柴油發(fā)動(dòng)機(jī)原理如何減排機(jī)動(dòng)車氮氧化物

1、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)原理如何減排機(jī)動(dòng)車氮氧化物 ？我國“十二五”時(shí)期新增氮氧化物作為受控大氣污染物。而機(jī)動(dòng)車排放是氮氧化物的主要貢獻(xiàn)者之一。如何減少機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放 已成為各地關(guān)注的重點(diǎn)。本版今日刊登機(jī)動(dòng)車排放專家的文章， 介紹 機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放控制技術(shù)和原理，以及如何減少氮氧化物排放的 相關(guān)建議，以饗讀者。氮氧化物對光化學(xué)煙霧的生成具有重要作用， 因此控制氮氧化物對于改善大氣質(zhì)量具有重要意義。由于汽油車和柴 油車的工作原理不同，對于氮氧化物的控制技術(shù)也有所不同。 可喜的 是，目前機(jī)動(dòng)車氮氧化物的控制技術(shù)成熟， 且已在發(fā)達(dá)國家得到廣泛 應(yīng)用。此外，控制機(jī)動(dòng)車氮氧化物，在選擇使用合適的技術(shù)同時(shí)，相 關(guān)

2、的政策和保障措施也十分必要。為什么要控制機(jī)動(dòng)車氮氧化物WWWrolL8OMW西農(nóng)天厚濾淸技術(shù)有眼責(zé)任公司XI'AM TIAMHOU FILTER TECHNOLOGY CO.ATD放?（柴油車尾氣減少器）閱讀提示汽油車和柴油車的排氣污染物都包括氮氧化物。排放法規(guī)中規(guī)定的氮氧化物主要包括一氧化氮和二氧化氮。由于氮氧化 物對光化學(xué)煙霧的生成具有重要作用， 因此國家將氮氧化物削減作為 “十二五” 的約束性指標(biāo)。 機(jī)動(dòng)車對環(huán)境的污染主要來自排氣排放。汽油車的主要排氣污染物是一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和 氮氧化物（NOx）;柴油車的排氣污染物除一氧化碳、碳?xì)?/p>

3、化合物和 氮氧化物以外，還包括微粒排放。 排放法規(guī)中規(guī)定的氮氧化物主要 包括一氧化氮和二氧化氮。一氧化氮是在燃燒室高溫條件下生成的， 由空氣中的氮?dú)夂脱鯕獍l(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生，在汽油機(jī)和柴油機(jī)中都 有。一氧化氮的生成強(qiáng)烈依賴溫度?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，當(dāng)反 應(yīng)溫度從2200C提高到2300C時(shí)，一氧化氮的生成量幾乎翻一番。 氧濃度提高也使一氧化氮生成量增加， 高溫持續(xù)時(shí)間越長， 一氧化氮 的生成量越大。 這給降低發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物排放提出了難題。 眾所周 知，熱效率是隨最高燃燒溫度的增加而增加的， 這表明在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 階段必須在發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放之間進(jìn)行折中處理， 盡可能精確地進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)才能取得最佳

4、匹配效果。 隨著排放法規(guī)的嚴(yán)格化， 必須采用后處 理技術(shù)才能有效降低氮氧化物排放并保持良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。 機(jī)動(dòng) 車排到大氣中的碳?xì)浠衔锖偷趸镌谝欢ǖ牡乩怼?溫度、氣象條 件下，經(jīng)強(qiáng)烈的陽光照射，會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成以臭氧（O3）、醛類為主的過氧化產(chǎn)物， 稱為光化學(xué)煙霧。 臭氧具有獨(dú)特的臭味和很 強(qiáng)的毒性，醛類對人眼及呼吸道有刺激作用。此外，它們還妨礙生物 的正常生長， 危害巨大。 由于氮氧化物對光化學(xué)煙霧的生成具有重要 作用，因此國家將氮氧化物削減作為“十二五”的約束性指標(biāo)。 減 少機(jī)動(dòng)車氮氧化物有哪些技術(shù)？閱讀提示 汽油車和柴油車的氮氧化物控制技術(shù)有所不同。目前汽油機(jī)采用的排放控制技

