柴油机微粒排放控制技术的研究进展 - 图文-

1、柴油机微粒排放控制技术的研究进展卢强1孙平1顾勤2董彪2摘要:分别从机内净化、排气后处理、改善燃油品质三个方面分析了近年来降低柴油机微粒排放的研究现状。关键词:柴油机微粒排放燃油Research P rogress on Exhaust Parti c ul a tes Control o f D i e sel Engi n eLu Q iang1,Sun P ing1,Gu Qin2,Dong B iao2(1.Schoo l o f Au t om ob ile and T raffic Eng i neer i ng,Jiangsu Un i v ers it y,Zhenji ang

2、212013,Ch i na;2.Y ang z hou D iese l Eng i ne Co.,L t d.,Y angzhou225009,Ch i naAbstr ac:t T he nowaday develop m ent and the m easures ava ilable f o r contro lli ng t he exhaust parti culates of diese l eng i ne a re i ntroduced i n t h is paper,i nc l ud i ng the design opti m i za ti on,exhaust

3、 after-trea t m ent and fuel quality i m prove m ent.Keywor ds:D iese l eng i ne,Exhaust particu lates,Fue l柴油机排放对人类健康的影响在全世界范围内得到重视,为此各国制定了严格的排放法规。研究机构和柴油机生产商也都在不断研究和开发控制柴油机排放的新技术。相对于汽油机来说,柴油机的微粒(P M排放量多,因此柴油机排气微粒控制是柴油机排放控制的重点。柴油机排出的微粒包含多种成分,主要是多孔碳烟粒子,在它上面吸附的碳氢化合物(SOF,还有一些硫酸盐(主要来自于燃油中的硫产生的硫酸以及附在上面的

4、水,其中也有少量的不同的微量元素。控制柴油机微粒排放可以从改进柴油机,排气后处理和提高燃油品质三个方面来考虑。以往在改进柴油机方面已经做了很多工作,随着柴油机排放法规的日益严格,提高燃油品质,特别是排气后处理技术成了降低微粒排放的必要措施。下面就三个方面的研究进行讨论。1机内净化161.1改进喷油系统设计和采用高压喷射为了减少燃油燃烧过程中碳烟的生成,降低微粒排放,需要改善燃油喷雾在燃烧室中的分布均匀性,使其及时蒸发与空气混合。减小喷嘴压力室容积可以减少进入燃烧室的残余燃油,这些燃油在燃烧后期进入燃烧室,此时油滴雾化差,不能完全燃烧,成为HC排放或者微粒中的可溶有机成分SOF。采用无压力室喷嘴

5、可以有效降低微粒排放。美国的一项研究采用的是一种循环后期增强混合喷射的技术,采用两个喷油器,首先一个喷油器采用气缸内直接喷射,在燃烧后期,另一个喷油器喷入少量燃油,通过提高燃烧后期的混合速度和放热量,达到减少P M排放的效果。目前这项研究正在进行中,预计可以使P M和NOx分别降到0.05 g/(k W#h和2.0g/(k W#h2。另外,采用高压喷射可以增加喷油速率,减小喷孔直径可以使喷出的油束更细,增加喷孔数可以使燃油在燃烧室内分布更均匀。电控燃油喷射系统通过对喷油压力、喷油定时和喷油速率的自动调节和控制,可以改善柴油机的燃油经济性和降低排放,目前成熟的电控系统有泵喷嘴、单体泵和电控共轨系

6、统等。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术,日本电装公司的ECD-U2,意大利F I AT集团的U n ijet6等系统已经得到应用。1.2气流组织和多气门技术气缸内适当的气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合,使燃烧更迅速更完全。车用高速柴油机已趋向采用中央布置燃烧室,改善了燃烧室内燃油和空气的混合,有效减少P M和HC的排放,同时降低了对涡流的要求,减少了滞燃期内与空气混合的燃油量,从而也减少了NOx的排放。小缸径柴油机燃烧室直径很小,会有部分喷射到燃烧室壁上,因此需要较强的气流运动来强化燃烧室壁上的油膜蒸发。多气门技术可以解决这个问题,目前广泛采用的4气门技术,其最大的

7、优点是可以通过关闭或部分关闭两个进气道中的一个来大幅度调节气缸内的涡流强度,同时由于扩大了进排气门的流通面积,降低了进气流动阻力,提高了充量系数。1.3增压中冷增压柴油机的主要特征是进气量大,燃烧平均空燃比大,因此碳烟和微粒排放下降。但是增压后进气温度升高,混合气中氧浓度增加,会导致NOx排放增加。采用增压中冷,降低柴油机的进气温度,不仅降低了柴油机的热负荷,而且进一步提高了空气密度和功率,同时降低了最高燃烧温度,减少了NOx的生成。1.4降低润滑油消耗量在柴油机的微粒排放中,未燃润滑油占有很大比例。为了减少由于润滑油造成的微粒排放,就要在保证柴油机工作可靠性的前提下尽可能降低润滑油消耗。为此

