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柴油机同时降低NOx和微粒的技术探讨 彭飞 （武汉理工大学汽车工程学院；动力机械及工程1203班；1049721202223） 摘 要：在高速发展的今天，节能与环保成为当今汽车产业的主题。柴油机本是一种清洁高效的发动机，但是随着排放法规的日益严格，柴油机排放控制显得尤为突出。由于柴油机尾气中碳烟微粒的浓度与氮氧化合物的浓度之间存在着一条权衡曲线（trade-off）关系，寻找一种同时降低NOx和微粒的技术尤为重要。本文简要介绍了碳烟及NOx生成机理，并着重从燃油品质、机内外净化技术方面对同时降低柴油机的碳烟颗粒及NOx排放控制技术现状进行了探讨分析。 关键词：氮氧化合物；微粒；燃油品质；EGR；DFP 引 言 柴油机具有耐用、清洁、高效、可靠性高等优点，和汽油机相比，柴油机是一种环境友好的发动机，但是和装配了三效催化剂TWC(Three way catlyst)的汽油车相比，以氮氧化物(NOx)和微粒(PM)为特征的柴油机车的尾气排放污染成为制约其推广应用的重要因素。柴油机车的尾气与汽油机相当，NOx和微粒的浓度是汽油机的几十倍。三效催化剂的成功开发并被广泛应用，可同时将汽油车排放的主要污染物NOx、CO、HCNOx，且柴油机由于混合和燃烧的固有特点，使其排出的碳烟微粒很多。加上碳烟微粒与NOx之间又存在着一条权衡曲线（trade-off）NOx生成的条件往往有利于微粒的产生，NOx和微粒的生成条件是相互矛盾的，然而传统的方法很难对两者进行有效地控制。随着排放法规的日益严格，同时减少NOx和微粒既成为柴油机研究的重点，更重要的是一个技术经济难点。 1 NOx与微粒的生成机理 在柴油机排放控制中，研究NOx与微粒的生成机理是很有必要的，只有清楚的了解了排放物的生成机理才能开展寻求解决控制排放的有效途径，下面简单介绍NOx与微粒的生成机理。 1.1 NOx的生成机理 在柴油机中排放物中NOx并不是来自燃料，而是空气在气缸内燃烧时由高温条件下氧和氮反应而产生的。在气缸高温下其主要生成NO，而生成的NO2的含量特别少；在高负荷的情况下NO2的含量可以忽略[1]。空气中的氮生成NO的化学机理是扩展的泽尔多维奇（Zeldovitch）机理。在化学计量混合比（=1）附近，导致NO生成和消失的主要反应为： O2?2O O+N2?NO+N N+O2?NO+O 在这3个反应过程中，N2，O2，N，ONO的生成量随温度增高而增加,也随转速和负荷的增加而迅速增加。同时NO的生成量也取决于火焰前锋中是否富氧，在过量空气系数稍大于1时，NO的生成量达到最高；当小于1时,混合气越浓，NO浓度越高；当大于1，过了产生NO的峰值以后，混合气稀薄，NO浓度下降。由于NO的生成反应达到化学平衡需要一定的时间，而且这个时间要比每一循环中燃烧反应时间长，故为了降低NOx的含量应着手降低火焰的高峰温度、缩短高温持续时间和采用适当的空燃比[2]。大量的试验表明，要降低NOx排放必然会引起燃油经济性不同程度的降低，引起热效率的降低和影响燃烧的彻底性。氮氧化物的生成机理比较复杂，可以认为，NOx是在燃烧温度大于2300k的富氧条件下生成的，即在高温富氧情况下生成的。同一温度下，燃料混合气越稀薄，则生成NOx的量越高；同一燃料混合浓度下，燃烧温度越高，生成NOx的量也越高，而当燃烧温度在1700k以下时，生成NOx的速度很低。 控制NOx的生成量，必须控制燃烧温度，使燃烧放热率，没有急速的峰值，控制燃烧放热率的平稳性。特别是降低燃烧的初始温度，能大幅度地降低NOx的排放。 1.2 微粒(PM)的生成机理 由于柴油机是非均质燃烧,燃烧室内各区域的化学反应条件不一致,因此在燃烧过程中产生炭烟颗粒是难以避免的,而炭烟颗粒是烃类燃料燃烧过程的中间产物。炭烟微粒(PM)主要是由于碳氢燃料不完全燃烧而生成的。主要包括碳粒（Soot）(SOF)以及硫酸盐(Sulfate)等，碳粒(Soot)占PM组成的50%～80%SOF来自不完全燃烧的燃料和润滑油，控制SOF主要是尽量减少润滑油的燃烧，并使燃料燃烧完全充分。硫酸盐是由于燃料中含有的硫杂质而生成的，控制Sulfate主要是控制燃料的品质。碳粒是在燃烧温度大于1500k，过量空气系数小于0.6的浓混合气环境下生成的。[3] Brome及Khan根据对火焰的研究资料,提出了炭烟颗粒的产生进程[4]。他们认为烃类燃料在过浓的高温区中通过深度裂解和脱氢过程,产生较小分子量的物质,且在后期出现聚合反应;在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合产生较大分子量的物质。这两个途径单独作用或相互交错最终产生炭烟颗粒。从技术的范畴来看,减少柴油车排放应该从燃油品质、柴油机机外技术和柴油机机内排放控制技术三方面同时着手，从国外的经验看,三方面技术应该配套使用、分层