周大權(quán)，李吉爽，林樹(shù)軍，何烈永，龔建平,張剛健，胡景彥

1.浙江錢(qián)江摩托股份有限公司研究院，浙江臺(tái)州 317500;2.寧波市鄞州德來(lái)特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315000)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種推動(dòng)時(shí)代進(jìn)步的裝置，廣泛運(yùn)用于交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)加工、航空航天、國(guó)防工業(yè)等重要領(lǐng)域。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量逐年增加，國(guó)家能源消耗和環(huán)境保護(hù)方面壓力增大。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)[1],汽車(chē)是大氣污染的主要貢獻(xiàn)者，CO和HC占比超過(guò)80%，NOx和PM占比超過(guò)90%。整治汽車(chē)污染物排放勢(shì)在必行。隨著GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限制及測(cè)試方法(中國(guó)第六階段)》法規(guī)推出及逐步實(shí)施，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

柴油機(jī)相比汽油機(jī)，具有熱效率高，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性好等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用于各種乘用車(chē)和商用車(chē)上。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，雖然我國(guó)柴油車(chē)保有量?jī)H占全國(guó)汽車(chē)保有量的7.8%，但是排放的NOx和PM分別占總量的57%和77%以上，因此加速開(kāi)展柴油車(chē)排放治理工作刻不容緩。

1 柴油機(jī)主要排放污染物介紹及控制方案

柴油機(jī)主要排放污染物有NOx、CO、HC和PM。相對(duì)于汽油機(jī)而言，大多數(shù)柴油機(jī)采用擴(kuò)散燃燒方式，其空燃比大，燃燒更加充分，排放物中CO和HC量較少，但NOx和PM含量較高，其中NOx是導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧的主要因素之一[2]。柴油機(jī)排放的顆粒物(PM)基本上是碳質(zhì)微球(含有少量氫和其他微量元素)的聚集體，當(dāng)排氣溫度較低時(shí)，碳煙會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱(chēng)為有機(jī)可溶成分。柴油機(jī)排氣PM的微觀形態(tài)呈復(fù)雜的鏈狀或團(tuán)絮狀，當(dāng)量粒度大多在0.02～1 μm范圍內(nèi)，其平均粒度為0.1～0.3 μm，屬于能長(zhǎng)期懸浮在空氣中的亞微米顆粒物[3]。顆粒物直徑越小，比表面積越大，其懸浮在空氣中，對(duì)空氣中的金屬粉末、病原體微生物以及部分強(qiáng)致癌物的吸附能力越強(qiáng)。當(dāng)顆粒物直徑小于2.5 μm(PM2.5)，稱(chēng)為可入肺顆粒，它對(duì)人體有極大的危害，長(zhǎng)期處于PM2.5的環(huán)境，易得肺癌，嚴(yán)重影響人民的健康[4]。因此有效控制NOx和PM排放是柴油機(jī)后處理及機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)。

1.1 柴油機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)方案

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平均過(guò)量空氣系數(shù)很高，即使在全負(fù)荷時(shí)一般都在1.3以上，在通常部分負(fù)荷下一般在2.0以上。如果達(dá)到理想的混合，柴油機(jī)的污染物排放將很低。但實(shí)際上由于油氣混合不均勻?qū)е露嗵幊霈F(xiàn)過(guò)量空氣系數(shù)小于0.6，使得顆粒物大量產(chǎn)生。因此柴油機(jī)產(chǎn)生污染物排放的根本原因在于燃油與空氣混合的不均勻，如何提高柴油機(jī)油氣混合均勻性成為技術(shù)的關(guān)鍵[5]。本文作者重點(diǎn)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進(jìn)行方案舉例。

1.1.1 柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

柴油機(jī)氣道設(shè)計(jì)注重渦流比和流量系數(shù)，對(duì)于輕型柴油機(jī)來(lái)講，國(guó)內(nèi)各大生產(chǎn)企業(yè)以及部分國(guó)外設(shè)計(jì)公司(AVL和FEV)推薦渦流比一般為1.6～2.1之間，北汽福田汽車(chē)的蔡卓潔、葉林保[5]對(duì)輕型柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化進(jìn)行研究，得出提高渦流比可以大幅度改善低速高負(fù)荷時(shí)候的煙度，但是高速會(huì)導(dǎo)致NOx的提高，需要優(yōu)化最合適的渦流比，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 渦流比對(duì)低速高負(fù)荷煙度(1 000 r/min,

對(duì)于重型柴油機(jī)，為了達(dá)到高性能、低油耗、低排放的目標(biāo)，普遍采用低渦流甚至是無(wú)渦流設(shè)計(jì)。

1.1.2 柴油機(jī)增壓系統(tǒng)

