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柴油机NOX排放控制与废气再循环技术 天津大学　何邦全　姚春德　刘增勇　李万众 (天津　300072) 摘要　本文从柴油机废气再循环的角度分析了降低柴油机NOX排放的原理、实施方 案、存在的问题及其解决方法。可以相信,随着废气再循环技术和发动机相关技术的 发展,柴油机NOX和颗粒排放物将会进一步降低。 关键词　废气再循环　排放物 Reduction of NOXfrom Diesel Engines with EGR Tianjin University　He Bangquan　Yao Chunde　Liu Zengyong　Li Wangzhong (Tianjin　300072) Abstract　In this paper,the theory,application problems and their solutions are reviewed.It is certain thatwith the development of exhaust gas re-circulation and its relevant technologies ap- plied to diesel engines,the NOXand PMemissions fromdiesel engineswill be further reduced. Key words　Exhaust gas re-circulation,Emissions 1　前言 为了改善空气质量,各国开始制定自己 的排放法规。表1就是美国、欧共体制定出 的未来轻型柴油车严格的排放法规。 单位:(g/mile) 美国年份NOXCO NMHC或NMOG PM 联邦1现在0·4 3·4 0·25 0·08 联邦2 2004 0·2 1·7 0·125 0·08 欧Ⅲ2000 0·5 0·64 0·56 0·05 欧Ⅳ2005 0·25 0·5 0·30 0·025 　　由此可见,减少柴油机的有害排放物,特 别是NOX的措施已成为柴油机满足各种新 法规的必要手段。 2　废气再循环技术 与汽油机相比,柴油机由于其进气流动 损失小,燃油消耗率低,而且在低当量比下工 作时CO和HC排放低这些优点,所以使柴油 机成为很有吸引力的动力。柴油机的废气主 要由N2、CO2、H2O和O2组成,然而传统的柴 油机有相当高的NOX和颗粒排放物,大多数 降低NOX排放物的措施往往又致使HC和颗 粒排放增加。如推迟喷油提前角可使压力升 高率dp/dθ下降,最高燃烧温度下降,NOX 减少,但参与扩散燃烧的燃料增加,颗粒排放 增加,而且还使发动机热效率降低,燃油经济 性下降。图1给出了喷油提前角与燃油经济 性和排放之间的关系。 图1　喷油提前角与燃油消耗和排放之间的关系 图2给出了发动机燃烧放热率随排放法 规变化的趋势图。由此可见,仅用推迟喷油 提前角来改善排放是有限的。通常小于5g/ hp.h的NOX排放水平的柴油机采用推迟喷 油提前角来改善NOX差不多已经达到了极 限。为了保证发动机的燃烧热效率,进一步 推迟喷油提前角必然要使用更高的喷油压 力,这又会对发动机材料的强度提出更高的 要求,同时喷油压力的提高又将增加驱动油 泵的功率损失,燃油系统的成本也将增加,一 般还会导致发动机NOX排放升高。因此有 必要探索一条更有效的降低NOX排放的技 术。废气再循环(EGR)技术一直被认为是一 种降低汽油机NOX排放的有效措施。图3 给出了汽油机和柴油机的热容量和A/F随 EGR率变化的趋势。可以看出,由于汽油机 气缸中的进气总量随着EGR率的增加而增 加,因此混合气的比热也随之增加。当柴油 机采用EGR时由于其进气总量不会变化,所 以废气的加入,使A/F比减小,比热增加较 小,因此,汽油机气缸中的气体温度会随着 EGR的增加而减小,柴油机中气体的温度减 小较少,但氧气浓度随EGR率的增加而迅速 减小,因而使得单位质量混合气的放热量成 比例地减小,降低了燃烧的最高温度,从而使 NOX排放减少。柴油机在采用废气再循环 时,由于废气的加入,使得发动机气缸中混合 气的形成、燃烧和排放发生了变化,因而对发 动机的性能产生了各种影响。 图2　放热率趋势 2·1　废气再循环对柴油机性能的影响 (1)通常情况下,高温的再循环废气导致 发动机的进气温度增加,致使压缩行程通过 气缸壁传出的热量增加,最高燃烧压力降低。 (2)由于再循环废气的影响,气缸中气体 的氧浓度下降。这是由两个因素引起的:一 方面是再循环废气比新鲜空气的氧气含量 低;另一方面是使用EGR时进气道和气缸壁 的温度升高导致进气充量下降。图4给出了 在大众可视化四缸1·9L直喷式柴油机上测 得的O2浓度和CO2浓度随EGR的变化趋 势。由此可见,当EGR率由0增加