高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程.docx

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1、高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程柴油机是所有内燃机中效率最高的一种动力装置，由于其性能上的优越性，在未来相当长一段时间内，柴油机的保有量还会增加，发展前景仍被看好。近年来，车用柴油机中直喷式柴油机份额不断提高，国内外对高速直喷式柴油机性能与排放的研究也不断深入，应用领域大大扩大，其倍受青睐的原因在于直喷式柴油机具有燃油消耗率低，一般比同类型的分隔式燃烧系统要降低1015，相应的CO2排放也较低，在燃烧室中，着火开始前燃油与空气的混合相对较好，不需采取附加的辅助起动装置就能顺利实现冷起动等优点。但与分隔式燃烧系统相比，直喷式燃烧噪声较大，NOx和PM排放较高。本文主要针对高速直喷

2、式柴油机（HSDI）燃油喷射系统、燃烧系统及后处理技术的多种实现形式进行分析比较，并对其发展趋势作出预测。一、燃油喷射系统（一）电控泵喷嘴喷油系统随着燃油喷射向短喷油持续期、大喷油率和高喷油压力方向的发展，穴蚀和二次喷射问题、燃油的泄漏问题等都已成为传统的泵管嘴喷油系统发展的主要障碍，从而为泵喷嘴系统的发展提供了广阔的前景。在20世纪80年代后期由于排放对高喷油压力的要求及电控技术的急速发展，电控泵喷嘴成了极有魅力的新一代喷油系统。电控泵喷嘴由于取消了高压油管，所以容易产生高喷油压力，而喷油压力直接影响着柴油机的功率和扭矩，并能改善排放，博世公司生产的柴油轿车用电控泵喷嘴的喷油压力已高达205

3、MPa，由于泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这很符合发动机的要求，大众公司的TDI发动机就是使用这个技术。由于采用电控系统，使系统控制灵活，通过电磁阀的两次动作可实现可控喷射，大大降低了噪声和振动，并改善了排放，不易产生穴蚀和二次喷射等异常喷射。与其它新一代柴油喷油系统的共轨系统比较，电控泵喷嘴最大的特点是容易实现高压喷油，而共轨系统由于其结构特点特别是需要密封的高压部位多使其能够达到的高压受到限制，但电控泵喷嘴系统喷油压力受发动机转速和负荷（喷油量）影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题

4、；另一方面由于电控泵喷嘴的供油规律仍采用凸轮控制，在控制喷油压力及实现多次喷射等方面不如共轨系统的自由度大。（二）高压共轨喷油系统柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制在众多的电控系统中有最大的灵活性和自由度。相对于其他燃油喷射系统，高压共轨燃油喷射系统的特点如下1:在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛

5、；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化后可达180MPa的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达7次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩；排放、噪声降低，柴油机整机性能有所提高。二、燃烧系统（一）传统柴油机燃烧传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区产生NOx，内部高温缺氧区产生PM。由于NOx生成的主要机理是高温富氧，为减少NOx排放而采取的导致燃烧温度降低的措施，往往会减少碳烟的氧化，从而导致碳烟排放恶化，因此，无法

6、同时有效降低NOx和PM排放。这是以扩散燃烧为主的传统柴油机所无法避免的。如上所述，NOx和PM排放及燃烧噪声是高速直喷式柴油机必须解决的主要问题，研究资料表明，减少预混合燃烧以降低NOx，强化扩散燃烧以降低颗粒和烟度，同时通过控制喷油速率等措施降低燃烧噪声是燃烧系统改进的主要思路。按此思路，应该采取的措施2见图1。 （二）HCCI燃烧直喷式柴油机是一种效率很高的发动机，其温室气体CO2和有害气体HC、CO的排放都比汽油机低。但由于它的扩散燃烧和燃烧产生的局部高温这样一些燃烧特点，很难遏制NOX和炭烟（包括微粒物）的生成，并且还存在NOX和PM排放控制目标之间相互冲突的问题。因此，必须促进燃油

7、和空气的混合，从这个观点出发，许多研究者研究了预混合的压缩点燃燃烧，即HCCI3。HCCI的技术特点:（1）放热率在一定的工况下，HCCI的放热速率可接近Otto循环:没有高温区和不发光的燃烧，使得热损失减小。因此，HCCI有较高的热效率。（2）污染物排放NOxHCCI是以较稀的混合比、高的废气再循环（EGR）燃烧，由于燃烧室中没有高温区，能显著降低NOx的排放，不过目前NOx排放减少的结论都是在部分负荷条件下得出的，在相同过量空气系数下，HCCI对降低NOx排放效果不大。PM目前的研究表明，采用HCCI的PM排放较低。PM减少的机理目前还不十分清楚，大部分人认为燃油碰壁扩散燃烧和局部浓混合区

