柴油機排放控制的研究與應(yīng)用

柴油機排放控制的研究與應(yīng)用

0柴油排放控制方法和控制技術(shù)與汽車車輛相比，發(fā)動機具有高效、低燃料消耗率、低燃料價格等優(yōu)點，并越來越受到重視。然而，隨著私家車的增加，世界各國對汽車有害排放的控制變得越來越嚴格，私家車的排放變得越來越重要。對汽車車來說，主要的污染物是nox和pm，這導致各種類型的機油壓力控制和控制技術(shù)。本文從機前處理、機內(nèi)凈化和機外處理三條途徑著手,就柴油機排放控制技術(shù)的發(fā)展狀況進行了分析。1減少燃油含硫量所謂機前處理,就是對進人發(fā)動機燃燒室的燃料與空氣作有益于凈化的預(yù)處理。對于柴油機而言,主要方式是改進柴油品質(zhì)。柴油的品質(zhì)對柴油機排放影響極大,增加柴油的十六烷值能有效地降低發(fā)動機排氣PM、CO和NOx排放;降低柴油中硫的含量,可降低13%～22%的顆粒排放;降低燃油中的芳香烴成分可以減少NOx排放;加入一些添加劑也可以有效的降低微粒的排放。柴油改質(zhì)應(yīng)從以下幾方面進行。1.1降低燃油中的含硫量一方面在燃燒過程中,柴油中的硫約有98%轉(zhuǎn)化為SO2,其余成為硫酸鹽顆粒,部分SO2被進一步氧化并與燃燒過程中生成的H2O結(jié)合,形成硫酸鹽,增加了顆粒的排放量。另一方面,燃料中的硫還會引起催化劑中毒。使用含硫柴油會極大地影響氧化催化器的凈化效果。1.2減少燃油中的芳香烴成分1.3根據(jù)燃油的餾程合理提高燃油的十六烷值如果十六烷值由40%增加到50%,則NOx排放約下降11%。1.4進行柴油的乳化處理在柴油中加入適當?shù)娜榛瘎?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,乳化燃料中的水分子迅速汽化、膨脹,促進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。1.5加入降污添加劑碳酸二甲酯具有含氧量高、沸點高、與柴油互溶性好和無毒性的特點,使用該添加劑,無須改造柴油機的燃油供給系統(tǒng)。試驗表明:加入添加劑后,在保持原來供油系統(tǒng)不變的條件下,可大幅度降低柴油機的碳煙排放量,尤其對柴油機急加速時碳煙的控制較為明顯。1.6在柴油中摻燒消煙添加劑將金屬鋇、鎂、鋅等溶性堿化鹽或中性鹽中作為消煙添加劑,通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒,消除噴油嘴頭部的積炭,可減少30%～50%碳煙顆粒排放。1.7在柴油中加人活性劑如加人HH—B活化劑可降低生成NOx的熱分解活化能,加速NOx熱分解。2減少排氣污染的方法所謂機內(nèi)凈化,就是從有害排放物的生成機理出發(fā),在燃燒室內(nèi)部對有害排放物的生成反應(yīng)予以最大限度的控制,而對它們的消失反應(yīng)則盡量提供有利的條件,進而從根本上達到減少排氣污染的目的,目前主要有以下幾種方式:2.1中央布置式燃燒燃料柴油機燃燒室的型式形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機的燃燒及污染物的生成有重要的影響,柴油機的燃燒室分為直噴式和分隔式兩類。對于直噴式燃燒室,趨向于采用中央布置,加大燃燒室直徑,能改善燃油與空氣的分布,使燃油空氣充分混合,燃燒更徹底,會有效減少PM、HC和NOx的生成。目前較先進的中央布置方法是采用四氣門結(jié)構(gòu)的燃燒室。對于分隔式燃燒室利用部分燃料先期燃燒的能量,促成后期混合氣的形成和燃燒,使得(比同規(guī)格的直噴式燃燒室)NOx的排放量降低,其他有害成分HC、CO等也相對較低。此外,以HCCI為代表的新燃燒方式,同樣能大幅度地降低NOx和PM排放,可以全面改善柴油機的燃燒性能,只是目前仍處于基礎(chǔ)研究階段。