《柴油机NOx与碳烟微粒排放控制技术综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油机NOx与碳烟微粒排放控制技术综述（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、柴油机的碳烟及NOx排放控制技术综述陈翔 1001305004摘要：柴油机本是一种清洁高效的发动机，但是在汽油机应用三效催化器后，柴 油机的碳烟颗粒及NOx排放就显得尤为突出。本文简要介绍了碳烟及NOx生成机 理，并着重从燃油油品、机内净化技术及尾气后处理技术方面对柴油机的碳烟颗 粒及NOx排放控制技术现状进行了探讨分析。关键词：柴油机；碳烟；NOx；排放控制；尾气后处理柴油机具有耐用、清洁、高效、可靠性高等优点，和汽油机相比，柴油机是 一种环境友好的发动机，但是和装配了三效催化剂的汽油车相比，以氮氧化物 (NOx)和颗粒物(PM)为特征的柴油车的尾气排放污染成为制约其推广应用的重要 因素。柴
2、油车尾气中NOx的浓度与汽油机相当，颗粒物(PM)是汽油机的几十倍。 三效催化剂已经成功开发并被广泛应用，可同时将汽油车排放的主要污染物 NOx、CO、HC削减90%以上。但柴油机在工作过程中是处于富氧状态下，使得传 统的用于汽油机的三效催化转化器TWC(Three way catlyst)不能有效地降低柴 油机的NOx，且柴油机由于混合和燃烧的固有特点，其排出的碳烟微粒很多。加 上碳烟微粒与NOx之间又存在着一条权衡曲线(trade-off)关系，传统的方法 很难对两者进行有效地控制，所以目前解决柴油机的碳烟微粒及NOx的排放已经 成为一个重要研究方向，随之也产生了许多相关的新技术。NOx的
3、生成机理NOx并不是来自燃料，而是空气在气缸内燃烧时由高温条件下氧和氮反应而 产生的。在气缸高温下其主要生成NO,而生成的NO2的含量特别少;在高负荷的 情况下NO2的含量可以忽略1。根据链反应机理可知：O+N 7NO+NN+O 7NO+O在这2个反应过程中，N，O ； N，O的浓度、燃烧所提供的高温以及高温持续时 间决定了反应的速度和程度：并直接影响最终的NOx的浓度。空燃比一定时，NO 的生成量随温度增高而增加，也随转速和负荷的增加而迅速增加。同时NO的生成 量也取决于火焰前锋中是否富氧，在空气过量系数a稍大于1时，NO的生成量 达到最高；当a小于1时,混合气越浓，NO浓度越高；当a大于1
4、，过了产生NO 的峰值以后，混合气稀薄,NO浓度下降。由于NO的生成反应达到化学平衡需要一 定的时间，而且这个时间要比每一循环中燃烧反应时间长，故为了降低NOx的含 量应着于降低火焰的高峰温度、缩短高温持续时间和采用适当的空燃比。大量 的试验表明,要降低NOx排放必然会引起燃油经济性不同程度的降低，引起热效 率的降低和影响燃烧的彻底性。碳烟的生成机理由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件不一致,因此在 燃烧过程中产生炭烟颗粒是难以避免的，而炭烟颗粒是烃类燃料燃烧过程的中间 产物。Brome及Khan根据对火焰的研究资料，提出了炭烟颗粒的产生进程。他 们认为烃类燃料在过浓的高温区中
5、通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的 物质，且在后期出现聚合反应;在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合产生较大分子 量的物质。这两个途径单独作用或相互交错最终产生炭烟颗粒。从技术的范畴来看，减少柴油车排放应该从燃油品质、内燃机机内技术和内 燃机机外排放控制技术3方面同时着手，从国外的经验看,3种技术应该配套使 用、分层次地协调发展。1、燃料和代用燃料柴油的主要参数为密度、含硫量、芳香烃含量和十六烷值。柴油机运转中， 柴油中约有98%的硫转化为气体SO，其余2%左右生成硫酸盐颗粒随尾气排 出。研究表明：柴油含硫量由0. 3%减少到0. 05%时，颗粒物污染将减少9%。 十六烷值是影响NOx排放的主
