车用柴油机尾气颗粒排放控制

1、车用柴油机尾气颗粒排放控制王宇霁 1,朱会田 2,杜愎刚 2(1.河南省交通公路工程局一处,河南郑洲 450009; 2.安徽蚌埠汽车管理学院, 安徽蚌埠233011关键词 :柴油机;颗粒(PM排放;控制摘要 :本文通过分析车用柴油机的尾气PM排放特点, 重点介绍和分析了适应现代柴油机PM排放的措施及目前 柴油机尾气PM排放控制的关键技术和方法。中图分类号 :TK421.5 文献标识码 :A 文章编号 :1001-4357(200301-0026-04Control of Tail Gas Particulate Molecules Emission from Vehicle DieselWA

2、NG Yu-ji, ZHU Hui-tian, DU Bi-gangKeywords : Diesel engine; PM emission; ControlAbstract : Based on analysis of the tail gas PM emission characteristics for vehicle diesel engines, elaboration and discus-sion are made principally on the measures taken to suit the PM emission of modern diesel engines

3、 and on the key technolo-gies and methods presently available for control of engine tail gas PM emission.柴油机 Diesel Engine 2003年第 1期收稿日期 :2001-12-301前言柴油机通过排气管排放的有害物主要有一氧化 碳(CO 、 碳氢化合物 (HC 、 氮氧化合物 (NOx 、 二 氧化硫(SO 2和颗粒状物质(PM 。车用柴油机的尾 气排放物主要是 PM 和 NOx。 控制车用柴油机尾气排 放中的 PM 可以有效降低其尾气对大气的污染。 柴油机排出的 PM 分为碳烟

4、和可溶性有机组分 (S O F 。碳烟与有机溶剂不相溶,出现在柴油机 燃烧室高温缺氧的状态下(如车辆急加速或大负 荷 。此时,因柴油机循环供油量剧增,造成燃 油燃烧不良,燃油裂解、聚合、炭化,以干碳 烟(DrySoot,由 85%的碳及少量的氧、氢、硫、 灰分和多种多环芳香烃化合物组成 的形式大量排 至大气中;SOF 主要由未燃的燃料或机油组成,也 有部分为燃烧的中间产物。2车用柴油机PM 排放控制现代柴油机尾气中 PM 的排放控制, 通常采取 燃料改质、机内净化、排气后处理、使用代用燃 料等措施相结合的综合控制方法。 2.1燃油改质燃油的改质一般从以下几方面入手:a.降低燃油中的硫(S含量。

5、在燃烧过程中, 柴油中的 S 约有 98%转化为 SO 2,其余的 2%成为硫酸盐颗粒,部分 SO 2被进一步氧化并与燃烧过程中 生成的 H 2O 结合,形成 H 2SO 4和硫酸盐(如 C a SO 4等 。当燃料中的 S 从 0.12%下降到 0.05%时,PM 排放量将减少 8%10%;b.根据燃油馏份适当提高十六烷值。 十六烷值 是衡量燃料着火性能的指标。十六烷值高,燃料的 着火性能好,则着火延迟期短,燃油容易着火,柴 油机工作柔和。 可以通过使用十六烷值改进剂来提 高燃料的十六烷值,改善燃油着火性能,以有效地 降低发动机尾气 PM 排放。但是十六烷值过高,会使燃料燃烧时裂解太快 而生

6、成游离碳、 产生不完全燃烧、 导致排气冒黑烟, 致使 PM 排放反而大大增加;c.在柴油中掺混一定比例的消烟添加剂, (如用金属钡、 镁、 锌等溶性碱化盐或中性盐作为消 烟添加剂 。通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃 烧,来消除喷油嘴头部的积炭,可以减少 30%50%PM 排放;d.提高燃料中的含氧物质量(如MTBE对控制 发动机有害物排放的作用有一定的差别。 但通常随 着燃料中含氧物的增加,HC、CO 和 PM 的排放下降, 其中 PM 下降最明显;e.使用燃油添加剂。 对于加装碳烟过滤器和 再生装置的柴油机, 一般在燃油中加入金属有机化 合物,多为含氧或有机盐类。燃烧生成的金属氧化 王宇霁,

7、朱会田,杜愎刚:车用柴油机尾气颗粒排放控制物对碳烟颗粒有催化作用,使碳烟颗粒着火温度降 低, 滤芯便可在较低的排气温度下 (不需外部能源 自 行再生。气流经过滤器时, 有一部分会沉积下来。 积累在滤芯 上的添加剂金属燃烧产物会堵塞滤芯孔隙、 缩短滤芯 使用寿命, 若沉积过多, 则会使排气背压上升, 从而 严重影响柴油机的动力性和经济性。 因此, 使用燃油 添加剂时应定期换滤芯。2.2机内净化柴油机机内净化的核心是对柴油机燃烧过程进 行优化,使柴油机达到燃油与空气混合均匀、燃 烧充分、工作柔和、起动可靠、排放较低的要 求。机内净化主要采取如下措施。提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低PM 中碳

