柴油机排放控制技术的最新发展

摘要：本文旨在深入探讨柴油机排放控制技术的最新发展状况。随着环保要求日益严苛，柴油机排放控制技术成为研究焦点。文章详细阐述了当前主流的排放控制技术，如废气再循环（EGR）、选择性催化还原（SCR）、颗粒物捕集器（DPF）等的工作原理、应用现状及优缺点，并结合最新研究成果，对新型排放控制技术的发展趋势进行了分析，旨在为柴油机排放控制领域的进一步研究与应用提供参考。

参考文献：柴油机；排放；控制技术；发展

一、引言

柴油机以其较高的热效率和良好的动力性能，在汽车、船舶、工程机械等众多领域得到广泛应用。然而，柴油机排放的污染物，如氮氧化物、颗粒物、碳氢化合物等，对环境和人体健康造成了严重威胁。随着全球环保法规的日益严格，柴油机排放控制技术的发展显得尤为迫切。近年来，柴油机排放控制技术取得了显著进展，不断涌现出新的技术和方法，以满足日益严格的排放标准。

二、主流柴油机排放控制技术

2.1 废气再循环（EGR）技术

废气再循环技术是将一部分柴油机排出的废气重新引入进气系统，与新鲜空气混合后进入气缸参与燃烧。其主要原理是利用废气中较高的比热容，降低燃烧温度，从而抑制NOx的生成。通过控制EGR率（废气再循环率），可以在一定程度上平衡发动机的性能和排放。在船舶柴油机中，EGR技术通过引进排放的废气与新鲜空气融合并引入气缸，利用废气高比热特性降低氮氧化物生成，同时由于新鲜气体中混入废气，降低了氧气含量，抑制了氮氧化物的生成条件。然而，EGR技术也存在一些缺点，如会导致发动机燃烧性能下降，颗粒物排放增加，同时对发动机的可靠性和耐久性也有一定影响。

2.2 选择性催化还原（SCR）技术

SCR 技术是目前应用较为广泛的一种控制柴油机NOx排放的后处理技术。其原理是在催化剂的作用下，利用还原剂（通常为尿素水溶液，即 AdBlue）将NOx还原为氮气和水。在梅赛德斯-奔驰公司搭载的 e300/e320 bluetec 柴油轿车的 om642-3.0l-v6 柴油机中，就采用了带前置存储式nox催化器的排气装置以及带scr催化器和附加喷射adblue的排气装置等相关技术。SCR系统主要包括催化转换器、尿素喷射装置、传感器和控制系统等。该技术具有较高的NOx转化效率，能够满足严格的排放标准。但是，SCR技术需要额外的尿素供应系统，增加了车辆的使用成本和维护复杂度，同时对尿素的品质和储存条件也有一定要求。

2.3 颗粒物捕集器（DPF）技术

DPF用于捕集柴油机排气中的颗粒物，其工作原理是通过过滤介质，如陶瓷壁流式蜂窝体，将颗粒物拦截在过滤器内。随着颗粒物在DPF内的积累，会导致排气背压升高，影响发动机性能。因此，需要对DPF进行定期再生，以去除积累的颗粒物。再生方式主要有被动再生和主动再生两种。被动再生利用排气中的高温和氧气，在催化剂的作用下使颗粒物自然燃烧；主动再生则通过额外的加热装置或喷油等方式，提高排气温度，使颗粒物燃烧。DPF技术能有效降低颗粒物排放，但再生过程需要消耗一定的能量，并且可能会对发动机的燃油经济性产生一定影响。

三、新型柴油机排放控制技术研究进展

3.1 低温氮氧化物储存还原技术

低温氮氧化物储存还原技术作为一种极具潜力的新型NOx控制技术，旨在有效克服传统选择性催化还原（SCR）技术在低温工况下效率显著降低的瓶颈问题。该技术的核心机制基于特定催化剂材料表面的吸附-储存-还原过程。在富氧的低温环境下，催化剂表面的活性位点能够将废气中的NOx吸附并储存起来，形成硝酸盐等含氮化合物；当工况条件发生变化，如进入高温富燃阶段时，储存的NOx在还原剂（通常为发动机尾气中的未燃碳氢化合物或少量额外添加的还原剂）的作用下，通过一系列复杂的化学反应被还原为氮气排放到大气中。