8、的减少都有效地抑止了PM的形成。HC和CO人们普遍认为与传统的柴油机燃烧相比，HCCI的HC和CO排放是增加的。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI采用较稀的混合气和高的废气再循环（EGR），缸内温度较低，最终使得HC和CO的氧化率下降，排放增加。（3）运行工况在发动机整个工作过程中，燃烧始点和燃烧快慢的控制是两个主要问题。在HCCI中控制燃烧始点很困难，为了获得良好的自燃就需要较高的充量温度和压缩比，而在发动机的整个工况范围内，由于爆震和失火的限制，这样高的温度和压缩比不可能在所有工况都实现。目前HCCI方式在2行程发动机上主要应用在中低负荷工况区。三、后处理系统 柴油机排气污染物包括P

9、M、NOx、HC和CO等。其中，HC和CO含量较低，且易于净化，所以柴油机排气控制主要针对PM和NOx进行，由于PM和NOx无论在物理形态上还是化学性能上都存在很大差异，相应地，柴油机排气后处理技术系统也分为PM净化系统和NOx净化系统。近来人们还对能够同时处理PM和NOx的技术进行了探索。（一）PM净化系统1催化氧化法柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤，利用催化氧化技术减少载重车和城市公交车柴油机尾气PM排放始于20世纪90年代。催化剂为蜂窝整体直通式，能部分氧化去除排气PM的可溶性有机组分以及气态污染物HC和CO，发动机负荷低时，PM可溶性有机组分含量高，催化氧化降低PM排放效果明显；

10、而发动机负荷高时，PM中可溶性有机组分含量低，催化氧化降低PM排放效果较弱。典型的PM排放降低值为2050，而且随着排气温度提高，降低率增大，但排气温度提高也会导致SO3和硫酸盐排放增加。2过滤法过滤是降低PM排放最直接的方法，但将柴油机排气微粒收集起来后，决定微粒捕集器可行性的就是再生的问题了，微粒捕集器的再生一般都采用燃烧法，即利用外界能量提高微粒捕集器内的温度，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。目前，催化再生的燃油添加剂再生和连续再生已成为研究的热点。燃油添加剂再生可能会造成新的二次污染，但这类燃油添加剂通常为含钙或铁钡铜

11、锰的金属化合物，成本相对低，降低微粒着火温度显著，在国内该方法应该具有较为广泛的应用前景；而连续再生是将催化剂与微粒表面充分接触，降低微粒排放量的效果也较为明显。连续再生式DPF装置目前要解决的问题是:在发动机的各种运转条件下不发生碳粒堵塞现象，以确保碳粒净化率的长期稳定性，提高其使用寿命4。3低温等离子体技术目前，低温等离子体技术在柴油机尾气控制中较多的是将其用于排气微粒的捕集，其主要依据在于柴油机排气微粒中有7080（以质量计）是带电的。利用低温等离子技术捕集柴油机微粒的技术现在还处于实验室阶段，而且已获得较满意的数据。等离子体静电捕集微粒装置的流动阻力小，对发动机的性能影响较小，这是传统

12、微粒捕集器所没有的，而且具有较高的捕集效率，能解决微小微粒难于收集的困难等优点。但是这种技术实用化的最大困难在于设备庞大，结构复杂及成本较高，在车用上则有高压电电源的供给问题。因此，该项技术的商品化还需要进一步的研究6。（二）NOx净化系统由于柴油机机内NOx控制与PM控制存在所谓的trade-off效应，而机外的NOx控制又因排气中含有大量O2而变得非常困难。目前，柴油机排气NOx净化研究主要从选择性催化还原和吸附催化还原两条技术路线入手。1选择性催化还原选择性催化还原有一个很明显的优点就是:催化剂不会因为燃料或润滑油中所含的硫而引起硫中毒。以尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以降低柴油

