高速直噴式柴油機(jī)燃燒與后處理技術(shù)的研究及發(fā)展進(jìn)程

1、高速直噴式柴油機(jī)燃燒與后處理技術(shù)的研究及開展進(jìn)程柴油機(jī)是所有內(nèi)燃機(jī)中效率最高的一種動(dòng)力裝置，由于其性能上的優(yōu)越性，在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，柴油機(jī)的保有量還會增加，開展前景仍被看好。近年來，車用柴油機(jī)中直噴式柴油機(jī)份額不斷提高，國內(nèi)外對高速直噴式柴油機(jī)性能與排放的研究也不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)大，其倍受青睞的原因在于直噴式柴油機(jī)具有燃油消耗率低，一般比同類型的分隔式燃燒系統(tǒng)要降低1015，相應(yīng)的co2排放也較低，在燃燒室中，著火開始前燃油與空氣的混合相對較好，不需采取附加的輔助起動(dòng)裝置就能順利實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。但與分隔式燃燒系統(tǒng)相比，直噴式燃燒噪聲較大，nox和pm排放較高。本文主要針對高速直噴

2、式柴油機(jī)hsdi燃油噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及后處理技術(shù)的多種實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行分析比擬，并對其開展趨勢作出預(yù)測。一、燃油噴射系統(tǒng)一電控泵噴嘴噴油系統(tǒng)隨著燃油噴射向短噴油持續(xù)期、大噴油率和高噴油壓力方向的開展，穴蝕和二次噴射問題、燃油的泄漏問題等都已成為傳統(tǒng)的泵管嘴噴油系統(tǒng)開展的主要障礙，從而為泵噴嘴系統(tǒng)的開展提供了廣闊的前景。在20世紀(jì)80年代后期由于排放對高噴油壓力的要求及電控技術(shù)的急速開展，電控泵噴嘴成了極有魅力的新一代噴油系統(tǒng)。電控泵噴嘴由于取消了高壓油管，所以容易產(chǎn)生高噴油壓力，而噴油壓力直接影響著柴油機(jī)的功率和扭矩，并能改善排放，博世公司生產(chǎn)的柴油轎車用電控泵噴嘴的噴油壓力已高達(dá)205mpa，

3、由于泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導(dǎo)局部，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很小的預(yù)噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預(yù)噴射，這很符合發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，群眾公司的tdi發(fā)動(dòng)機(jī)就是使用這個(gè)技術(shù)。由于采用電控系統(tǒng)，使系統(tǒng)控制靈活，通過電磁閥的兩次動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)可控噴射，大大降低了噪聲和振動(dòng)，并改善了排放，不易產(chǎn)生穴蝕和二次噴射等異常噴射。與其它新一代柴油噴油系統(tǒng)的共軌系統(tǒng)比擬，電控泵噴嘴最大的特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)高壓噴油，而共軌系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特別是需要密封的高壓部位多使其能夠到達(dá)的高壓受到限制，但電控泵噴嘴系統(tǒng)噴油壓力受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷噴油量影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問題；另一方面由

4、于電控泵噴嘴的供油規(guī)律仍采用凸輪控制，在控制噴油壓力及實(shí)現(xiàn)屢次噴射等方面不如共軌系統(tǒng)的自由度大。二高壓共軌噴油系統(tǒng)柴油機(jī)共軌噴油系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是有一個(gè)共同的高壓燃油蓄勢器，稱為共軌。高壓供油泵只負(fù)責(zé)向這個(gè)蓄勢器提供高壓燃油，不負(fù)責(zé)控制燃油定量和噴油定時(shí)。管理燃油壓力和向各個(gè)氣缸輸送燃油的任務(wù)通過共軌完成。這樣，燃油噴射過程可以不受壓力產(chǎn)生和燃油輸送過程的牽制；燃油定量控制和噴油定時(shí)控制在眾多的電控系統(tǒng)中有最大的靈活性和自由度。相對于其他燃油噴射系統(tǒng)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)如下1:在燃油定量和噴油定時(shí)方面實(shí)行全電子的和柔性的控制；對任意缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力調(diào)節(jié)很寬泛；噴油規(guī)律曲線形

5、狀可以比擬自由地調(diào)整；優(yōu)化后可達(dá)180mpa的噴油壓力僅次于博世公司的泵噴嘴和泵管嘴控制；能實(shí)現(xiàn)每個(gè)工作循環(huán)多達(dá)7次的燃油噴射；高度的緊湊性和較低的高壓油泵驅(qū)動(dòng)扭矩；排放、噪聲降低，柴油機(jī)整機(jī)性能有所提高。二、燃燒系統(tǒng)一傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒傳統(tǒng)的柴油機(jī)采用擴(kuò)散燃燒，化學(xué)反響速率遠(yuǎn)高于燃料和空氣的混合與擴(kuò)散速率，燃燒快慢由混合擴(kuò)散速率決定。在這種類型的燃燒中，混合氣和溫度分布都極不均勻，擴(kuò)散火焰外殼的高溫區(qū)產(chǎn)生nox，內(nèi)部高溫缺氧區(qū)產(chǎn)生pm。由于nox生成的主要機(jī)理是高溫富氧，為減少nox排放而采取的導(dǎo)致燃燒溫度降低的措施，往往會減少碳煙的氧化，從而導(dǎo)致碳煙排放惡化，因此，無法同時(shí)有效降低nox和pm

6、排放。這是以擴(kuò)散燃燒為主的傳統(tǒng)柴油機(jī)所無法防止的。如上所述，nox和pm排放及燃燒噪聲是高速直噴式柴油機(jī)必須解決的主要問題，研究資料說明，減少預(yù)混合燃燒以降低nox，強(qiáng)化擴(kuò)散燃燒以降低顆粒和煙度，同時(shí)通過控制噴油速率等措施降低燃燒噪聲是燃燒系統(tǒng)改進(jìn)的主要思路。按此思路，應(yīng)該采取的措施2見圖1。    二hcci燃燒直噴式柴油機(jī)是一種效率很高的發(fā)動(dòng)機(jī)，其溫室氣體co2和有害氣體hc、co的排放都比汽油機(jī)低。但由于它的擴(kuò)散燃燒和燃燒產(chǎn)生的局部高溫這樣一些燃燒特點(diǎn)，很難遏制nox和炭煙包括微粒物的生成，并且還存在nox和pm排放控制目標(biāo)之間相互沖突的問題。因此，必須促進(jìn)

7、燃油和空氣的混合，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，許多研究者研究了預(yù)混合的壓縮點(diǎn)燃燃燒，即hcci3。hcci的技術(shù)特點(diǎn):1放熱率在一定的工況下，hcci的放熱速率可接近otto循環(huán):沒有高溫區(qū)和不發(fā)光的燃燒，使得熱損失減小。因此，hcci有較高的熱效率。2污染物排放noxhcci是以較稀的混合比、高的廢氣再循環(huán)egr燃燒，由于燃燒室中沒有高溫區(qū)，能顯著降低nox的排放，不過目前nox排放減少的結(jié)論都是在局部負(fù)荷條件下得出的，在相同過量空氣系數(shù)下，hcci對降低nox排放效果不大。pm目前的研究說明，采用hcci的pm排放較低。pm減少的機(jī)理目前還不十分清楚，大局部人認(rèn)為燃油碰壁擴(kuò)散燃燒和局部濃混合區(qū)的減少都