目前，LTSR技术仍处于深入研究的关键阶段。在催化剂性能优化方面，研究重点集中于筛选和开发具有高吸附容量、良好热稳定性以及高效低温活性的新型催化剂材料。同时，如何在有限的催化剂体积内实现最大的NOx储存容量，以及在储存和还原过程中维持二者之间的高效平衡，是当前亟待解决的科学问题。此外，LTSR系统与发动机整机的匹配优化，以及在复杂多变的实际工况下的可靠性和耐久性研究，也成为该技术走向实际应用的重要研究方向。

3.2 电化学氮氧化物还原技术

电化学氮氧化物还原技术基于电化学原理，为柴油机NOx排放控制开辟了全新的路径。该技术的基本原理是在特定的电化学装置中，以NOx为反应物，在电极表面通过施加外部电场，促使NOx发生还原反应，最终转化为无害的氮气、水等物质。与传统的NOx控制技术相比，ENR技术具有显著的优势。其一，反应条件相对温和，无需高温高压等极端条件，降低了能量消耗和设备成本；其二，该技术无需额外添加化学还原剂，避免了还原剂储存、运输和供应等一系列复杂问题，同时减少了因还原剂使用不当带来的二次污染风险。

然而，目前ENR技术在实际应用中仍面临诸多挑战。从电极材料角度来看，现有的电极材料普遍存在成本高昂的问题，如一些贵金属基电极材料虽然具有良好的电化学活性，但价格昂贵，限制了其大规模应用。此外，电极材料的稳定性较差，在长期的电化学循环过程中，容易发生结构变化和活性衰减，导致电极性能下降。因此，开发低成本、高活性且稳定性良好的新型电极材料，以及优化电极制备工艺和电化学系统设计，成为推动 ENR 技术发展的关键任务。

3.3 新型燃油喷射系统与燃烧技术的协同发展

随着柴油机排放法规的日益严格，新型燃油喷射系统与先进燃烧技术的协同发展成为从源头上控制污染物生成的重要研究方向。在新型燃油喷射系统方面，共轨喷射系统、压电喷射系统和磁涡喷射系统等代表了当前的前沿技术。这些新型喷射系统在喷油精度、喷油压力和喷射策略等方面展现出卓越的性能提升。

以共轨喷射系统为例，通过建立独立于发动机工作循环的高压燃油储存轨道，能够实现对喷油时刻、喷油量和喷油压力的精确控制，且喷油压力可根据发动机工况灵活调整，最高可达 200MPa以上，显著提高了燃油的雾化质量。压电喷射系统则利用压电晶体的逆压电效应，实现了更快速、更精确的喷油控制，响应时间可缩短至毫秒级。磁涡喷射系统通过产生高强度的磁场和漩涡流场，进一步优化了燃油的喷射形态和分布均匀性。

与此同时，先进的燃烧技术如均质充量压缩着火、预混合压燃等不断涌现。这些燃烧技术通过优化混合气形成过程和燃烧路径，使燃烧过程更加接近理想的等容燃烧，有效降低了燃烧温度和压力升高率。新型燃油喷射系统与先进燃烧技术的有机结合，能够实现更充分、更高效的燃烧过程。通过精确控制喷油时刻和喷油量，使燃油与空气在气缸内形成更均匀的混合气，优化燃烧过程，从而显著降低氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的排放。例如，在HCCI燃烧模式下，结合精确的燃油喷射控制，可使NOx排放降低80%以上，PM排放降低50%以上，同时提高发动机的燃油经济性和动力性能。

结语

柴油机排放控制技术在过去几十年中取得了显著的发展，主流的排放控制技术如EGR、SCR 和DPF等在降低污染物排放方面发挥了重要作用。同时，新型排放控制技术的研究也为未来柴油机排放控制提供了新的方向。然而，要实现柴油机的超低排放甚至零排放，仍需要在技术创新、成本控制、设备可靠性等方面进行深入研究。未来，随着材料科学、电子技术和控制技术的不断发展，柴油机排放控制技术有望取得更大突破，为环境保护和可持续发展做出更大贡献。

参考文献

[1]耿洲洲.柴油机有害物排放控制技术研究[J].造纸装备及材料，2023，52（11）：109-111.

[2]龙超，喻革.柴油机排放物的危害及控制技术[J].内燃机与配件，2021，（05）：38-39.