权春锋

摘 要：文章主要通过柴油发动机和汽油发动机优缺点比较，阐述柴油发动机动力特性、燃油经济性等优势，提出发挥柴油机优势。其次，通过柴油机尾气处理的发展趋势，重点介绍商用车尾气处理流程。最后，总结柴油机尾气处理技术所面临的问题。关键词：柴油机;尾气处理;喷射系统中图分类号：U262.11  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）08-82-03

Abstract： By comparing the advantages and disadvantages of diesel engine and gasoline engine， this paper expounds the advantages of diesel engine such as power characteristics and fuel economy， and puts forward to give full play to the advantages of diesel engine. Secondly， through the development trend of diesel engine exhaust treatment， it focuses on the commercial vehicle exhaust treatment process. Finally， the problems of diesel exhaust treatment technology are summarized.Keywords： Diesel; Exhaust treatment; Injection systemCLC NO.： U262.11  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）08-82-03

前言

2005年，國家全面实施柴油车和汽油车排放标准，当时标准就是我们说的国三标准。到了2008年，北京开始带头实施国四标准，标准普及到2011年7月。这是汽油机已经全部达到国四标准，没达到国四标准的汽油车不能销售。柴油车相对于汽油车技术慢一些，2015年1月，全国才普及柴油车国四标准。2013年2月，北京带头实施国五排放标准，一年以后，全国的汽油车和柴油车都实施国五排放标准。直到2019年7月，全国开始实施国六标准，国五的车禁止销售。从以上政策发布到实施，我们可以得出，标准越来越高，并且间隔时间也变短了。主要原因是环境污染越来越严重了，能源储备越来越少了。

1 尾气处理技术的必要性

我们来看一下中国柴油机市场情况。中国市场乘用车中柴油机销量占不到1%，主要应用于SUV，皮卡。排量分布在2.0-2.5L之间。美国市场乘用车中柴油机销量占比在10%左右，由于轻型车柴油化升级，未来比例将会有升高。欧美国家柴油机市场占比都高于我们国家，那么柴油机的优势在哪里呢？

1.1 结构简单，可靠性高

柴油机在做功环节，引燃混合气时，不需要点火装置。将混合气压缩到一定程度，将会自然，因此柴油机不需要复杂的点火系统。并且柴油机转速相对于汽油机来说，比较低，活塞、气缸、曲轴等部件磨损较少。另外，柴油燃烧的温度较汽油低，进排气门、燃烧室等相关部件不易老化，因此柴油机机构简单，可靠性高。据大众公司统计，柴油机无故障里程在85万公里，而汽油机的无故障里程在45万公里。

1.2 燃油经济性

柴油机比汽油机压缩比高。汽油和空气形成的混合物压缩极限限制了发动机压缩比。如果压缩比过高，汽油和空气混合物将自然，并导致爆震。柴油这方面有先天的优势，柴油机直接压缩空气，因此压缩比高于汽油机。汽油机压缩比为8：1至12：1，而柴油机的压缩比为14：1，甚至达到25：1.那么压缩比越高，发动机的热效率就业越高，从而输出同样的功率，柴油机比汽油机更加节约燃料。从柴油和汽油的角度来说，由于柴油较重，所以蒸发较慢。比起汽油，它含有更多更长的碳原子链。生产柴油时的精炼过程较少，所以柴油比汽油便宜。柴油比汽油有更高的能量密度，所以柴油发动机比汽油发动机平均省油30%。

1.3 动力特性

柴油机低速扭矩大，加速性能好，爬坡能力强。所以柴油发动机用于商用车较多，因为商用车需要大扭矩。柴油机加速性能好，我们可以对比一下高尔夫2.0L的柴油版和汽油版汽车。汽油版高尔夫扭矩在3500rpm时，可以输出最大扭矩200NM。而柴油版高尔夫在1750rpm时，就可以输出320NM的扭矩。柴油版高尔夫加速时间明显快于汽油版高尔夫加速时间。

2 尾气处理技术发展趋势

柴油机燃烧排出的二氧化碳比汽油机低30%，一氧化碳和碳氢化合物也低于汽油机。但是氮氧化物和PM的排放比汽油机高。那么柴油有这么多的优势，如果想继续畅销于市场，他必须从哪些方面提高自身呢？我们了解一下，柴油机的技术发展：喷射系统、后处理系统、燃油系统和燃油。

2.1 喷射系统

为了让空气和柴油混合时，更加的均匀，燃烧质量更高，再设计空气进气通道时，将进气道设计成涡流形式，空气经过进气道形成涡流进入到燃烧室。在燃烧室中，将活塞顶部做成涡流槽，与进气道配合，从而让空气形成完整的涡流。最大限制的让空气和柴油混合均匀。

为了柴油进入到燃烧室，形成很好的雾化效果，采用高压共轨喷射系统，喷射压力达到1400bar-1600bar。柴油从柴油箱经初级泵增压进入燃油滤清器，有一定压力的燃油再经过高压泵燃油泵加压，将压力增加到1400bar，通过高压燃油管进入到高压油轨。高压油轨将燃油分配到各个喷油嘴，喷油嘴将高压燃油喷射到燃烧室内，形成高质量的雾化效果，有利于混合气的燃烧。