13、机排气中绝大部分的NOx，也能降低部分HC。因此，以尿素为还原剂的SCR被认为是最具有应用前景的。但尿素SCR技术的难点在于处理城市基本建设与植被尿素水的矛盾，所以使将来车用尿素的SCR的实用性受到影响。1990年，Iwamoto和Held分别报道在Cu/ZSM-5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx。随后，作为净化柴油机和吸燃汽油机排NOx的潜在技术，HC选择性催化还原NOx受到重视。对小型客车来说，HC选择性催化还原系统的发展旨在改进催化剂材料和增大NOx净化效率的控制方法上，同时也尽量减少燃料经济性的恶化5。2吸附催化还原吸附催化还原对NOx的净化率高达80左右，其还原NOx的机理是:基

14、于发动机周期性进行稀燃和富燃工作的一种NOx净化技术，在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。对于超低S燃料，现有吸附催化还原技术可将NOx降低90，但燃油经济性会因此降低。适用于高含量S燃料的吸附催化剂目前尚在开发之中7。（三）同时净化系统1同时催化法 在氧化环境下，用催化方法同时去除NOx和PM的理念是由Yoshida首次提出的，他对“Soot-O2-NO”3组份之间反应的可能性进行了实验研究和探讨。Cooper等人通过实验研究发现，NO在Pt催化剂作用下被氧化成NO2，而NO2能进一步氧化柴油机的碳烟，从而揭示了NO（NO2）在降低柴油机碳烟中

15、的作用8。2四效催化剂最近，被称作柴油机PMNOx还原系统（DPNR）的一种四效催化系统得到了发展，它具有同时净化4种有害物质PM，NOx，CO和HC的潜力。DPNR是一种DPF，只是表面有一层吸附催化还原催化剂的涂层。在DPNR系统中，PM由活性氧氧化，而活性氧产生于NOx储存与还原的过程中，还有一部分来自稀燃状态下过剩的氧气。四、燃料燃料的组成和性质对控制柴油机排放及预防催化剂中毒具有重要影响。燃料硫对PM排放是不利的，其原因除了燃烧过程中能生成硫酸盐的固体颗粒以外，还因燃烧产物氧化硫能促使碳烟的生成。Baranescu研究表明含硫量每提高0.1，PM排放就增加0.034g/（kWh）。此

16、外，McCarthy研究表明，生成的硫酸盐固体颗粒对SOF（可溶有机物）有较强吸附能力，因而使SOF排放亦增加。由于硫对废气催化转化器中催化剂还有中毒危害，故国外对燃料硫限制比较严格，美国限制燃料硫在0.05以下。芳烃对排放也会产生较大的影响。二环、三环芳烃是生成PM中多环芳香烃（PAH）的主要组份，应严格限制。McCarthy的试验结果表明芳烃每下降10，PM排放下降0.005g/（kWh）。芳烃增加碳烟排放是因芳烃在较高温度下不易发生环破裂和被氧化，相反更易直接发生缩聚生成多环芳烃的碳烟前体，由此造成更多的碳烟生成。含氧组份的醇、醚和酯能改善排放，特别是二甲基醚（DME）降污性能十分优越，

17、所以柴油中引入含氧组份十分有利。助燃消烟剂能大幅度减少碳烟和PM的排放，因此使用助燃消烟剂也是减少排放的有效方法。此外，燃料的十六烷值（CN）、表面张力、粘度、馏程和密度对排放都有较大影响，且呈一定规律。提高CN值和选择适当粘度范围，降低燃料初馏点、终馏点、90馏出温度、表面张力以及控制密度超限对改善排放都有利。近来，天然气液化燃料（GTL）引起了人们的注意，它是一种由天然气制成的洁净、无色、优质的合成燃料，作为性价比最高的替代燃料，其燃烧性极佳，而且不含硫。现有的柴油发动机无需做任何改造，就可以单独使用这种燃料或与标准柴油混合使用9。五、结束语在过去的十年中，高速直喷式柴油机无论是在燃油喷射

18、系统、燃烧系统以及排气后处理系统的各项关键技术中，还是在涡轮增压和发动机结构性能改善等领域都已经取得了显著的进步。在未来的小型高速直喷式柴油机中，发动机性能的改善更多的依赖于各种先进技术的优化组合，从而实现多因素的优化控制。燃烧系统与后处理系统的合理结合依赖于汽车类型，而对系统中关键技术的最佳选择问题目前正处于研究与讨论当中。除此之外，通过一个复杂的管理系统来对各种先进技术进行集成控制是很重要的。不久的将来，一项由复杂算法控制的发动机管理技术将成为高速直喷式柴油机发展中的关键技术。虽然或多或少地存在着一些问题，但随着研究的深入以及各项先进技术的发展和燃油的进一步低硫化，高速直喷式柴油机未来的发

