柴油机NOX排放控制与废气再循环技术.doc

柴油机NOX排放控制与废气再循环技术
天津大学何邦全姚春德刘增勇李万众
(天津300072)
摘要本文从柴油机废气再循环的角度分析了降低柴油机NOX排放的原理、实施方
案、存在的问题及其解决方法。可以相信,随着废气再循环技术和发动机相关技术的
发展,柴油机NOX和颗粒排放物将会进一步降低。
关键词废气再循环排放物
ReductionofNOXfromDieselEngineswithEGR
TianjinUniversityHeBangquanYaoChundeLiuZengyongLiWangzhong
(Tianjin300072)
AbstractInthispaper,thetheory,applicationproblemsandtheirsolutionsarereviewed.Itis
certainthatwiththedevelopmentofexhaustgasre-circulationanditsrelevanttechnologiesap-
pliedtodieselengines,theNOXandPMemissionsfromdieselengineswillbefurtherreduced.
KeywordsExhaustgasre-circulation,Emissions
1前言
为了改善空气质量,各国开始制定自己
的排放法规。表1就是美国、欧共体制定出
的未来轻型柴油车严格的排放法规。
单位:(g/mile)
美国年份NOXCONMHC或NMOGPM
联邦1现在0·43·40·250·08
联邦220040·21·70·1250·08
欧Ⅲ20000·50·640·560·05
欧Ⅳ20050·250·50·300·025
由此可见,减少柴油机的有害排放物,特
别是NOX的措施已成为柴油机满足各种新
法规的必要手段。
2废气再循环技术
与汽油机相比,柴油机由于其进气流动
损失小,燃油消耗率低,而且在低当量比下工
作时CO和HC排放低这些优点,所以使柴油
机成为很有吸引力的动力。柴油机的废气主
要由N2、CO2、H2O和O2组成,然而传统的柴
油机有相当高的NOX和颗粒排放物,大多数
降低NOX排放物的措施往往又致使HC和颗

粒排放增加。如推迟喷油提前角可使压力升
高率dp/dθ下降,最高燃烧温度下降,NOX
减少,但参与扩散燃烧的燃料增加,颗粒排放
增加,而且还使发动机热效率降低,燃油经济
性下降。图1给出了喷油提前角与燃油经济
性和排放之间的关系。
图1喷油提前角与燃油消耗和排放之间的关系
图2给出了发动机燃烧放热率随排放法
规变化的趋势图。由此可见,仅用推迟喷油
提前角来改善排放是有限的。通常小于5g/
hp.h的NOX排放水平的柴油机采用推迟喷
油提前角来改善NOX差不多已经达到了极
限。为了保证发动机的燃烧热效率,进一步
推迟喷油提前角必然要使用更高的喷油压
力,这又会对发动机材料的强度提出更高的
要求,同时喷油压力的提高又将增加驱动油
泵的功率损失,燃油系统的成本也将增加,一
般还会导致发动机NOX排放升高。因此有
必要探索一条更有效的降低NOX排放的技
术。废气再循环(EGR)技术一直被认为是一
种降低汽油机NOX排放的有效措施。图3
给出了汽油机和柴油机的热容量和A/F随
EGR率变化的趋势。可以看出,由于汽油机
气缸中的进气总量随着EGR率的增加而增
加,因此混合气的比热也随之增加。当柴油
机采用EGR时由于其进气总量不会变化,所
以废气的加入,使A/F比减小,比热增加较
小,因此,汽油机气缸中的气体温度会随着
EGR的增加而减小,柴油机中气体的温度减
小较少,但氧气浓度随EGR率的增加而迅速
减小,因而使得单位质量混合气的放热量成
比例地减小,降低了燃烧的最高温度,从而使
NOX排放减少。柴油机在采用废气再循环
时,由于废气的加入,使得发动机气缸中混合
气的形成、燃烧和排放发生了变化,因而对发
动机的性能产生了各种影响。
图2放热率趋势
2·1废气再循环对柴油机性能的影响
(1)通常情况下,高温的再循环废气导致
发动机的进气温度增加,致使压缩行程通过
气缸壁传出的热量增加,最高燃烧压力降低。
(2)由于再循环废气的影响,气缸中气体
的氧浓度下降。这是由两个因素引起的:一
方面是再循环废气比新鲜空气的氧气含量
低;另一方面是使用EGR时进气道和气缸壁

的温度升高导致进气充量下降。图4给出了
在大众可视化四缸1·9L直喷式柴油机上测
得的O2浓度和CO2浓度随EGR的变化趋
势。由此可见,当EGR率由0增加到50%
时,O2的浓度从21%下降至约14%,与此同
时CO2的浓度从0上升到约5%。
(3)EGR对着火延迟期的影响表现在:进
气平均温度提高,缩短了着火延迟期