8、有效地抑止了pm的形成。hc和co人們普遍認(rèn)為與傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒相比，hcci的hc和co排放是增加的。導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一是由于hcci采用較稀的混合氣和高的廢氣再循環(huán)egr，缸內(nèi)溫度較低，最終使得hc和co的氧化率下降，排放增加。3運(yùn)行工況在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過程中，燃燒始點(diǎn)和燃燒快慢的控制是兩個(gè)主要問題。在hcci中控制燃燒始點(diǎn)很困難，為了獲得良好的自燃就需要較高的充量溫度和壓縮比，而在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工況范圍內(nèi)，由于爆震和失火的限制，這樣高的溫度和壓縮比不可能在所有工況都實(shí)現(xiàn)。目前hcci方式在2行程發(fā)動(dòng)機(jī)上主要應(yīng)用在中低負(fù)荷工況區(qū)。三、后處理系統(tǒng) 柴油機(jī)排氣污染物包括pm、nox、hc

9、和co等。其中，hc和co含量較低，且易于凈化，所以柴油機(jī)排氣控制主要針對pm和nox進(jìn)行，由于pm和nox無論在物理形態(tài)上還是化學(xué)性能上都存在很大差異，相應(yīng)地，柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)系統(tǒng)也分為pm凈化系統(tǒng)和nox凈化系統(tǒng)。近來人們還對能夠同時(shí)處理pm和nox的技術(shù)進(jìn)行了探索。一pm凈化系統(tǒng)1催化氧化法柴油機(jī)pm后處理技術(shù)包括催化氧化和過濾，利用催化氧化技術(shù)減少載重車和城市公交車柴油機(jī)尾氣pm排放始于20世紀(jì)90年代。催化劑為蜂窩整體直通式，能局部氧化去除排氣pm的可溶性有機(jī)組分以及氣態(tài)污染物hc和co，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低時(shí)，pm可溶性有機(jī)組分含量高，催化氧化降低pm排放效果明顯；而發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高時(shí)，p

10、m中可溶性有機(jī)組分含量低，催化氧化降低pm排放效果較弱。典型的pm排放降低值為2050，而且隨著排氣溫度提高，降低率增大，但排氣溫度提高也會導(dǎo)致so3和硫酸鹽排放增加。2過濾法過濾是降低pm排放最直接的方法，但將柴油機(jī)排氣微粒收集起來后，決定微粒捕集器可行性的就是再生的問題了，微粒捕集器的再生一般都采用燃燒法，即利用外界能量提高微粒捕集器內(nèi)的溫度，使微粒著火燃燒，或通過使用某些催化劑降卑微粒的著火溫度，使之能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒分解。目前，催化再生的燃油添加劑再生和連續(xù)再生已成為研究的熱點(diǎn)。燃油添加劑再生可能會造成新的二次污染，但這類燃油添加劑通常為含鈣或鐵鋇銅錳的金屬化合物，本錢

11、相對低，降卑微粒著火溫度顯著，在國內(nèi)該方法應(yīng)該具有較為廣泛的應(yīng)用前景；而連續(xù)再生是將催化劑與微粒外表充分接觸，降卑微粒排放量的效果也較為明顯。連續(xù)再生式dpf裝置目前要解決的問題是:在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生碳粒堵塞現(xiàn)象，以確保碳粒凈化率的長期穩(wěn)定性，提高其使用壽命4。3低溫等離子體技術(shù)目前，低溫等離子體技術(shù)在柴油機(jī)尾氣控制中較多的是將其用于排氣微粒的捕集，其主要依據(jù)在于柴油機(jī)排氣微粒中有7080以質(zhì)量計(jì)是帶電的。利用低溫等離子技術(shù)捕集柴油機(jī)微粒的技術(shù)現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室階段，而且已獲得較滿意的數(shù)據(jù)。等離子體靜電捕集微粒裝置的流動(dòng)阻力小，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小，這是傳統(tǒng)微粒捕集器所沒有的，而且

12、具有較高的捕集效率，能解決微小微粒難于收集的困難等優(yōu)點(diǎn)。但是這種技術(shù)實(shí)用化的最大困難在于設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜及本錢較高，在車用上那么有高壓電電源的供給問題。因此，該項(xiàng)技術(shù)的商品化還需要進(jìn)一步的研究6。二nox凈化系統(tǒng)由于柴油機(jī)機(jī)內(nèi)nox控制與pm控制存在所謂的trade-off效應(yīng)，而機(jī)外的nox控制又因排氣中含有大量o2而變得非常困難。目前，柴油機(jī)排氣nox凈化研究主要從選擇性催化復(fù)原和吸附催化復(fù)原兩條技術(shù)路線入手。1選擇性催化復(fù)原選擇性催化復(fù)原有一個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)就是:催化劑不會因?yàn)槿剂匣驖櫥椭兴牧蚨鹆蛑卸?。以尿素作為?fù)原劑的選擇性催化復(fù)原系統(tǒng)，可以降低柴油機(jī)排氣中絕大局部的nox，

13、也能降低局部hc。因此，以尿素為復(fù)原劑的scr被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的。但尿素scr技術(shù)的難點(diǎn)在于處理城市根本建設(shè)與植被尿素水的矛盾，所以使將來車用尿素的scr的實(shí)用性受到影響。1990年，iwamoto和held分別報(bào)道在cu/zsm-5催化劑上，hc能選擇性催化復(fù)原nox。隨后，作為凈化柴油機(jī)和吸燃汽油機(jī)排nox的潛在技術(shù)，hc選擇性催化復(fù)原nox受到重視。對小型客車來說，hc選擇性催化復(fù)原系統(tǒng)的開展旨在改進(jìn)催化劑材料和增大nox凈化效率的控制方法上，同時(shí)也盡量減少燃料經(jīng)濟(jì)性的惡化5。2吸附催化復(fù)原吸附催化復(fù)原對nox的凈化率高達(dá)80左右，其復(fù)原nox的機(jī)理是:基于發(fā)動(dòng)機(jī)周期性進(jìn)行稀燃和富

14、燃工作的一種nox凈化技術(shù)，在稀燃階段將nox吸附儲存起來，而在短暫的富燃階段，nox釋放并被排氣中的hc復(fù)原。對于超低s燃料，現(xiàn)有吸附催化復(fù)原技術(shù)可將nox降低90，但燃油經(jīng)濟(jì)性會因此降低。適用于高含量s燃料的吸附催化劑目前尚在開發(fā)之中7。三同時(shí)凈化系統(tǒng)1同時(shí)催化法    在氧化環(huán)境下，用催化方法同時(shí)去除nox和pm的理念是由yoshida首次提出的，他對“soot-o2-no3組份之間反響的可能性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和探討。cooper等人通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，no在pt催化劑作用下被氧化成no2，而no2能進(jìn)一步氧化柴油機(jī)的碳煙，從而揭示了nono2在降低柴油機(jī)碳煙中