8、,需要优化气缸体结构,提高刚度,改善气缸的密封性,使气缸在工作时形状畸变尽可能小。另外需要改善活塞、活塞环的控油能力。43拖拉机与农用运输车第6期2005年12月T rac t o r&F ar m T ransporter2 排气后处理2.1 氧化催化器(DOC车用柴油机加装氧化型催化器,以铂(P t、钯(Pd等贵金属作为催化剂,主要降低微粒排放中的SOF 的含量从而降低P M 的排放,同时可以有效减少排气中的HC,C O 。氧化催化器可以除去90%的SOF,从而使PM 排放减少40%50%。其对H C 和CO 的处理效率可以分别达到88%,68%914。DOC 对PM 的捕捉效果不如微粒过

9、滤器,但是由于碳氢化合物的点火温度较低(在170e 下就可再生,所以DOC 不需昂贵的再生系统,投资费用较低。需要注意的是催化剂的选择与柴油机排气温度密切相关,图1为在柴油车上使用氧化催化器时工作温度(排气温度对排气微粒转化效率的影响16。由图1可见,当温度低于150e 时,催化剂基本不起作用。随着温度的升高,排气微粒主要成分的转化效率逐渐增高。当温度高于350e 后,由于硫酸盐大量产生,反而使微粒排放量增大,而且,硫酸盐还会覆盖在催化器表面降低催化剂的活性和转化效率。此外硫对大多数催化剂来讲都有毒性,可引起催化剂中毒。因此,在我国使用氧化催化剂必须提高燃油品质,还要设法降低氧化催化器的成本

10、价格。图1 使用DO C 时微粒转化效率与排气温度的关系2.2 微粒过滤器(DPF最近医学研究表明,在柴油机排出的微粒中,对人体健康有影响的主要是其中极微小的颗粒,因为颗粒越小,在空气中悬浮的时间越长,和人体接触的机会就越大,所以控制微粒排放的数量成为最近排放控制的焦点。柴油机微粒过滤器对微粒的过滤效果可以达到90%以上,特别是可以有效减少极微小颗粒排放,成为控制微粒排放的主要手段,目前已经商品化1517。图2为一种微粒过滤器的示意图。微粒过滤器的主要形式有陶瓷纤维过滤器,泡沫陶瓷,金属纤维过滤器等。在收集到一定数量的微粒后会导致过滤器背压上升、过滤效率下降,柴油机运行的经济性和动力性恶化。因

11、此必须在一定条件下对DPF 进行再生,除去DPF 中的微粒,DPF 的再生包括主动再生和被动再生。图2 微粒过滤器示意图主动再生是利用各种外部能源再生,包括电加热再生、微波再生、喷油助燃再生等。通过这些手段提高过滤器温度,使碳烟可以燃烧除去。再生不依赖于排气携带的热量,而且可以人工控制,所以主动再生有很宽的应用范围。但是主动再生系统增加了能量消耗,其控制组件比较大,因而不是首选的再生技术。在DPF 上游安装DO C 装置,用其产物能够再生DPF ,也是一种被动再生技术。P t 基催化剂用于氧化NO 为NO 2,产生的NO 2用于氧化碳颗粒,如果用含硫质量分数低于0.015%的燃油,CR-D P

12、F 装置的工作温度比使用CDPF 时低5466e20。由于使用DPF 装置增加了排气背压,会增加燃油消耗,一般情况下,CR-D PF 对燃油消耗的影响要比CDPF 对燃油消耗的影响大。2.3 排气后处理措施展望随着排放法规的日益严格,需要进一步研究后处理措施以达到更好地降低微粒排放的效果。由于微粒排放和NO x 排放之间的所谓T rade -O ff 的关系,就是在很多情况下,控制技术降低一种污染物的排放,会使另外一种排放增加。为了平衡这种关系,在采取措施降低微粒排放的同时,必须考虑NO x 的排放。目前降低NO x 排放的主要措施有NO x 吸附催化和选择性还原催化(SCR 等。为了同时降低

13、微粒和NO x ,以达到2010年排放标准,美国能源部(DO E试图研究找到燃油、润滑油、柴油机和排气后处理措施的最佳组合。他们选择了两种排气后处理装置的组合来作为进一步研究的方向。第一种是SCR 和DPF 组合,SCR 装置还原NO x 产生氧化环境,使排气流进入DPF 或者DOC 装置时可以更好的降低微粒排放。另一种是NO x 吸附催化和DPF 组合,NO x 吸附器可以明显降低NO x ,H C ,CO 排放,与DPF 组合后同样可以有效地氧化P M 排放20。3 改善燃油品质3.1 低硫燃料柴油中的硫在柴油机中燃烧后以S O 2形式排出,其中大约2%的S O 2被氧化成S O 3,与水