5、術(shù)主要是三元催化器， 能同時(shí)控制氮氧發(fā) 動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)常識(shí)化物、 碳?xì)浠衔锖鸵谎趸肌?柴油機(jī)由于過量空 氣系數(shù)較大，一般采用廢氣再循環(huán)和選擇還原技術(shù)控制氮氧化物排 放。 由于汽油車和柴油車的工作原理不同， 實(shí)際空燃比也相差較大， 因此汽油車和柴油車的氮氧化物控制技術(shù)有所不同。 目前汽油機(jī)采用 的排放控制技術(shù)主要是三元催化器， 能同時(shí)控制氮氧化物、 碳?xì)浠?物和一氧化碳。 柴油機(jī)由于過量空氣系數(shù)較大， 不適合使用三元催化 器，一般采用廢氣再循環(huán)和選擇還原技術(shù)（SCR）控制氮氧化物的排 放。 一、三元催化器是安裝在汽油車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化 裝置。它可將汽車尾氣排出的一氧化碳、 碳?xì)浠?/p>

6、物和氮氧化物等有 害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退?其中一氧化碳在高 溫下氧化為二氧化碳?xì)怏w；碳?xì)浠衔镌诟邷叵卵趸伤投趸?碳；氮氧化物還原成氮?dú)夂脱鯕?，使汽車尾氣得以凈化?常溫下三 元催化轉(zhuǎn)化器不具備催化能力， 催化器必須加熱到一定溫度才具有氧 化或還原的能力。通常催化轉(zhuǎn)化器起作用的溫度在200 C250 C之間，正常工作溫度一般在 350C700C。催化轉(zhuǎn)化器工作時(shí)的內(nèi)部 反應(yīng)越強(qiáng)烈，氧化還原反應(yīng)的溫度也越高。當(dāng)溫度超過850C1000C 時(shí)，催化器涂層很可能會(huì)脫落， 載體碎裂，導(dǎo)致實(shí)際排放惡化。 所以， 必須注意控制造成排氣溫度升高的各種因素， 如點(diǎn)火時(shí)間過遲或點(diǎn)火

7、次序錯(cuò)亂、失火等， 這都會(huì)使大量未燃燒的可燃混合氣進(jìn)入催化反應(yīng) 器，在催化器內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，造成排氣溫度過高，影響催化轉(zhuǎn)化器的壽命，甚至直接燒毀催化器。 三元催化器對硫、鉛、磷、鋅等 元素非常敏感。其中硫和鉛來自于汽油，磷和鋅來自于潤滑油。這 4 種物質(zhì)及它們在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒后形成的氧化物顆粒很容易吸附在催 化器的表面，使催化器無法與廢氣接觸，失去了催化作用，這就是所 謂的“催化器中毒”現(xiàn)象。因此使用三元催化器的汽車嚴(yán)格禁止使用 含鉛汽油，并要盡可能降低燃油中的硫含量。 為使汽油機(jī)排放的各 種廢氣的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最佳效果（ 90以上），需要在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管 中安裝氧傳感器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 其工作原

8、理是氧傳感器根據(jù)廢氣中 剩余氧的濃度給電子控制單元反饋信號(hào)， 將發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制在一 個(gè)狹孝接近理想的區(qū)域內(nèi)（14.7： 1）。如果燃油中含鉛、硅，會(huì)造成 氧傳感器中毒， 影響空燃比控制精度， 直接影響三元催化器的工作效 率。另外，如果使用不當(dāng)，還會(huì)造成氧傳感器積炭、陶瓷碎裂、加熱 器電阻絲燒斷、 內(nèi)部線路斷脫等故障。 氧傳感器的失效會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī) 的空燃比失控，排氣狀況惡化，催化轉(zhuǎn)化器效率降低，長時(shí)間會(huì)使催 化轉(zhuǎn)化器的使用壽命降低。 催化轉(zhuǎn)化器只要正確使用， 一般不需要維 護(hù)，故不要隨便拆卸，如需更換時(shí)一定要與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。 卡車發(fā)動(dòng) 機(jī)市場特點(diǎn) 二、廢氣再循環(huán)，簡稱EGR，是一種降低氮氧化物

