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柴油发动机原理如何减排机动车氮氧化物?

我国“十二五”时期新增氮氧化物作为受控大气污染物。而机动车排放是氮氧化物的主要贡献者之一。如何减少机动车氮氧化物排放已成为各地关注的重点。本版今日刊登机动车排放专家的文章，介绍机动车氮氧化物排放控制技术和原理，以及如何减少氮氧化物排放的相关建议，以飨读者。 氮氧化物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此控制氮氧化物对于改善大气质量具有重要意义。由于汽油车和柴油车的工作原理不同，对于氮氧化物的控制技术也有所不同。可喜的是，目前机动车氮氧化物的控制技术成熟，且已在发达国家得到广泛应用。此外，控制机动车氮氧化物，在选择使用合适的技术同时，相关的政策和保障措施也十分必要。 为什么要控制机动车氮氧化物排放？
（柴油车尾气减少器）
■阅读提示 汽油车和柴油车的排气污染物都包括氮氧化物。排放法规中规定的氮氧化物主要包括一氧化氮和二氧化氮。由于氮氧化物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此国家将氮氧化物削减作为“十二五”的约束性指标。 机动车对环境的污染主要来自排气排放。汽油车的主要排气污染物是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）；柴油车的排气污染物除一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物以外，还包括微粒排放。 排放法规中规定的氮氧化物主要包括一氧化氮和二氧化氮。一氧化氮是在燃烧室高温条件下生成的，由空气中的氮气和氧气发生氧化反应产生，在汽油机和柴油机中都有。一氧化氮的生成强烈依赖温度。化学动力学研究结果表明，当反应温度从2200℃提高到2300℃时，一氧化氮的生成量几乎翻一番。氧浓度提高也使一氧化氮生成量增加，高温持续时间越长，一氧化氮的生成量越大。这给降低发动机的氮氧化物排放提出了难题。众所周知，热效率是随最高燃烧温度的增加而增加的，这表明在发动机设计阶段必须在发动机油耗和排放之间进行折中处理，尽可能精确地进行实验才能取得最佳匹配效果。随着排放法规的严格化，必须采用后处理技术才能有效降低氮氧化物排放并保持良好的燃油经济性。 机动车排到大气中的碳氢化合物和氮氧化物在一定的地理、温度、气象条件下，经强烈的阳光照射，会发生光化学反应，生成以臭氧（O3）、醛类为主的过氧化产物，称为光化学烟雾。臭氧具有独特的臭味和很强的毒性，醛类对人眼及呼吸道有刺激作用。此外，它们还妨碍生物的正常生长，危害巨大。由于氮氧化物对光化学烟雾的生成具有重要作用，因此国家将氮氧化物削减作为“十二五”的约束性指标。 减少机动车氮氧化物有哪些技术？
■阅读提示 汽油车和柴油车的氮氧化物控制技术有所不同。目前汽油机采用的排放控制技术主要是三元催化器，能同时控制氮氧发动机维修保养常识化物、碳氢化合物和一氧化碳。柴油机由于过量空气系数较大，一般采用废气再循环和选择还原技术控制氮氧化物排放。 由于汽油车和柴油车的工作原理不同，实际空燃比也相差较大，因此汽油车和柴油车的氮氧化物控制技术有所不同。目前汽油机采用的排放控制技术主要是三元催化器，能同时控制氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳。柴油机由于过量空气系数较大，不适合使用三元催化器，一般采用废气再循环和选择还原技术（SCR）控制氮氧化物的排放。 一、三元催化器是安装在汽油车排气系统中最重要的机外净化装置。它可将汽车尾气排出的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体通过氧化和还原作用转变为二氧化碳和水。其中一氧化碳在高温下氧化为二氧化碳气体；碳氢化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；氮氧化物还原成氮气和氧气，使汽车尾气得以净化。 常温下三元催化转化器不具备催化能力，催化器必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力。通常催化转化器起作用的温度在200℃～250℃之间，正常工作温度一般在350℃～700℃。催化转化器工作时的内部反应越强烈，氧化还原反应的温度也越高。当温度超过850℃～1000℃时，催化器涂层很可能会脱落，载体碎裂，导致实际排放恶化。