2.2 后处理系统

柴油机在氮氧化物和pM排放方面高于汽油机，所以必须增加发动机燃烧后处理系统。目前有两条技术路线：第一种是EGR路线，原理通过控制发动机内部燃烧时的温度，将曲轴箱废气在燃烧，从而抑制氮氧化物生产，然后在尾气处理过程中吸收PM颗粒。

第二种是SCR技术，在后处理系统中，增加尿素喷射泵，将尿素喷射到尾气中。尿素可以认为是催化剂，高效的PM和氮氧化物转化为氮气和氧气，降低污染物排放。

2.3 全铝缸体

目前国际知名的汽车制造商都开始使用全铝发动机。全铝发动机最大的优势是降低整车质量。当整车质量降低时，柴油的消耗量将会降低，污染物排放量也会伴随着降低，并且燃油消耗量会降低。奔驰、宝马、大众已经基本上实现了柴油发动机和汽油发动机全部铝制化要求。甚至高端汽车如：奔驰、捷豹、宝马、保时捷等采用铝制车身，更大程度上減少整车质量，并且提高了车辆高度的操控性能。

2.4 油品质量

在欧洲对柴油的质量要求较高，欧四和欧五标准要求柴油含硫量不超过50*10-6 。过高的硫含量会导致尿素催化剂中毒，堵塞三元催化器。我们来分析一下北京国四柴油标准，含硫量这项中规定不大于0.005。这项标准远低于欧四标准。那么，如果将欧洲产的柴油汽车应用于国内，将会导致尿素催化剂中毒，从而排放不能达标。所以这就是为什么柴油发动机在中国很少使用的原因了。

3 尾气处理关键技术分析

柴油机排放第一个污染物是碳氢化合物，主要原因是燃油燃烧不充分，喷油嘴滴露、混合气过浓、不正常喷油等。处理方法包括：优化喷油参数，喷油嘴结构设计和增加柴油氧化催化剂等。第二种污染物是一氧化碳，主要原因是缺氧，处理方法是改善混合、喷射参数和增加柴油氧化催化剂。第三种污染物是氮氧化物。主要原因是氧含量较高，处理方法是降低燃烧温度，采用尿素还原剂、增加EGR系统等。第四种污染物是PM颗粒。主要原因是机油消耗过高、发动机磨损、碳烟等。处理方法是改善燃烧，降低机油消耗，增加颗粒物捕集器、颗粒物氧化器等。

本文来分析一下三种处理方案他们的优缺点。第一种，不需要尿素催化剂方案，在全负荷工况下，废气在回收率达到50%。PM排放大于90%，燃油压力大于2500bar，需要两级增压。第二种处理方案，是中等程度的尿素催化剂方案。在全负荷工况下，废气回收率达到25%，PM降低到60%左右，燃油系统压力1800bar，需要两级增压。第三种方案是高度尿素催化剂方案。在全负荷状态下，废气回收率降低到15%，氮氧化物排放非常高，超过90%，PM降低到20%，系统压力在1800bar。综合考虑技术成本的经济性，第二种方案是目前的主流。

重型商用车发动机采用柴油发动机。首先在发动机运转机构内，增加EGR系统。将曲轴箱内的废气进行循环利用，因为缸内新鲜空气少了，喷油量少，缸内温度当然降低了，从而降低缸内的燃烧温度，实现降低氮氧化物。然后废气进入（DOC）氧化催化转化器。在国四阶段的DOC是为了实现微粒催化转化，现阶段的DOC是为了实现一氧化碳和碳氢化合物的氧化处理。废气在进入到DPF，将尾气中的未氧化的微粒捕集到捕集器中，在这其中有主动再生和被动再生。主动再生是指在通过外在提供能量使DPF内部温度达到颗粒物氧化燃烧所需的温度而实现的再生;而被动再生主要是指在过滤体表面涂覆催化剂或在燃油中添加催化剂，以降低碳烟所需的氧化反应温度。接着废气将进入SCR选择性催化还原系统，在尾气后处理器中喷射尿素，发生氧化还原反应，将氮氧化物还原为氮气，进而实现对氮氧化物的处理。随着氮氧化物传感器的成功开发与应用，尿素的喷射控制策略已经从开环控制发展到了闭环控制模式。通过闭环控制，可以精确的控制尿素的喷射量，以减少氨气的泄漏。最终废气进入ASC（氨氧化催化器），它就是把还原剂换成氨，DOC和ASC均能够显著提高SCR转化效率，利用氨降低氮氧化物排放。

4 总结

这样一整套的柴油机后处理系统，技术人员将面临很多的挑战，首先：DPF使用时，需要合适的再生控制策略，提高再生的效率和可靠性。其次氮氧化物的排放限值大幅度的降低，对尿素还原剂喷射系统的喷射精度提出了很高的要求。如果喷射量过大，氨氧转化器就不能够将所有的尿素还原成氨。

参考文献

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