9、排放 的有效措施。其基本工作方式是，將 5%20%的燃燒廢氣重新引入 進(jìn)氣管，與新鮮混合氣一同進(jìn)入燃燒室。由于廢氣不能再燃燒，所以 沖淡了混合氣，降低了燃燒速度。廢氣中大多是以二氧化碳和 H2O 蒸汽為主的三原子分子， 熱容大，因此廢氣再循環(huán)降低了最高燃燒溫 度，直接減少了氮氧化物排放。當(dāng)EGR量太小時(shí)，無法有效降低氮氧化物排放；而如果 EGR 量太大，則可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化， 運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)甚至熄火，碳?xì)浠衔锱欧帕吭黾印Ｋ?，必須根?jù)發(fā)動(dòng)機(jī) 的工況精確控制廢氣再循環(huán)量。 一般情況下，汽油機(jī)在怠速和暖機(jī)時(shí)， 由于混合氣質(zhì)量差，燃燒不穩(wěn)定，所以發(fā)動(dòng)機(jī)不需要進(jìn)行廢氣再循環(huán)， 在大負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí)，

10、考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)對輸出功率的要求， 也不進(jìn)行廢 氣再循環(huán)。 柴油機(jī)和汽油機(jī)都可以通過 EGR 來降低氮氧化物排放， 因?yàn)椴裼蜋C(jī)排氣中的氧含量比汽油機(jī)高， 所以柴油機(jī)允許并需要較大 的 EGR 率來降低氮氧化物排放。 柴油機(jī)所用 EGR 系統(tǒng)與汽油機(jī)類 似。在增壓柴油機(jī)中，再循環(huán)廢氣一般流到增壓器后的進(jìn)氣管中，以 免玷污增壓器葉輪。 這時(shí)，為防止增壓壓力大于排氣壓力時(shí)再循環(huán)廢 氣的倒流，要在 EGR 閥前加一個(gè)單向閥，以便利用排氣脈沖進(jìn)行 EGR。把再循環(huán)的廢氣加以冷卻，采用所謂冷 EGR，可以提高降低 氮氧化物排放效果，為防止柴油機(jī)采用 EGR 后磨損加劇，應(yīng)選用高 質(zhì)量潤滑油和低硫柴油。 我國重

11、型柴油機(jī)廣泛采用廢氣再循環(huán)降低 柴油的氮氧化物排放，以滿足國家皿階段排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。三、選擇還原技術(shù)，簡稱SCR,是迄今為止最有效的柴油機(jī)氮氧化物控制技 術(shù)。 SCR 技術(shù)由美國安格公司發(fā)明，于 1957 年申請專利，后來日本 在本國 環(huán)保政策的 驅(qū)動(dòng)下， 成功研制 出了 現(xiàn)今被廣 泛使用 的 V205/Ti02 催化器，并于上世紀(jì) 70 年代末在燃油和燃煤鍋爐上成功投 入商業(yè)運(yùn)行。 目前， SCR 方法在燃煤電廠脫硝方面已成為世界上應(yīng)用 最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術(shù)。 10 多年來，隨著 各國汽車排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，SCR技術(shù)已經(jīng)成為降低車用柴油機(jī)氮 氧化物排放的最有效手段，是