增壓不僅是提高柴油機(jī)功率密度的最重要手段，而且是控制排放的必然選擇。增壓柴油機(jī)(包括增壓中冷型柴油機(jī))的主要特性是進(jìn)氣量大，平均過(guò)量空氣系數(shù)大，這樣可以減少CO、HC及PM的排放，但是增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度上升會(huì)導(dǎo)致NOx排放量增大。隨著國(guó)六階段NOx排放限值的進(jìn)一步加嚴(yán)，大部分增壓柴油機(jī)需要采用EGR技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，渦輪增壓器必須同時(shí)在高速和低速時(shí)提供足夠的EGR驅(qū)動(dòng)壓差，尤其是低速工況，增壓器需要匹配更小的占空比來(lái)產(chǎn)生低速EGR，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)進(jìn)氣量減少，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的變差。

隨著增壓技術(shù)的提升，可變渦輪截面增壓器(VGT)的出現(xiàn)，可以改善低速時(shí)增壓系統(tǒng)渦輪的效率。有些機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)研究得出了VGT增壓器匹配國(guó)六柴油機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。VGT增壓器通過(guò)調(diào)節(jié)VGT開(kāi)度滿足不同工況下驅(qū)動(dòng)EGR壓差的要求，還具備發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理功能，尤其是低速低負(fù)荷工況，可以通過(guò)VGT的工作效率提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，滿足后處理起燃溫度的要求[7]，同時(shí)VGT還可以快速實(shí)現(xiàn)排氣制動(dòng)功能，滿足許多商用柴油車(chē)的需求。

1.1.3 燃油噴射系統(tǒng)

降低柴油機(jī)的排放，燃油噴射系統(tǒng)的改進(jìn)是關(guān)鍵，其中主要方案有：(1)優(yōu)化噴油正時(shí)。(2)優(yōu)化噴油規(guī)律(噴油過(guò)程可分為前期緩慢噴油，中期急速?lài)娪?，后期快速斷油[8]),這種噴射方式結(jié)合可以降低初始燃燒時(shí)混合氣的燃燒速率，噴射中期加強(qiáng)擴(kuò)散燃燒，使燃燒更加充分，噴油后期快速斷油，可以減少末期噴油壓力降低導(dǎo)致燃油霧化變差的問(wèn)題)。(3)燃油噴霧形態(tài)與燃燒室形狀與燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)相匹配。(4)降低燃油的SMD值，噴霧粒度足夠細(xì)且足夠均勻，保證了燃油及時(shí)蒸發(fā)，并與空氣充分混合(減低SMD一般通過(guò)提高噴油壓力、縮小噴孔大小、優(yōu)化噴油器內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn))。

1.1.4 低排放燃燒室

對(duì)于非直噴柴油機(jī)來(lái)講，PM的生成主要集中在副燃燒室，合理地設(shè)置主、副燃燒室之間的比例以及合理優(yōu)化進(jìn)入副燃燒室的氣流，可以大大減少顆粒物生成[9]。對(duì)于直噴式柴油機(jī)燃燒室，盡可能增大燃燒室的有效容積比，提高缸內(nèi)空氣利用率，降低PM排放，此外適當(dāng)提高壓縮比也能降低HC和CO的排放。

1.2 柴油機(jī)后處理技術(shù)方案

但是隨著排放指標(biāo)的日益嚴(yán)格，僅使用缸內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的要求,現(xiàn)在比較常用的柴油機(jī)后處理技術(shù)包括柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)、顆粒氧化催化轉(zhuǎn)化器(POC)、柴油機(jī)氧化催化器(DOC)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)、稀燃氮氧化物捕集技術(shù)(LNT)等。下面簡(jiǎn)單介紹主要后處理技術(shù)的原理。

1.2.1 氧化催化器(DOC)

DOC一般位于后處理系統(tǒng)的前段，它只具備氧化能力，一般以鉑、鈀等貴金屬作為催化劑，作用是將排氣中未燃盡的CO和HC氧化成CO2和H2O,同時(shí)降低微粒排放中的SOF(可溶性有機(jī)成分)的含量。其工作原理見(jiàn)圖2，DOC可以降低排氣中PM數(shù)值40%～50%，HC和CO處理效率分別可以達(dá)到88%、68%以上，但是DOC對(duì)于碳顆粒物的氧化處理效果比較差，同時(shí)有將排氣中的SO2氧化成SO3進(jìn)而生成硫酸鹽顆粒的趨勢(shì)，特別在溫度較高的情況下硫酸鹽生成速率增大，不但無(wú)法減少PM排放總量，而且可能導(dǎo)致載體因硫中毒而劣化[10]。