19、展拥有光明的前景，我们有理由相信:超清洁、高性能的柴油机是可以实现的。用氢来降低柴油机排放中的PM和NOX限值美国商用汽车工业标准要求在20072010年间将柴油车的现有微粒（PM）和氮氧化物（NOx）排放水平降低90%以上，类似严格的欧洲排放标准也会在20052008年间实施（欧和欧）。瞄准于应用在北美、欧洲和亚洲的重货、轻货和乘用车，各种创新解决方案和技术正在研发之中，这些技术可以满足即将实施的新的柴油机废气排放法规。这里讨论的重点，并非目前谈论较多的选择性催化还原（SCR）和废气再循环（EGR）后处理系统，而是利用氢降低柴油机排放中的PM和NOx限值。 汽车尾气排放中的传统问题 未来汽车

20、尾气排放的限值目标，明显地减少柴油机废气中的微粒（PM）或者碳烟和氮氧化物（NOx）的含量。传统的问题是，在采用的废气后处理系统中，PM和NOx两者通常减少了一种量而增加了另一种量。 目前，为满足2006年10月实施的欧排放限值，大多数欧洲货车制造商已经凭借设计的发动机以生成极少PM，继之利用选择性催化还原技术（SCR）来减少废气中的NOx。这将需要以尿素添加剂以还原催化转化器中的NOx。尿素添加剂也需要含硫量较低的燃油，否则硫会大大减少催化转化器材料的使用寿命。 另一种达到欧的策略是曼公司和斯堪尼亚公司所选择的EGR方法。这里，可以通过冷却废气和让流过发动机的废气进行再循环以更加完全地燃烧，

21、以此减少NOx的生成。然后在一个微粒捕集器上捕集PM。然而，微粒捕集器需要连续再生，否则捕集器很容易被碳烟阻塞，发动机会停止工作。为了再生，通过将柴油喷入废气流中无害地燃烧掉碳烟微粒以提高废气温度。 因此，采用以上两种方案，都难于避免传统存在的上述问题。据排气系统和车桥制造商阿文美驰公司（ArvinMeritorinc）称，一种两全其美的方法，就是将等离子体燃料转化器（plasmareformer）引入到废气流中。大约在2010年，欧V将会带来甚至更严格的排放限值和新的挑战，plasma reformer可能有助于处理这种更严格的排放限值问题。据称，Plasma Reformer是一种在汽车尾

22、气排放上具有突破性进展的技术，对商用车和轻型汽车制造商为满足即将到来的2010年柴油机废气排放标准开辟了变革性的道路。plasma reformer从车载的柴油或者汽油中产生一种富氢燃气，可以用之启动废气控制系统。目前，这种装置正在重型和轻型货车以及大客车上进行装车试验。预期这种plasma reformer可以在2010年投入生产。“氢”正登台清洁排放的主要阶段 氢燃料电池动力汽车距离商业实用阶段也许尚有多年时间，但随着排放法规逐渐严格，氢的作用远远不只是作为一种燃料，它在未来排放中也可减少柴油机排放中的pM和NOx限值。据阿文美驰公司称，他们将在今后几年里在柴油机中使用氢来简化排放控制系统

23、。阿文美驰公司已经开发出的这项新技术，可以缩小当今内燃机和燃料电池动力系统间的差距，并极大的促进燃油经济性的提高。 阿文美驰公司新系统的核心技术，是“低能等离子体燃料转化器系统”（low-powered plasma reformer sys-tem），通过等离子体裂化碳氢化合物气体和水蒸汽反应来产生氢，它无需一个单独的氢燃料供给系统。这种plasmare former根据车辆供燃油的需要而产生氢，无论是汽油或是柴油，都可以省去单独供油系统的重量和成本。由于等离子燃料转化器对车上氢的自生非常有效，该技术也可被发展为燃料电池的一项过渡技术，作为一种重要的内燃机（ICE）代用燃料资源。 等离子燃料

24、转化器的工作原理及效果 等离子体燃料转化器类似于强连续“点火”，部分地燃烧空气与碳氢化物燃料（柴油或者汽油）的混合气。在设计上，这里的空气是有意不让其支持燃烧，而代之以将燃油/空气混合气分解，形成一种富氢燃气。在柴油机中，这种富氢燃气可能有助于恢复和改善废气排放系统的性能，启动其它废气排放系统的工作。在商用车上，富氢燃气可以作为一种低成本、高效率、完全燃烧、快速启动的NOx和PM捕集器的再生器，立刻就可以应用到柴油机废气后处理系统。从长远看，富氢燃气可能大大提高汽油机的燃烧效率。plasma reformerit用大约1OOW的电能，相当于一对传统的前照灯。 阿文美驰公司新型等离子燃料转化器，