12、我國重型柴油機(jī)為滿足國家W階段排放 標(biāo)準(zhǔn)的首選技術(shù)路線。 在 SCR 系統(tǒng)中發(fā)生的是硝基反應(yīng)，濃度為 32.5的尿素水溶液經(jīng)過精確計(jì)量后噴到柴油機(jī)的廢氣中去，然后通 過水解反應(yīng)，尿素中氨分解為氨氣。在催化器的作用下，氨與氮氧化 物發(fā)生反應(yīng)， 將氮氧化物還原為氮?dú)猓?達(dá)到去除氮氧化物的目的。 在 SCR 系統(tǒng)中，氮氧化物的還原效率很高。 按目前國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試 循環(huán)，轉(zhuǎn)化效率最高可以達(dá)到 90以上，因此可以對發(fā)動(dòng)機(jī)按燃油 經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化。 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油性能差異結(jié)果證明， SCR 系統(tǒng)能夠 降低10%左右的燃油消耗率。 采用SCR技術(shù)以后，需要對排放系統(tǒng) 進(jìn)行有效在線監(jiān)控，以監(jiān)測尿素水溶液缺失

13、、濃度不足，尿素噴射計(jì) 量系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致氮氧化物排放升高等問題，因此針對采用 SCR 技術(shù)的柴油車，專門制定了相關(guān)的 OBD （車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)）監(jiān)控 要求。氮氧化物傳感器是專門針對采用 SCR系統(tǒng)的排放后處理系統(tǒng) 而設(shè)置的傳感器。這一傳感器安置在 SCR 催化器的后面，其工作原 理是基于汽油車用的氧傳感器發(fā)展起來的。 目前的測量精度可以達(dá)到 士 10%，有較長的使用壽命。在使用了 SCR技術(shù)的排放控制系統(tǒng)上， 要求必須安裝氮氧化物傳感器， 作為 OBD 系統(tǒng)的一部分。 氮氧化物 傳感器可以檢測到由于各種原因?qū)е碌牟裼蜋C(jī)氮氧化物超標(biāo)問題。 例 如尿素水溶液的缺失、使用了不恰當(dāng)濃度的尿素水溶液

14、、SCR催化器 老化引起的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率下降等問題， 并及時(shí)將出現(xiàn)的問題反饋 給 OBD 系統(tǒng)。 OBD 系統(tǒng)根據(jù)排放劣化的程度， 及時(shí)發(fā)出排放超標(biāo)報(bào) 警信號(hào)，或者向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)出降低柴油機(jī)扭矩請求。 機(jī)動(dòng)車氮氧化物控制有哪些建議？閱讀提示 隨著新生產(chǎn)汽車單車排放氮氧化物的大幅度降低， 黃標(biāo)車輛成為氮氧化物排放的主要貢獻(xiàn)者， 降低這部分汽車的氮氧化 物排放對降低氮氧化物的排放總量尤其重要。 此外，還需要進(jìn)一步加 強(qiáng)對在用車排放的監(jiān)督管理，及早發(fā)現(xiàn)排放超標(biāo)車輛。 中國自 2000 年在全國范圍開始實(shí)施國I排放標(biāo)準(zhǔn)， 從那時(shí)起，輕型汽油車都必須 安裝三元催化器才能滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的要

15、求。 與原來沒有 裝備催化器的汽油車相比，滿足國I標(biāo)準(zhǔn)的汽油車單車排放的各種污 染物降低幅度在80%以上。因此，國I標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，是我國機(jī)動(dòng)車 排放控制的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從國I到國W標(biāo)準(zhǔn)，又要求氮氧化物降低 80左右，使用三元催化器并保證催化器的有效作用是控制氮氧化物 排放的關(guān)鍵。 和汽油車相比，柴油車的氮氧化物排放控制進(jìn)程相對 緩慢，滿足國W標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車排放的氮氧化物是國I排放量的一 半左右?？傮w而言，國H前柴油車排放的氮氧化物排放量相對較高， 因此環(huán)境保護(hù)部將國皿柴油車和國I前的汽油車定義為黃標(biāo)車。換句話說，就是高排放車。 近幾年，我國機(jī)動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，新車增 長迅速，新車排放法規(guī)的推進(jìn)速

