車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)的探討

1、ISSN1672-9064CN35-1272/TK作者簡介:林錚,女,副教授,從事教學(xué)工作。車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)的探討林錚(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建福州350003摘要簡要介紹了車用柴油機(jī)排放污染的成分與形成機(jī)理,針對(duì)目前國內(nèi)外的研究狀況,從燃料品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和排氣后處理3方面概述了控制柴油機(jī)排放的技術(shù)措施,并總結(jié)了車用柴油機(jī)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)所需采取的技術(shù)對(duì)策。關(guān)鍵詞柴油機(jī)排放控制措施中圖分類號(hào):TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-9064(201104-0079-02汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放也嚴(yán)重地威脅著人類的生態(tài)環(huán)境。美、歐、日等發(fā)達(dá)國家已先后制訂了嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)

2、,汽車生產(chǎn)商也先后投入巨額資金對(duì)汽車廢氣污染進(jìn)行控制和改進(jìn),目前已取得了相當(dāng)?shù)某删?。我國的汽車工業(yè)還十分落后,每天排放到大氣的有害物質(zhì)所產(chǎn)生的大氣污染十分嚴(yán)重,嚴(yán)重地威脅著市民的身體健康和生態(tài)環(huán)境。2006年國家環(huán)?？偩止剂讼喈?dāng)于歐和歐標(biāo)準(zhǔn)的汽車尾氣排放中國標(biāo)準(zhǔn)。中國號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的尾氣污染物排放限值比我國執(zhí)行的第階段標(biāo)準(zhǔn)尾氣污染物排放限值降低了30%,并已于2007年7月1日起在全國開始實(shí)施。未來柴油機(jī)單靠改善燃燒很難滿足新的排放法規(guī),不可避免地要對(duì)燃料品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和排氣后處理技術(shù)進(jìn)行研究。1車用柴油機(jī)排放污染的成分與形成機(jī)理車用柴油機(jī)的有害排放物主要有CO ,NOx ,HC ,SOx 和

3、碳煙顆粒。他們分別以氣、液、固相的形式存在。氣相排放物包括CO ,NOx ,SO 2和氣態(tài)碳?xì)?液相排放物有SOx 和液相碳?xì)?固相排放物是微小的球狀碳粒其表面吸附HC 和SOx 。CO 是由于燃料燃燒中混合氣的不均勻燃燒或燃燒中O 2量不足而產(chǎn)生的。它可使人缺氧窒息,危及生命。NOx 主要是由空氣中的N 2和O 2在燃燒室內(nèi)的高溫、高壓環(huán)境下反應(yīng)生成的。其毒性很強(qiáng),對(duì)人及植物生長均有不良影響,是形成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一。HC 主要來源于未燃燃料和竄漏的潤滑油。未燃燃料是由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中燃燒組織不良,混合氣過濃或過稀所導(dǎo)致,這些可通過調(diào)節(jié)燃燒條件加以控制。潤滑油對(duì)SOF 的數(shù)量有顯

4、著的影響,由其產(chǎn)生的HC 通?？筛哌_(dá)60%70%。吸附在碳粒上的HC 以及游離態(tài)的液態(tài)HC 可溶于有機(jī)溶劑,稱之為可溶性有機(jī)物(SOF 。另外,HC 中含有的多環(huán)芳烴有巨大的致癌作用,且某些烴類可刺激人的眼睛及呼吸器官,造成呼吸困難。SOx 來源于燃料以及竄漏的潤滑油中含有的S ,它對(duì)顆粒物的形成有十分重要的影響。碳煙顆粒也是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物,它容易被人體吸入,沉積于肺中,并導(dǎo)致癌癥腫塊的形成,還可影響環(huán)境。這些都應(yīng)提高燃料品質(zhì)加以控制。PM 是柴油機(jī)排放中主要的污染物之一。碳煙顆粒、可溶性有機(jī)物與SOx 統(tǒng)稱為顆粒排放物(PM 。2車用柴油機(jī)排放的控制由于柴油機(jī)混合氣形成和燃燒的固有特點(diǎn)

5、,排放物中CO ,HC 的含量相對(duì)較小,SOx 更多地取決于燃油本身的含硫量,而PM 和NOx 則是排放控制的重點(diǎn)。許多排放控制措施也正是針對(duì)這一點(diǎn)來進(jìn)行的,主要可分為燃料的改質(zhì)(前處理、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化控制(過程處理以及排氣控制(后處理3個(gè)方面。2.1燃料的品質(zhì)燃料的品質(zhì)對(duì)柴油機(jī)排放影響極大,增加柴油的十六烷值能有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣PM 、CO 和NOx 排放;降低燃油中S 含量,可降低13%22%顆粒排放;減少燃油中的芳香烴成分可以減少NOx 排放,燃料改質(zhì)應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行。(1控制十六烷值的范圍,減少燃油中的芳香烴成分。十六烷值代表了燃油的自然能力。增加燃油的十六烷值能使著火延遲期縮短,