圖2 DOC工作原理示意

1.2.2 柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)

微粒捕集器示意見(jiàn)圖3，它主要是通過(guò)表面和內(nèi)部混合的過(guò)濾裝置捕捉顆粒，利用擴(kuò)散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截等方式，有效凈化排氣中70%～90%的顆粒。柴油機(jī)顆粒捕集器需要設(shè)置再生機(jī)構(gòu)保證該裝置的長(zhǎng)久運(yùn)行。

圖3 DPF結(jié)構(gòu)示意

1.2.3 選擇性催化還原技術(shù)(SCR)

選擇性催化還原技術(shù)是目前在柴油后處理系統(tǒng)中對(duì)NOx處理的主流技術(shù)，是利用尿素水溶液或氨水在一定溫度窗口和催化條件下將NOx還原成H2和H2O，因?yàn)镹H3作為還原劑優(yōu)先與NOx反應(yīng)，而不是與O2反應(yīng)，表現(xiàn)出高選擇性。就目前而言，運(yùn)用最廣泛的催化劑是V2O5-WO3/TiO2。V2O5作為主催化劑，作用是降低NOx的反應(yīng)活化能，降低反應(yīng)溫度；WO3稱(chēng)為助催化劑，主要作用是提高V2O5的穩(wěn)定性，增加其使用壽命；TiO2是V2O5和WO3的載體,具有承載、穩(wěn)定催化活化物質(zhì)的功能[10]。圖4為典型的SCR后處理系統(tǒng)原理圖。

圖4 SCR系統(tǒng)原理

1.2.4 多種后處理設(shè)備耦合

由于柴油機(jī)排放物NOx和PM之間存在trade-off關(guān)系[11],導(dǎo)致NOx和PM無(wú)法同時(shí)降低到最低。為了滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，需要不同的后處理設(shè)備耦合才可以達(dá)到同時(shí)降低二者的排放值。典型的耦合協(xié)作技術(shù)路線有：(1)采用優(yōu)化燃燒耦合SCR,此方案可以提高經(jīng)濟(jì)性，但是對(duì)排氣溫度有較高的要求，此外還要考慮SCR混合及冷機(jī)下結(jié)晶的問(wèn)題。(2)采用EGR+DPF，此技術(shù)可以同時(shí)降低NOx和PM，但是由于DPF的再生技術(shù)，EGR率過(guò)高后帶來(lái)的熱效率降低、腐蝕等問(wèn)題需進(jìn)一步研究。

2 柴油機(jī)國(guó)六技術(shù)方案

柴油機(jī)國(guó)六排放控制方案見(jiàn)圖5。

國(guó)內(nèi)主要柴油生產(chǎn)廠家技術(shù)路線統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖5 柴油機(jī)國(guó)六排放控制思維導(dǎo)圖

表1各廠家技術(shù)路線統(tǒng)計(jì)

廠家發(fā)動(dòng)機(jī)系列采用的技術(shù)路線EGR率玉柴K11外其他系列EGR+DOC+DPF+SCR低K11系列DOC+DPF+SCR+ASC無(wú)濰柴WP2.3N、WP3N、WP4.1N、WP4.6N、WP6.7、WP7、WP13EGR+DOC+DPF+SCR低WP20H、WP12、WP13DOC+DPF+HiSCR無(wú)江西五十鈴JE493、JE4D28、4JJ1DOC+DPF+SCR+ASC無(wú)

3 結(jié)論

(1)柴油機(jī)相比汽油機(jī)排放物中CO和HC量較少，但NOx和PM含量較高，污染物排放的根本原因在于燃油與空氣混合不均勻。因此通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)渦流，優(yōu)化燃燒室的形狀，優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)，采用VGT增壓中冷及EGR系統(tǒng)，可以從發(fā)動(dòng)機(jī)硬件方面降低發(fā)動(dòng)機(jī)原排，優(yōu)化機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)可以讓整機(jī)生產(chǎn)和運(yùn)行時(shí)保持更好的一致性和控制性，同時(shí)也可以大大降低后處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和使用成本，因此盡可能地降低發(fā)動(dòng)機(jī)原排是今后研究的重要方向。

(2)當(dāng)前相關(guān)廠家的排放耦合協(xié)作的技術(shù)路線以DOC+DPF+SCR+ASC或者EGR+DOC+DPF+SCR為主，這兩種方法需要對(duì)后處理進(jìn)行精確的熱管理，控制難度高，設(shè)計(jì)及標(biāo)定費(fèi)用多，整個(gè)后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較龐大。

(3)后處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效的設(shè)計(jì)方案是國(guó)六排放控制方案的趨勢(shì)。