8、的排放。 提高喷油压力即采用高压喷射系统需 要和燃烧室良好匹配, 如需要适当降低空气涡流运 动、 提高压缩比和采用可变定时燃油喷射与其相适 应,以达到控制 P M 和 NOx 排放的目的。减小喷嘴压力室容积、 采用无压力室喷油嘴优 化燃油喷射率(如采用双弹簧喷油器等措施能 使 PM 和 HC 排放大大减少。改进燃烧系统目的是使燃烧室形状、供油系统、 进气流动取得最佳匹配。采用电控喷油泵、电控 泵 -喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门 化和中央配置喷油器等措施既可改善柴油机性能, 又可降低柴油机排放,尤其是 P M 物质的排放。 例如:进行进气旋流的优化,在高压喷射的情 况下采用低涡流比有利

9、于减少PM排放, 而采用可变 涡流进气技术使运行中的涡流比在0.20.5之间变 化, 可使发动机性能及PM排放特性在整个范围内得 到优化;采用四气门技术,便于活塞上的燃烧凹坑 和缸盖上的喷油器布置在燃烧室中央, 以改善进气 涡流和油雾分布、使燃烧状况明显优化、改善活塞 和喷嘴的冷却条件, 从而有利于减少 PM排放; 采用 陶瓷材料,用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸 套可以提高燃烧室的绝热效果, 用陶瓷材料制作气 门摇臂等运动部件,可减少摩擦阻力、降低机油耗 量,从而减少 PM 排放。柴油机排放颗粒状物质(如发动机排气管冒青 烟 , 在相当大程度上是由窜入燃烧室的机油不完全 燃烧造成的,所以为

10、了减少 PM 排放,应尽可能地 减少上窜机油量。废气涡轮增压+中冷技术提高了气缸内平均有 效压力 pme、过量空气系数 和整个循环的平均温 度,可使柴油机的排放量降低 50%左右。所以, 采用增压中冷是提高发动机功率、 改善经济性及降 低排放的有效措施之一。柴油机目前采用的可变技术主要有喷油定时的 可变控制、可变涡流控制和增压系统的可变控制。 这些措施的合理使用可使 PM 排放减少 35%左右;加上改进机油系统设计、减少机油转化为 SO2,可进 一步有效降低柴油机的 PM 排放。增压车用柴油机在低速运转时富油会导致燃烧 恶化、冒黑烟;加速时若油门突然加大,压气机 则由于惯性而供气滞后,致使柴油

11、机冒烟。采用 烟度限制器后, 可使柴油机获得较好的低速扭矩特 性,同时可有效降低排气烟度。2.3排气后处理车用柴油机排气可以用氧化催化转化器来降低 其 PM 状物质中的有机成分;用 PM 过滤装置来捕集 其中的 P M 状物质,等等。车用柴油机加装氧化型催化转换器是一种有效 的机外净化排气中可燃气体和 SOF 的常用措施。加装氧化型催化转换器(以铂 Pt、钯 Pd 贵金属作为 催化剂能使排气中的 PM 减少 50%70%,也可使 其中的多环芳烃和硝基多环芳烃明显减少。 但是,氧化催化器有它的缺点,会将排气中的SO 2 氧化为 SO3,生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒,额颗粒过滤器由颗粒过滤器和再生装

12、置组成。 颗 粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯 捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成 分来减少 P M 直接向大气排放。颗粒过滤器的主体是过滤介质(滤芯 ,过滤 滤芯目前主要有四种形式:壁流蜂窝式堇青石陶瓷 体、深床滤型泡沫状堇青石(掺铝陶瓷体、金 属丝网和陶瓷纤维。壁流蜂窝式属于表面过滤方 式,深床滤型泡沫式属于体内过滤方式,这两种 过滤体的过滤效率、可靠性及再生效果比后两种 优。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、 使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。 滤芯应 满足较高的性能指标:a . 具有较高的过滤效率, 具有大的过滤面积;b . 耐热冲击性好,具有较强 的机械性

13、能指标,热稳定性好,能承受较高的热 负荷;c . 具有较小的热膨胀系数;d . 通过性好, 流通阻力小;e . 在外形尺寸相同的情况下,背压 小,背压增长率低,适应再生能力强;f . 质量 轻。目前,最常使用的过滤材料为堇青石(其主要成分为 MgO.Al 2 O3.SiO2和碳化硅晶体 SiC。颗粒过滤器对碳的过滤效率较高,可达到 60% 90%。在过滤过程中,颗粒过滤在过滤器内会导 致柴油机排气背压升高,当排气背压达到 16 20kPa 时,柴油机性能开始恶化,因此必须定期地 除去颗粒,使过滤器恢复到原来的工作状态,即 过滤器再生。柴油机颗粒过滤器的再生方式可分为“被动” 再 生 和 “ 主