15、的作用8。2四效催化劑最近，被稱作柴油機(jī)pmnox復(fù)原系統(tǒng)dpnr的一種四效催化系統(tǒng)得到了開展，它具有同時(shí)凈化4種有害物質(zhì)pm，nox，co和hc的潛力。dpnr是一種dpf，只是外表有一層吸附催化復(fù)原催化劑的涂層。在dpnr系統(tǒng)中，pm由活性氧氧化，而活性氧產(chǎn)生于nox儲存與復(fù)原的過程中，還有一局部來自稀燃狀態(tài)下過剩的氧氣。四、燃料燃料的組成和性質(zhì)對控制柴油機(jī)排放及預(yù)防催化劑中毒具有重要影響。燃料硫?qū)m排放是不利的，其原因除了燃燒過程中能生成硫酸鹽的固體顆粒以外，還因燃燒產(chǎn)物氧化硫能促使碳煙的生成。baranescu研究說明含硫量每提高0.1，pm排放就增加0.034g/kw·h

16、。此外，mccarthy研究說明，生成的硫酸鹽固體顆粒對sof可溶有機(jī)物有較強(qiáng)吸附能力，因而使sof排放亦增加。由于硫?qū)U氣催化轉(zhuǎn)化器中催化劑還有中毒危害，故國外對燃料硫限制比擬嚴(yán)格，美國限制燃料硫在0.05以下。芳烴對排放也會產(chǎn)生較大的影響。二環(huán)、三環(huán)芳烴是生成pm中多環(huán)芳香烴pah的主要組份，應(yīng)嚴(yán)格限制。mccarthy的試驗(yàn)結(jié)果說明芳烴每下降10，pm排放下降0.005g/kw·h。芳烴增加碳煙排放是因芳烴在較高溫度下不易發(fā)生環(huán)破裂和被氧化，相反更易直接發(fā)生縮聚生成多環(huán)芳烴的碳煙前體，由此造成更多的碳煙生成。含氧組份的醇、醚和酯能改善排放，特別是二甲基醚dme降污性能十分優(yōu)越，

17、所以柴油中引入含氧組份十分有利。助燃消煙劑能大幅度減少碳煙和pm的排放，因此使用助燃消煙劑也是減少排放的有效方法。此外，燃料的十六烷值cn、外表張力、粘度、餾程和密度對排放都有較大影響，且呈一定規(guī)律。提高cn值和選擇適當(dāng)粘度范圍，降低燃料初餾點(diǎn)、終餾點(diǎn)、90餾出溫度、外表張力以及控制密度超限對改善排放都有利。近來，天然氣液化燃料gtl引起了人們的注意，它是一種由天然氣制成的潔凈、無色、優(yōu)質(zhì)的合成燃料，作為性價(jià)比最高的替代燃料，其燃燒性極佳，而且不含硫?，F(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無需做任何改造，就可以單獨(dú)使用這種燃料或與標(biāo)準(zhǔn)柴油混合使用9。五、結(jié)束語在過去的十年中，高速直噴式柴油機(jī)無論是在燃油噴射系統(tǒng)、燃

18、燒系統(tǒng)以及排氣后處理系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，還是在渦輪增壓和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能改善等領(lǐng)域都已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。在未來的小型高速直噴式柴油機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改善更多的依賴于各種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)化組合，從而實(shí)現(xiàn)多因素的優(yōu)化控制。燃燒系統(tǒng)與后處理系統(tǒng)的合理結(jié)合依賴于汽車類型，而對系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的最正確選擇問題目前正處于研究與討論當(dāng)中。除此之外，通過一個(gè)復(fù)雜的管理系統(tǒng)來對各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成控制是很重要的。不久的將來，一項(xiàng)由復(fù)雜算法控制的發(fā)動(dòng)機(jī)管理技術(shù)將成為高速直噴式柴油機(jī)開展中的關(guān)鍵技術(shù)。雖然或多或少地存在著一些問題，但隨著研究的深入以及各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的開展和燃油的進(jìn)一步低硫化，高速直噴式柴油機(jī)未來的開展擁有

19、光明的前景，我們有理由相信:超清潔、高性能的柴油機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的。用氫來降低柴油機(jī)排放中的pm和nox限值美國商用汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求在20072021年間將柴油車的現(xiàn)有微粒pm和氮氧化物nox排放水平降低90%以上，類似嚴(yán)格的歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)也會在20052021年間實(shí)施歐和歐。瞄準(zhǔn)于應(yīng)用在北美、歐洲和亞洲的重貨、輕貨和乘用車，各種創(chuàng)新解決方案和技術(shù)正在研發(fā)之中，這些技術(shù)可以滿足即將實(shí)施的新的柴油機(jī)廢氣排放法規(guī)。這里討論的重點(diǎn)，并非目前談?wù)撦^多的選擇性催化復(fù)原scr和廢氣再循環(huán)egr后處理系統(tǒng)，而是利用氫降低柴油機(jī)排放中的pm和nox限值。    汽車尾氣排放中的傳統(tǒng)問題

20、    未來汽車尾氣排放的限值目標(biāo)，明顯地減少柴油機(jī)廢氣中的微粒pm或者碳煙和氮氧化物nox的含量。傳統(tǒng)的問題是，在采用的廢氣后處理系統(tǒng)中，pm和nox兩者通常減少了一種量而增加了另一種量。    目前，為滿足2006年10月實(shí)施的歐排放限值，大多數(shù)歐洲貨車制造商已經(jīng)憑借設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)以生成極少pm，繼之利用選擇性催化復(fù)原技術(shù)scr來減少廢氣中的nox。這將需要以尿素添加劑以復(fù)原催化轉(zhuǎn)化器中的nox。尿素添加劑也需要含硫量較低的燃油，否那么硫會大大減少催化轉(zhuǎn)化器材料的使用壽命。    另一種到達(dá)歐的策略是曼

21、公司和斯堪尼亞公司所選擇的egr方法。這里，可以通過冷卻廢氣和讓流過發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣進(jìn)行再循環(huán)以更加完全地燃燒，以此減少nox的生成。然后在一個(gè)微粒捕集器上捕集pm。然而，微粒捕集器需要連續(xù)再生，否那么捕集器很容易被碳煙阻塞，發(fā)動(dòng)時(shí)機(jī)停止工作。為了再生，通過將柴油噴入廢氣流中無害地燃燒掉碳煙微粒以提高廢氣溫度。    因此，采用以上兩種方案，都難于防止傳統(tǒng)存在的上述問題。據(jù)排氣系統(tǒng)和車橋制造商阿文美馳公司arvinmeritorinc稱，一種兩全其美的方法，就是將等離子體燃料轉(zhuǎn)化器plasmareformer引入到廢氣流中。大約在2021年，歐v將會帶來甚至更嚴(yán)格的排

