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1、全国能源与热工 2008 学术年会 455 提高柴油提高柴油/甲醇组合燃烧尾气排放质量的研究甲醇组合燃烧尾气排放质量的研究 黎 苏 （河北工业大学 天津 300130） 摘摘 要要： 本文对纯柴油、柴油/甲醇组合燃烧、以及带氧化催化转化器的柴油/甲醇组合燃烧三种尾气排放进行了比较和研 究。针对柴油/甲醇组合燃烧可以使 NOx、烟度大幅度下降，但同时 PM、CO 和 HC 的排放浓度与柴油相比反而增加的现状， 通过加装氧化催化转化器，对废气进行后处理后，发现 HC、CO 和 PM 排放明显减少。与柴油相比，不仅可以实现大幅度 降低 NOx而且 PM 排放也有较大幅度下降。采用透射电子显微镜观察发
2、现，与柴油相比，柴油/甲醇组合燃烧的 PM 排放中 干炭烟(DS)减少，但是可溶有机物 SOF 增加。经过氧化催化转化器处理后，尾气的 PM 中大量 SOF 和 HC 化合物被消除， 致使 PM 的质量明显减少。 关键词关键词： 柴油/甲醇组合燃烧；尾气；氧化催化转化器；微粒 Study on Emission Characteristics of Diesel/Methanol Compound Combustion LI Su (Hebei University of Technology Tianjin 300130) Abstract： In this paper, emissions
3、 of three kinds of combustion mode, which is diesel engine, diesel/methanol compound combustion (DMCC), as well DMCC with an oxidation catalytic converter respectively, are compared and analyzed. The experimental results showed that NOx of DMCC mode reduced remarkably compare to diesel engine, while
4、 PM, CO and HC were increased. With an oxidation catalytic converter, HC, CO and PM from DMCC engine were obviously decreased. In this case, both NOx and PM from the engine were much lower than those from diesel engine at the same time. Meanwhile, the PM was observed carefully with a transmission el
5、ectron microscope (TEM). With this one it was found that the dry soot in PM was reduced but SOF was increased in DMCC mode. The experimental results illustrated that the weight of PM lost with oxidation catalytic converter was the part of SOF and HC in PM eliminated by oxidation catalytic converter.
6、 Key words: Diesel/methanol compound combustion; Emission; Oxidation catalytic converter; Particulate matter 1 引言 柴油机因其燃油经济性好，一氧化碳（CO） 和未燃碳氢（HC）排放较低的优点，而得到越来 越多的应用。但其尾气中的碳烟微粒和氮氧化物 （NOx）排放对环境有污染，引起人们广泛关注。 如何降低柴油机的微粒排放，减少微粒对环境的 污染是时下科学工作者的重要课题；此外，目前 地球面临着石油资源的枯竭，寻找新的内燃机能 源，代替目前的石油燃料，也具有重大的经济意 义。因此，减少柴
7、油机的碳烟颗粒及 NOx 排放以 保护环境、尽快寻找可靠的石油代替燃料是当前 柴油机的重要课题。 本文的工作就是针对这一问题开展的，用柴 油/甲醇组合燃烧的方式代替纯柴油的燃烧，从而 减少柴油机燃料中柴油的份额，以达到使用甲醇 燃料的目的。甲醇可以从煤、木材、天然气、石 油伴生气、植物秸秆，甚至城市可燃垃圾等物质 中提炼或合成，是一种可再生资源。而且，甲醇 含氧量高、燃烧充分、有害排放物少，是一种较 清洁的替代燃料。柴油/甲醇组合燃烧方式，是在 启动、暖车及小负荷工作时，发动机仅以纯柴油 进行工作，而在中高负荷时由柴油引燃喷入气缸 的甲醇均质预混合气。采用组合燃烧的发动机可 以成功实现同时减少
8、碳烟和 NOx 排放并能替代部 分柴油，而且总的能量利用率上也较原柴油机有 节能技术与装备 456 一定幅度的提高。但是，该研究也显示柴油/甲醇 组合燃烧时未燃 HC 和 CO 排放较原柴油机为高， 为了进一步研究组合燃烧方式对发动机性能的影 响以实现真正意义上的清洁排放，本文对其燃烧 尾气的排放特性进行了研究。 研究中测量了原柴油机、柴油/甲醇发动机、 带氧化催化转化器的柴油/甲醇发动机的尾气排 放，对尾气中 HC、CO、NOx、烟度和微粒进行研 究和比较。采用透射电子显微镜对收集的微粒进 行观察，分析收集到的微粒颜色、形态、尺寸等 方面的信息，以利于进一步对柴油/甲醇组合燃烧 进行研究。
