解析柴油机内净化方法：涡轮增压、EGR

前　言

柴油机油气混合不均匀，燃料不能完全燃烧，导致分解为以碳为主的颗粒。同时，与汽油机相比，柴油机的过量空气系数很高，且燃烧中产生局部高温，导致氮氧化物（NOx）大量生成，但一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放比汽油机低得多，燃油经济性也非常好。由此可以看出，优化柴油机的排放性能，主要解决如何降低氮氧化物（NOx）和微粒。

柴油机在缓燃期中燃烧温度达到最大，直接影响到氮氧化物（NOx）的生成量。同时缓燃期中，若发动机还在喷油，且喷到高温废气区，或者混合气过浓，都会导致因缺氧而生成微粒。

因此，从机内净化的角度，可以通过调节最高温度与燃油浓度的关系，降低氮氧化物（NOx）的生成。可采用多气门技术、增压中冷技术、控制喷油速率和废气再循环。通过调节喷油或组织气流，使燃料迅速而完全地燃烧，降低微粒的生成。可采用废气涡轮增压技术、提高喷射压力、改进燃烧室结构、减少机油消耗、使用低硫燃油、控制喷油过程和调节燃油量。

1　废气涡轮增压技术

根据增压的方式不同，发动机的增压可分为：机械增压、气波增压、废气涡轮增压、复合增压。其中废气涡轮增压是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机，在压气机中将新鲜空气压缩后再送人气缸，如图1所示。

1.1发展现状

废气涡轮增压器可提高发动机的进气密度，提高发动机的充量。一般车用发动机多采用径流式，以满足高转速及较高响应性能的要求。增压器的压气机部分一般都采用单极离心式结构，而涡轮增压系统，可分为定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统。其中，定压增压系统对排气利用率低，低速转矩特性和加速性能较差，适合低增压时使用。脉冲涡轮增压系统低增压时对废气利用率相对较高，扫气作用明显，排气管容积小，对负荷变化敏感，动态响应好，结构复杂。车用柴油机，对加速性能和转矩特性要求较高，因此多采用脉冲涡轮增压系统。

与机械增压相比，废气涡轮增压不消耗由发动机曲轴输出的功率，不影响发动机功率，不会增加燃油消耗。与气波增压相比，其增压压力高，可达0.4MPa，用于柴油机时单机功率大于35kW，且技术相对成熟，已实现产品化。与复合增压相比，其结构简单，易控制，更适于车用柴油机使用。使用废气涡轮增压器，柴油机经过必要的改装，可使功率提高30%～50%，燃油消耗率降低5%左右，有利于改善整机的动力性、经济性和排放性能。

但废气涡轮增压技术也存在一定的缺陷。首先，低转速时性能不好。当柴油机处于较低转速时，带动涡轮机所产生的功率也会降低，导致压气机的增压压力相应降低，增压效果不好。其次，加速响应慢。由于使用废气带动增压器，发动机至少经过一个循环排出废气量才会增加，才会反映到增压器上，因此瞬态响应性不好。再次，对进、排气压力的敏感度高。当气缸排气量过小，增压器会发生喘震。当气缸排气量过大，增压器会发生堵塞。这两种非正常工况均会影响增压器的增压压力及工作效率。

1.2　废气涡轮增压对排放的影响

1.2.1　对CO排放的影响

柴油机中CO是燃料不完全燃烧的产物，主要在局部缺氧或低温下形成。柴油机通常工作在稀燃条件下，涡轮增压技术使过量空气系数变大，燃料雾化和混合得到改善，使燃料燃烧更充分，CO排放进一步降低。

1.2.2　对HC排放的影响

柴油机中的HC主要是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及燃烧反应中的中间化合物所组成，小部分由窜人气缸的润滑油生成。增压后进气密度增加，过量空气系数变大，可以提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，HC排放减少。

1.2.3　对NOx排放的影响

NOx的生成主要取决于燃烧过程中的浓度、温度和反应时间。柴油机单纯增压后，因过量空气系数增大和燃烧温度升高而导致NOx排放增加。因此常在增压同时配合减少压缩比、推迟喷油、废气再循环等方式，降低NOx的排放。采用进气中冷技术可以大大降低增压后进气温度，有效控制燃烧温度，利于减少NOx。

1.2.4　对微粒排放的影响

影响微粒生成的原因较复杂，主要受过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油品质影响。通常有利于降低NOx的措施都不利于微粒的排放。增压后，进气密度增加，充量增大，配合中冷技术、高压燃油喷射、电控共轨喷射、多气门技术等，可更有效地控制微粒的排放。