6、燃燒過程更柔和,降低了燃燒室內(nèi)的溫度及壓力,有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)PM 、CO 和NOx 排放。但是十六烷值過高,會(huì)使燃油與空氣混合不充分,燃燒不完全,引起PM 排放增加。因此選用合適十六烷值的柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和排放極為重要,一般十六烷值最好在5060之間。芳烴的十六烷值最低,自然能力差,燃油中芳烴含量高會(huì)使燃燒初期集聚的燃油增加,大量燃料同時(shí)燃燒引起壓力、溫度突升,使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,NOx 的排放也隨之增加。減少燃油的芳烴成分將減少NOx 的排放。(2降低燃油中的含硫量。一般柴油中含硫0.15%0.3%,在燃燒過程中,這些硫約有98%轉(zhuǎn)化為SO 2,殘留部分為硫酸鹽顆粒,部分SO 2被進(jìn)一步

7、氧化并與燃燒過程中生成的H 2O 結(jié)合,形成硫酸鹽,增加顆粒的排放量。當(dāng)燃料中的S 從0.12%下降到0.05%時(shí),顆粒排放量將減少8%10%,但進(jìn)一步減少S 含量對(duì)顆粒的排放量不再有影響。(3進(jìn)行柴油的乳化處理。在柴油中摻混生物柴油的乳化油20%水+80%×(30%生物柴油+70%柴油,通過燃料中的水汽化來降低氣缸溫度和燃燒溫度,減少NOx 的排放;另外,燃料中的水分子迅速汽化、膨脹,促進(jìn)了燃料與空氣的迅速混合,加速了燃燒,減少了氣缸內(nèi)的激冷層,有利于減少HC 的生成,而且油耗變化很小。節(jié)能減排ISSN1672-9064CN35-1272/TK(4在柴油中添加降污添加劑及代用燃料。

8、碳酸二甲酯具有含氧高(53.3%、沸點(diǎn)高、與柴油互熔性好和無毒的特點(diǎn),添加入柴油中不用改造燃油系統(tǒng)可以大大減低柴油機(jī)的碳煙排放,特別是急加速煙度得以大幅改善。代用燃料也是控制柴油機(jī)排放的重要方法。二甲醚作為柴油代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以提高10%15%,熱效率提高2%3%,排放可達(dá)到歐標(biāo)準(zhǔn)。生物燃油作為一種替代燃料,用在柴油機(jī)上可降低CO2和HC排放,緩解我國石油需求壓力,但是由于目前的價(jià)格偏高,建議將生物柴油摻混到普通柴油中使用。2.2柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化核心是對(duì)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化,使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、起動(dòng)可靠、排放較少的要求?，F(xiàn)在世界上滿足歐標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

9、主要有:四氣門技術(shù)、燃油高壓噴射技術(shù)、燃燒室與渦流優(yōu)化技術(shù)、高效率渦輪增壓中冷技術(shù)、VNT可變噴嘴渦輪增壓技術(shù)、HCCI技術(shù)。(1提高噴射壓力。高噴射壓力是實(shí)現(xiàn)全過程油氣混合、控制燃燒速度最基本的要素。高噴射壓力使噴霧的索特平均直徑變小,噴霧在燃燒室的空間占有率增大,有利于油氣間的相互擴(kuò)散,對(duì)縮短滯燃期十分有利。(2采用多氣門技術(shù)。多氣門技術(shù)能夠擴(kuò)大進(jìn)、排氣門的總流通截面積,有利于噴油器垂直布置在氣缸軸線上,不僅改善了噴油器的冷卻狀況和活塞的熱應(yīng)力,而且有利于噴霧在空間的均勻分布,使流動(dòng)對(duì)噴霧的效應(yīng)更為合理。(3應(yīng)用增壓中冷技術(shù)和VNT可變噴嘴渦輪增壓技術(shù)。廢氣渦輪增壓提高了平均有效壓力、過量

