高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程

高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程柴油机是所有内燃机中效率最高的一种动力装置，由于其性能上的优越性，在未来相当长一段时间内，柴油机的保有量还会增加，发展前景仍被看好。近年来，车用柴油机中直喷式柴油机份额不断提高，国内外对高速直喷式柴油机性能与排放的研究也不断深入，应用领域大大扩大，其倍受青睐的原因在于直喷式柴油机具有燃油消耗率低，一般比同类型的分隔式燃烧系统要降低10％～15％，相应的CO2排放也较低，在燃烧室中，着火开始前燃油与空气的混合相对较好，不需采取附加的辅助起动装置就能顺利实现冷起动等优点。但与分隔式燃烧系统相比，直喷式燃烧噪声较大，NOx和PM排放较高。本文主要针对高速直喷式柴油机（HSDI）燃油喷射系统、燃烧系统及后处理技术的多种实现形式进行分析比较，并对其发展趋势作出预测。一、燃油喷射系统（一）电控泵—喷嘴喷油系统随着燃油喷射向短喷油持续期、大喷油率和高喷油压力方向的发展，穴蚀和二次喷射问题、燃油的泄漏问题等都已成为传统的泵—管—嘴喷油系统发展的主要障碍，从而为泵—喷嘴系统的发展提供了广阔的前景。在20世纪80年代后期由于排放对高喷油压力的要求及电控技术的急速发展，电控泵—喷嘴成了极有魅力的新一代喷油系统。电控泵—喷嘴由于取消了高压油管，所以容易产生高喷油压力，而喷油压力直接影响着柴油机的功率和扭矩，并能改善排放，博世公司生产的柴油轿车用电控泵—喷嘴的喷油压力已高达205MPa，由于泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵—喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这很符合发动机的要求，大众公司的TDI发动机就是使用这个技术。由于采用电控系统，使系统控制灵活，通过电磁阀的两次动作可实现可控喷射，大大降低了噪声和振动，并改善了排放，不易产生穴蚀和二次喷射等异常喷射。与其它新一代柴油喷油系统的共轨系统比较，电控泵—喷嘴最大的特点是容易实现高压喷油，而共轨系统由于其结构特点特别是需要密封的高压部位多使其能够达到的高压受到限制，但电控泵—喷嘴系统喷油压力受发动机转速和负荷（喷油量）影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题；另一方面由于电控泵—喷嘴的供油规律仍采用凸轮控制，在控制喷油压力及实现多次喷射等方面不如共轨系统的自由度大。（二）高压共轨喷油系统柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制在众多的电控系统中有最大的灵活性和自由度。相对于其他燃油喷射系统，高压共轨燃油喷射系统的特点如下[1]:在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化后可达180MPa的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达7次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩；排放、噪声降低，柴油机整机性能有所提高。二、燃烧系统（一）传统柴油机燃烧传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区产生NOx，内部高温缺氧区产生PM。由于NOx生成的主要机理是高温富氧，为减少NOx排放而采取的导致燃烧温度降低的措施，往往会减少碳烟的氧化，从而导致碳烟排放恶化，因此，无法同时有效降低NOx和PM排放。这是以扩散燃烧为主的传统柴油机所无法避免的。如上所述，NOx和PM排放及燃烧噪声是高速直喷式柴油机必须解决的主要问题，研究资料表明，减少预混合燃烧以降低NOx，强化扩散燃烧以降低颗粒和烟度，同时通过控制喷油速率等措施降低燃烧噪声是燃烧系统改进的主要思路。按此思路，应该采取的措施[2]见图1。