1.2.5　对CO2排放的影响

CO2是重要的温室气体，可导致全球气温升高。同时，CO2的排放也是衡量发动机燃油经济性的指标。增压柴油机充分利用了废气的能量，经济性高，整机的平均有效压力增加，CO2排放优于汽油机。

1.3　涡轮增压技术未来发展趋势

可变截面涡轮增压是未来有发展潜力的一种增压技术。由于传统的涡轮增压器不能随转速、负荷的变化调整喷嘴截面，可以满足高转速的良好工作，但不能满足低转速的良好工作，低转速时的增压效率较低。可变截面涡轮可在低转速时减小涡轮喷嘴面积，达到提高增压压力的效果，保证低转速时的良好工作。

2　废气再循环（EGR）

为了解决NOx排放，产生了废气再循环系统（EGR），结构框图如图2所示。其原理是将一部分废气导入燃烧室，增加燃烧室内气体的热容量，降低燃烧气体的最高温度，从而抑制NOx排放。

2.1　EGR发展现状

从20世纪70年代开始，国外就开始了废气再循环系统的研究，现在一些柴油车上已经安装了EGR系统，为柴油车达到欧Ⅳ标准奠定了基础。

对于增压中冷柴油机，通常有以下两种方式：从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统；从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式，可避免出现再循环废气污染压气机和中冷器，减少淤塞和腐蚀问题，同时避免EGR随工况变化响应滞后。

由于柴油机过氧燃烧，直喷式柴油机的EGR率超过40%，非直喷式可达25%。为防止微粒产生，中、低负荷常采用较大的EGR率，全负荷不采用EGR，以保证发动机的动力性和燃油经济性。当转速提高时降低EGR率，保证较多新鲜空气的进入，由实验标定测得最佳的EGR脉谱。

对EGR率的精准控制多采用电子信号。根据发动机的转速信号、油泵齿条信号（即供油量）和水温信号等，按预先设定好的脉谱改变EGR率。因柴油进、排气管间压差较小，柴油机的E－GR回流管直径较大，且柴油机所需的EGR率较高，可在进气管上加节气门，低负荷时，通过进气节流达到增加进、排气管间压差。同时，采用冷EGR，可进一步降低NOx的排放。柴油机排气中的SO2会生成硫酸，对EGR系统的管路和阀门以及气缸壁面形成腐蚀，应选用高品质润滑油和低硫柴油。

2.2　废气再循环对排放的影响

2.2.1　对NOx排放的影响

废气再循环技术降低了燃烧室内可达到的最高燃烧温度，减少了进气充量，从而抑制NOx的排放。实验表明，当发动机的转速一定时，废气中NOx的比例，会随废气再循环率的增加而降低。当发动机处于不同负荷时，NOx排放下降率与EGR率呈近似线性关系。较大的废气再循环率会导致柴油机动力下降，在中高负荷时，EGR率较低，在小负荷时，EGR率较高，根据不同的工况，选择适当的EGR率。

2.2.2　对微粒排放的影响

当发动机的转速一定时，微粒排放量会随EGR率的变化而变化。一般来说，废气的引入会造成进入气缸的新鲜空气降低，易造成局部缺氧和燃料燃烧不完全，引起微粒的增加。随着EGR率的增加，发动机排出的微粒也随之增加。但实际上中、高负荷时，喷油较多，燃烧时间较短，E－GR率对过量空气系数的影响较大，微粒增加幅度较大。在小负荷时，喷油较少，EGR率对过量空气系数的影响相对减弱，微粒增加的趋势也相对较小。与NOx的线性关系不同，微粒排放量增加率与EGR率关系为二次响应，因此微粒增加比例相对更大。

随着废气的引入，NOx排放会降低，微粒值会升高，负荷较大的工况微粒增加的趋势很明显，应限制高负荷工况下的EGR率。同时，带有EGR系统的发动机排气微粒中的HC成分较少。需综合NOx和微粒两方面选择适当的EGR率。