25、最初就是作为商用车柴油机尾气排放系统清洁氮氧化物（NOx）的再生器而设计的。将plasma reformer应用到汽车尾气排放净化系统，从原理上讲是在系统的媒质表面形成有活性物质的覆盖层，使尾气中的氮氧化物被吸收从而避免其排放到环境中。在传统的氮氧化物气体中，柴油燃料是作为碳氢化合物引入的，其缺点包括在低温下难以起动，造成更多的燃料消耗，让更多未燃尽的柴油排放到大气中去。采用plasma reform-er，通过低能等离子体裂化碳氢化合物气体和水蒸汽反应自生成氢气，从而减少NOx的排放。plasma reformer系统对于NOx和pM排放两者皆可降低，其处理方式和明显的效果在下列两种情况下都

26、得以体现。 在处理NOx时，与SCR系统不同，阿文美驰公司的研究集中在使用等离子技术，利用一种“双管路NOx捕集器”（dual leg NOx trap）。plasma reformer安装在NO对甫集器的进气端，在气体进入一个或者另一个管路之前。双管路NOx捕集器结构意味着废气可以一条管路处理，而另一条被处于再生状态。 富氢燃气能非常有效地定期“再生”PM和NO对甫集器。试验表明，等离子转化器的富氢燃气只用相当于传统方法大约一半的柴油对NOx捕集器进行再生。氢启动的NO对甫集器也可以制作得非常小，更能抵抗硫的毒化。NOx捕集器也可以比其使用柴油有更宽的温度范围。也可能在货车发动机怠速工作时对

27、氢启动的NOx捕集器进行再生，这一点是不可能简单地用传统方法做得到。试验表明，氢可以把储存在捕集器里的NOx降低90%以上，其效率远高于欧IV采用的SCR系统。另一个优点是不需要任何添加剂，这对于车辆制造商和经营业主具有相当大的吸引力。因为取消了尿素添加剂储存箱和剂量系统会减少重量和节约成本。 就工作温度而言，plasma reformer以在低到400温度下除硫，这大致相当于传统柴油机排气的温度；而低到1500C温度时能有效除去氮氧化物（NOx）。阿文美驰公司发现，利用等离子技术把氧化催化转化器和微粒捕集器组合一起，在排气温度低到100时氢气混合物对氧化催化转化器发生影响。这显示出甚至在冷发

28、动机温度下都可能有效。 与目前利用柴油来提高捕集器温度的再生方法相比较，等离子系统为获得相同的能量释出而使用排气中不到20%的氧气。 如果减低NOx和PM这两种技术证明皆可行的话，那么这种等离子燃料转化器将对排放控制具有很大的冲击。提升了简化排放控制并降低成本的可能性。是否两个系统能通过使用等离子燃料转化器按顺序工作来减少PM和NOx，尚待观察。如果是，这就非常值得转移到欧以及更严格的欧V标准。 阿文美驰公司还报道了等离子燃料转化器能很好地与均质充量压缩点火（HCCI）柴油机技术协同工作，这有望于同步降低PM和NOx的排放。公司认为plasma reformer技术可能在2009年前得以商用，

29、但日CCI未必能在2014年前能得到。氢加强燃烧一种具有前景的超稀薄均质燃烧的设想 plasma reformer（美国麻省理工学院（MIT）称之为Plasmatron可能对排放和燃料经济性具有巨大的影响。如果广泛使用pasmatron氢加强汽油发动机，实际上能提高小客车和其它轻型汽车的平均效率20%，一年可节省的汽油大约250亿加仑，估计改善汽油燃料经济性20%30%。这堪称于一台现代轻型柴油机，从而可能对未来轻型商用车发动机结构的一种冲击。 在汽油发动机中，plasma reformer适用于进气燃油/空气混合气。在plasmareformer里，经过计量的空气进入一个位于燃烧器下游的等离

