柴油机节能减排技术

柴油机节能减排技术

杨达亚

广西玉柴机器股份有限 公司广西玉林市537000

摘要：随着我国交通运输业的快速发展，柴油机尾气排放越来越受到人们的重视。我国柴油动力机械普遍存在耗油量大、燃烧热效率低、排污严重等问题，及早开展节能减排研究已刻不容缓和势在必行。基于此，本文首先对柴油机节能减排技术进行了概述，详细探讨了柴油机节能减排措施，旨在提高柴油机的节能减排技。

关键词：柴油机；节能减排技术；措施

柴油机具有可靠性、安全性高，寿命长，经济性好等优点，因而作为原动机被广泛应用于运输、电力等领域。随着当今世界能源和环境问题的加剧，人们对柴油机在能源节约和废气排放等方面要求更高。柴油机在未来的发展主要以减少排放，降低能耗为宗旨。

1柴油机节能减排技术

1.1提高可燃混合气体质量技术

涡流室式：使用有规律的压缩气流使可燃混合气体形成，并不依赖补充过量空气。

开式燃烧室：使用多孔喷嘴，喷孔直径很小，针阀取阀压力通常在20Mpa-30Mpa，滞燃期形成过量的可燃混合气体会导致燃烧压力和燃烧压荷增加，燃烧温度高，燃烧粗暴，会生成更多的NOx。因此提高混合燃烧气体的质量是很有必要的，具体措施如下：确保喷油状况良好。确认燃油品质良好，确认喷油泵机构工作良好；定期检查燃烧室部件，如气缸密封性、燃烧室清洁等。确保良好换气质量。调整进排气定时，使定时准确；调节进气量、进气温度、进气压力，使进气量处于最佳节油状态。

1.2涡轮增压技术

增压技术是利用叶轮式压气机将进气压力提高，增加进气量，从而提高柴油机的功率密度。采用增压技术后，发动机功率一般可提高20%～50%，高增压的发动机几乎增加100%以上。

传统的增压器很难配合柴油机高低负荷的变化，催生了各种新的增压系统设计理念的发展，主要有：

（1）相继增压（STC）。采用多个小流量增压器，伴随着柴油机工况的变化依次投入运行。从而改善柴油机的经济性及排放性能。它能避免在低工况时废气能量不足而引起的增压器喘振、柴油机功率下降等问题。

（2）可变截面涡轮增压。可变截面涡轮增压是根据柴油机外界负荷的变化来改变增压涡轮喷嘴环叶片的角度，使流入涡轮叶片的气流参数改变，进而调节增压压力，使柴油机与增压器在各工况下匹配良好。

（3）废气旁通增压系统。废气旁通增压系统中，增压器的匹配点在柴油机低负荷时，通过打开废气旁通阀释放多余废气。这就改善了低转速时柴油机的热效率、瞬态响应以及排放性能。高负荷时，通过废气旁通阀调节柴油机的进气压力，以降低高负荷区增压压力，从而解决了爆压、热负荷和机械负荷过高等问题。

涡轮增压技术的发展方向是更低污染物的排放和更高的整机工况性能，因此，需要进步提高增压压力，并使整机更为紧凑，质量轻、效率高、寿命长、可靠性更高，从而达到在全工况范围内柴油机与增压系统的匹配。

1.3机外排放控制技术

机外排放控制技术主要有机前处理、机内净化和机外净化三种手段。机前处理主要通过改进柴油品质。机内净化是通过改进燃烧室结构、喷油系统、废气再循环、增压中冷和润滑系统等，但目前机内净化技术的发展几乎到了极限，未来发展空间有限，机外净化技术成为减少柴油机废气排放的主要方向。机外净化技术原理主要有4种：污染物捕集技术、氧化催化技术、选择性催化还原技术以及等低温离子体反应技术。

（1）污染物捕集技术。污染物捕集技术主要是通过捕集柴油机废气中的NOX和颗粒，达到减少污染物排放的目的，主要有NOX捕集和颗粒捕集两种方式。NOX捕集是将废气通道采用两层管壁，上层中掺有贵金属Rh，下层中掺有碱土金属K、Sr、Ba和贵金属Pt，将废气中有害气体NO、H2、CO催化成N2、CO2和H2O；颗粒捕集主要是利用蜂窝式陶瓷交替封堵废气孔道，通过壁面捕集废气中的微粒，这种捕集机制主要有重力沉降、惯性拦截、碰撞吸附、扩散拦截等方式。

（2）氧化催化技术。氧化催化技术是利用掺有贵金属催化剂Pd、Rh和Pt的不锈钢金属或陶瓷单体两种载体，很好地氧化废气颗粒中的可溶性有机物，一般可将颗粒物排放量降低3%～25%。

（3）选择性催化还原技术。选择性催化还原技术是将柴油机废气中有害气体NOX还原成无害的N2，从而降低其对环境的污染。欧洲重型汽车协会宣布将此技术作为达到欧Ⅳ以上排放标准的技术路线。

（4）低温等离子体反应技术。低温等离子体反应技术是利用高压脉冲电源放电产生的等离子体将废气中的NOX分解成为无害气体，这项技术已成功应用在废气、废液及固体废物处理。将此技术用于柴油机废气处理是一种较新的概念。

2柴油机节能减排措施

2.1改善燃油品质

若增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、C0和NOx的排放：降低燃油中S的含量，可以降低13～22％的PM颗粒排放；减少燃油中的芳烃成分，可以减少NOx的排放。改善燃油的措施如下：①根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。②在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷油器头部的积碳，可以减少30～50％的碳烟颗粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有98％转化为SO2，其余的2％成为硫酸盐颗粒，部分SO2被进一步氧化与燃烧过程中生成的H2O结合，形成H2SO4和硫酸盐（CaSO4等），增加了微粒的排放量。

2.2排气净化后处理

采用氧化催化转化器对柴油机排气处理，可以降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；用选择性还原催化转换器在富氧条件下还原NOx，用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

（1）采用颗粒过滤及再生技术颗粒过滤由颗粒过滤器和再生装置组成。颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质（滤芯）捕集柴油机排气中的固定碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

（2）加装氧化型催化转化器柴油机加装氧化型催化转化器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。加装氧化型催化转化器（以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂）能使HC、CO减少50％，颗粒PM减少50～70％，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

（3）非过滤技术非过滤技术目前主要研究的方向有两种：静电式微粒收集器。柴油机排气微粒中有70～80％呈带电状态，每个带电微粒约带1～5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果，但由于附加设备体积大、结构复杂以及高压电源的供给等，给实用化带来一定的困难。

2.3代用燃料的使用

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气（压缩天然气CNG，液化天然气LNG）、液化石油气（LPG）、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点：①天然气汽车成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车CNG为代表。CNG燃料本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中CO含量较低，无排烟，但动力降低10％，携带不便。②甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性差，需要加装点火装置，冷启动性差，有腐蚀性，并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放。

结束语

综上所述，现代技术条件下，人们对柴油机技术提出了更为苛刻的要求，柴油机也发展得越来越复杂。在柴油机未来发展中，废气排后处理、燃油净化和燃烧过程组织将成为重点研发领域。并会将各种新技术优化集成，使柴油机系统在经济性、动力性、可靠性、安全性、环境保护等多个方面达到最优.

参考文献：

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[2]黄恒，谢小鹏，刘辉龙.柴油机节能减排技术研究[J].润滑与密封，2015，4011：108-111+115.