14、结合成为硫酸或硫酸盐成为微粒排放的一部分。研究表明,柴油中硫的质量分数每增加0.1%,柴油机微粒比排放会增加0.020.03g /(k W #h8。可见使用低硫燃料对降低微粒排放有着举44拖拉机与农用运输车 第6期2005年12月足轻重的作用。目前欧美限制柴油中硫的质量分数在0.015%0.035%,至2005年将限制在0.005%左右;到2006年,美国车用柴油中硫的质量分数也将从目前的0.035%大幅度减少到0.0015%;我国柴油标准规定的硫含量远远大于欧美标准中的规定值。柴油中的硫也会对排气后处理装置产生影响,降低装置的净化效率。美国能源部的一项研究专门讨论了在燃油中不同含硫量对排气后

15、处理系统的影响,图3为燃油含硫量对D PF 系统效率的影响20。当使用硫的质量分数310-6的柴油时,使用DPF 可以使微粒排放减少95%,随着含硫量的增加,DPF 的效率明显减少。当使用硫的质量分数0.035%的燃油时,使用DPF 反而造成微粒排放增加了122%155%。从图中可以看出,当燃油含硫量较大时,使用DPF 会造成P M 排放中有较多的硫酸盐成分,这是因为排气通过过滤器时,燃油中大约40%60%的硫会被氧化转化成硫酸盐成为PM 排放的一部分。图3 燃油硫含量对DPF 系统过滤效率的影响图4 燃油中氧含量对碳烟排放的影响3.2 含氧燃料生物柴油21,23在国外已经处于商业化阶段。在欧

16、盟和美国,政府对生物柴油的开发和使用采取鼓励政策,使生物柴油的研究和应用得到了快速发展。生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯,是以可再生资源(如油菜籽油、大豆油、花生油、葵花子油、棕榈油、椰子油、回收烹饪油及动物油等为原料而制成的,生物柴油无毒性,可生物降解,具备与柴油相近的燃烧性能。它不仅可以作为代用燃料直接燃烧,还可以以任意比例和柴油混合搀烧。研究表明15,在柴油机上燃用生物柴油或其混合物,除NO x 排放略有升高外,其余主要排放物都有大幅度下降。随着生物柴油百分比的增加,微粒排放呈线性下降趋势,这是乙醇是可以再生的生物能源,可以从农产品和生物质进行转化获得,来源广泛。乙醇作为柴油机代用燃料主要

17、是在柴油中搀烧,通过添加剂解决了柴油与乙醇的互溶性、腐蚀性问题。由于乙醇的十六烷值比较低,使柴油醇的十六烷值比柴油有较大降低,使用中需要添加十六烷值改进剂。研究表明柴油醇可以明显降低碳烟和微粒排放,特别是在中小负荷可以使烟度降低50%以上19。目前,英国AAE 技术公司、美国纯净能源公司、瑞典阿克苏诺贝尔表面化学公司、美国路博润公司相继开发出低成本的添加剂,使柴油醇的大批量应用成为可能,并已经进行了燃用柴油醇整车运行试验。我国在此研究领域还处于起步阶段。3.3 乳化油借助少量乳化助溶剂或者机械乳化法可以把水搀入柴油形成乳化油,含水量最高大约25%30%。乳化油是把水以细小粒子状分散到柴油中,并

18、形成一种油包水型结构。当乳化油被喷射到气缸进行燃烧时,每一油滴都含有少量水分,水会沸腾汽化,使油滴能充分破碎蒸发,同时油滴破碎形成的微爆炸使空气形成强烈的紊流,促进混合,加速燃烧过程。乳化油中的水部分参与了反应,高温条件下发生的水煤气反应使裂解出的碳得到进一步燃烧,而且由于最高燃烧温度的降低,抑制了燃料热裂解的倾向,进一步减少了碳烟和微粒的排放。有两种方法使用乳化油。一种是车载乳化系统,在车上安装储水罐,控制系统调节水和燃油的混合,使用乳化剂,在搅拌机进行搅拌乳化。另一种是预制备乳化油,将制备好的乳化油装入车辆使用。其优点是,不需要车载乳化系统的操作、维修、保养费用;缺点是乳化油的不稳定性,储

19、存时间长会造成燃油和水的分离。美国L ubriz o l 公司研制出一种叫Pur-i NO x 的乳化油,添加一种稳定剂可以使乳化油保存较长的时间。4 结束语降低微粒排放是柴油机排放控制的关键,可以从三个方面来进行考虑:机内净化,主要措施有改进喷油系统、改善气流组织和采用增压中冷技术;代用燃料技术,使用含氧燃料,生物柴油、柴油醇、乳化油是目前的研究热点;排气后处理措施,使用氧化催化器、微粒过滤器、低温等离子等措施可以减少柴油机的微粒排放。为了满足未来更加严格的排放法规,需要结合几个方面综合考虑,找到燃油、润滑油、柴油机和排气后处理措施的最佳组合。参考文献1 ES I In t ernation