30、子发生器中。将高电压施加于气流，于是形成高温等离子体。高温等离子体将气流喷入燃烧器，起燃可燃成分高的燃油一空气混合气。plasma reformer内，在无需催化剂情况下由等离子建立的高温气相中发生局部化学反应。 将氢气添加到均质燃油混合气中可改善混合气的可燃性，提高火焰速度和燃烧稳定性。从理论上讲，稀燃发动机与等离子转化器组合，把NOx排放降低到在废气流中无须后处理的程度。 超稀薄燃烧被认为是汽油机革命中后续必走的重大一步。然而，排放控制要求这些发动机应在理想空燃比条件下工作，以避免昂贵的排放控制系统。把少量的氢气添加到气缸充气之中，在无须处理NOx排放情况下让这类发动机比其它方案以更稀的混

31、合气工作。虽然这并非是一种新设想，但阿文美驰公司开发的这种快速反应的小型等离子转化器概念却更趋于现实。 阿文美驰公司正在探索在汽油机上使用以支持超稀薄涡轮增压的这种装置，用之降低排放和提高燃料经济性。阿文美驰公司与德国汽车交通工程股份有限公司（IAV）合作对此做进一步的研究和开发工作。IAV公司和阿文美驰公司专.业人士在MTZ杂志上撰文宣称，他们研制的氢加强燃烧发动机（HECE）方案，在SUV的3.2L试验发动机上做了试验。HECE假定的前提是，少量添加到气缸混合气之中的氢气可以让均质充气的超稀薄燃烧发动机其工作时的混合气更加稀薄得多。 美国麻省理工学院（MIT）Sloan汽车实验室的研究人员

32、也揭示出氢（H-2）和一氧化碳（CO）（两者皆是plasma reformer部分氧化反应的产物）都能提高混合气的辛烷值。将改善的可燃气体添加到发动机中从而可以使压缩比获得明显提高。甚至在涡轮增压条件下也能获得较高的压缩比。这可以让小发动机实现大发动机的工作，从而改善燃料经济性。增大压缩比能改善的热力学效率，从而改善油耗。一种集所有性能为一体的氢加强燃烧发动机（HECE）便会应运而生。超稀薄燃烧、高压缩比和涡轮增压的氢加强燃烧发动机（HECE）可以显示出下列特性： 极低的发动机NOx排放，只要求少量的或者不要求排放控制； 减少了泵气损失（赢得5%10%效率）： 改善了热力学特性（赢得1.%12

33、%效率）； 减少了摩擦（赢得5%8%效率）； 总效率提高20%30%。 这正是阿文美驰公司与美国麻省理工学院（MIT）和德国汽车交通工程股份有限公司（IAV GmbH）紧密合作，所展示添加日2扩大稀薄燃烧限值的成果。中重型车用柴油机实施欧IV排放的技木路径1 欧洲重型柴油机排放限值的演变 在一些国家和地区，中重型车用柴油机的排放在发动机对环境排放贡献度中要达到70%左右，因此中重型车用柴油机的排放一直是内燃机排放控制领域的重点。2005年欧洲车用发动机已开始实施欧排放法规，其对柴油机提出了更为苛刻的要求。表1为欧洲重型柴油机排放限值的演变，其中NOX排放限值自排放法规实施20年以来下降了81%

34、；PM排放限值15年以来下降了97%。 2 中重型车用柴油机实现欧应具有的基本条件 中重型车用欧柴油机必须建立在一台有良好基础的电控欧111发动机基础上。国外典型的1213L车用欧柴油机具有如下特征： a.采用直列6缸形式，单级带空一空中冷涡轮增压系统，同时匹配排气旁通阀和可变截面涡轮增压器或复合增压系统，或采用二级增压系统。控制进气温度很重要，进气温度每减低1NQ，可减少0.5%0.67%。 b.采用铸铁缸盖、水冷、4气门结构，喷油嘴垂直中置。4气门结构有使发动机功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潜力。 c.机体采用铸铁，水冷、湿式缸套，内置式机油冷却器。 d.采用整体铝活塞/钢顶铝裙组

35、合活塞/整体钢活塞。 e.燃油系统采用电控共轨系统/电控单.体泵/电控泵喷嘴/HEUI/高压喷射系统。需电控、35次的多次喷射（包括预喷、主喷、后喷）能力和更高的燃油喷射压力。如采用共轨系统，额定工况时最大喷射压力要达到180 MPa；如采用电控泵喷嘴或电控单体泵，额定工况时最大喷射压力要达到200 MPa3。为使油耗降低，应缩短喷油持续期，使放热靠近上止点。要借助于喷油规律实现柔和燃烧。表2为欧洲1213 L车用柴油机燃油系统的构成及预估情况。 f.进一步优化进气涡流和燃烧系统，采用直口或略微缩口燃烧室，进气涡流比为0.51.5，压缩比为16.518.5。 g.缸内最大爆发压力可达1822

