)今石油緊缺、空氣污染等現(xiàn)狀，介紹了近幾年二甲醚發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀和重要意義，重點分析其在NOx排放方面的不足，并結(jié)合當(dāng)前在歐洲應(yīng)用廣泛的 SCR技術(shù)，對二甲醚發(fā)動機 NOx超低排放的實現(xiàn)提出了建議，并得出以下結(jié)論：

（1）二甲醚發(fā)動機是在傳統(tǒng)的柴油機基礎(chǔ)上改進而來，在煙度、HC排放方面遠低于現(xiàn)行排放指標(biāo)的要求，達到了國V乃至國Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)，但在NOx排放方面僅達到了現(xiàn)行的國III標(biāo)準(zhǔn)，如果能使NOx排放大幅度降低，將使二甲醚發(fā)動機具有更加強大的生命力。

（2）SCR技術(shù)在傳統(tǒng)柴油機上有著廣泛的應(yīng)用，對NOx排放有50%甚至更高的轉(zhuǎn)化效率。因為SCR技術(shù)對NOx的轉(zhuǎn)化效果與發(fā)動機種類型并無關(guān)系，因此如果將SCR技術(shù)做適當(dāng)?shù)母倪M，應(yīng)用到二甲醚發(fā)動機上，預(yù)計同樣可以將NOx轉(zhuǎn)化率達到 50%甚至更高，使 NOx排放與煙度、HC排放相匹配，整體排放達到國V乃至國Ⅵ的標(biāo)準(zhǔn)，對未來5～10年實現(xiàn)汽車尾氣NOx超低排放有著重要的指導(dǎo)和研究的意義。

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