22、放限值和新的挑戰(zhàn)，plasma reformer可能有助于處理這種更嚴(yán)格的排放限值問題。據(jù)稱，plasma reformer是一種在汽車尾氣排放上具有突破性進(jìn)展的技術(shù)，對商用車和輕型汽車制造商為滿足即將到來的2021年柴油機(jī)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)開辟了變革性的道路。plasma reformer從車載的柴油或者汽油中產(chǎn)生一種富氫燃?xì)?，可以用之啟?dòng)廢氣控制系統(tǒng)。目前，這種裝置正在重型和輕型貨車以及大客車上進(jìn)行裝車試驗(yàn)。預(yù)期這種plasma reformer可以在2021年投入生產(chǎn)?！皻湔桥_清潔排放的主要階段     氫燃料電池動(dòng)力汽車距離商業(yè)實(shí)用階段也許尚有多年時(shí)間，但隨著

23、排放法規(guī)逐漸嚴(yán)格，氫的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是作為一種燃料，它在未來排放中也可減少柴油機(jī)排放中的pm和nox限值。據(jù)阿文美馳公司稱，他們將在今后幾年里在柴油機(jī)中使用氫來簡化排放控制系統(tǒng)。阿文美馳公司已經(jīng)開發(fā)出的這項(xiàng)新技術(shù)，可以縮小當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)間的差距，并極大的促進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。    阿文美馳公司新系統(tǒng)的核心技術(shù)，是“低能等離子體燃料轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)low-powered plasma reformer sys-tem，通過等離子體裂化碳?xì)浠衔餁怏w和水蒸汽反響來產(chǎn)生氫，它無需一個(gè)單獨(dú)的氫燃料供給系統(tǒng)。這種plasmare former根據(jù)車輛供燃油的需要而產(chǎn)

24、生氫，無論是汽油或是柴油，都可以省去單獨(dú)供油系統(tǒng)的重量和本錢。由于等離子燃料轉(zhuǎn)化器對車上氫的自生非常有效，該技術(shù)也可被開展為燃料電池的一項(xiàng)過渡技術(shù)，作為一種重要的內(nèi)燃機(jī)ice代用燃料資源。    等離子燃料轉(zhuǎn)化器的工作原理及效果    等離子體燃料轉(zhuǎn)化器類似于強(qiáng)連續(xù)“點(diǎn)火，局部地燃燒空氣與碳?xì)浠锶剂喜裼突蛘咂偷幕旌蠚?。在設(shè)計(jì)上，這里的空氣是有意不讓其支持燃燒，而代之以將燃油/空氣混合氣分解，形成一種富氫燃?xì)?。在柴油機(jī)中，這種富氫燃?xì)饪赡苡兄诨謴?fù)和改善廢氣排放系統(tǒng)的性能，啟動(dòng)其它廢氣排放系統(tǒng)的工作。在商用車上，富氫燃?xì)饪梢宰鳛橐环N

25、低本錢、高效率、完全燃燒、快速啟動(dòng)的nox和pm捕集器的再生器，立刻就可以應(yīng)用到柴油機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)看，富氫燃?xì)饪赡艽蟠筇岣咂蜋C(jī)的燃燒效率。plasma reformerit用大約1oow的電能，相當(dāng)于一對傳統(tǒng)的前照燈。    阿文美馳公司新型等離子燃料轉(zhuǎn)化器，最初就是作為商用車柴油機(jī)尾氣排放系統(tǒng)清潔氮氧化物nox的再生器而設(shè)計(jì)的。將plasma reformer應(yīng)用到汽車尾氣排放凈化系統(tǒng)，從原理上講是在系統(tǒng)的媒質(zhì)外表形成有活性物質(zhì)的覆蓋層，使尾氣中的氮氧化物被吸收從而防止其排放到環(huán)境中。在傳統(tǒng)的氮氧化物氣體中，柴油燃料是作為碳?xì)浠衔镆氲模淙秉c(diǎn)包括

26、在低溫下難以起動(dòng)，造成更多的燃料消耗，讓更多未燃盡的柴油排放到大氣中去。采用plasma reform-er，通過低能等離子體裂化碳?xì)浠衔餁怏w和水蒸汽反響自生成氫氣，從而減少nox的排放。plasma reformer系統(tǒng)對于nox和pm排放兩者皆可降低，其處理方式和明顯的效果在以下兩種情況下都得以表達(dá)。    在處理nox時(shí)，與scr系統(tǒng)不同，阿文美馳公司的研究集中在使用等離子技術(shù)，利用一種“雙管路nox捕集器dual leg nox trap。plasma reformer安裝在no對甫集器的進(jìn)氣端，在氣體進(jìn)入一個(gè)或者另一個(gè)管路之前。雙管路nox捕集器結(jié)構(gòu)意

27、味著廢氣可以一條管路處理，而另一條被處于再生狀態(tài)。    富氫燃?xì)饽芊浅Ｓ行У囟ㄆ凇霸偕鷓m和no對甫集器。試驗(yàn)說明，等離子轉(zhuǎn)化器的富氫燃?xì)庵挥孟喈?dāng)于傳統(tǒng)方法大約一半的柴油對nox捕集器進(jìn)行再生。氫啟動(dòng)的no對甫集器也可以制作得非常小，更能抵抗硫的毒化。nox捕集器也可以比其使用柴油有更寬的溫度范圍。也可能在貨車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作時(shí)對氫啟動(dòng)的nox捕集器進(jìn)行再生，這一點(diǎn)是不可能簡單地用傳統(tǒng)方法做得到。試驗(yàn)說明，氫可以把儲存在捕集器里的nox降低90%以上，其效率遠(yuǎn)高于歐iv采用的scr系統(tǒng)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要任何添加劑，這對于車輛制造商和經(jīng)營業(yè)主具有相當(dāng)大的吸引力。因

28、為取消了尿素添加劑儲存箱和劑量系統(tǒng)會減少重量和節(jié)約本錢。    就工作溫度而言，plasma reformer以在低到400溫度下除硫，這大致相當(dāng)于傳統(tǒng)柴油機(jī)排氣的溫度；而低到1500c溫度時(shí)能有效除去氮氧化物nox。阿文美馳公司發(fā)現(xiàn)，利用等離子技術(shù)把氧化催化轉(zhuǎn)化器和微粒捕集器組合一起，在排氣溫度低到100時(shí)氫氣混合物對氧化催化轉(zhuǎn)化器發(fā)生影響。這顯示出甚至在冷發(fā)動(dòng)機(jī)溫度下都可能有效。    與目前利用柴油來提高捕集器溫度的再生方法相比擬，等離子系統(tǒng)為獲得相同的能量釋出而使用排氣中不到20%的氧氣。   

29、如果減低nox和pm這兩種技術(shù)證明皆可行的話，那么這種等離子燃料轉(zhuǎn)化器將對排放控制具有很大的沖擊。提升了簡化排放控制并降低本錢的可能性。是否兩個(gè)系統(tǒng)能通過使用等離子燃料轉(zhuǎn)化器按順序工作來減少pm和nox，尚待觀察。如果是，這就非常值得轉(zhuǎn)移到歐以及更嚴(yán)格的歐v標(biāo)準(zhǔn)。    阿文美馳公司還報(bào)道了等離子燃料轉(zhuǎn)化器能很好地與均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火hcci柴油機(jī)技術(shù)協(xié)同工作，這有望于同步降低pm和nox的排放。公司認(rèn)為plasma reformer技術(shù)可能在2021年前得以商用，但日cci未必能在2021年前能得到。氫加強(qiáng)燃燒一種具有前景的超稀薄均質(zhì)燃燒的設(shè)想  