36、MPa，升功率可达35 kW/L。 h.进一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指数提高到46。 i.严格控制活塞环、气门导管、增压器轴承等处的机油泄漏量，将发动机额定工况时机油耗与柴油耗的比值控制到0.1%以下。 j.采用排气后处理装置。 为实现欧排放，在燃烧方面，目前技术状况下能采用的技术措施多已被采用，仅依靠燃烧系统的优化已无法满足要求，更多地是将其与机后净化措施相结合，来满足更为苛刻的排放要求。控制PM排放的措施有氧化催化器（可溶性颗粒物）、颗粒捕集器（固体颗粒物）。 研究开发中的柴油机NOX后处理方法，有选择性非催化还原（SNCR）、选择性催化还

37、原（SCR）、非选择性催化还原（NSCR）和吸附还原催化剂，以及最新提出的低温等离子体技术，具有同时去除NOX和PM的潜力。 3 实现欧W的两条主要技术路线 要实现欧对NQx和PM都较低的限值，目前有如图1所示的两条技术路线：其一是先通过喷射系统优化和喷射定时提前以降低颗粒物，再使用SCR来降低因燃烧优化而产生的NQx排放；其二是EGR+DPF路线，即先通过废气再循环降低排放中NOx的成份，再用颗粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的颗粒、物，从而达到同时降低NOx和PM的效果6。3.1 路线1（优化燃烧+SCR） 此种路线在欧洲采用较多，简称欧洲路线。对于大多数制造商，发展现有的发动机技术是首

38、选的途径。有几种可选择的方案：如先在发动机机内处理NQx，再处理PM；或者两者都进行后处理。后者存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统，在发动机机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在发动机机内减少PM排放、在废气中处理NOx的措施。 在欧洲，目前采用的一种解决方案是：利用商业用的固体尿素和水（水溶液浓度为32.5%0.5%），在排气中喷人尿素、氨水等还原性物质，将NQx（主要是NO）还原为N2和H20。如市面上销售的AdBlue，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器。图2为SCR系统的工作原理。图3为用于欧发动

39、 这种净化方案的发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省5%7%，若扣除因尿素所增加的费用，还将有节油2%3%的优势。此外，这一路线对于燃油品质相对不敏感，戴姆勒克莱斯勒公司认为甚至含硫量350x10-6以下的欧燃油就可以满足要求。 但使用SCR后不但要增加SCR本身装置的质量约150300 kg，另外还要增加1个尿素溶液（AdBlue）箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液运行7 000 km计算，一辆汽车损失的有效载荷在400 kg左右。SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素的喷人量过少，则达不到应有的处理水

40、平，尿素的喷人量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成，这就加大了装置的复杂性和保养的难度，而且这种装置的价格也是较为昂贵的。目前欧洲市场每升尿素溶液现价为40欧分，每升柴油现价为42欧分。 SCR作为新的后处理技术，由于系统成本高 （大约是车辆成本的3%5%）、初期投资高、操作和保养费用高、需要加1套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因，在车用柴油机上还没有得到推广。其还要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断（OBD），同时需要车辆使用者有较高的环保意识，

41、自觉及时地添加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。此外，在温度较低（-11）的情况下，尿素-水溶液会结冰，也使其在寒冷地区的推广使用受到限制，但现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决。在SCR技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有几年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低SCR装置成本以及尿素加注站的布局等问题。随着对SCR技术的开发研究和排放法规的日趋严格，相信SCR技术在欧机上很快会得到推广。 3.2 路线2（EGR+DPF） 该路线美国采用较多，简称美国路线。 供油提前角和EGR都对柴油机的NOx排放和PM排放有较大的影响。减

42、小供油提前角，可以使NOx排放降低，但会使PM排放和燃油消耗率增加；而增大EGR率，使废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度，从而在燃烧过程中降低气体最高温度的同时可使NOx排放降低，但会使PM排放增加。与减小供油提前角相比，燃油消耗率变化不大，所以在采用降低NOx排放的措施时应首选EGR系统。 EGR可有效地降低NOx排放，但随着EGR率的增加，缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放，并使发动机的排气烟度增加，在中小负荷时烟度值比较小，而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大，所以为达到欧排放限值，EGR率一般控制在15%以内，同时还需配合使用DPF微粒捕集器。然而这项技术却潜伏着危险：一方面燃料一中