2.2多心理煙氣下脫硫廢水改進進氣系統(tǒng)可適當?shù)慕档蚇Ox排放,可以通過組織適當?shù)倪M氣渦流強度、改變進氣重疊度、改變進氣狀態(tài)和采用多氣門技術(shù)等多個方面著手。進氣渦流減弱,NOx降低,但煙度增加。其原因是混合氣形成條件變差而使燃燒速度變慢,因而氣缸內(nèi)溫度降低。因此,進氣渦流強度需要在NOx與煙度之間作適中的選擇。氣門的大小和配氣相位影響氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù),從而影響NOx排放。當殘余廢氣增加時,NOx排放降低。此外,通過改變進氣狀態(tài)如適當?shù)卦黾舆M氣濕度,使最高燃氣溫度降低,也可以使NOx排放降低。在柴油機上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。在多氣門技術(shù)方案中,由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑一般布置在氣缸中央處,從而優(yōu)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件,并可實現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化,這使混和氣的形成進一步優(yōu)化,因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了NOx排放,但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復雜性。在柴油機上應(yīng)用多氣門技術(shù)是國際學術(shù)界研究熱點之一,目前已在大型柴油機應(yīng)用的基礎(chǔ)上,逐漸在小型柴油機上開始應(yīng)用。2.3nox和pm柴油機采用增壓中冷技術(shù)不僅可顯著地提高柴油機的動力性和經(jīng)濟性,而且能極大地改善排放指標特別是NOx和PM。采用增壓中冷以后,一方面進氣管內(nèi)的空氣壓力溫度著火滯后期燃燒速率和過量空氣系數(shù)都相應(yīng)地發(fā)生了變化使得NOx的生成更加困難,另一方面增壓可使氣缸內(nèi)濃度增加為改進混合氣形成和燃燒創(chuàng)造條件,同時增壓還可以提高進氣溫度促使液體燃料蒸發(fā)汽化,從而減少微粒的生成。2.4廢氣再循環(huán)技術(shù)廢氣再循環(huán)(EGR)是指讓發(fā)動機一部分排氣引回到進氣管,與新鮮空氣混合后進人氣缸作為工質(zhì)參加氣缸內(nèi)的熱循環(huán),EGR作為控制NOx排放的一項有效措施,越來越受到重視,對柴油機采用EGR的研究已取得了一定的成果。由于廢氣再循環(huán)(EGR)減少了進氣中含氧量,廢氣的熱容量增加而使最高溫度下降,所以只有在部分負荷或空燃比足夠大的工況下采用,以不使HC和PM排放量明顯增加。EGR技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)使NOx在最大程度降低情況下,又不影響柴油機經(jīng)濟性和HC與PM排放。采用有效的調(diào)整裝置來優(yōu)化柴油機整個工作范圍內(nèi)的廢氣再循環(huán)量,電控技術(shù)可有效地解決這一矛盾,和增壓中冷技術(shù)的結(jié)合使用,可提高發(fā)動機的整機性能。利用廢氣中的冷凝水導人進氣管從而使NOx下降,在進氣系統(tǒng)中加入O3,可促使混合氣氧化,改善性能和排放。2.5發(fā)動機過渡工況排放性能得到顯著改善目前研究的比較多的是共軌式電控高壓噴射。電子控制柴油機高壓噴射技術(shù)(如電控高壓共軌噴射)的應(yīng)用可使柴油機通過最佳噴油定時、最佳噴油速率和預(yù)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得到顯著改善。