30、60;  plasma reformer美國麻省理工學(xué)院mit稱之為plasmatron可能對排放和燃料經(jīng)濟(jì)性具有巨大的影響。如果廣泛使用pasmatron氫加強(qiáng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)際上能提高小客車和其它輕型汽車的平均效率20%，一年可節(jié)省的汽油大約250億加侖，估計(jì)改善汽油燃料經(jīng)濟(jì)性20%30%。這堪稱于一臺現(xiàn)代輕型柴油機(jī)，從而可能對未來輕型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的一種沖擊。    在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，plasma reformer適用于進(jìn)氣燃油/空氣混合氣。在plasmareformer里，經(jīng)過計(jì)量的空氣進(jìn)入一個(gè)位于燃燒器下游的等離子發(fā)生器中。將高電壓施加于氣流，于

31、是形成高溫等離子體。高溫等離子體將氣流噴入燃燒器，起燃可燃成分高的燃油一空氣混合氣。plasma reformer內(nèi)，在無需催化劑情況下由等離子建立的高溫氣相中發(fā)生局部化學(xué)反響。    將氫氣添加到均質(zhì)燃油混合氣中可改善混合氣的可燃性，提高火焰速度和燃燒穩(wěn)定性。從理論上講，稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)與等離子轉(zhuǎn)化器組合，把nox排放降低到在廢氣流中無須后處理的程度。    超稀薄燃燒被認(rèn)為是汽油機(jī)革命中后續(xù)必走的重大一步。然而，排放控制要求這些發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在理想空燃比條件下工作，以防止昂貴的排放控制系統(tǒng)。把少量的氫氣添加到氣缸充氣之中，在無須處理nox排放

32、情況下讓這類發(fā)動(dòng)機(jī)比其它方案以更稀的混合氣工作。雖然這并非是一種新設(shè)想，但阿文美馳公司開發(fā)的這種快速反響的小型等離子轉(zhuǎn)化器概念卻更趨于現(xiàn)實(shí)。    阿文美馳公司正在探索在汽油機(jī)上使用以支持超稀薄渦輪增壓的這種裝置，用之降低排放和提高燃料經(jīng)濟(jì)性。阿文美馳公司與德國汽車交通工程股份iav合作對此做進(jìn)一步的研究和開發(fā)工作。iav公司和阿文美馳公司專.業(yè)人士在mtz雜志上撰文宣稱，他們研制的氫加強(qiáng)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)hece方案，在suv的3.2l試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上做了試驗(yàn)。hece假定的前提是，少量添加到氣缸混合氣之中的氫氣可以讓均質(zhì)充氣的超稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)其工作時(shí)的混合氣更加稀薄得多。

33、    美國麻省理工學(xué)院mitsloan汽車實(shí)驗(yàn)室的研究人員也揭示出氫h-2和一氧化碳co兩者皆是plasma reformer局部氧化反響的產(chǎn)物都能提高混合氣的辛烷值。將改善的可燃?xì)怏w添加到發(fā)動(dòng)機(jī)中從而可以使壓縮比獲得明顯提高。甚至在渦輪增壓條件下也能獲得較高的壓縮比。這可以讓小發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，從而改善燃料經(jīng)濟(jì)性。增大壓縮比能改善的熱力學(xué)效率，從而改善油耗。一種集所有性能為一體的氫加強(qiáng)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)hece便會應(yīng)運(yùn)而生。超稀薄燃燒、高壓縮比和渦輪增壓的氫加強(qiáng)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)hece可以顯示出以下特性：    ·極低的發(fā)動(dòng)機(jī)

34、nox排放，只要求少量的或者不要求排放控制；    ·減少了泵氣損失贏得5%10%效率：    ·改善了熱力學(xué)特性贏得1.%12%效率；    ·減少了摩擦贏得5%8%效率；    ·總效率提高20%30%。    這正是阿文美馳公司與美國麻省理工學(xué)院mit和德國汽車交通工程股份iav gmbh緊密合作，所展示添加日2擴(kuò)大稀薄燃燒限值的成果。中重型車用柴油機(jī)實(shí)施歐iv排放的技木路徑1 歐洲重型柴油機(jī)排放限值

35、的演變     在一些國家和地區(qū)，中重型車用柴油機(jī)的排放在發(fā)動(dòng)機(jī)對環(huán)境排放奉獻(xiàn)度中要到達(dá)70%左右，因此中重型車用柴油機(jī)的排放一直是內(nèi)燃機(jī)排放控制領(lǐng)域的重點(diǎn)。2005年歐洲車用發(fā)動(dòng)機(jī)已開始實(shí)施歐排放法規(guī)，其對柴油機(jī)提出了更為苛刻的要求。表1為歐洲重型柴油機(jī)排放限值的演變，其中nox排放限值自排放法規(guī)實(shí)施20年以來下降了81%；pm排放限值15年以來下降了97%。    2 中重型車用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)歐應(yīng)具有的根本條件    中重型車用歐柴油機(jī)必須建立在一臺有良好根底的電控歐111發(fā)動(dòng)機(jī)根底上。國外典型的1213

36、l車用歐柴油機(jī)具有如下特征：    a.采用直列6缸形式，單級帶空一空中冷渦輪增壓系統(tǒng)，同時(shí)匹配排氣旁通閥和可變截面渦輪增壓器或復(fù)合增壓系統(tǒng)，或采用二級增壓系統(tǒng)?？刂七M(jìn)氣溫度很重要，進(jìn)氣溫度每減低1nq，可減少0.5%0.67%。    b.采用鑄鐵缸蓋、水冷、4氣門結(jié)構(gòu)，噴油嘴垂直中置。4氣門結(jié)構(gòu)有使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潛力。    c.機(jī)體采用鑄鐵，水冷、濕式缸套，內(nèi)置式機(jī)油冷卻器。    d.采用整體鋁活塞/鋼頂鋁裙組合活塞/整體鋼活塞。

37、0;   e.燃油系統(tǒng)采用電控共軌系統(tǒng)/電控單.體泵/電控泵噴嘴/heui/高壓噴射系統(tǒng)。需電控、35次的屢次噴射包括預(yù)噴、主噴、后噴能力和更高的燃油噴射壓力。如采用共軌系統(tǒng)，額定工況時(shí)最大噴射壓力要到達(dá)180 mpa；如采用電控泵噴嘴或電控單體泵，額定工況時(shí)最大噴射壓力要到達(dá)200 mpa3。為使油耗降低，應(yīng)縮短噴油持續(xù)期，使放熱靠近上止點(diǎn)。要借助于噴油規(guī)律實(shí)現(xiàn)柔和燃燒。表2為歐洲1213 l車用柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的構(gòu)成及預(yù)估情況。    f.進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣渦流和燃燒系統(tǒng)，采用直口或略微縮口燃燒室，進(jìn)氣渦流比為0.51.5，壓縮比為16.518.