43、的硫会使微粒捕集系统中毒失效；另一方面，废气中含有的灰分会逐渐地堵塞捕集器，增加排气背压，使油耗恶化。因此，有时在DPF的上游增加一个氧化催化转换器（DOC），其基质用贵金属如白金涂层，就能够改进再生过程的效率，还将进一步降低HC的排放。图4为一典型的中重型车用柴油机配置的EGR+DPF+DOC系统（VGT为可变截面涡轮增压进气系统）。在某些发动机上也有只用DPF或DOC来转化PM的。 该方案成本比SCR低，但它不适合停车起动操作，因为此时发动机排温不可能达到300，废气中的黑烟无法在颗粒过滤器中燃烧，同时还存在过滤器堵塞的危险。它更适合发动机排温高而且比较稳定的长途运输使用。 为使EGR更有

44、效，EGR冷却系统和散热器必须比普通的大得多，甚至大于路线1中尿素箱的尺寸，可大多数发动机为了减少噪声进行了空间压缩，这增加了冷却问题的解决难度。早期试验表明了在欧W发动机中使用EGR的燃油效率不如SCR。而且这条路线对燃油品质的要求更高，要求硫含量达到低于50x10-6的水平，理想情况要求达到10x10-615x10-6的水平，这对于我国的石油工业要在2010年前达到这一要求似有困难。另外，要在柴油机上实现微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热，这些也在一定程度上增加了这一路线的油耗和系统成本。 正因为这些原因，许多生产厂商反对采用EGR系统。当然，这并不意

45、味着欧、欧发动机也不会采用。 目前，采用这一路线的主要厂商有SWRI，SCANIA、MAN等。 表3给出了上述两条技术路线的比较。 4 结束语 a.要实现欧对NOx和PM都较低的限值，目前大致上有两条技术路线：其一是先通过优化燃烧，再使用选择性催化还原来降低因燃烧优化而产生的NOx排放，NOx转化率达85%以上；其二是使用EGR使NOx降低，但会导致PM增加，因此要加DPF将PM转化。使用DPF的PM转化率可达80%90%，单独使用DOC时PM转化率大于50%。 b.考虑到中国能源短缺，而尿素生产比较普遍，因此我国中重型车用柴油机实施欧排放宜首选SCR技术路线。柴油机碳烟颗粒在气氛下的催化氧化

46、研究摘要:围绕柴油机碳烟颗粒在气氛下的催化氧化问题进行相关的实验研究。通过稀土氧化物氧化铈和氧化镧分别负载硝酸盐制备了实验用催化剂,并在催化剂和碳烟颗粒松接触情况下,研究了在背景下对碳烟颗粒催化氧化过程,实现了在背景下对碳烟颗粒催化氧化;实验结果还显示,采用复合性稀土氧化物更能促进碳烟颗粒催化氧化,更有利于同时解决柴油车排放过程中产生的和,从而为了开发高性能柴油机用催化剂提供了重要的实验基础。关键词:柴油机;排放;碳烟;氮氧化物;催化氧化中图分类号:421.5文献标志码:文章编号:10012222(2007)03007203柴油机尾气排放中碳烟颗粒和是柴油机实现达标排放治理的关键指标之一12。

47、柴油机排放的碳烟颗粒是由于在高温缺氧的情况下燃料和空气混合不均匀产生的,其颗粒度主要集中在几十纳米范围。通过颗粒捕集技术遇到最大的挑战是要用可靠和经济的方法实现颗粒捕集器的再生。柴油机排放的主要以的形式出现(约占90%),还有少量的2。能否通过的还原实现对碳烟颗粒的氧化,达到同时除去柴油机尾气排放中碳烟颗粒和的目的,国内外的一些学者对此进行了相关的探索。本实验通过自己制备催化剂,在气氛下对在柴油车排气歧管收集到的碳烟颗粒进行催化氧化研究。1实验部分1.1样品制备和准备所需催化剂通过水热法制备,并经过500下2的焙烧。选用氧化铈和氧化镧作为载体,分别负载硝酸钾(7%),并依据负载的氧化物分别记做7,7,7(和质量比为11)碳烟颗粒物是从直喷式6130柴油机排气歧管内壁收集的,并除去其中的铁锈等颗粒物。为了比较真实地反映催化剂的活性,研究中催化剂和碳烟颗粒的混合采用“松接触”的方式34,即将催化剂和碳烟颗粒按一定的比例分别称重,装入试样瓶,并摇晃试样瓶,使其外观上达到均匀混合。1.2实验仪器和方法催化反应活性的检测采用动态色谱