電控高壓噴射控制對噴油規(guī)律進行控制,能根據(jù)發(fā)動機運行工況實現(xiàn)最佳噴油,同時通過控制預(yù)混合燃燒與擴散燃燒的比例,降低有害排放和控制發(fā)動機的空燃比,有利于實現(xiàn)有效的機外凈化措施。2.6低高溫和高溫對煙度和油路的影響延遲噴油定時是柴油機降低NOx排放的一項行之有效的措施。推遲噴油定時的主要作用是降低燃燒峰值溫度和減少高溫出現(xiàn)的持續(xù)時間,但是增加了排氣門出口的溫度,會引起煙度和油耗的增加。要解決降低污染物排放與保證發(fā)動機性能之間的矛盾,較好的辦法是綜合運用EGR廢氣再循環(huán)、延遲噴油定時和高壓噴射等技術(shù),達到NOx和微粒排放、油耗、功率等的最佳平衡。2.7可溶性有機物潤滑竄入燃燒室的潤滑油不完全燃燒,不但產(chǎn)生大量的碳煙微粒(藍煙),而且還大大地促成可溶性有機物的生成。該潤滑油來源于活塞環(huán)與氣缸臂之間的間隙和氣門挺桿周圍的縫隙。所以,在結(jié)構(gòu)上要改善氣缸套與活塞的配合,提高接觸面的加工精度,改進氣門挺桿的密封措施等,盡可能地減少竄漏的潤滑油數(shù)量。2.8噴油及增壓系統(tǒng)可變控制技術(shù)是根據(jù)發(fā)動機不同的工況,適時地調(diào)整噴油定時、燃燒室渦流狀況以及增壓系統(tǒng)的各項參數(shù),以達到充分發(fā)揮燃油效率,減少污染排放的目的。3存在的問題和處理方法機外凈化就是利用各種濾清凈化裝置和催化轉(zhuǎn)化器,對排氣系統(tǒng)內(nèi)廢氣進行最后處理,以進一步降低有害物的排放量,是機前處理和機內(nèi)凈化方法的重要補充。柴油機排氣后處理技術(shù)也分為兩類,分別是排氣后NOx處理技術(shù)和排氣后PM處理技術(shù)。除此之外,近來人們還對能夠同時處理NOx和PM的技術(shù)進行了探索。3.1拆卸后nox處理技術(shù)3.1.1減少堿土中雙堿產(chǎn)硫酸鈉pme和柴油的氧化反應(yīng)柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器中使用的氧化催化劑鉑(Pt),主要用來氧化柴油機尾氣中的HC與CO,其氧化原理與汽油機三效催化器氧化HC和C0的原理基本一樣。柴油機氧化催化器還能氧化掉PM中的一部分可溶性有機物SOF,但同時也將尾氣中的部分SO2,氧化成硫酸鹽。所以對于含硫量較高的柴油來說,使用氧化催化器將使微粒物排放中的硫酸鹽比例增大,這樣就降低了氧化SOF的效果,甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫還會引起催化劑中毒。所以使用高硫柴油會極大地影響氧化催化器的凈化效果,還會降低催化器的壽命。因此,選擇合適的催化器和使用低硫化燃油就顯得尤為重要。3.1.2nox技術(shù)稀NOx技術(shù)是指用HC化合物作為還原劑減少NOx排放。其中被動的稀NOx技術(shù)是指直接利用發(fā)動機廢氣中的HC作為還原劑,主動的NOx技術(shù)是指通過共軌燃油系統(tǒng)的后噴射來增加廢氣中的HC作為還原劑,但是由于柴油機廢氣中HC的濃度比較低,所以其最大轉(zhuǎn)換率不超過15%;若采取主動噴射HC化合物的技術(shù),NOx最大轉(zhuǎn)換率將增長到30%。3.1.3非選擇性催化還原nox在催化劑存在的條件下,若還原劑優(yōu)先與氣相中的氧發(fā)生反應(yīng),再與NOx發(fā)生反應(yīng)的還原過程稱為非選擇性催化還原.1970年以來,利用H2,CH4和CO作還原劑進行非選擇性催化還原NOx得到了廣泛的研究.其中,CO還原NOx的研究更加深人,原因是CO是柴油機排氣中的成分之一。常用催化劑主要有:CuO,NiO,SnO,CeO,和Pt-、Rh-TiO2、RuO2等。3.1.4scr系統(tǒng)研究采用NH3(尿素)和HC(乙烯、丙烯、丁烯和丙烷)作為還原劑的選擇催化系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的研究。