柴油機排放的控制及處理-職業(yè)學院畢業(yè)論文

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)論文 題目：柴油機排放的控制及處理 作者：馬濟祥學號：411108134 系：城市軌道交通系 專業(yè)：鐵道機車車輛 班級：08 鐵機輛 301 班 指導者：謝旭方講師 評閱者： 2011 年 06 月 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 柴油機排放的控制及處理 摘要隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們開始對環(huán)境的關(guān)注程度也在大大的提高。環(huán)境污染 問題已經(jīng)成為制約人類發(fā)展的重要問題。 空氣污染源主要是來自石油煤炭等的不 完全燃燒所造成的。 本文主要分析了燃油不完全燃燒的原因和其產(chǎn)物， 介紹了燃油品質(zhì)的改善方 法，采用顆粒過濾及再生技術(shù)，加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器，可溶性 SOF 氧化催化， 非過濾技術(shù)和 NOX 催化轉(zhuǎn)化器等排氣凈化后處理技術(shù)和采用增壓中冷技術(shù)， 燃燒 系統(tǒng)的改進，采用電控高壓噴射技術(shù)，廢氣再循環(huán)技術(shù)，可變技術(shù)等柴油機機內(nèi) 凈化技術(shù)等來控制柴油機的排放污染。 通過對本課題的研究， 使我了解了一些有關(guān)柴油機排放方面的最前沿的技術(shù) 和目前所面臨的技術(shù)難題。并根據(jù)研究，提出了自己的看法和解決方案。 關(guān)鍵詞排放 控制 固體顆粒物 增壓 廢氣再循環(huán) 第 1 頁共 1 頁 目次 引言1 一 柴油機尾氣排放的危害和生成機理2 （一）柴油機尾氣排放的危害2 （二）柴油機有害物質(zhì)的生成機理2 二 柴油機控制尾氣排放的主要凈化措施4 （一）柴油機機內(nèi)主要凈化措施 4 1、 噴油系統(tǒng)的優(yōu)化7 2、燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化8 3、燃油的改質(zhì) 8 （二）柴油機機外凈化措施 10 結(jié)論 13 致謝 14 參考文獻 15 第 1 頁共 15 頁 引言引言 柴油燃燒后的主要排放物為 PM(顆粒狀物質(zhì))、NOx、CO 和 HC，但后兩者排 放較低。要控制柴油機尾氣排放，主要就是控制顆粒物質(zhì) PM 和 NO 的生成，降低 PM 和 NOx 的直接排放。柴油機與同等功率的汽油機相比，微粒和 NOx 是廢氣排 放中兩種最主要的污染物。目前，世界各國都在致力于減少柴油機顆粒排放的技 術(shù)研究，并且都已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展。由于柴油機排氣微粒與 NOx 的生成機 理不同，在減少微粒的同時又增加了 NOx 的排放，同時微粒的減少又使得催化劑 中毒得以有效的扼制，因而使采用機外催化技術(shù)凈化 NOx 成為可能。 現(xiàn)代內(nèi)燃機的發(fā)展有三大目標，即高動力性、經(jīng)濟性以及低有害排放物。實 現(xiàn)上述目標主要有以下幾種措施。 1.采用高效率的內(nèi)燃機工作循環(huán)，如米勒循環(huán)，高增壓、中冷循環(huán)。 采用可變技術(shù)。 如可變進氣系統(tǒng)， 減小進氣阻力， 獲得強渦流和增大進氣量； 可變機構(gòu)（可變相位、可變升程）；可變壓縮比；可變增壓器噴嘴截面等。 2. 采用多氣門設(shè)計。氣門正時也可以隨工況自由調(diào)節(jié)。 3. 改進燃油供給系統(tǒng)，采用高噴射壓力。 4. 改進燃燒室與燃燒過程。 5. 降低運動件的摩擦損失。 6. 降低內(nèi)燃機的質(zhì)量。 7. 降低油耗，減少 CO2排放。 8. 廢氣后處理，包括三效催化轉(zhuǎn)化器。 9. NOx 生成機理的研究及排放控制。 10. 柴油機微粒過濾器及其再生。 