10、空氣系數(shù)和整個(gè)循環(huán)的平均溫度,可使柴油機(jī)顆粒物質(zhì)的排放量降低50%左右,并減少了CO和HC的排放。采用可變渦輪噴嘴環(huán)截面的方式,使增壓器在全工況下基本處于高效運(yùn)行狀態(tài),這些措施合理可使HC和顆粒排放減少近35%。(4燃燒室與渦流優(yōu)化技術(shù)。燃燒室與渦流優(yōu)化技術(shù)是指燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的最佳匹配。具體措施包括進(jìn)氣旋流的優(yōu)化,在高壓噴射的情況下采用低渦流比有利于減少顆粒排放。采用可變渦輪進(jìn)氣技術(shù)可使運(yùn)行中的渦輪比在0.20.5之間變化,使發(fā)動(dòng)機(jī)性能及顆粒在整個(gè)范圍內(nèi)得到優(yōu)化。(5HCCI技術(shù)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用均質(zhì)混合氣工作,空氣和燃油可在進(jìn)氣系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)混合,也可將燃油噴入氣缸,在氣缸

11、內(nèi)與空氣進(jìn)行預(yù)混合,形成非常均質(zhì)的空氣、燃油混合氣。在壓縮沖程中,混合氣溫度升高,達(dá)到自燃溫度而自燃。該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn),其NOx排放非常低,且無炭黑顆粒排放。2.3柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)柴油機(jī)僅靠改進(jìn)燃料的品質(zhì)和燃燒等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,排氣后處理技術(shù)已日益顯現(xiàn)出它的重要作用。目前控制手段有以下幾種。(1廢氣再循環(huán)(EGR技術(shù)。廢氣再循環(huán)是指把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的部分廢氣回送到氣缸,利用CO2不能燃燒卻吸收大量熱的特點(diǎn),使氣缸中混合氣的燃燒溫度降低,從而減少NOx的生成量。在新鮮的空氣中摻入廢氣之后,混合氣的熱值降低,會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率下降。為了做到既能減少

12、NOx的排放,又能保持發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況對(duì)再循環(huán)的廢氣量加以控制。(2催化轉(zhuǎn)化器。催化轉(zhuǎn)換器的作用是利用催化劑(金屬鉑、鈀或銠將排氣中的CO,HC和NOx轉(zhuǎn)換成對(duì)人體無害氣體。催化轉(zhuǎn)化器有氧化催化轉(zhuǎn)換器和三效催化轉(zhuǎn)化器。氧化催化轉(zhuǎn)化器只能將排氣中的CO和HC氧化成CO2和H2O,因而這種催化轉(zhuǎn)化器也稱為二效催化轉(zhuǎn)換器。使用氧化催化轉(zhuǎn)換器時(shí)必須同時(shí)供給二次空氣作為氧化劑,才能使其有效地工作。三效催化轉(zhuǎn)化器可同時(shí)減少CO,HC,和NOx的排放,它以排氣中的CO和HC作為還原劑,把NO2還原為N2和O2,而CO和HC在還原反應(yīng)中被氧化為CO2和H2O。當(dāng)同時(shí)采用2種轉(zhuǎn)換器時(shí),通

13、常把2者放在同一轉(zhuǎn)換器外殼內(nèi),而且將三效催化轉(zhuǎn)換器置于氧化催化轉(zhuǎn)換器前面。排氣經(jīng)過三效催化轉(zhuǎn)換器之后,部分未被氧化的CO和HC繼續(xù)在氧化催化轉(zhuǎn)換器中與供給的二次空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)。(3顆粒過濾及再生技術(shù)。顆粒過濾及再生技術(shù)是降低PM排放的重要手段,其裝置由顆粒過濾器和再生系統(tǒng)組成。工作過程為:過濾器在排氣道中用濾芯收集顆粒排放物,當(dāng)過濾器的過濾阻力達(dá)到一定程度,再用一定方法使收集的顆粒物燃燒,以再生過濾性能。一般過濾體對(duì)碳顆粒的過濾效率可達(dá)到60%90%。再生可分為“被動(dòng)”與“主動(dòng)”再生?！氨粍?dòng)”再生即催化再生,是通過催化添加劑鍶、鈰、鐵的金屬有機(jī)物降低顆粒物的氧化活化能,從而使顆粒物的再生溫度大幅降低?！爸鲃?dòng)”再生即外加能量的再生方式,包括噴油助燃再生、電加熱再生、逆向噴氣再生、電加熱再生及微波再生等。(4SCR技術(shù)。SCR(選擇性催化還原是較成熟的降低NOx的技術(shù)。SCR法采用在尾氣中噴射32.5%符合DIN70070標(biāo)準(zhǔn)的霧狀尿素水溶液的方法,將NOx還原