利用(尿素)作為還原劑進行催化還原NOx反應(yīng)的催化劑有貴金屬、貴金屬氧化物和沸石體系,其催化反應(yīng)是:CO(NH2)2+2H2O—2NH3+CO2+H2O4NH3+2NO2+O2—3N2+6H2O4NH3+4NO+O2—4N2+6H2OSCR系統(tǒng)已經(jīng)在諸如電廠、船舶等大型柴油機上實用化,用于降低NOx的排放,轉(zhuǎn)化效率高達90%。在國外,已有SCR運用實例,如戴姆勒一克萊斯勒公司為了使配備柴油機的商用車符合歐N及歐V排放標準,采用了使用尿素的SCR法。已于2005年上半年在卡車及大巴中采用SCR法,并在2006年10月符合歐N標準前,開始階段性地支持歐N標準。該公司今后還將繼續(xù)開發(fā)SCR技術(shù),以盡早達到歐V標準的要求.但該種技術(shù)的缺點在于NH3(尿素)需要定時填充來維持正常工作,且選擇催化轉(zhuǎn)化器的體積大、成本高,需要動態(tài)計量控制還原劑,在低負荷時,由于廢氣溫度較低,催化效率下降。另外,需要高流量的氨氣才能使NOx轉(zhuǎn)化效率最高。3.1.5在穩(wěn)態(tài)工況下的應(yīng)用由于電控技術(shù)在汽車上的應(yīng)用,由此產(chǎn)生了NAC技術(shù)。NAC技術(shù)就是指用能吸附NOx的催化劑在富氧的條件下對NOx進行吸附反應(yīng),在缺氧的條件進行再生,缺氧條件的產(chǎn)生主要是通過燃油噴射系統(tǒng)的后噴實現(xiàn)。對于柴油機而言,由于在濃混合氣的條件下容易產(chǎn)生黑煙,使得再生變得十分困難,通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng),可以將柴油機產(chǎn)生的黑煙降到允許的范圍。通過對吸附和再生過程的適當搭配,NAC技術(shù)在穩(wěn)態(tài)工況下可以將90%左右的NOx還原。要使NAC技術(shù)在瞬態(tài)工況獲得很好的性能,需要增加復雜的控制系統(tǒng),需要進一步的研究。影響NAC技術(shù)應(yīng)用于汽車的最關(guān)鍵因素是硫的容忍性,因為廢氣中的硫?qū)勾呋瘎┲卸?影響再生過程。3.1.6等離子體與催化劑的結(jié)合劑等離子體技術(shù)原來主要用來處理碳顆粒的排放,現(xiàn)在該項技術(shù)研究的重點是NOx處理,在稀燃排氣中等離子放電主要是氧化反應(yīng),單獨用等離子體對NOx還原沒有效果,但當將等離子體與催化劑結(jié)合,等離子體增強了催化劑的選擇性,對柴油機排氣中的NOx和碳顆粒都有很好的凈化效果。另一優(yōu)點是對燃料含硫量幾乎沒有要求,可以在相對低的溫度下運行。Delphi和Caterpillar等公司已經(jīng)利用等離子體和催化劑系統(tǒng)開發(fā)出NOx和碳顆粒后處理系統(tǒng),可用于柴油小轎車、重型車上。3.1.7纖維加載低電壓技術(shù)碳纖維具有吸附性、導電性和催化活性,能促進廢氣中的NO與C或HC進行氧化還原反應(yīng)。目前,該技術(shù)正處于研究階段。3.2pm污染處理技術(shù)碳顆粒的后處理凈化是將柴油機排氣引入專門的后處理裝置中,消除其中的碳顆粒后再排入大氣,柴油機PM后處理技術(shù)包括非過濾和過濾技術(shù)。3.2.1非過濾技術(shù)非過濾技術(shù)主要包括兩類:催化氧化劑技術(shù)和等離子技術(shù)。3.2.1.減少非碳化硅體的排放能力,產(chǎn)利用催化氧化技術(shù)減少載重車和城市公交車柴油機尾氣PM排放始于20世紀90年代初。催化劑為蜂窩整體直通式,主要活性成分是貴金屬。這種催化劑能部分氧化去除排氣PM的可溶性有機組分以及氣態(tài)污染物HC和CO。去除效果與發(fā)動機負荷、排氣溫度和燃料含硫量密切相關(guān)。