38、5。    g.缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可達(dá)1822 mpa，升功率可達(dá)35 kw/l。    h.進(jìn)一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指數(shù)提高到46。    i.嚴(yán)格控制活塞環(huán)、氣門導(dǎo)管、增壓器軸承等處的機(jī)油泄漏量，將發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)機(jī)油耗與柴油耗的比值控制到0.1%以下。    j.采用排氣后處理裝置。    為實(shí)現(xiàn)歐排放，在燃燒方面，目前技術(shù)狀況下能采用的技術(shù)措施多已被采用，僅依靠燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化已無法滿足要

39、求，更多地是將其與機(jī)后凈化措施相結(jié)合，來滿足更為苛刻的排放要求?？刂苝m排放的措施有氧化催化器可溶性顆粒物、顆粒捕集器固體顆粒物。    研究開發(fā)中的柴油機(jī)nox后處理方法，有選擇性非催化復(fù)原sncr、選擇性催化復(fù)原scr、非選擇性催化復(fù)原nscr和吸附復(fù)原催化劑，以及最新提出的低溫等離子體技術(shù)，具有同時(shí)去除nox和pm的潛力。    3 實(shí)現(xiàn)歐w的兩條主要技術(shù)路線    要實(shí)現(xiàn)歐對nqx和pm都較低的限值，目前有如圖1所示的兩條技術(shù)路線：其一是先通過噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時(shí)提前以降低顆粒物，再使用scr來

40、降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的nqx排放；其二是egr+dpf路線，即先通過廢氣再循環(huán)降低排放中nox的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用egr而略有增加的顆粒、物，從而到達(dá)同時(shí)降低nox和pm的效果6。 3.1 路線1優(yōu)化燃燒+scr    此種路線在歐洲采用較多，簡稱歐洲路線。對于大多數(shù)制造商，開展現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是首選的途徑。有幾種可選擇的方案：如先在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)處理nqx，再處理pm；或者兩者都進(jìn)行后處理。后者存在一個(gè)污染源回收的處理問題。沒有egr系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)處理nox是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)減少pm排放、在廢氣

41、中處理nox的措施。    在歐洲，目前采用的一種解決方案是：利用商業(yè)用的固體尿素和水水溶液濃度為32.5%±0.5%，在排氣中噴人尿素、氨水等復(fù)原性物質(zhì)，將nqx主要是no復(fù)原為n2和h20。如市面上銷售的adblue，它無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn)，但有一點(diǎn)點(diǎn)腐蝕性，必須使用特殊的儲存容器。圖2為scr系統(tǒng)的工作原理。圖3為用于歐發(fā)動(dòng)    這種凈化方案的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率比擬低，油耗可節(jié)省5%7%，假設(shè)扣除因尿素所增加的費(fèi)用，還將有節(jié)油2%3%的優(yōu)勢。此外，這一路線對于燃油品質(zhì)相對不敏感，戴姆勒·克

42、萊斯勒公司認(rèn)為甚至含硫量350x10-6以下的歐燃油就可以滿足要求。    但使用scr后不但要增加scr本身裝置的質(zhì)量約150300 kg，另外還要增加1個(gè)尿素溶液adblue箱和尿素溶液。按100 l尿素溶液運(yùn)行7 000 km計(jì)算，一輛汽車損失的有效載荷在400 kg左右。scr系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與nox的濃度相匹配，在保證降低nox的同時(shí)，不能超過份量。尿素的噴人量過少，那么達(dá)不到應(yīng)有的處理水平，尿素的噴人量過多，那么會使多余的氨氣排入大氣，導(dǎo)致新的污染。所以，必須有高靈敏度的nox濃度傳感器以及相應(yīng)的高精度尿素噴

43、射裝置。而且尿素消耗較快，定期添加尿素的責(zé)任也必須由用戶來完成，這就加大了裝置的復(fù)雜性和保養(yǎng)的難度，而且這種裝置的價(jià)格也是較為昂貴的。目前歐洲市場每升尿素溶液現(xiàn)價(jià)為40歐分，每升柴油現(xiàn)價(jià)為42歐分。    scr作為新的后處理技術(shù)，由于系統(tǒng)本錢高  大約是車輛本錢的3%5%、初期投資高、操作和保養(yǎng)費(fèi)用高、需要加1套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)復(fù)原劑噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在車用柴油機(jī)上還沒有得到推廣。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供給，并需要車載診斷obd，同時(shí)需要車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時(shí)地添加尿素也是目前實(shí)施這一路線的現(xiàn)實(shí)困難。此外，在溫度較低-11的情況下，

44、尿素-水溶液會結(jié)冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過尿素計(jì)量系統(tǒng)的適當(dāng)加熱措施來解決。在scr技術(shù)的應(yīng)用方面，目前已經(jīng)根本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術(shù)問題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機(jī)上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，但還需進(jìn)一步解決降低scr裝置本錢以及尿素加注站的布局等問題。隨著對scr技術(shù)的開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，相信scr技術(shù)在歐機(jī)上很快會得到推廣。    3.2 路線2egr+dpf    該路線美國采用較多，簡稱美國路線。  供油提前角和egr都對柴油機(jī)的nox排放和pm排放有較大的影響。減小供油

45、提前角，可以使nox排放降低，但會使pm排放和燃油消耗率增加；而增大egr率，使廢氣與進(jìn)氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在燃燒過程中降低氣體最高溫度的同時(shí)可使nox排放降低，但會使pm排放增加。與減小供油提前角相比，燃油消耗率變化不大，所以在采用降低nox排放的措施時(shí)應(yīng)首選egr系統(tǒng)。   egr可有效地降低nox排放，但隨著egr率的增加，缸內(nèi)較低的氧氣濃度將會增加顆粒物的排放，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度增加，在中小負(fù)荷時(shí)煙度值比擬小，而大負(fù)荷時(shí)會使柴油機(jī)的排氣煙度增大，所以為到達(dá)歐排放限值，egr率一般控制在15%以內(nèi)，同時(shí)還需配合使用dpf微粒捕集器。然而這項(xiàng)技術(shù)卻潛伏著危

46、險(xiǎn)：一方面燃料一中的硫會使微粒捕集系統(tǒng)中毒失效；另一方面，廢氣中含有的灰分會逐漸地堵塞捕集器，增加排氣背壓，使油耗惡化。因此，有時(shí)在dpf的上游增加一個(gè)氧化催化轉(zhuǎn)換器doc，其基質(zhì)用貴金屬如白金涂層，就能夠改進(jìn)再生過程的效率，還將進(jìn)一步降低hc的排放。圖4為一典型的中重型車用柴油機(jī)配置的egr+dpf+doc系統(tǒng)vgt為可變截面渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)。在某些發(fā)動(dòng)機(jī)上也有只用dpf或doc來轉(zhuǎn)化pm的。    該方案本錢比scr低，但它不適合停車起動(dòng)操作，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排溫不可能到達(dá)300，廢氣中的黑煙無法在顆粒過濾器中燃燒，同時(shí)還存在過濾器堵塞的危險(xiǎn)。它更適合發(fā)動(dòng)機(jī)排溫