所以，必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱、失火等，这都会使大量未燃烧的可燃混合气进入催化反应器，在催化器内进一步发生反应，造成排气温度过高，影响催化转化器的寿命，甚至直接烧毁催化器。 三元催化器对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感。其中硫和铅来自于汽油，磷和锌来自于润滑油。这4种物质及它们在发动机中燃烧后形成的氧化物颗粒很容易吸附在催化器的表面，使催化器无法与废气接触，失去了催化作用，这就是所谓的“催化器中毒”现象。因此使用三元催化器的汽车严格禁止使用含铅汽油，并要尽可能降低燃油中的硫含量。 为使汽油机排放的各种废气的转化效率达到最佳效果（90％以上），需要在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制。其工作原理是氧传感器根据废气中剩余氧的浓度给电子控制单元反馈信号，将发动机的空燃比控制在一个狭孝接近理想的区域内（14.7∶1）。如果燃油中含铅、硅，会造成氧传感器中毒，影响空燃比控制精度，直接影响三元催化器的工作效率。另外，如果使用不当，还会造成氧传感器积炭、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。氧传感器的失效会导致发动机的空燃比失控，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。催化转化器只要正确使用，一般不需要维护，故不要随便拆卸，如需更换时一定要与发动机匹配。 卡车发动机市场特点 二、废气再循环，简称EGR，是一种降低氮氧化物排放的有效措施。其基本工作方式是，将5％～20％的燃烧废气重新引入进气管，与新鲜混合气一同进入燃烧室。由于废气不能再燃烧，所以冲淡了混合气，降低了燃烧速度。废气中大多是以二氧化碳和H2O蒸汽为主的三原子分子，热容大，因此废气再循环降低了最高燃烧温度，直接减少了氮氧化物排放。 当EGR量太小时，无法有效降低氮氧化物排放；而如果EGR量太大，则可能会导致发动机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。所以，必须根据发动机的工况精确控制废气再循环量。一般情况下，汽油机在怠速和暖机时，由于混合气质量差，燃烧不稳定，所以发动机不需要进行废气再循环，在大负荷和全负荷时，考虑到发动机对输出功率的要求，也不进行废气再循环。 柴油机和汽油机都可以通过EGR来降低氮氧化物排放，因为柴油机排气中的氧含量比汽油机高，所以柴油机允许并需要较大的EGR率来降低氮氧化物排放。 柴油机所用EGR系统与汽油机类似。在增压柴油机中，再循环废气一般流到增压器后的进气管中，以免玷污增压器叶轮。这时，为防止增压压力大于排气压力时再循环废气的倒流，要在EGR阀前加一个单向阀，以便利用排气脉冲进行EGR。 把再循环的废气加以冷却，采用所谓冷EGR，可以提高降低氮氧化物排放效果，为防止柴油机采用EGR后磨损加剧，应选用高质量润滑油和低硫柴油。 我国重型柴油机广泛采用废气再循环降低柴油的氮氧化物排放，以满足国家Ⅲ阶段排放标准的要求。 三、选择还原技术，简称SCR，是迄今为止最有效的柴油机氮氧化物控制技术。SCR技术由美国安格公司发明，于1957年申请专利，后来日本在本国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的V205/Ti02催化器，并于上世纪70年代末在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运行。目前，SCR方法在燃煤电厂脱硝方面已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。10多年来，随着各国汽车排放法规的日益严格，SCR技术已经成为降低车用柴油机氮氧化物排放的最有效手段，是我国重型柴油机为满足国家Ⅳ阶段排放标准的首选技术路线。 在SCR系统中发生的是硝基反应，浓度为32.5％的尿素水溶液经过精确计量后喷到柴油机的废气中去，然后通过水解反应，尿素中氨分解为氨气。在催化器的作用下，氨与氮氧化物发生反应，将氮氧化物还原为氮气，达到去除氮氧化物的目的。 在SCR系统中，氮氧化物的还原效率很高。按目前国家标准规定的测试循环，转化效率最高可以达到90％以上，因此可以对发动机按燃油经济性进行优化。实验发动机机油性能差异结果证明，SCR系统能够降低10％左右的燃油消耗率。 采用SCR技术以后，需要对排放系统进行有效在线监控，以监测尿素水溶液缺失、浓度不足，尿素喷射计量系统出现故障导致氮氧化物排放升高等问题，因此针对采用SCR技术的柴油车，专门制定了相关的OBD（车载自动诊断系统）监控要求。 