第 2 頁共 15 頁 一一柴油機尾氣排放的危害和生成機理柴油機尾氣排放的危害和生成機理 （一）（一） 柴油機排放的危害柴油機排放的危害 柴油機的排氣主要是固體顆粒（PM）和 NOx，含有較少的 CO 和 HC。據(jù)統(tǒng)計， 城市大氣中的 NOx 約有 50%來自機動車輛，其中柴油機排放的 NOx 約占 50%，大 約 30%的懸浮顆粒來自汽車，還有一部分是來自鐵路內(nèi)燃機車。 柴油機排出的 NOx 中，NO 約占 90%，NO2 在其中占很少的一部分。NO 無色無 味，毒性也不大，但濃度過高時能導致神經(jīng)中樞的癱瘓和痙攣，而且 NO 排入大 氣后會逐漸被氧化為 NO2。NO2是一種有刺激性氣味的氣體，且毒性很強，呈現(xiàn)紅 棕色，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴重時甚至能引起肺氣腫。當濃度高達 10010-6 體積濃度以上時，會隨時導致生命危險。NOx 和 HC 在太陽光作用下 會生成光化學煙霧。 NOx 還會增加周圍臭氧的濃度， 而臭氧則會破壞植物的生長。 另外，NOx 還對各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。對環(huán)境危害 較大。 由于以上原因，柴油機排放物中的 NOx 對環(huán)境的嚴重污染引起了世界范圍 的普遍關(guān)注，迫使人們不得不采取應對措施，來降低 NOx 的排放。各國也采取法 律手段來限制其排放。 （二）柴油機廢氣有害物的生成機理（二）柴油機廢氣有害物的生成機理 內(nèi)燃機排氣管排出的廢氣是污染物的主要排放源。此外，曲軸箱的通風和燃 油箱的蒸發(fā)也會有一些烴類和少量 CO 及 NOx逸出（表 1） 。 排放源 污染物相對排放量 （占該污染物總排放量的百分數(shù)） CONOx烴類 排氣管的排氣989998995565 曲軸箱的通風121225 燃油箱化油器的蒸發(fā)001020 表 1 各種污染物的組成 內(nèi)燃機排氣中各污染物的濃度表 2 為柴油機與汽油機排氣污染濃度的比 較。汽油機的 CO 和烴類排放較柴油機嚴重，柴油機的顆粒物（黑煙）排放則比 汽油機嚴重。因此，汽油機和柴油機凈化的側(cè)重點不同。 第 3 頁共 15 頁 污染物柴油機汽油機 CO小于 0.1%小于 10% 烴類小于 300 ppm小于 1000 ppm NOx10004000 ppm2000 4000 ppm 顆粒物0.5 g/m0.01 g/m 表 2 內(nèi)燃機排氣中各污染物的濃度 內(nèi)燃機各運轉(zhuǎn)工況時的排氣流量不同，排氣中各污染物的濃度也不同，其變 化趨勢如表 3。 運轉(zhuǎn)工況 排放濃度 （%或 ppm） 排氣流量 （1/h） 怠速CO、烴類高，NO 低低 加速 （不同加速 度） CO、烴類、NO 均高高 等速 （不同轉(zhuǎn)速） CO、烴類低，NO 在較高轉(zhuǎn)速 時較高 在較高轉(zhuǎn)速時 較高 減速 （不同減速 度） CO、烴類（特別是烴類）高， NOx 低 低 表 3內(nèi)燃機排氣與運轉(zhuǎn)工況的關(guān)系 1、柴油機 PM 生成機理 由于柴油機的工作原理是噴油壓燃， 燃油停留在燃燒室中的時間比汽油短很 多，因而受壁面冷激效應和狹隙效應，油膜、沉積物吸附作用很小，在大部分工 況下，都是稀薄燃燒，且換氣過程中不存在燃油的損失。這是柴油機 PM 排放較 低的原因。 當柴油機怠速或小負荷運轉(zhuǎn)時， 來自柴油噴注的外緣混合過渡造成的過稀混 合氣以及在壓縮過程中的活塞頂部頭道環(huán)上方的間隙中的混合氣， 都是造成柴油 機未燃 PM 排放物的主要來源。 2、柴油機 CO 生成機理 CO 的產(chǎn)生主要是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，因局部缺氧而產(chǎn)生的燃 燒反應中間產(chǎn)物。過量的空氣系數(shù)和燃燒過程對燃燒后期的 CO 氧化反應都有很 大的影響。CO 的濃度在柴油機中一般都很低，只有在接近冒煙極限時，才會急 劇增加。而在小負荷時，缸內(nèi)燃燒溫度低而且氧化反應不徹底，會造成 CO 排放 第 4 頁共 15 頁 有所增加。對于柴油機，雖然理論上總體過量空氣系數(shù)始終大于 1，可以完全燃 燒。