47、高而且比擬穩(wěn)定的長途運(yùn)輸使用。    為使egr更有效，egr冷卻系統(tǒng)和散熱器必須比普通的大得多，甚至大于路線1中尿素箱的尺寸，可大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)為了減少噪聲進(jìn)行了空間壓縮，這增加了冷卻問題的解決難度。早期試驗(yàn)說明了在歐w發(fā)動(dòng)機(jī)中使用egr的燃油效率不如scr。而且這條路線對燃油品質(zhì)的要求更高，要求硫含量到達(dá)低于50x10-6的水平，理想情況要求到達(dá)10x10-615x10-6的水平，這對于我國的石油工業(yè)要在2021年前到達(dá)這一要求似有困難。另外，要在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃燒器加熱、電阻加熱或微波加熱，這些也在一定程度上增加了這一路線

48、的油耗和系統(tǒng)本錢。    正因?yàn)檫@些原因，許多生產(chǎn)廠商反對采用egr系統(tǒng)。當(dāng)然，這并不意味著歐、歐發(fā)動(dòng)機(jī)也不會采用。    目前，采用這一路線的主要廠商有swri，scania、man等。    表3給出了上述兩條技術(shù)路線的比擬。    4 結(jié)束語    a.要實(shí)現(xiàn)歐對nox和pm都較低的限值，目前大致上有兩條技術(shù)路線：其一是先通過優(yōu)化燃燒，再使用選擇性催化復(fù)原來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的nox排放，nox轉(zhuǎn)化率達(dá)85%以上；其二是使用egr使nox

49、降低，但會導(dǎo)致pm增加，因此要加dpf將pm轉(zhuǎn)化。使用dpf的pm轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%90%，單獨(dú)使用doc時(shí)pm轉(zhuǎn)化率大于50%。    b.考慮到中國能源短缺，而尿素生產(chǎn)比擬普遍，因此我國中重型車用柴油機(jī)實(shí)施歐排放宜首選scr技術(shù)路線。柴油機(jī)碳煙顆粒在氣氛下的催化氧化研究摘要:圍繞柴油機(jī)碳煙顆粒在氣氛下的催化氧化問題進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。通過稀土氧化物氧化鈰和氧化鑭分別負(fù)載硝酸鹽制備了實(shí)驗(yàn)用催化劑,并在催化劑和碳煙顆粒"松接觸"情況下,研究了在背景下對碳煙顆粒催化氧化過程,實(shí)現(xiàn)了在背景下對碳煙顆粒催化氧化;實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示,采用復(fù)合性稀土氧化物更能

50、促進(jìn)碳煙顆粒催化氧化,更有利于同時(shí)解決柴油車排放過程中產(chǎn)生的和,從而為了開發(fā)高性能柴油機(jī)用催化劑提供了重要的實(shí)驗(yàn)根底。  關(guān)鍵詞:柴油機(jī);排放;碳煙;氮氧化物;催化氧化    中圖分類號:421.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:文章編號:1001 2222(2007)03 0072 03    柴油機(jī)尾氣排放中碳煙顆粒和是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放治理的關(guān)鍵指標(biāo)之一1 2。柴油機(jī)排放的碳煙顆粒是由于在高溫缺氧的情況下燃料和空氣混合不均勻產(chǎn)生的,其顆粒度主要集中在幾十納米范圍。通過顆

51、粒捕集技術(shù)遇到最大的挑戰(zhàn)是要用可靠和經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)顆粒捕集器的再生。柴油機(jī)排放的主要以的形式出現(xiàn)(約占90%),還有少量的2。能否通過的復(fù)原實(shí)現(xiàn)對碳煙顆粒的氧化,到達(dá)同時(shí)除去柴油機(jī)尾氣排放中碳煙顆粒和的目的,國內(nèi)外的一些學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)的探索。    本實(shí)驗(yàn)通過自己制備催化劑,在氣氛下對在柴油車排氣歧管收集到的碳煙顆粒進(jìn)行催化氧化研究。    1實(shí)驗(yàn)局部    1.1樣品制備和準(zhǔn)備    所需催化劑通過水熱法制備,并經(jīng)過500下2的焙

52、燒。選用氧化鈰和氧化鑭作為載體,分別負(fù)載硝酸鉀(7%),并依據(jù)負(fù)載的氧化物分別記做7,7,7(和質(zhì)量比為11)    碳煙顆粒物是從直噴式6130柴油機(jī)排氣歧管內(nèi)壁收集的,并除去其中的鐵銹等顆粒物。    為了比擬真實(shí)地反映催化劑的活性,研究中催化劑和碳煙顆粒的混合采用“松接觸的方式3 4,即將催化劑和碳煙顆粒按一定的比例分別稱重,裝入試樣瓶,并搖晃試樣瓶,使其外觀上到達(dá)均勻混合。    1.2實(shí)驗(yàn)儀器和方法    催化反響活

53、性的檢測采用動(dòng)態(tài)色譜法,即在實(shí)驗(yàn)開始前,將上述已經(jīng)混合好的催化劑和碳煙顆粒的混合物裝入微型反響器內(nèi)(兩端裝填石英棉),再將微型反響器置于帶有溫度程序控制的加溫爐內(nèi),連接色譜檢測線路。先進(jìn)行2吹掃,然后進(jìn)行可程序控溫的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。純度為99.0%,空速控制在25000-1。   試驗(yàn)用衍射儀為日本理學(xué)/旋轉(zhuǎn)陽極射線衍射儀。分析儀為美國870傅里葉變換紅外光譜儀。    2結(jié)果和討論    2.1碳煙顆粒的氧化和復(fù)原   本試驗(yàn)硝酸鹽選用硝酸鉀,主要考慮硝酸鉀在

54、多孔載體外表易形成強(qiáng)堿位和超強(qiáng)堿位5 6,可能有助于酸性氣體的物理吸附或化學(xué)吸附。    比擬圖1和圖2可知,在氣氛下,兩種催化劑對都有復(fù)原能力,但7對的復(fù)原能力較強(qiáng),對碳粒有較高的催化氧化能力。當(dāng)7和碳?；旌线M(jìn)行試驗(yàn)時(shí),最大消耗率(峰面積減少率)約為5.4%,復(fù)原的2相對產(chǎn)率增加率(峰面積增加率)為5.3%;在7和碳粒混合時(shí),最大消耗率為2.8%,復(fù)原的2相對產(chǎn)率增加率為3.18%。             