2.2.3　对HC、CO排放的影响

随着EGR率的增加，发动机尾气中HC与CO的排放变化关系较为一致，呈现上升趋势。在发动机转速一定的情况下，随着EGR率增加，HC和CO均为燃料燃烧不充分所产生的排放物。当充入气缸内的废气增加，必然导致参与燃烧的氧气量相对减少，燃料燃烧条件恶化。HC排放在中高负荷时呈现增加趋势，在小负荷时呈现下降趋势。HC排放主要来自滞燃期内形成的极稀混合气，因此HC排放与滞燃期时间长短有关。负荷越低，滞燃期内形成的极稀混合气越多，发动机排气中HC的浓度越高。在同样低负荷时，废气回流率越大，加热进气的作用越明显，滞燃期将缩短，对改善HC排放有利。

2.2.4　对CO2及燃油消耗率的影响

试验表明，当发动机的废气再循环率增加，过量空气系数有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波动，基本保持不变。

2.3　EGR未来发展趋势

在欧美发达国家，EGR在汽油机和轻型柴油机领域已是一种成熟的工业技术，发展方向是将其完善：如何将EGR技术与颗粒捕捉技术、电控高压喷油技术、进气富氧技术等密切结合起来，使各种有害排放物全面降低；如何实现EGR率变工况时的精准控制以及动态响应特性的提高都是以后的研究重点。为达到欧Ⅳ标准，EGR率还需进一步提高，EGR应用于增压发动机时，腐蚀性问题和进排压逆差问题需要研究，以得到一个比较理想的解决方案。在重型柴油机领域，应用EGR的问题更多更复杂，在重型柴油机较高负荷情况下，随着EGR率的增加微粒排放增加速度加快，发动机的耐久性和可靠性受到影响。目前EGR在重型柴油机的应用是国外的一个重点研究方向，可以预见在不远的将来，EGR将在重型柴油机领域得到广泛的应用。

3　柴油机掺烧

以上两种方法是通过改变柴油机燃烧室内的燃烧方式达到降低NOx或者微粒的目的。但是，因NOx与微粒的排放规律常常相悖，通常是减少一种而另一种随之增加，因此，可以考虑通过改进燃料的方式来达到既降低NOx又降低微粒。

3.1  柴油机掺烧LPG（液化石油气）

实验表明，柴油机掺烧LPG后，由于LPG在进气道与空气混合，较为均匀，燃烧过程中的局部缺氧情况得到改善，微粒的排放得到抑制。NOx、HC、CO会随LPG加入量及工况的变化而变化。NOx排放在中小负荷时随LPG量增大而减小，全负荷工况时，LPG量较少，NOx随LPG量增大而降低。当LPG量继续增大，NOx排放略有升高。HC、CO排放随LPG量增大而升高，可通过减小供油提前角来降低排放。

3.2　柴油机掺烧CNG（天然气）

天然气是一种比较常见的燃料，CNG/柴油双燃料发动机已经产品化。例如用少量柴油引燃天然气的发动机，其混合气为预混燃烧，燃烧过程中产生很多着火点，燃烧中局部缺氧状况得到改善，减少了微粒的排放。同时燃烧速度更快，选择适当的天燃气、柴油比例，可以降低NOx的排放量。

3.3　柴油机掺烧氢气

氢气是一种热值很高的物质，氢气在燃烧过程中，火焰传播速度很快，不会产生HC、CO和CO2，是一种十分清洁的燃料，而且资源极其丰富。当柴油机掺氢燃烧时，可大大改善燃烧情况。等离子体制氢技术在汽车上有应用前景，可以为发动机提供富氢气体，提高热效率，同时氢气燃烧速度快，可以缩短滞燃期，可以抑制NOx的排放。目前，等离子体制氢技术在汽油机上应用有所进步，在柴油机上也会有不错的效果。

3.4　其他代用燃料

随着能源的紧缺，会有更多的新型燃料参与到优化柴油机燃烧的方法中。通过改善燃料的品质和组成，改善缸内燃烧过程，以提高发动机效率和排放性能，一定会有十分广阔的前景。

4　结　论

（1）使用废气涡轮增压技术，可以提高燃油的经济性，降低HC、CO和微粒的排放，但会恶化NOx的排放。因此需要通过加装后处理设备，才可以全面降低各种排放物。

（2）废气再循环技术主要针对柴油机稀燃产生大量NOx排放，可显著降低NOx的排放量，相比会增加其他排放物的生成量，尤其是微粒的排放随EGR率升高，快速增加，配合微粒捕捉器排放效果会有改善。

（3）通过掺烧其他燃料，如：天然气、液化石油气、氢气等都能一定程度上改善排气中NOx和微粒的数量，需要根据工况调整其比例，需要进一步的研究。