（二）HCCI燃烧直喷式柴油机是一种效率很高的发动机，其温室气体CO2和有害气体HC、CO的排放都比汽油机低。但由于它的扩散燃烧和燃烧产生的局部高温这样一些燃烧特点，很难遏制NOX和炭烟（包括微粒物）的生成，并且还存在NOX和PM排放控制目标之间相互冲突的问题。因此，必须促进燃油和空气的混合，从这个观点出发，许多研究者研究了预混合的压缩点燃燃烧，即HCCI[3]。HCCI的技术特点:（1）放热率在一定的工况下，HCCI的放热速率可接近Otto循环:没有高温区和不发光的燃烧，使得热损失减小。因此，HCCI有较高的热效率。（2）污染物排放NOxHCCI是以较稀的混合比、高的废气再循环（EGR）燃烧，由于燃烧室中没有高温区，能显著降低NOx的排放，不过目前NOx排放减少的结论都是在部分负荷条件下得出的，在相同过量空气系数下，HCCI对降低NOx排放效果不大。PM目前的研究表明，采用HCCI的PM排放较低。PM减少的机理目前还不十分清楚，大部分人认为燃油碰壁扩散燃烧和局部浓混合区的减少都有效地抑止了PM的形成。HC和CO人们普遍认为与传统的柴油机燃烧相比，HCCI的HC和CO排放是增加的。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI采用较稀的混合气和高的废气再循环（EGR），缸内温度较低，最终使得HC和CO的氧化率下降，排放增加。（3）运行工况在发动机整个工作过程中，燃烧始点和燃烧快慢的控制是两个主要问题。在HCCI中控制燃烧始点很困难，为了获得良好的自燃就需要较高的充量温度和压缩比，而在发动机的整个工况范围内，由于爆震和失火的限制，这样高的温度和压缩比不可能在所有工况都实现。目前HCCI方式在2行程发动机上主要应用在中低负荷工况区。三、后处理系统柴油机排气污染物包括PM、NOx、HC和CO等。其中，HC和CO含量较低，且易于净化，所以柴油机排气控制主要针对PM和NOx进行，由于PM和NOx无论在物理形态上还是化学性能上都存在很大差异，相应地，柴油机排气后处理技术系统也分为PM净化系统和NOx净化系统。近来人们还对能够同时处理PM和NOx的技术进行了探索。（一）PM净化系统1．催化氧化法柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤，利用催化氧化技术减少载重车和城市公交车柴油机尾气PM排放始于20世纪90年代。催化剂为蜂窝整体直通式，能部分氧化去除排气PM的可溶性有机组分以及气态污染物HC和CO，发动机负荷低时，PM可溶性有机组分含量高，催化氧化降低PM排放效果明显；而发动机负荷高时，PM中可溶性有机组分含量低，催化氧化降低PM排放效果较弱。典型的PM排放降低值为20％～50％，而且随着排气温度提高，降低率增大，但排气温度提高也会导致SO3和硫酸盐排放增加。2．过滤法过滤是降低PM排放最直接的方法，但将柴油机排气微粒收集起来后，决定微粒捕集器可行性的就是再生的问题了，微粒捕集器的再生一般都采用燃烧法，即利用外界能量提高微粒捕集器内的温度，使微粒着火燃烧，或通过使用某些催化剂降低微粒的着火温度，使之能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧分解。目前，催化再生的燃油添加剂再生和连续再生已成为研究的热点。燃油添加剂再生可能会造成新的二次污染，但这类燃油添加剂通常为含钙或铁钡铜锰的金属化合物，成本相对低，降低微粒着火温度显著，在国内该方法应该具有较为广泛的应用前景；而连续再生是将催化剂与微粒表面充分接触，降低微粒排放量的效果也较为明显。连续再生式DPF装置目前要解决的问题是:在发动机的各种运转条件下不发生碳粒堵塞现象，以确保碳粒净化率的长期稳定性，提高其使用寿命[4]。3．低温等离子体技术目前，低温等离子体技术在柴油机尾气控制中较多的是将其用于排气微粒的捕集，其主要依据在于柴油机排气微粒中有70％～80％（以质量计）是带电的。利用低温等离子技术捕集柴油机微粒的技术现在还处于实验室阶段，而且已获得较满意的数据。