9、2 试验设备及其方法 2.1 试验设备 组合燃烧喷醇发动机是在一台 490QDI 立式、 直喷、水冷、四冲程柴油机上改造而来的，原柴 油机主要技术参数如表 1 所示。 表 1 490QDI 柴油机主要技术数据 型号 缸径行程 mmmm 排量 L 压缩比 标定功率/转速 kW/(r/min) 最大转矩/转速 Nm/(r/min) 最低燃油耗 g/(kWh) 烟度 BSU 490QDI901002.5418：145.6/3200156.8/22402284.0 试验所用主要设备有：CW160 电涡流测控机 及发动机参数控制柜，控制发动机扭矩、转速， 利用进气温度、排气温度和机油温度传感器来检 测发
10、动机的状态参数；2 台 FCM-05 瞬态自动油耗 仪分别对柴油和醇燃料消耗量进行测量；进气流 量由 Ricardo 流量计测量；用 FQD-102A 波许数字 烟度计测量排气烟度；用日本 HORIBA 公司的产 品 HORIBA MEXA-7100 气体分析仪测量 NOx、 HC、CO 等有害排放物；用 JEOL 透射电子显微镜 观察微粒的形态、尺寸等。 2.2 尾气成分的测量和分析 为了比较全面地反映柴油/甲醇组合燃烧发动 机的排放性及催化器的催化性能，试验工况按照 GB 17691-2001 中规定的 13 循环工况选取，根据 试验发动机的技术参数，试验选取了如表 2 所示 的 13 点
11、工况。 2.2.1 气体成分的测量 发动机排气中的气体污染物包括 HC 化合物、 CO、NOx。各种气体污染物浓度分别是用氢火焰 离子法（FID）测量未燃 HC，用非分光红外线法 (NDIR)测量 CO，用化学发光法(CLD)测量 NOx。 在每个工况中，测定每种气态污染物的浓度、排 气流量和输出功率，并将测量值加权处理。利用 HORIBA 尾气分析仪对 HC 化合物、CO、NOx 进 行浓度测量。 2.2.2 微粒的采集 本试验中微粒的采集参照国家标准 GB17691- 2001 颗粒物排放的测定，采用分流稀释系统取样。 使用带聚四氟乙烯涂层的玻璃纤维滤纸，滤纸直 径为 70mm（污染直径为
12、 60mm） 。试验过程中， 由串联排列的一对滤纸（一张初级滤纸和一张次 级滤纸）对稀释排气进行取样，同时次级滤纸安 装在初级滤纸的下游不超过 100mm 的地方，但不 得相互接触。颗粒物的测定中该稀释取样系统始 终保持稀释排气的温度在 325K（52）以下，并 防止水汽的冷凝。采集微粒的滤纸在称重完毕后 保存在干燥瓶中，以防吸水或发生氧化反应。用 电子天平对滤在滤纸上的微粒进行称重。所得数 值按照国家标准 GB 17691-2001 规定的试验数据 处理方法进行处理，计算出各种污染物每千瓦小 时排放的克数。 发动机的排气烟度采用活塞抽吸式 BOSCH 烟 度计，将排烟记录在滤纸上，然后用光照
13、反射率 来计量烟度值。 将少量微粒样品制作成膜片，用透射电子显 微镜对微粒形态进行观察。 3 结果与讨论 3.1 烟度的对比 在试验过程中， 选取了 1600 r/min 、 2200 r/min 和 3200 r/min 三种转速的负荷特性作为典型工况对 比。用 D、DM、DM With OCC 分别代表纯 柴油、柴油/甲醇组合燃烧、带氧化催化转化器的 柴油/甲醇组合燃烧三种发动机燃烧模式。 全国能源与热工 2008 学术年会 457 a 1600r/min 负荷特性烟度排放 b 2200r/min 负荷特性烟度排放 c 3200r/min 负荷特性烟度排放 图 1 纯柴油、柴油/甲醇组合燃
14、烧模式下催化器前后的烟度排放对比 图中表明了柴油/甲醇组合燃烧的尾气烟度大 幅度下降，经过氧化催化器后烟度进一步降低， 在中低负荷几乎达到了无烟燃烧，即使在全负荷 时烟度都小于 1.0 BSU，尤其在高速大负荷下，降 低的幅度更大。说明废气经过具有一定高温的催 化器后，一部分碳粒可能被燃烧掉了，从而使烟 度较催化器前有所降低。转速越高，负荷越大， 排气温度越高，碳烟就越少。试验结果表明，采 用柴油/甲醇组合燃烧加上催化转化器可以进一步 降低排气烟度，真正实现压燃发动机无烟运行。 3.2 尾气排放物 13 工况测量 按照国家标准 GB17691-2001 的要求，测量的 数据经加权处理后得到尾气
15、各排放物的比排放 量，如表 3 所示。 从表 3 可以看出，柴油/甲醇组合燃烧与纯柴 油相比，NOx排放显著降低，而 HC、CO 和 PM 的排放却大幅度增加，没有达到同时降低碳烟和 NOx 的目的。使用氧化催化转化器后，HC、CO 和 PM 均器的柴油/甲醇组合燃烧可以同时降低 NOx 表 3 十三工况排放试验结果 比排放量 燃烧方式 HC （g/kWh） CO （g/kWh） NOx （g/kWh） PM (g/kWh) D2.067.7813.951.00 DM8.1210.678.142.07 DM With OCC1.092.328.600.89 和 PM 的排放，有效地解决了柴油机
16、排放中 PM 和 NOx 排放不能同时降低的一个难题。柴油/甲醇组 合燃烧 HC 和 CO 的排放较原机增加，可能的原因 是： 1）甲醇以均质混合气参加燃烧，当其十分稀 薄时，引燃柴油不足以将其全部燃尽； 2）气缸扫气作用，将少量的甲醇新鲜工质直 节能技术与装备 458 接从排气门排出，增加了柴油/甲醇模式下的 HC 排放； 3）火焰在气缸表面的淬冷，间隙效应和润滑 油膜对燃油蒸气吸附作用3。未燃 HC 在排气阶段 释放并排出缸外。由于甲醇汽化潜热高，缸内混 合气温度下降，一定程度上加剧了以上过程，从 而导致未燃 HC 排放增多。而当实施组合燃烧时， 其时的排气温度在 400以上，高于催化转化器的 起燃要求，因而降低了 HC 和 CO 的排放。试验数 据也证实了这一点，见表 3。 柴油/甲醇组合燃烧 CO 排放升高的主要原因 是甲醇的不完全氧化反应。部分原因和未燃 HC 生 成类似，另外由于甲醇燃烧会产生大量的氧甲基 CH3O，氧甲基通过下面的反应生成 CO6： CH3O+OCO+H2O+OH 同时存在于活塞顶岸间隙和活