氮氧化物传感器是专门针对采用SCR系统的排放后处理系统而设置的传感器。这一传感器安置在SCR催化器的后面，其工作原理是基于汽油车用的氧传感器发展起来的。目前的测量精度可以达到±10％，有较长的使用寿命。在使用了SCR技术的排放控制系统上，要求必须安装氮氧化物传感器，作为OBD系统的一部分。 氮氧化物传感器可以检测到由于各种原因导致的柴油机氮氧化物超标问题。例如尿素水溶液的缺失、使用了不恰当浓度的尿素水溶液、SCR催化器老化引起的氮氧化物转化效率下降等问题，并及时将出现的问题反馈给OBD系统。OBD系统根据排放劣化的程度，及时发出排放超标报警信号，或者向发动机控制单元发出降低柴油机扭矩请求。 机动车氮氧化物控制有哪些建议？
■阅读提示 随着新生产汽车单车排放氮氧化物的大幅度降低，黄标车辆成为氮氧化物排放的主要贡献者，降低这部分汽车的氮氧化物排放对降低氮氧化物的排放总量尤其重要。此外，还需要进一步加强对在用车排放的监督管理，及早发现排放超标车辆。 中国自2000年在全国范围开始实施国Ⅰ排放标准，从那时起，轻型汽油车都必须安装三元催化器才能满足越来越严格的排放法规的要求。与原来没有装备催化器的汽油车相比，满足国Ⅰ标准的汽油车单车排放的各种污染物降低幅度在80％以上。因此，国Ⅰ标准的实施，是我国机动车排放控制的重要转折点。从国Ⅰ到国Ⅳ标准，又要求氮氧化物降低80％左右，使用三元催化器并保证催化器的有效作用是控制氮氧化物排放的关键。 和汽油车相比，柴油车的氮氧化物排放控制进程相对缓慢，满足国Ⅳ标准的重型柴油车排放的氮氧化物是国Ⅰ排放量的一半左右。总体而言，国Ⅱ前柴油车排放的氮氧化物排放量相对较高，因此环境保护部将国Ⅲ柴油车和国Ⅰ前的汽油车定义为黄标车。换句话说，就是高排放车。 近几年，我国机动车产业发展迅速，新车增长迅速，新车排放法规的推进速度也相对较快。今年7月1日起，在全国范围内，对汽油乘用车已经实施了国家Ⅳ阶段排放标准，重型柴油机Ⅳ阶段的排放法规也将在明年实施。随着新生产汽车单车排放氮氧化物的大幅度降低，大批老旧车辆，特别是黄标车辆成为氮氧化物排放的主要贡献者，降低这部分汽车的氮氧化物排放对降低氮氧化物的排放总量尤其重要。 按照排放法规发动机常识的实施日期，黄标汽油车是2000年注册使用的车辆，使用时间均已超过了10年，车辆本身也已经十分陈旧，使用维修费用增加，各种性能指标劣化，污染物排放十分严重。据测算，一辆黄标汽油车排放的氮氧化物至少相当于12辆新汽油车。对这部分车辆，已经无法通过有效的技术手段维修达到排放治理的目的，因此国家和地方政府相继出台了各种政策，鼓励对这部分车辆更新淘汰。 由于柴油乘用车在我国的发展缓慢，迄今为止，柴油轿车在我国还非常少见。目前我国柴油车主要用于营运目的，车辆使用频繁。由于超载等原因，车辆自身的状态较差，加上对发动机疏于适当的维护保养，导致这部分柴油车的排放尤其恶劣。这类柴油车除氮氧化物排放较高以外，颗粒物和黑烟排放也相当严重。在城市、高速公路上常常可以看到这类柴油车拖着浓浓的黑烟，经常被公众投诉，因此亟待解决这类车的排放问题。最有效的手段是加速其淘汰更新的步伐，据此黄标柴油车也被列入鼓励更新淘汰的范畴。 为有效降低机动车的氮氧化物排放，完成国家“十二五”确定的目标任务，除积极推进新车排放标准的实施、采取各种措施加快黄标车的淘汰以外，还需要进一步加强对在用车排放的监督管理，及早发现排放超标车辆。因此各地环保局应采取各种措施切实加强对在用车排放的监督管理。因为双怠速法只测量一氧化碳和碳氢化合物排放，不测量氮氧化物排放，因此缺乏对在用汽油车氮氧化物的监管。从氮氧化物排放监管的角度，仅采用双怠速法是不够的，应积极推广使用能有效监管汽油车氮氧化物排放的简易工况法，如稳态加载法和简易瞬态工况法。 根据环境保护部发布的“2010年机动车污染控制年报”研究结果，2009年，我国柴油车排放的氮氧化物分担率已经占到机动车氮氧化物排放总量的59.6％。因此，对柴油车氮氧化物的控制应该成为机动车氮氧化物控制的主要目标。目前，我国在用柴油车排放检测标准中，只有对烟度的检测，没有对氮氧化物的检测，无法做到对柴油车排放氮氧化物的监督管理。在氮氧化物总量控制的背景下，有关部门应在科学研究的基础上，制定出适合对在用柴油车进行氮氧化物排放检测的标准法规，切实加强对柴油车排放氮氧化物的监督管理。 除机动车以外，其他用途的柴油机排放的氮氧化物也不可忽视。工程机械、船舶、拖拉机、农业机械、机车内燃机、柴油发电机组等用途的柴油机每年消耗的柴油总量和车用柴油机相当，而这类柴油机的排放控制水平低于车用柴油机。初步测算，其氮氧化物排放总量至少和车用柴油机相当。因此，应对这类柴油机的氮氧化物引起重视，并逐步纳入各级环保部门的监督管理范围内。