但由于柴油和空氣不可能完全混合均勻，缸內(nèi)總有局部缺氧和低溫的地方， 以及反應物在燃燒區(qū)停留時間較短，不足以完全燃燒。柴油機暖機時及怠速時 CO 也較高，也是由于上述原因造成。 3、柴油機 NOx 生成機理 柴油機尾氣排放物的生成機理。 迄今為止人們已經(jīng)對 NOx 的生成機理進行了 大量的研究， 但尚未達成共識。 比較容易接受的是策爾多維奇機理。 該機理認為： 柴油機排放中的 NO 并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應，它是在 氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續(xù)高溫而形成的， 在膨脹和排氣時有少量的分 解，排到大氣后遇氧形成 NOx 和其它氮氧化物。 柴油機燃燒過程中噴射各區(qū)均可以生成 NO，其生成濃度與局部溫度、 局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時間(即高溫下所占燃 燒循環(huán)的時間量)等因素有關(guān)。從理論上講，柴油機 NOx 排放的形成是無法避免 的， 但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以 限制。 二二柴油機控制尾氣排放的主要凈化措施柴油機控制尾氣排放的主要凈化措施 （一）（一）柴油機機內(nèi)主要凈化措施柴油機機內(nèi)主要凈化措施 柴油機機內(nèi)凈化就是對其燃燒過程進行優(yōu)化，使發(fā)動機達到混合均勻，燃燒 充分，工作柔和，啟動可靠，排放較少的要求。采取機內(nèi)凈化是目前最好且最有 效的方法。 其原理就是通過改進柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來改善燃燒性 能，進而達到減少 NOx 排放的目的。 進氣系統(tǒng)的優(yōu)化。對進氣系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，主要目的是在提高充氣效率的 同時，合理組織進氣渦流。以利于氣體能夠充分的混合，提高燃燒速率，并盡量 減少 NOx 和 PM 的生成。 進氣渦流的優(yōu)化。提高渦流比能使燃燒加速并且完全，但其結(jié)果能導致缸內(nèi) 最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使 NOx 的排放明顯增加；若減少進氣渦流的 強度雖能減少 NOx 的排放，但又勢必又會犧牲柴油機的動力性和經(jīng)濟性。因此， 想到可采用可變渦流進氣道技術(shù)來使渦流比在 0.2-2.5 范圍內(nèi)變化，可以很好的 兼顧柴油機在整個工況范圍內(nèi)各個方面的性能。 但采用可變渦流進氣道技術(shù)存在 很多技術(shù)難題，比如結(jié)構(gòu)過于復雜以至于造成成本較高的問題。 第 5 頁共 15 頁 提高噴油壓力和減小噴孔直徑。 提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低 PM 的排放。為了避免高壓噴射導致的 NOx 的增加，就需要適當降低空氣渦流 運動， 提高壓縮比和可變定時燃油噴射來與其相適應。高壓噴油系統(tǒng)需要和燃燒 室能夠很好的配合，以避免造成過多燃油噴射到氣缸的冷表面上，減少 PM 中有 機可溶物的排放。同時還可以減少噴嘴壓力室容積或采用無壓力室噴油嘴，也可 以使 PM 排放大大減少。通過對燃油噴射率的優(yōu)化，可降低 PM 和 NOx 的排放。 采用多氣門技術(shù)。在柴油機上采用多氣門技術(shù)是控制排放的有效途徑。由于 缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央， 從而達到優(yōu)化進氣渦流 和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件， 并且可以實現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的 變化， 這使混和氣的形成得到進一步的優(yōu)化，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時 也減少了 NOx 排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復雜性。