16、度也相對較快。今年 7 月 1日起，在 全國范圍內(nèi)，對汽油乘用車已經(jīng)實(shí)施了國家W階段排放標(biāo)準(zhǔn)， 重型柴 油機(jī)W階段的排放法規(guī)也將在明年實(shí)施。 隨著新生產(chǎn)汽車單車排放氮 氧化物的大幅度降低， 大批老舊車輛， 特別是黃標(biāo)車輛成為氮氧化物 排放的主要貢獻(xiàn)者， 降低這部分汽車的氮氧化物排放對降低氮氧化物 的排放總量尤其重要。 按照排放法規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)常識(shí)的實(shí)施日期，黃標(biāo) 汽油車是 2000年注冊使用的車輛， 使用時(shí)間均已超過了 10 年，車輛 本身也已經(jīng)十分陳舊，使用維修費(fèi)用增加，各種性能指標(biāo)劣化，污染 物排放十分嚴(yán)重。 據(jù)測算， 一輛黃標(biāo)汽油車排放的氮氧化物至少相當(dāng) 于 12 輛新汽油車。對這部分車輛，已

17、經(jīng)無法通過有效的技術(shù)手段維 修達(dá)到排放治理的目的，因此國家和地方政府相繼出臺(tái)了各種政策， 鼓勵(lì)對這部分車輛更新淘汰。 由于柴油乘用車在我國的發(fā)展緩慢， 迄今為止， 柴油轎車在我國還非常少見。 目前我國柴油車主要用于營 運(yùn)目的，車輛使用頻繁。由于超載等原因，車輛自身的狀態(tài)較差，加 上對發(fā)動(dòng)機(jī)疏于適當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)，導(dǎo)致這部分柴油車的排放尤其惡 劣。這類柴油車除氮氧化物排放較高以外， 顆粒物和黑煙排放也相當(dāng) 嚴(yán)重。在城市、高速公路上常常可以看到這類柴油車拖著濃濃的黑煙， 經(jīng)常被公眾投訴， 因此亟待解決這類車的排放問題。 最有效的手段是 加速其淘汰更新的步伐， 據(jù)此黃標(biāo)柴油車也被列入鼓勵(lì)更新淘汰的范 疇

18、。 為有效降低機(jī)動(dòng)車的氮氧化物排放，完成國家“十二五”確定 的目標(biāo)任務(wù)， 除積極推進(jìn)新車排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施、 采取各種措施加快黃 標(biāo)車的淘汰以外， 還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對在用車排放的監(jiān)督管理， 及早 發(fā)現(xiàn)排放超標(biāo)車輛。 因此各地環(huán)保局應(yīng)采取各種措施切實(shí)加強(qiáng)對在用 車排放的監(jiān)督管理。因?yàn)殡p怠速法只測量一氧化碳和碳?xì)浠衔锱?放，不測量氮氧化物排放，因此缺乏對在用汽油車氮氧化物的監(jiān)管。 從氮氧化物排放監(jiān)管的角度， 僅采用雙怠速法是不夠的， 應(yīng)積極推廣 使用能有效監(jiān)管汽油車氮氧化物排放的簡易工況法， 如穩(wěn)態(tài)加載法和 簡易瞬態(tài)工況法。 根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的“ 2010 年機(jī)動(dòng)車污染控制 年報(bào)”研究結(jié)果， 2009 年，我國柴油車排放的氮氧化物分擔(dān)率已經(jīng) 占到機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放總量的 59.6。因此，對柴油車氮氧化物的 控制應(yīng)該成為機(jī)動(dòng)車氮氧化物控制的主要目標(biāo)。 目前，我國在用柴油 車排放檢測標(biāo)準(zhǔn)中，只有對煙度的檢測，沒有對