14、 动 ” 再 生 ;“被动”再生方式即为催化再生,是在过滤器 载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗 粒氧化反应的活化能, 降低碳粒的起燃温度以实现 颗粒过滤器的再生。利用白金和钯等贵金属作为催化剂的组成成 分, 以氧化铝和二氧化硅制成的蜂窝状陶瓷作为载 体,用于可溶性 SOF 的催化转化。在正常的排气温 度环境下,存在于尾气中 SOF 可溶性有机物在催化 剂的作用下被氧化(逐步氧化为 SO2、H2SO4非过滤技术的目前主要研究方向有两种:a. 静电式微粒收集器。柴油机排气微粒中有 70%80%呈带电状态,每个带电微粒约带 15个 基本正电荷或负电荷,整体呈电中性。目前利用 附加强电场对

15、呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸 附,并取得了一定的试验成果,但由于附加设备 体积大、结构复杂、高压电源供给存在问题等而 给实用化带来一定困难;b.电压捕集技术。在柴油机排气管的上下游 分别装金属网,网间加约 50V 直流电压。一般上 游的金属网网格较大加负电压, 下游的金网网格较 密加正电压。当微粒经过上游金属网时带上负电, 经过下游带正电的金属网时被吸附, 从而达到微粒 净化的目的。这种方法装置简单且过滤效率高。 2.4采用代用燃料采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的 重要方法之一。 目前, 代用燃料主要有天然气 (压 缩天然气 C N G 和液化天然气 L N G 、液化石油气 (LP

16、G 、 甲醇、 乙醇、 氢燃料及与柴油掺烧的复合燃 料(柴油与甲醇和水、 植物油与柴油混合、 水乳化 燃料等,其中甲醇、天然气、液化石油气被认为 是最有前途的清洁能源的代用燃料。 在我国, CNG、 LPG、甲醇 -汽油燃料汽车发展迅速,其中,CNG、 LPG、甲醇 -汽油汽车在我国得到了政府的大力支 王宇霁,朱会田,杜愎刚:车用柴油机尾气颗粒排放控制持并得到迅速发展。 目前燃用代用燃料的汽车主要 有 :a.CNG 汽车。天然气储量丰富,因此天然气 汽车成本低。天然气汽车主要以 CNG 汽车为代表。 C N G 90%以上的成分为甲烷,它是经过脱水、脱 烃、脱硫净化处理并加压至 20MPa 后

17、得到的高压气 态燃料。在现成的柴油机上增加一套“CNG 型车用 压缩天然气系统”可以将其改装成柴油 -天然气双 燃料汽车。CNG 燃料本身呈气态,不需进行雾化, 燃烧充分,尾气中 C O 含量较低,无排烟,但动 力要降低 10%左右,携带不便;b.醇类汽车。醇类汽车目前主要是使用甲醇 (Methanol 。甲醇作为代用燃料具有辛烷值高、 发热量低、公害低和无排烟的特点。但是,甲醇 的十六烷值低,着火性差,需要加装点火装置, 冷起动性差,有腐蚀性,并需要解决机油消耗量 大和未燃甲醇处理问题以进一步降低排放; c.LPG 汽车。LPG 发动机的 PM 排放较低,可 以实现稀薄燃烧, 其排放以采用预

18、燃电热塞辅助点 火和电控喷射的为佳。单燃料的 L P G 汽车少,目 前通常采用双燃料运行方式。代用燃料的热值较低,增加发动机的体积。 随着发动机技术的发展和代用燃料品种的增多和价 格的降低,代用燃料将会广泛应用于车用柴油机。 3结束语a.随着电控高压喷射技术的迅速发展,第三 代共轨式电控高压喷射+增压中冷的柴油机其尾气 排放已达到了欧洲目前最为严格的 “欧” 排放标 准。 分析表明, 通过计算机辅助设计对柴油机燃烧 系统、进排气系统、燃烧供给系统和燃烧室结构 进行优化并采用新材料、 新工艺及尾气后处理技术 对排放进行综合控制, 将是进一步推动柴油机发展 和降低 P M 及 CO 、H C 、

19、N O x 的发展方向;b. 随着机动车排放法规的不断加严,急需研 制、开发柴油机用的四效催化转换器,以实现柴 油机尾气中 PM 、CO、HC 、NOx 的综合机后净化; c.需要提高石油冶炼技术、研制新型柴油机 添加剂、大幅度减少柴油中的 S 含量、继续降低 柴油中不饱和烃的含量,使柴油的品质进一步提 高。同时,需要提高机油、机油添加剂的质量, 从源头上解决减少 PM 排放的问题;d.开发和研制资源丰富、切实可行的柴油代 用燃料及代用燃料发动机, 以便在逐步缓解和彻底 解决对石油的依赖的同时降低 PM 排放。参考文献1冯国盛等.汽车发动机排气污染物分析与对策J.小型 内燃机,1998(12 郑尊清等.柴油机燃料的发展J.小型内燃机, 1998(6 3尧命发等.柴油机有害排放物控制的新发展J, 内燃 机工程,1997(34郑乃金.使用代用燃料汽车的环境污染分析