例如采用四氣門技術(shù)的缸 蓋，就能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央。活塞頂?shù)娜紵野伎?也同樣處于中心位置或旋轉(zhuǎn)對稱位置， 這樣就可以在活塞頂燃燒室凹坑內(nèi)形成均 勻的氣流。多孔噴嘴噴出的油束處于沿任何方向流量均等的理想狀態(tài)，從而改善 了進氣渦流和油霧分布的均勻性， 達到了最佳的空氣利用率和降低 PM 排放的效 果。四氣門結(jié)構(gòu)不僅可以提高發(fā)動機功率，而且還能夠改善活塞和噴油器的 冷卻條件，可在不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)渦流比的可變性，改進了燃燒方式，降低了低轉(zhuǎn) 速區(qū)的排放。四氣門結(jié)構(gòu)還可減少換熱損失，從而改善了低速扭矩輸出。采用四 氣門結(jié)構(gòu)的缺點是增加了柴油機成本和結(jié)構(gòu)的復雜性。 在柴油機上應用多氣門技 術(shù)是國際學術(shù)界研究熱點之一，國外內(nèi)燃機的氣門最多時已達到 5 個，目前已在 大型柴油機應用的基礎(chǔ)上，逐漸開始在小型柴油機上應用，國內(nèi)在這方面的研究 尚未成熟。 改進燃燒系統(tǒng)。改進燃燒系統(tǒng)主要就是改進燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進氣 流動的匹配程度。應在保證發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)，燃油在燃燒室中能夠均勻分 布，有充分的氣體流動，有良好的噴油規(guī)律。 采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門化和 中央配置噴油器等措施， 即可以改善柴油機性能， 又能夠降低柴油機尾氣排放物， 尤其是顆粒 PM 物質(zhì)的排放最為明顯。 增壓中冷。柴油機在采用進氣增壓技術(shù)后，由于壓縮溫度升高，NOx 的排 量也必然增加。由于增壓柴油機在采用中冷技術(shù)以后，增壓空氣在進入氣缸以前 被冷卻，在一定程度上可以降低 NOx 的排放。廢氣渦輪增壓可以提高氣缸內(nèi)平 均有效壓力、過量空氣系數(shù)和平衡整個循環(huán)的平均溫度，能夠使柴油機顆粒物的 排放量降低 50%以上，并可以減少 CO 和 HC 的排放量。采用中冷技術(shù)，NO 的 排放量能夠降低 60%-70%左右。目前，柴油機增壓中冷技術(shù)在中型柴油機和大 第 6 頁共 15 頁 型柴油機上應用越來越廣泛。 廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)的應用大大提高了柴油機的 動力性，改善了燃油經(jīng)濟性，并且在降低內(nèi)燃機排放有害物，減少溫室效應氣體 CO2， 保護環(huán)境等方面起到了非常重要的作用。 為使柴油機排放污染進一步降低， 渦輪增壓中冷技術(shù)就是一個很好的解決方案。為滿足更高的排放法規(guī)歐洲、 的要求，則還必須采用電控可變噴嘴渦輪增壓器。 采用柴油電控高壓噴射技術(shù)。柴油電控技術(shù)已從第一代的位置控制、第二代 的時間控制發(fā)展到現(xiàn)在的共軌式電控高壓噴射。 正在研制或裝機的共軌式噴油系 統(tǒng)，可以實現(xiàn)在柴油機運轉(zhuǎn)的整個特牲曲線范圍內(nèi)改變噴油過程。如德國 Bosch 公司開發(fā)的共軌噴射系統(tǒng)，能夠自由選擇噴油壓力、高精度控制噴油量、靈活控 制噴油定時，并且可以靈活地進行預噴射和多級噴射，對顆粒和煙度的降低很有 很大作用。在采用共軌多級噴射系統(tǒng)和電控噴油器的柴油機試驗中觀察到，由于 分段噴射加強了空氣的卷吸和紊流，加強了燃油和空氣的混合，可以明顯降低煙 度。 電子控制柴油機高壓噴射技術(shù)的應用能夠使柴油機通過最佳噴油定時、最佳 噴油率和預噴射，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷之間的關(guān)系進行連續(xù)調(diào)節(jié)，使顆粒排放降 低 40%以上， 并且發(fā)動機過渡工況的排放性能也可得到顯著提升。 