55、60;             一些文獻(xiàn)積極推薦采用兩種或多種氧化物的復(fù)合體系7 8,并認(rèn)為復(fù)合體系的活性優(yōu)于單一氧化物。本實(shí)驗(yàn)中氧化物的復(fù)合體系選用氧化鈰和氧化鑭,質(zhì)量配比為11,其他實(shí)驗(yàn)條件不變。     從圖3色譜記錄的數(shù)據(jù)來看,氧化復(fù)原反響在低溫就開始,并隨著溫度提高,反響加速進(jìn)行,表現(xiàn)在曲線持續(xù)下降(被不斷復(fù)原),色譜檢測的2數(shù)量在持續(xù)增加。在500時(shí),的轉(zhuǎn)化率到達(dá)7.23%,此時(shí)2數(shù)量也增加到7

56、.6%。與7和7相比擬,復(fù)合體系的活性確實(shí)優(yōu)于單一氧化物。                           將7焙燒至800(記為7800),然后,將焙燒后的催化劑再按照上述方法和步驟進(jìn)行試驗(yàn)。從圖4色譜記錄的數(shù)據(jù)來看,經(jīng)過800焙燒后的催化劑與500時(shí)制備的催化劑相比,幾乎喪失活性。但是,800的高溫焙燒不可能完全將催化劑

57、外表相關(guān)的活性位全部破壞,當(dāng)固體的碳粒和氣氛并存時(shí),少量殘存的活性位有可能使催化反響繼續(xù)進(jìn)行。因此,隨著溫度提高,的復(fù)原反響緩慢進(jìn)行,復(fù)原產(chǎn)物2的數(shù)量也在緩慢地增加。試驗(yàn)曲線正反映了這樣一個(gè)實(shí)際情況。                          2.2分析    圖5為幾種催化劑的圖譜的比照分

58、析。7和2具有完全相同的結(jié)構(gòu),即立方體結(jié)構(gòu)。鉀鹽僅是覆蓋氧化物,而沒有與之強(qiáng)烈作用。    幾種含鑭的催化劑和23晶型結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別。除了表現(xiàn)有2的立方體結(jié)構(gòu)外,圖譜上還有23與硝酸鹽之間由于強(qiáng)烈的相互作用而形成的新譜峰。23經(jīng)過硝酸鹽處理后,特別是在2為15.698°,27.3575°,39.536°和48.68°位置上,峰變得非常強(qiáng)勁和鋒利。這說明硝酸鹽與23之間有著強(qiáng)烈的相互作用。而這些峰與硝酸鹽的結(jié)構(gòu)無關(guān),因?yàn)榇呋瘎?經(jīng)過800焙燒后,這一峰仍然存在;同時(shí)可以觀察到,峰位置幾乎沒有改變,說明在23晶體外表

59、沒有鉀鹽晶型。鉀鹽仍是以非晶形式覆蓋在23鈰晶體外表,但不排除鉀離子溶進(jìn)23晶格并形成新的晶體結(jié)構(gòu)。                          2.3分析    比照催化劑7與經(jīng)過500焙燒2后2的圖譜(見圖6),可以看到,除在1383-1和825.1-1處有較強(qiáng)而鋒利的吸收峰,在1107-

60、1等處有弱的吸收峰外,7催化劑與2具有非常相似紅外圖譜。這些位置與外表存在的某種硝基基團(tuán)密切相關(guān)9(2-存在位置1370-11470-1,1320-11340-1,820-1840-1),或與外表堿性基團(tuán)吸附空氣中2所形成的3-2基團(tuán)相關(guān)10。                        硝酸鹽與23之間存在著強(qiáng)烈的相互作用(見圖7),這種作用不僅表現(xiàn)在晶

61、體結(jié)構(gòu)上,同時(shí)反映在外表基團(tuán)上。催化劑的晶體外表化學(xué)結(jié)構(gòu)明顯比23晶體外表復(fù)雜得多。在3608-1,1505-1,1461-1,1382-1,855-1和642-1位置上得到大幅度強(qiáng)化,另外,在2500-1,2369-1和1832-1位置上形成微弱的新峰。   經(jīng)過800焙燒后,催化劑外表的基團(tuán)在3600-1處沒有明顯的變化。但在1530-11320-1位置(包括1510-1,1462-1,1353-1)和855-1位置,活性基團(tuán)幾乎消失,而這些位置從試驗(yàn)來看往往表現(xiàn)對酸性基團(tuán)的吸附。因此,活性位置的消失必然導(dǎo)致對化學(xué)吸附和催化反響能力的根本下降。 &#

62、160;                             3結(jié)論   )通過合理選擇催化劑,可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放產(chǎn)物中的實(shí)現(xiàn)除去碳煙顆粒物的目的;    )利用稀土氧化物負(fù)載硝酸鹽實(shí)現(xiàn)了碳煙顆粒物在氣氛下的氧化,稀土氧化物實(shí)際上既

63、作為優(yōu)良的載體,同時(shí)也是優(yōu)良的催化劑;   )當(dāng)用氧化鑭作載體時(shí),氧化鑭與硝酸鉀之間會發(fā)生非常強(qiáng)烈的作用,形成新的晶型和外表基團(tuán);試驗(yàn)還說明,氧化鈰和氧化鑭的復(fù)合體系比單一體系更具優(yōu)勢;    )提高催化劑的高溫穩(wěn)定性和化學(xué)活性是課題進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。改變缸內(nèi)渦流降低車用柴油機(jī)nox和微粒排放【摘要】 用噴氣式可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)改變車用柴油機(jī)氣缸內(nèi)的渦流水平，研究了渦流對柴油機(jī)微粒pt和nox排放的影響。結(jié)果說明，適度降低低速小負(fù)荷工況的渦流水平。在對pt排放影響不大的情況下，可以有效降低nox的排放量；低速大負(fù)荷工況，適度提

64、高氣缸內(nèi)的渦流水平，在不至于過大提高nox排放的情況下，可以有效降低pt排放量。中速工況渦流水平的變化對pt排放量影響不大，而降低中速小負(fù)何工況氣缸內(nèi)的渦流水平，可以有效降低nox的排放量。降低高速工況氣缸內(nèi)的渦流水平，可以同時(shí)降低pt和nox的排放量；美國康寧研發(fā)新型車用陶瓷載體節(jié)油減排美國康寧公司日前推出新一代車用陶瓷載體，這一產(chǎn)品具有超薄的蜂窩壁，能減少耗油量，并可有效地降低排放系統(tǒng)背壓，有助于控制車輛的污染排放。     在日前舉辦的2007年國際大城市機(jī)動(dòng)車污染防治研討會上，來自國內(nèi)外的專業(yè)人士就解決機(jī)動(dòng)車尾氣排放問題展開了研討 。作為為全球汽油及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛制造商提供先進(jìn)陶瓷載體以及顆粒過濾器的供給商，康寧公司中國區(qū)有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，廢氣處理技術(shù)的改進(jìn)以及燃油質(zhì)量的提高，是推動(dòng)我國控制環(huán)境污染的一個(gè)主要因素。     據(jù)美國康寧公司環(huán)境科技部的蒂姆介紹，為了從技術(shù)上降低車輛的污染排放，他們專門研制了用于輕型汽車和柴油車的陶瓷載體。車輛的排放控制系統(tǒng)安裝這種陶瓷載體后，不僅可以降低系統(tǒng)的總體本錢，而且能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而減少尾氣排放。低排放中重型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)1