等离子体静电捕集微粒装置的流动阻力小，对发动机的性能影响较小，这是传统微粒捕集器所没有的，而且具有较高的捕集效率，能解决微小微粒难于收集的困难等优点。但是这种技术实用化的最大困难在于设备庞大，结构复杂及成本较高，在车用上则有高压电电源的供给问题。因此，该项技术的商品化还需要进一步的研究[6]。（二）NOx净化系统由于柴油机机内NOx控制与PM控制存在所谓的trade-off效应，而机外的NOx控制又因排气中含有大量O2而变得非常困难。目前，柴油机排气NOx净化研究主要从选择性催化还原和吸附—催化还原两条技术路线入手。1．选择性催化还原选择性催化还原有一个很明显的优点就是:催化剂不会因为燃料或润滑油中所含的硫而引起硫中毒。以尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以降低柴油机排气中绝大部分的NOx，也能降低部分HC。因此，以尿素为还原剂的SCR被认为是最具有应用前景的。但尿素SCR技术的难点在于处理城市基本建设与植被尿素水的矛盾，所以使将来车用尿素的SCR的实用性受到影响。1990年，Iwamoto和Held分别报道在Cu/ZSM-5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx。随后，作为净化柴油机和吸燃汽油机排NOx的潜在技术，HC选择性催化还原NOx受到重视。对小型客车来说，HC选择性催化还原系统的发展旨在改进催化剂材料和增大NOx净化效率的控制方法上，同时也尽量减少燃料经济性的恶化[5]。2．吸附—催化还原吸附—催化还原对NOx的净化率高达80％左右，其还原NOx的机理是:基于发动机周期性进行稀燃和富燃工作的一种NOx净化技术，在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。对于超低S燃料，现有吸附—催化还原技术可将NOx降低90％，但燃油经济性会因此降低。适用于高含量S燃料的吸附—催化剂目前尚在开发之中[7]。（三）同时净化系统1．同时催化法在氧化环境下，用催化方法同时去除NOx和PM的理念是由Yoshida首次提出的，他对“Soot-O2-NO”3组份之间反应的可能性进行了实验研究和探讨。Cooper等人通过实验研究发现，NO在Pt催化剂作用下被氧化成NO2，而NO2能进一步氧化柴油机的碳烟，从而揭示了NO（NO2）在降低柴油机碳烟中的作用[8]。2．四效催化剂最近，被称作柴油机PM—NOx还原系统（DPNR）的一种四效催化系统得到了发展，它具有同时净化4种有害物质PM，NOx，CO和HC的潜力。DPNR是一种DPF，只是表面有一层吸附催化还原催化剂的涂层。在DPNR系统中，PM由活性氧氧化，而活性氧产生于NOx储存与还原的过程中，还有一部分来自稀燃状态下过剩的氧气。四、燃料燃料的组成和性质对控制柴油机排放及预防催化剂中毒具有重要影响。燃料硫对PM排放是不利的，其原因除了燃烧过程中能生成硫酸盐的固体颗粒以外，还因燃烧产物氧化硫能促使碳烟的生成。Baranescu研究表明含硫量每提高0.1％，PM排放就增加0.034g/（kW·h）。此外，McCarthy研究表明，生成的硫酸盐固体颗粒对SOF（可溶有机物）有较强吸附能力，因而使SOF排放亦增加。由于硫对废气催化转化器中催化剂还有中毒危害，故国外对燃料硫限制比较严格，美国限制燃料硫在0.05％以下。芳烃对排放也会产生较大的影响。二环、三环芳烃是生成PM中多环芳香烃（PAH）的主要组份，应严格限制。McCarthy的试验结果表明芳烃每下降10％，PM排放下降0.005g/（kW·h）。芳烃增加碳烟排放是因芳烃在较高温度下不易发生环破裂和被氧化，相反更易直接发生缩聚生成多环芳烃的碳烟前体，由此造成更多的碳烟生成。含氧组份的醇、醚和酯能改善排放，特别是二甲基醚（DME）降污性能十分优越，所以柴油中引入含氧组份十分有利。助燃消烟剂能大幅度减少碳烟和PM的排放，因此使用助燃消烟剂也是减少排放的有效方法。此外，燃料的十六烷值（CN）、表面张力、粘度、馏程和密度对排放都有较大影响，且呈一定规律。提高CN值和选择适当粘度范围，降低燃料初馏点、终馏点、90％馏出温度、表面张力以及控制密度