發(fā)動機負荷低時,PM可溶性有機組分含量高,催化氧化降低PM排放效果明顯;而發(fā)動機負荷高時,PM中可溶性有機組分含量低,催化氧化降低PM排放效果較弱。3.2.1.電極并聚積再生其工作原理類似于靜電除塵,柴油機尾氣中的微粒在高壓電暈放電場中荷電,并在電場的作用下移向電極并聚積,過一段時間后可用燃燒方法再生。劉圣華對該技術(shù)進行了深入的研究,研究結(jié)果表明,在中低負荷時,捕捉器效率高于90%,而在標定工況下,由于尾氣在等離子捕捉器中的滯留時間短,捕捉器效率較低,采用該技術(shù)主要是為了提高柴油機尾氣在等離子捕捉器中的滯留時間。3.2.2柴油微粒捕集器的再生技術(shù)過濾是降低PM排放的最直接方法,過濾器包括壁流蜂窩陶瓷整體、陶瓷泡沫、陶瓷纖維、和金屬線網(wǎng)等。其原理皆是借助慣性碰撞、截留、擴散和重力沉降等機理將PM從氣流中分離出來。其中,壁流式蜂窩陶瓷和陶瓷纖維屬于表面過濾,陶瓷泡沫和金屬絲網(wǎng)屬于深床過濾。各種過濾材料的過濾效率見表1。但是如果過濾體中收集的微粒不能及時清除,就會發(fā)生濾芯堵塞以致柴油機背壓急劇上升的現(xiàn)象,影響柴油機的換氣和燃燒,降低性能。因此需要定期清除沉積在過濾體中的微粒,使排氣背壓降低到原有水平。這就是過濾體的再生。再生技術(shù)是柴油機微粒捕捉器實用化的關(guān)鍵。再生實際上就是利用熱能將沉積在過濾器內(nèi)的微粒燒掉。再生技術(shù)主要分為兩大類,即主動再生和被動再生。主動再生利用外界能量來提高捕集器的溫度,使微粒著火燃燒。被動再生一般利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒的著火溫度,使微粒能在正常的柴油機排氣溫度下著火燃燒。目前主動再生方法有噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生等。被動再生有燃油添加劑再生、連續(xù)再生、催化劑輔助再生等?，F(xiàn)在傾向于被動再生和被動與主動再生結(jié)合。因為被動再生有較好的燃油經(jīng)濟性、較低的成本,整個系統(tǒng)也比主動再生簡單。3.3同時，將凈化nox和顆粒技術(shù)3.3.1獨立凈化技術(shù)聯(lián)合使用四元催化轉(zhuǎn)化器是由稀燃NOx催化劑(LNC)和柴油顆粒過濾器(DPF)兩種技術(shù)或者由稀燃NOx催化劑(LNC)和柴油氧化催化劑(DOC)兩種技術(shù)綜合為一體的組合裝置,即將PM和NOx的獨立凈化技術(shù)聯(lián)合使用,即在同一裝置中同時凈化PM和NOx。這種裝置有的已經(jīng)商業(yè)化。圖1為集DOC,DPF,SCR于一體的四元催化轉(zhuǎn)化器。Cleaire公司聯(lián)合采用NRC和DPF技術(shù),研發(fā)了一套集去除NOx,PM,CO和HC于一體的Longview裝置。采用外加還原反應(yīng)物(如尿素)以催化還原NOx,而DPF同時凈化PM,CO和HC。凈化效果盡管根據(jù)柴油機而不同,但一般情況下,NOx的去除率可達25%,PM去除率大于85%,CO去除率大于90%,HC去除率大于65%。3.3.2去除柴油排氣pm和nox在柴油機排氣的氧化環(huán)境中,用催化的方法同時去除NOx和PM的理念是由Yoshida首次提出的。研究表明,在相同的溫度范圍內(nèi),PM的氧化反應(yīng)和NOx的還原反應(yīng)可以同時進行,在催化劑的作用下,NO和O2的共同存在促進了PM的催化燃燒,因此同時去除柴油機排氣PM和NOx是可行的。其催化劑可歸納為3類,即金屬氧化物型催化劑、尖晶石型復合氧化物催化劑和鈣欽礦型復合氧化物催化劑。3.3.3等離子體耦合催化劑工作機理分析研究表明,等離子體與催化過程的結(jié)合是一個十分誘人的新領(lǐng)域,蘊藏著十分豐富的科學內(nèi)容和潛在的實用價值。其基本思想是:等離子體促進活性物種的生成,選擇性地生成目標產(chǎn)品,以