電控高壓噴射 控制對噴油規(guī)律進行控制，能夠根據(jù)發(fā)動機運行工況實現(xiàn)最佳噴油，同時通過控 制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，能夠同時降低有害排放和控制發(fā)動機的空燃 比，有利于實現(xiàn)更有效的機外凈化措施。 采用可變技術(shù)。一般發(fā)動機的壓縮比是不可變動的。因為燃燒室容積及氣缸 工作容積都是固定的參數(shù)，是在設(shè)計生產(chǎn)時已經(jīng)定好了的。不過，為了使得現(xiàn)代 發(fā)動機能在各種變化的工況中能夠發(fā)揮更好的效率， 可以采用以變對變來改善發(fā) 動機的運行性能。氣門可變驅(qū)動技術(shù)早已實現(xiàn)，做為重要參數(shù)的壓縮比，也有嘗 試由固定不變改為“隨機應變”。近年紳寶公司開發(fā)的 SVC 發(fā)動機就是以改變壓 縮比來控制發(fā)動機的燃油消耗量。 它的核心技術(shù)就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型 滑塊， 缸體可以沿滑塊的斜面運動， 使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發(fā)生變化， 改變?nèi)紵业目头e， 從而達到改變壓縮比的目的。 其壓縮比范圍可從 8： 1 至 14： 1 之間變化。在發(fā)動機小負荷時采用高壓縮比以節(jié)約燃油；在發(fā)動機大負荷時采 用低壓縮比，并輔以機械增壓器以實現(xiàn)大功率和高扭矩輸出。 柴油機采用可變技術(shù)能夠使發(fā)動機在不同工況下的性能都較為理想， 使不同 工況下排放性能和經(jīng)濟性都得到提高，這包括噴油定時的可變控制，可變渦流控 制和增壓系統(tǒng)的可變控制。 這些措施的合理使用可使 HC 和顆粒物排放減少 35% 以上。 防止機油串入燃燒室。由于柴油機排放顆粒狀物質(zhì)的相當一部分，是由于串 入燃燒室的機油不能夠完全燃燒造成的，所以應該盡可能地減少串機油量。防止 第 7 頁共 15 頁 或減少機油串入燃燒室的情況，可以通過加強機體剛度和密封度。改進氣缸蓋與 機體的連接，減少氣缸工作面的變形，改進活塞、活塞環(huán)和氣缸表面的設(shè)計，加 強機油控制，采用密封性較高的機油，減少從氣門推桿泄漏機油等措施。 改進潤滑系統(tǒng)設(shè)計，減少潤滑油轉(zhuǎn)化為 50%左右，可以有效降低柴油機的 PM 排放。增加活塞環(huán)壓力，減少裙部間隙，優(yōu)化活塞環(huán)形狀設(shè)計，提高氣缸套 圓度及改進進氣門挺桿的密封等措施，可以有效地降低潤滑油消耗量，使串漏的 潤滑油明顯減少，也可以有效地降低排放。 1、噴油系統(tǒng)的優(yōu)化 噴油系統(tǒng)的優(yōu)化就是使燃油噴射參數(shù)最佳化，包括噴油定時、噴油壓力、噴 油速度和噴孔結(jié)構(gòu)等。通過參數(shù)的優(yōu)化來控制預混合燃燒，即減少在滯燃期內(nèi)形 成的可燃混合氣量。這是降低 NOx 排放的有效途徑。 優(yōu)化噴油定時。NOx 排放對噴油定時極為敏感。延遲噴油可以降低 NOx 排 放， 但必須合理調(diào)整燃燒系統(tǒng)及噴油系統(tǒng)的其他參數(shù)以減少油耗、煙度和微粒排 放方面的損失。為了減少延遲噴油對經(jīng)濟性的不利影響，可采用較高的壓縮比和 較高的噴油壓力。若采用電控技術(shù)和根據(jù)運行工況調(diào)節(jié)噴油始點，可降低 NOx 的排放。 優(yōu)化噴油速度。當噴油提前角一定時，提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)期，可 以使柴油機產(chǎn)生的 NOx 較少。 提高噴油速度與延遲噴油相結(jié)合也可減少 NOx 的 排放。此外，噴油速度還與 HC、碳的排放及燃油消耗、噪聲有關(guān)，需綜合權(quán)衡 來謀求各參數(shù)的最佳值。 優(yōu)化噴油壓力。