基于满足汽车柴油机国Ⅵ排放标准的新方法探讨

摘 要：随着重型柴油车污染物排放国Ⅵ标准的实施，对现有排放不达标的重型柴油车的升级改造工作迫在眉睫。本文作者在分析现有柴油发动机尾气排放处理技术的基础上，阐述了柴油掺水燃烧能同时处理NOx和碳烟的作用机理，提出了柴油机废气缸内处理的新方法，此法在对柴油机废气处理的同时，还有不低于4%的节油效果，探讨了一种实现柴油机废气缸内处理新方法的水喷射系统，并就其工作原理与工作过程进行了简要说明，有望成为对排放达不到国Ⅵ排放标准的重型柴油車进行升级改造使其达到国VI排放标准最有效的方法。

关键词：柴油车;国Ⅵ排放标准;废气排放与处理;柴油掺水燃烧;水喷射系统

1 引言

柴油发动机尾气排放物主要是NOx和颗粒物（PM），其对环境与人类健康造成严重危害，引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格。2018年7月国家生态环境部与国家市场监督管理总局联合下发《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（俗称，国六）公告，该标准明确规定：“2021年7月1日起，所有生产、进口、销售和登记注册的重型柴油车应符合本标准要求”。

截止2018年底，我国柴油车保有量达到2393.8万台，其中国Ⅲ排放标准的有1011.6万台，国Ⅳ排放标准的有802.2万台。如果这些车辆不做减排处理，到2021年时将受到使用限制。因此，探寻一种切实可行的解决方案，来改造这些排放达不到国六标准的重型柴油车就显得尤为急需与迫切。

2 现有柴油机尾气排放处理技术

目前，针对柴油机的排气后处理技术的主要装置有：降低NOx排放的废气再循环（EGR）及选择还原催化转化器（SCR）（俗称添蓝处理系统或车载尿素处理系统）;降低微粒排放的微粒捕捉器（DPF）;以及用来降低微粒中有机可溶成分SOF（主要是高分子的HC）以及气态HC和CO排放的氧化催化转化器（DOC）等三类。或者是上述三类技术的组合，例如，DOC+DPF与EGR+DPF。其中NOx选择还原催化器（SCR）和微粒捕捉器（DPF）是主流。

但上述技术在使用过程中存在一些缺陷，使用废气再循环（EGR）虽能有效降低NOx排放，但是以牺牲发动机的动力性与经济性为代价，同时，对柴油含硫量敏感;选择还原催化器（SCR）要求NO与NO2之比接近1：1才有比较理想的效果，微粒捕捉器（DPF）关键是再生技术，但也必须使用低硫柴油，而我国现行柴油中硫含量达不到低硫要求，因此，微粒捕捉器（DPF）在我国基本不适用。

另外，现行机内净化措施也同样存在一些缺陷，例如，（1）燃烧室喷水冷却技术，水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度;水与油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOx排放的同时，还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式：进气管喷水;用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室;通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室;在喷嘴的两个燃烧层之间填充水，并分层喷入燃烧室。但如何控制喷水的时机、数量等问题还有待于进一步研究。（2）选择非催化还原（SNCR）技术，只能在一定的温度区间（800℃-1000℃）使用，而柴油机排气不可能达到这样高的温度，只能通过在柴油机膨胀过程中，向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想。该技术只是在发电厂得到了广泛应用，在车用柴油机上尚未应用。

3 NOx和PM的排放机理及应对策略

近年来，国内外对柴油机NOx和PM的排放的研究一直没有间断，大量的研究文献资料表明：NOx是在高温富氧条件下形成，碳烟是在高温缺氧条件下形成，如果通过以传统燃烧方式改进缸内燃烧的同时除出NOx和PM（碳烟）有所谓“treat-off”效应，然而根据NOx和PM（碳烟）的形成条件可知，如果能降低缸内燃烧的最高温度和高温持续时间，从理论上讲，就可同时除出NOx和PM（碳烟），正是基于这样的考虑，我们就可以通过燃料掺水燃烧的方法来实现同时降低NOx和PM（碳烟）排放的目标，其理由：一是水的蒸发需要吸收大量的热量，这样就有效的降低混合气的最高燃烧温度，抑制了NOx的生成;二是混合气燃烧生成的碳烟与高温水蒸气发生水煤气效应（其反应方程式为），生成的CO与O2反应生成CO2（其反应方程式为），生成的H2与O2反应生成水（其反应方程式为），这样就有效的除出了碳烟，同时，燃料中水蒸发做功可以部分弥补由于水分蒸发使温度和压力下降所造成的不利影响而提高柴油机的热效率，另外排气最高温度与平均温度都有所下降，排气损失反而减小也提高柴油机的热效率，从而产生了一定的节油效果。因此，从上述理论分析可知：柴油掺水燃烧是能同时降低NO2和PM排放的最有效方法。但由于各种掺水燃烧的方式都存在自身的弱点，无法在降低排放的同时提高经济效益，至今没有得到推广应用。