20、a.l D i es el e m ission con trol strategies avail ab le to t heund erground m i n i ng i ndustry .http :/www.deep .org /reports /es i _con -ten t s .h t m ,l 1999-02-2445卢强等:柴油机微粒排放控制技术的研究进展2M anufacturers of Em i ssion C ontrol s Associ ation.Em ission control retrofit of d i es el-f ueled veh icl

21、 es.h ttp:/www.cl /i n-fopool_es/1525/articl es-55065_e m i ss i on con trol_retrofit.pd,f2005-02-183M anu f acturers of Em i ssion C ontro l s Associati on.De m onstrati on of advanced e m i ss i on con trol techn ol og i es enab li ng d i ese-l po w ered heavy -du t y eng i nes to ach

22、 ieve l ow e m is s i on l evels.h tt p:/www.energy.w s /ft p-ep/pub s/renew ables/f u el s.pd,f2004-07-204M elan i e L.S attl er.T echnologies for redu ci ng NO x e m i ss i ons from non-road d i esel veh icles:An Overvie w.http:/rotecdes i gn.co m/i n% 20the%20P ress/N t h%20C entra%l20Texas%

23、20C ounci%l20o%f 20Govt.pd,f2004-08-055M i ch ael PW als h.US EPA Proposal con cern i ng e m i ss i on s fro m heavy duty veh i cles and engi n es and l o w su lf u r diesel f u e.l h tt p:/www.w als hcarli n f/truck testi m ony.pd,f2000-06-279H art m u tLders,Peter Sto mme,l Sa m G eck l er.D iesel

24、 exh aust treat m ent -ne w approaches t o u ltra l ow e m is s i on d iesel vehicl es.SAE Paper 990108,199910Depart m en t of En ergy Pacific Nort hw est Nati onal Laborat ory.Engi n e exh aust aftertreat m ent s yste m based on non-t h er m al p l as m a-assisted catal ys i s.http:/www.z yn.co m/f

25、lcf w/a w ards/2003/awd-03-pn l-Exhaust.ht m,200311I FP.Interacti on s bet w een su l phur i n f uel and after-treat m ent sys-te m s.h tt p:/www.aeat- l phur_Rev i e w/Down load s/sr -IFP4.doc,2000-12-1212Tonkyn R G,B ar S E,O rando T M.V eh i cle exh aust treat m en t u si ng electri ca l d is ch

26、arge m et hods.h tt p:/www.e m s.l pn.l gov/docs/csd/annual_report1999/1578b_3o.ht m,l2000-02-2313Tho m as S E.Non-t her m al after-treat m ent of parti cu l ates.AEA Tech-no l ogy,199814Robert Ru t h erford,Ph ilip Teak l e.F reedom air-technology f or redu c-ti on of d iesel engi ne soot and NO x

27、e m is s i on s.h tt p/www.sp i ritair-li ne.co m/A i rli nes/Freedo m air.ht m,l2002-0315R i chards P,T erry B,V i ncentM W,et a.l Assess m ent of the perf or m-ance of d i es el parti cu l ate filter s yste m s w ith fuel add itives for en-h anced regenerati on characteristi cs.SAE Pap er99-01-011

28、2,1999 16Hori uch.i The eff ects of flo w-through t ype oxi dati on catal yst s on t h e parti cu l at e redu cti on of1990.s diesel engi n es.SAE Paper900600,1990 17M u rt agh M.Devel opm ent of d i esel particu l ate filter co m positi on andi ts eff ect on t her m al durab ili ty and filtrati on

29、perfor m ance.SAE Paper940235,199418W orl d H ealt h Organ i zation.D iesel f u el and exhaus t e m issi ons.h ttp:/e m g.geosci ence w /,199621US Depart m ent of agricu lt ure,US depart m ent of en ergy.Life cycl e i n-ven t ory of biod i esel and petro l eum d iesel for u s e i n an urban

30、bus.h-t tp:/www.sen ternove m.nl/mm files/26679_tc m24-124175.pd,f 1998-0522F i sher E M,Pitz W J,Cu rran H J.D etailed che m ical k i netic m ech a-n is m s for combus ti on of oxygenated f uels.h tt p:/www-c m s.ll n.l gov/combusti on/137097.pd,f2004-12-1723US EPA.A co m preh ens i ve analysis of b iod i es el i m pacts on exhaustgen/20021001_gen-323.pd,f2002-10-0