提高噴油壓力可有效地改善燃料的霧化性能，使混合氣的混 合質(zhì)量得以改善。燃燒更加充分，燃燒溫度上升，NOx 排放增加。因為提高噴 油壓力能改善燃燒過程，因此可以補償由于延遲噴油造成的油耗上升。但這又使 延遲噴油以降低 NOx 排放的目的不能夠?qū)崿F(xiàn)。 為減少 NOx 排放應該降低噴油壓 力，而噴油壓力降低后又會使微粒排放增加。 優(yōu)化噴孔結(jié)構(gòu)。噴油器噴孔直徑和數(shù)目對柴油機排放會有明顯的影響。當循 環(huán)供油量與啟噴壓力一定時，減少孔徑會減少初期噴油量，抑制預混合燃燒和最 高燃燒溫度，可以減少 NOx 的生成。當噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變 的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數(shù)，可以降低流阻，改善燃油的霧化和燃油的 分布，因而能降低 NOx 的排放。 2、燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化 優(yōu)化壓縮比。柴油機的壓縮比控制著著火延遲期時間的長短。降低壓縮比， 有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可以使燃燒最高溫度降低，NOx 排放減 第 8 頁共 15 頁 少，碳煙增加。但如果壓縮比過低，柴油機就難于著火。壓縮比對 NOx 的影響 較為復雜，選取壓縮比時應綜合考慮各種因素。 燃燒室型式的優(yōu)化。燃燒室型式與 NOx 的排放有著密切關(guān)系。直噴式柴油 機 NOx 排放明顯高于非直噴式柴油機，這是因為非直噴式柴油機前期的燃燒發(fā) 生在混合氣過濃的預燃室或渦流室里，由于缺氧 NOx 的生成受到了抑制，又因 在主燃燒室中的燃燒開始較晚，而且是在較低溫度下進行的。對于同一類型但結(jié) 構(gòu)不完全相同的燃燒室，其 NOx 的排放量也有差異。例如在直噴式柴油機中， 渦流最強的球型燃燒室最高，淺盆型燃燒室最低。 燃燒室噴水冷卻技術(shù)。水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最 高溫度。水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降 低。此技術(shù)在降低 NOx 排放的同時，同時也利于改善燃油經(jīng)濟性和排氣碳煙濃 度，并且還有降噪的作用。噴水冷卻有以下幾種形式：進氣管噴水，用超聲波將 燃油與水乳化后噴入燃燒室，通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室，在噴嘴的兩個 燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。 3、 燃油的改質(zhì) 提高柴油機十六烷值。 十六烷值在柴油機燃料參數(shù)中對 NOx 排放影響最大。 十六烷值較高時，由于其穩(wěn)定性就會變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較 高，但其發(fā)火性能好，柴油機點火延遲期縮短，氣缸內(nèi)溫度與壓力降低，NOx 排放也隨之降低。當十六烷值從 40 提高到 50 時，NOx 排放可降低 10%左右。 使用柴油添加劑。在柴油中摻合一定比例的消煙添加劑。將金屬鋇、鎂、鋅 等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑， 通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃 燒，來促進和消除噴油器頭部的積炭，可以減少 30%-50%的碳煙顆粒排放。但 使用添加劑則會導致二次污染，所以此方法不是很適用。 降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有 98%轉(zhuǎn)化為 SO2，其 余的 2%轉(zhuǎn)化成為硫酸鹽顆粒。部分 SO2被進一步氧化與燃燒過程中生成的 H2O 結(jié)合，形成硫酸和硫酸鹽，增加了微粒的排放量。當燃料中的硫從 0.12%下降到 0.05%時， 微粒排放量將減少 8%-10%。 