6、要参数，十六烷值由40增加到50，NOx排放下约 11%。面对低硫、低芳烃、高十六烷值含氧柴油要求，世界各国都纷纷制定新的 柴油标准，规定柴油含硫量应小于0. 05W%、芳烃含量小于35V%，以后逐年 加严。采用含硫、芳烃少高十六烷值富氧柴油可大幅改善柴油机碳烟微粒排放。二甲基醚DME（CH 一 OCH3）由于含氧原子，加之只有CH键和CO键， 没有CC键，因此燃烧生成的排放物CO、HC和碳烟微粒低。由于它蒸发潜热大， 可采用较大的EGR率，十六烷值比柴油高，着火延迟期短，因此可以抑制NOx 生成和低的压力升高率，是一种较理想的新兴代用燃料。发动机上燃用DME的试 验结果表明：自然吸气式发动机
7、排放水平可达目前Euro3和加洲ULEV标准，燃 烧噪声降低l5dB （A），燃用DME同时采用冷却EGR技术，NOx排放可降至1. 36 g/kWh，且颗粒排放几乎不增加，只是燃油消耗率略有增加5项。柴油机燃用 DME虽可使柴油机排放大幅改善，但目前仍有一些问题亟待解决。如燃料的储运、 燃油系统改进（新型低压30 MPa燃油喷射系统）、泄漏和润滑等问题。气体燃料（主要是天然气CNG和液化石油气LPG）和空气混合较充分，无需汽 化，加之不含铅，因此燃烧充分并可大幅改善柴油机的排放。目前由柴油机改装 的单燃料天然气发动机和由柴油/ CNG、柴油一 LPG改装的双燃料发动机已极大 地改善了内燃机的
8、排放，特别是城市建设用的工程机械和公交汽车内燃机等，已 在清洁城市的大气环境中做出了贡献。但由于CNG和LPG的一些特点，目前尚 有一些问题需进一步研究解决。一是启动慢、加速性差、排温高和易失火问题， 二是耐久安全性、资源和供气站推广应用等，相信不久的将来，CNG、LPG等气 体燃料将在内燃机上获得更加广泛的应用。2、机内净化2. 1废气再循环（EGR）EGR技术是现在柴油机降低NOx排放的主要技术措施之一。EGR在所有的负 荷条件下均能降低NOx的排放。其工作机理是将定量的废气引入柴油机的进气系 统中，再循环到燃烧室内，有利于点火的延迟，增加参与反应物质的比热容以及 CO2,H2O,N2等惰
9、性气体对氧气的稀释作用，从而降低燃烧最高温度，减少NOx的 生成。大约60%70%的NOx是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率 对于减少NOx的排放是很有效的。废气再循环率为15%时,NOx排放可以减少50% 以上。而废气再循环率为25%时,NOx排放可以减少80%以上，但是随着废气再循 环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性差,HC排放和油耗增加。若采用 “热EGR”还可以在减少NOx排放的同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油 耗，在中低负荷时净化效果更佳。虽然EGR对柴油机缸内NOx形成有明显的抑 制作用，但同时会增加排气烟度。所以,EGR虽是降低柴油机NOx排放量的有效
10、措 施，但需要采取相应的措施降低排气烟度,而且如何选取适当的EGR率对改善柴 油机的性能至关重要。德国曼公司公布的欧W解决方案就是采用EGR技术来降低 尾气中NOx的含量，再借助于微粒捕集器来减少颗粒物的排放8。2. 2高压喷射技术9燃油喷射系统是柴油机的心脏,也是发展最快的系统。传统的泵-管-嘴系统 的喷油压力比较低，一般不超过5080MPa,因此燃油的雾化不好,易导致PM排放 高。为使PM排放严格地达到排放法规，国外采用了高压喷射技术，喷射压力从原 来的80 MPa提高到了 140200 MPa甚至更高。如果不考虑到其它性能的平衡, 高压喷射可使PM达到欧III乃至更严格的排放限值，使柴油
11、机告别冒黑烟的时代。 柴油机喷油压力越高，燃油和空气的混合就越好，排烟就越少。高压喷射可通过3 种形式的喷油系统实现：共轨系统、单体泵和泵喷嘴。与其它的燃油喷射不同， 共轨式喷油系统能提供持续的高压喷射,而且容易实现单循环多次喷射。目前国 外已经在用的共轨系统最高压力可达200MPa。据报道，日本正在研制压力高达 300 MPa的燃油喷射系统，这种高压喷射系统与孔径只有80 “m喷孔群配合，可达 到“原子化”的喷雾特性。通常,共轨系统用于轿车等轻型车，而泵喷嘴和单体泵 用于重型柴油车。燃油高压喷射同时也带来了柴油机电控和直喷的时代。目前的 高压喷射系统大多采用电子控制喷射。与汽油机一样,使用电