4 我国重型柴油车应用的车载尿素处理系统及其缺陷

我国重型柴油车应用的车载尿素处理系统使用的是BOSCH公司开发的共轨SCR系统（俗称添蓝处理系统或车载尿素处理系统），SCR是Selective（选择性）、Catalytic（催化）、Reduction（还原）的英文缩写。具体结构如图1所示。其工作原理是：通过还原剂NH3和NOX进行反应，将NOX还原成无害的N2和H2O的过程，其化学反应方程式如下：

SCR系统目前采用的还原剂是32.5%的尿素溶液，尿素溶液用来产生还原剂NH3，其产生还原剂NH3的过程是：尿素NH2CONH2和H2O在高温下分解成NH3和CO2，其化学反应方程式如下：

BOSCH公司的共轨SCR系统的缺陷在于不能对碳烟进行处理，随着国VI排放标准的实施，共轨SCR系统必须加装微粒捕捉器（DPF）才有可能满足国排放标准的需要。因此，现有的共轨SCR系统也无法满足国VI排放标准的需要。

5 满足国VI排放标准的新方法探讨

针对现有尾气排放处理系统的缺陷，作者提出二种改进措施，一是对现有安装有BOSCH公司共轨SCR系统的尾气排放系统加装微粒捕捉器（DPF），此法技术上没有什么问题，但改装成本比较高，推广也比较困难（因为它只有单一的尾气处理功能）;二是开发一种全新的既能高效节能又能高效减排的综合尾气处理系统，这是最有效的解决途径，因为在解决排放问题的同时，又体现了高效的节能效果，会深受用户的欢迎。

本文作者就开发出一种全新的既能高效节能又能高效减排的综合尾气处理系統提出自己的构想，其基本的思路是：使用柴油掺水燃烧技术，因为此技术是最有可能同时降低NOx和PM排放的最有效方法（前面已作了分析）。设计独立的水喷射系统直接喷入气缸，其结构如图二所示。包括储液箱1、过滤器2、流量计3、电磁阀4、雾化喷嘴5、密封垫6、电磁阀7、电磁阀8、微型空压机9、电控ECU10、液位计11。其中，雾化喷嘴5安装在柴油机进气总管上，用来喷射含水尾气处理液，流量计3和电磁阀4用来控制含水尾气处理液的供给，微型空压机9用来产生高压空气供给雾化喷嘴5使雾化喷嘴5喷出的含水尾气处理液进行雾化，电磁阀7用来控制高压空气的供给，电磁阀8用来控制空气供给压力。水中含尿素、柴油燃烧促进剂、消烟剂、十六烷值改进剂、乳化剂、防冻剂等的复合处理液（简称尾气处理液）。

其工作原理为：水由安装在柴油机进气总管上的雾化喷嘴喷入进气总管，随柴油机在进气时与空气一并进入气缸内;在柴油喷入后，在气缸内形成乳化柴油状态。通过油、水分输技术，在气缸内形成乳化柴油的全新方法，克服了配制好的乳化柴油长期放置容易分层的缺点，克服了在线乳化乳化效果不良的缺点，由于水并不是与柴油混合后通过柴油机喷油系统来输送，还彻底地解决了乳化柴油与在线乳化腐蚀柴油机喷油系统喷咀的致命缺陷，真正使乳化柴油能进入实用状态，使柴油掺水燃烧能同时降低NOx和PM排放的技术得以真正的实现。

6 新型尾气处理系统控制过程

图2所述独立的水喷射系统的控制过程如下：

①车辆启动与暖车过程本系统不工作，以免影响柴油机冷启动和快速暖车。具体控制逻辑是电控ECU10通过传感器采集或电控ECU10与车载网络CAN进行信息通讯，通过车载网络CAN获取所需控制信号（如柴油机水温信号、车速信号、发动机负荷信号等信号），柴油机水温信号温度值设定T>50℃，车速信号V>30km/h，油门踏板开度=0，上述信号条件只要有一个不满足，电控ECU10将控制本系统不工作。