減少燃油中的芳香烴成分， 可以減少 NOx 的排放。根據(jù)燃油餾程，如果合理提高燃油的十六烷值，則能有效地降低發(fā)動機 尾氣 PM、CO 和 NOx 排放。 進行柴油的乳化處理。在柴油中加入適量的乳化劑，通過燃燒時水的汽化， 降低氣缸套的溫度和燃燒溫度，可以實現(xiàn)減少 NOx 的排放。此外，乳化燃料中 的水分子迅速汽化膨脹，成為微細的燃料油滴，促進了與空氣的迅速混合，加速 了燃燒，減少了氣缸內(nèi)的激冷層，有利于 HC 的生成。 第 9 頁共 15 頁 使用替代燃料，即新能源。采用代用燃料將是控制柴油機和汽油機排放的重 要方法之一。目前代用燃料主要有天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、氫燃料及 與柴油摻燒的復合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認為是最有前途的 清潔能源替代燃料。柴油機使用醇類燃料時，基本可以實現(xiàn)無煙排放。在中、低 負荷時 NOx 的排量也很低。近年來可以作為內(nèi)燃機代用的醇類燃料很多，其中 甲醇是目前應用最廣的內(nèi)燃機替代燃料。但如果不采用適當措施，柴油機排放的 HC、甲醛將成為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機代用燃料時，NOx 和其它 污染物的排放都很低。未來太陽能利用及氫的存儲技術(shù)解決之后，氫將成為柴油 機的主要燃料。但其缺點是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉(zhuǎn)化效率在 40%-65%之間，遠遠高于柴油的效率。燃料電池的工作溫度低于 1000，此時 基本上不產(chǎn)生 NOx，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應用在技術(shù)上已不 存在重大問題，唯一的障礙在于制造成本太高，得不到普及。使用壓縮天然氣或 液化天然氣，NOx 和微粒排放可同時減少 75%-80%。二甲基乙醚作為最新出現(xiàn) 的液體燃料，其燃燒后無微粒產(chǎn)生而且 NOx 的排放也很低。 替代燃料的熱值較低，增加發(fā)動機的體積，各種替代燃料的優(yōu)缺點如下：一、 天然氣成本低，儲量豐富，主要以壓縮天然氣為代表。壓縮天然氣燃料本身呈氣 態(tài)，不需進行霧化，燃燒充分。尾氣中一氧化碳含量較低，無排煙，但動力性能 降低 10%，體積較大，占空間，攜帶不便。二、甲醇具有高辛烷值，低發(fā)熱量， 低公害和無排煙等特點。 但甲醇的十六烷值低， 著火性能差， 需要加裝點火裝置， 冷啟動性差，且具有腐蝕性，潤滑油消耗量大。三、液化石油氣 NOx、PM 排放 較低，HC 易氧化，可實現(xiàn)稀薄燃燒，以預燃電熱輔助點火和電控噴射液化石油 氣排放為佳，通常采用雙燃料汽車。 隨著科技的發(fā)展，通過計算機輔助設(shè)計對柴油機燃燒系統(tǒng)，進排氣系統(tǒng)， 燃油供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并采用新材料和新工藝，廣泛采用增壓 中冷和電控高壓噴射控制技術(shù)并采用尾氣處理技術(shù)綜合控制， 將是柴油機發(fā)展和 進行尾氣控制的主要發(fā)展方向。 （二）柴油機（二）柴油機機外凈化措施機外凈化措施 由于機內(nèi)控制排放并不能起到完全凈化的效果， 因此對已排出燃燒室但尚未 排到大氣中的廢氣進行處理顯得很有必要。NOx 的機外凈化主要是通過采用催 化轉(zhuǎn)化技術(shù)來實現(xiàn)。由于柴油機的富氧燃燒使得廢氣中含氧量較高，這使得利用 還原反應進行催化轉(zhuǎn)化比汽油機困難得多。 空氣過量時， 作為 NOx 還原劑的 CO、 H2和 HC 便首先與氧反應；空氣不足時，CO、HC 不能被氧化。柴油機排氣后 處理可以用氧化催化轉(zhuǎn)化器，以降低 HC 和 CO 的排放量和 PM 中的有機成分。 第 10 頁共 15 頁 采用選擇性還原催化轉(zhuǎn)換器在寓氧條件下還原 NOx。采用微粒過濾裝置收集柴 油機排氣中的顆粒狀物質(zhì)等。 