12、控喷射技术后，柴油 机也全面进入了电控时代,喷油量、喷油压力、喷油率、喷油定时等全面实现了 电控，同时还控制EGR、可变截面涡轮增压等。电控高压喷射可非常精确地控制 喷油量和喷油时间，以适应不同的道路工况，并且有的还具有自适应能力，可以补 偿零件磨损和零件制造偏差引起的变化，以取得NOx、PM和燃油经济性之间的最 佳配合。高压喷射系统一般应用于直喷柴油机，它要求发动机吸入较多的空气， 但燃烧效率高，因此比非直喷式柴油机节油5%10%,由于高压直喷式柴油机同时 具有良好的经济性和较低排放特性，因此电控高压直喷技术已经在国外柴油机行 业占主导地位。燃油喷射电控化后，使燃油多次喷射成为可能。现有的共
13、轨喷射 系统大多采用多次喷射技术，可以实现柔和燃烧，也可减少柴油机PM的排放。目 前这一技术在欧洲已经被广泛应用于柴油轿车。2.3增压中冷技术进气涡轮增压技术是使发动机轻量化、提高输出功率的有效措施，也是现代 柴油机的代表性技术。经涡轮增压后,进气温度提高、滞燃期缩短、混合气可适 当变稀，这些因素能使柴油机的噪声、CO和HC排放以及油耗都有所降低。特别 是进气增压后，由于进气量大幅度增加，可使柴油机的空燃比进一步提高，同时允 许燃油喷射压力进一步提高，这些措施可大幅度降低PM排放。而且采用了中冷技 术后，由于进气温度的降低使得NOx的排放可以得到进一步的抑制。目前增压技 术已经发展到了可变几何
14、截面增压。它可以通过调节涡轮进口导向叶片的角度， 来改变涡轮喷嘴的截面大小，进而调节增压压力。当发动机处于怠速工况或低速 工况时，喷嘴叶片关闭或喷嘴截面很小，即使在此时较低的废气流量下也能够使 叶轮很快地加速,从而提高发动机的低速扭矩，改善发动机的低速响应性。当发动 机高速运转时，喷嘴叶片全开或喷嘴截面很大，凭借此时较高的废气流量能够克 服较大的叶轮阻力，提供较大的动力来提高增压压力，充分满足发动机对吸入空 气的需要。可变喷嘴涡轮增压器目前在车用柴油机上得到愈来愈广泛的应用10。 2.4均质压燃技术（HCCI）均质压燃的发动机，其NOx排放非常低，且无炭黑颗粒排放。1998年，斯 坎尼亚公司首
15、先开始对该项技术的研究。目前，几乎所有的欧洲商用车公司都已 招收深入研究该项技术，甚至一些轿车公司也对此话有浓厚的兴趣。这种燃烧方 式采用均质混合气，空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质 的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸 内与空气进行预混合的。采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达 到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。采用比火花点燃式发动机 高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。为了使均质混合气 能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。传统的火花点火发动机的 燃烧过程中，火焰前沿和后面的混合气温度
16、比未燃混合气温度高很多，所以这种 燃烧过程虽然混合气是均匀的，但是温度分布仍不均匀，局部的高温会导致在火 焰经过的区域形成NOx。HCCI燃烧方式的出现，有效地解决了传统匀质稀薄点燃 烧速度慢的缺点，有别于传统汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均匀压燃扩散 燃烧和GDI发动机分层燃烧。HCCI发动机是利用均质混合气，通过提高压缩比、 采用废气再循环，进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混 合气进行压缩自燃，在缸内形成多点火核，有效地维持燃烧的稳定性,并减少了火 焰传播距离和燃烧持续期。HCCI过程中，理论上是均匀的混合气和残余气体，在 整个混合气体中由压缩点燃，燃烧是自发的、均匀的，并且没有火焰传播，它的燃 烧只与本身的化学反应动力学有关，因此可以有效阻止NOx和微粒的形成。HCCI发动机的研发工作尚处于起步阶段，技术上还不成熟。目前,HCCI发动 机尚存在噪声过大及冷启动困难等问题。由于柴油的易燃性,特别是在发动机负 荷和转速较