②车辆运行中的控制，电控ECU10通过传感器采集所需控制信号，或者电控ECU10与车载网络CAN进行信息通讯，通过车载网络CAN获取所需控制信号（如柴油机转速信号、柴油机水温信号、车速信号、发动机负荷信号等信号），并对上述信号进行分析与处理，通过电控ECU10控制调压电磁阀的压力大小来动态调整喷射量的大小。

③车辆停车控制，在停车前，当车速信号V<30km/h时，电控ECU10先关闭电磁阀4停止尾气处理液的供给，电磁阀7、8延迟3-5S关闭，以吹尽残留在雾化喷嘴中的含水尾气处理液，以保证在柴油机停机前，利用柴油机的进气吹尽残留在进气总管或气缸内的含水尾气处理液，以免给柴油机的正常工作带来不利影响。

④车辆停止状态下开空调的控制，把空调开关信号引入电控ECU10，通过柴油机转速信号n>650转/分，柴油机水温信号T>50℃，电控ECU10接收到空调开关信号，在满足上述信号的条件下，电控ECU10控制喷射系统处于工作状态。

⑤当储液箱中所述尾气处理液不足时，电控ECU10通过接收到液位计的开关信号，控制报警系统报警，提示驾驶员添加含水尾气处理液，同时控制喷射系统停止工作。

7 新型废气处理系统的优点

本喷射系统带来的有益效果是：

（1）柴油机所产生的废气在气缸内就进行了非常高效的处理，废气中NOx和PM的排放值就已经很低，降低了现有柴油机填蓝系统的工作负荷，甚至可以取代现有柴油机添蓝系统。特别是碳烟在气缸内就进行了有效的转化，无需在尾气排放系统中再加装微粒捕捉器（DPF）。

（2）所述含水尾气处理液由安装在柴油机进气总管上的雾化喷嘴5喷入柴油机进气总管，随柴油机在进气时与空气一并进入气缸内;在柴油喷入后，在气缸内形成乳化柴油状态参与柴油的燃烧过程，而不是在柴油混合气燃烧后，再喷入所述尾气处理液，因为，实践证明：在柴油机膨胀过程中喷入所述尾气处理液，效果不很理想。

（3）由于本喷射系统使用的含水尾气处理液含有防冻剂，即使在冬天使用时，也不会结冰，因此，不需要像现在使用的添蓝系统在冬天使用时还需要加热。

（4）关键是本喷射系统在对柴油机尾气进行处理的同时，还带来不低于5%—8%的节油效果，这是目前任何一种尾气排放处理系统都做不到的。

（5）本喷射系统所述柴油机尾气排放处理系统是一套独立运行的全自动控制系统，无须驾驶员进行操作控制，在车上安装方便，只在柴油机进气总管上装一个雾化喷嘴5，对柴油机本身结构不做任何改动，特别适合对国Ⅲ、国Ⅳ和国V重型柴油车进行升级改造，即使所述喷射系统关闭时也不会影响柴油机的正常工作。

综上所述，本文作者构想的如图二所述的独立的水喷射系统，在柴油混合气燃烧时，由于水的加入，水的蒸发需要吸收大量的热量，降低了柴油混合气在气缸内的最高燃烧温度，就抑制了NOx的产生，即使还有数少量的NOx，由于水中含有尿素，尿素高温分解产生NH3的NOx与进行反应，把NOx转换成了N2和H2O;由于水的加入，柴油混合气燃烧时所产生的碳烟与高温水蒸汽发生水煤反应，也把PM （碳烟）进行了转化。通过上述二个步骤，就把柴油燃烧所产生的废气在气缸内就进行了处理，开创了柴油机废气缸内处理的新方法。同时，由于水蒸汽的作功效应，在减排的同时也带来了不低于4%的节油效果，如果在水中再加入柴油燃烧促进剂、消烟剂、十六烷值改进剂等，会进一步提高柴油燃烧的热效益，节油效果将会进一步提升。当然，对于柴油机在不同功况下的掺水率及尿素率，还要通过大量的实验来验证。如果本文作者提出的柴油机废气缸内处理的新方法得以实现，则是有望对国Ⅲ、国Ⅳ和国V重型柴油车进行升级改造使其达到国VI排放标准最有效的方法，将会带来巨大的社会与经济效益。

参考文献：

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[2]王小琛，汪映，陈振斌，刘燕霞.发动机燃用水乳化柴油的研究进展[J].车用发动机，2018（01）：1-9.

[3]方平，陈雄波，唐子君，黄建航，曾文豪，吴海文，唐志雄，岑超平.船舶柴油机大气污染物排放特性及控制技术研究现状[J].化工进展，2017，36（03）：1067-1076.

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