加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器（如下圖 4）。柴油機加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器是一種 有效的機外凈化常用措施。加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器(能使 HC、CO 減少 50%，PM 減少 50-70%，其中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴也有明顯減少。對于 HC 轉(zhuǎn)化效 率較高的氧化催化器還可以有效地減少排氣的臭味。但是，氧化催化器的缺點是 會將排氣中的 SOF 氧化為 SO2，生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒，導致額外增加 顆粒物質(zhì)排放量。所以，柴油機氧化催化器一般只適于含硫量較低的柴油燃料， 并且要保證催化劑及載體、發(fā)動機運行工況、發(fā)動機特性、廢氣的流速和催化轉(zhuǎn) 換器的大小以及廢氣流入轉(zhuǎn)換器的進口溫度等正常，才能使凈化效果達到最佳。 圖 4 氧化型催化轉(zhuǎn)化器 采用廢氣再循環(huán)技術(shù)（如下圖 5）。廢氣再循環(huán)是將一部分廢氣導入進氣系 統(tǒng)中，通過降低燃燒室燃燒的最高溫度來降低 NOx 的排放。利用廢氣再循環(huán)來 降低 NOx 的排放，需要與電子控制相結(jié)合。根據(jù)柴油機負荷、轉(zhuǎn)速、冷卻水溫 度傳感器及啟動開關(guān)信號對廢氣進行隨機控制， 保證在對柴油機性能影響不大的 條件下，降低尾氣中 NOx 的排放。采用廢氣再循環(huán)是降低 NOx 排放的一項非常 有效的措施，廢氣再循環(huán)在所有負荷條件下都可以有效減少 NOx 排放。將定量 廢氣引入柴油機進氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點火延遲，增加了參與 反應物質(zhì)的熱容量以及 CO2、H2O、N2等惰性氣體的對氧氣的稀釋作用，從而可 以降低燃燒最高溫度，減少 NOx 的生成。大約 60%-70%的 NOx 是在高負荷時 產(chǎn)生的，此時采用合適的廢氣再循環(huán)率對于減少 NOx 是很有成效的。廢氣再循 環(huán)率為 15%時，NOx 排放可以減少 50%以上，而廢氣再循環(huán)率為 25%時，NOx 排放可減少 80%以上。但隨著廢氣再循環(huán)率的增加，發(fā)動機燃燒速度變慢，燃燒 第 11 頁共 15 頁 穩(wěn)定性變差，HC 和油耗增加，功率下降。若采用“熱廢氣再循環(huán)”還可以同時減 少 HC 和 PM 的排放，并且不會增加油耗，在中、低負荷時凈化效果更佳。由于 廢氣再循環(huán)氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映廢氣再循環(huán)量， 其響 應速度較慢， 所以廢氣再循環(huán)量應通過進氣流量和廢氣再循環(huán)氣門的升程信號相 結(jié)合來反映。 圖 5 廢氣再循環(huán)技術(shù)示意圖 采用顆粒過濾及再生技術(shù)。顆粒過濾由顆粒過濾器和再生裝置組成。顆粒過 濾器通過其中有極小孔隙的過濾介質(zhì)(濾芯)來捕集柴油機排氣中的固定碳粒和 吸附可溶性有機成分的碳煙。顆粒過濾器對碳的過濾效率較高，可達到 60%-90%。在過濾過程中，顆粒過濾在過濾器內(nèi)會導致柴油機排氣背壓升高，當 排氣背壓達到 16-20kPa 時，柴油機性能開始惡化，因此需要定期除去顆粒，使 過濾器恢復到原來的工作狀態(tài)。 NOx 催化轉(zhuǎn)化器。NOx 催化轉(zhuǎn)化器對柴油機尾氣中的 NOx 在溫度為 350-550的范圍內(nèi)能進行良好的催化轉(zhuǎn)化，可使 NOx 排放降低 20%-30%。NOx 催化轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為催化熱分解和選擇性催化還原反應兩種。 催化熱分解是利用 由金屬離子沸石、釩和鉬構(gòu)成催化劑來降低 NOx 熱分解反應的活化，能使 NOx 分