柴油机排放及控制技术概要

文章编号:167127953(200404213203收稿日期2004204226作者简介王忠俊(1970-,男,硕士,授课老师柴油机排放及控制技术王忠俊1张凌2武汉理工大学能源与动力工程学院武汉4300632.中国船级社武汉分社武汉430022大纲介绍了柴油机排放污染物的构成及其形成机理,在控制柴油机排放的措施中,主要从机内办理和机外净化两个方面分别论述了对柴油机主要污染物氮氧化物和微粒的办理方法。要点词柴油机排放控制中图分类号TK421文件表记码BAbstract:Inthispaper,theauthorsintroducethecomponentandcausesofexhaustemissionofthedieselengine.Fromtheviewofinsidedisposalandoutsidepurge,theydiscussaboutthemethodstoreducethecrucialdischargeofnitronoxides(NOxandparticulatematerial(PMofdieselengine.Keywordsdieselengine;exhaustemission;control前言针对柴油机排放污染的问题,全世界各国都拟订出了愈来愈严格的排放标准及排放规范。我国宣布新的柴油机污染物排放法例GB17691—1999对柴油机排放污染物作出了限制,比较较而言,欧洲排放法例对污染排放物的限制更加严格,要与国际排放接轨,满足日趋严格的排放法例,降低柴油机排放特别紧急。2柴油机排放污染物生成机理[1]柴油机废气排放中的有害排放物包含:NOx、CO、HC、PM和SO2等。CO是烃基燃料燃烧不完满的产物,主假如在缺氧或过低温度下形成。HC是由燃料的不完满燃烧和缸壁的淬冷作用使火焰熄灭而致。NOx是气缸内燃烧的高温条件下空气中的氧与氮反应而生成的,其生成量取决于缸内燃烧温度、反应时间及氧的浓度。PM是高温缺氧条件下燃烧不完满的产物。其主要成分是碳及其吸附的有机物质。SO2是燃猜中的S经燃烧而成,它的生成量与燃油中的硫含量有关。3控制柴油机排放污染的措施[2]PM和NOx是柴油机排放物中两种最主要的污染物。因为柴油机排气中微粒与NOx的生成机理不同样,减少微粒的同时又增加了NOx的排放,如何有效的控制NOx和微粒排放是一项较为复杂的工作。3.1燃料质量的提起落低硫含量当柴油中硫的质量百分比在0.05%以下时,还可以够有效地减少排放中微粒的含量,同时低硫燃料对废气后办理系统的性能和寿命影响较大。提升柴油的着火性能着火性能的提升,能够使柴油燃烧更加简单更加完满,衡量柴油着火性能的指标是十六烷值。而较高的十六烷值,使得燃料的坚固性变差,极易裂解为碳烟使柴油机排气烟度较高。但其生气性能好,柴油机点火延缓期缩短,缸内温度与压力降低,NOx排放亦降低。使用柴油增加剂在柴油中增加适合的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物,能够提升燃料的十六烷值,缩短着火延缓期,使得NOx排放减少。但使用增加剂会以致二次污染。使用代用燃料能够采纳醇类、氢气和天然气等取代柴油。柴油机燃用醇类燃料时,基本能够实现无烟排放,在中、低负荷时NOx的排量也很低。但假如不采31船海工程2004年第4期(总第161期用适合措施,柴油机排放的HC、甲醛将成为重要的排气污染物。以氢作为柴油机代用燃料时,NOx和其余污染物的排放都很低。未来太阳能利用及氢的储蓄技术解决此后,氢将成为柴油机的主要燃料,但弊端是易于回火。燃用压缩天然气(CNG或液化天然气(LNG,NOx和微粒排放可同时减少75%~80%。二甲基乙醚作为最新出现的液体燃料,其燃烧后无微粒产生且NOx的排放亦很低。3.2机内净化措施进气系统的优化进气涡流的优化提升涡流比可使燃烧加快并且完满,其结果能够致缸内最高燃烧压力与温度的高升,从而使NOx的排放显然增加;若减少进气涡流的强度虽可减少NOx的排放,但又必然会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此,采纳可变涡流进气道技术使涡流比在0.2~2.5范围内变化,以兼备柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采纳可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题,因此限制了该技术的推广。增压中冷技术柴油机采纳进气增压技术后,因为压缩温度高升,在动力性与经济性提升的同时,NOx的排量也必然增加。但增压柴油机在采纳中冷技术此后,增压空气在进入气缸从前被冷却,在必然程度上能够控制NOx的排放。因此,采纳增压中冷技术可使柴油机NOx的排放降低。喷油系统的优化喷油系统的优化就是使燃油发射参数最正确化。这些参数包含喷油准时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。经过参数的优化来控制预混杂燃烧,即减少在滞燃期内形成的可燃混杂胸襟是降低NOx排放的有效门路。优化喷油准时NOx排放对喷油准时极为敏感。延缓喷油可降低NOx排放,但必然合理调整燃烧系统及喷油系统的其余参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延缓喷油对经济性的不利影响,可采纳较高的压缩比和较高的喷油压力。采纳电控技术和依据运转工况调理喷油始点,可降低NOx的排放。优化喷油压力提升喷油压力可有效改进燃料的雾化性能和混杂气的混杂质量,燃烧更加充分,燃烧温度上涨,NOx排放增加。因为提升喷油压力能改进燃烧过程,故能够赔偿因为延缓喷油造成的油耗上涨,但这又使延缓喷油以降低NOx排放的目的落空。为减少NOx排放应当降低喷油压力,而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。优化喷油速度当喷油提前角一准时,提升喷油速率,缩短喷油连续期,能够使柴油机产生的NOx较少。提升喷油速度与延缓喷油相联合亦可减少NOx的排放。其余,喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油耗费、噪声有关,应综合衡量以谋求各参数的最正确值。优化喷孔结构喷油器喷孔直径和数量对柴油机排放也有显然的影响。当循环供油量与启喷压力一准时,减少孔径会减少早期喷油量,控制预混杂燃烧和最高燃烧温度,以减少NOx的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的状况下,增加喷孔直径或增加孔数,可降低流阻,改进燃油的雾化和分布,因此能降低NOx的排放。采纳电控燃油发射系统新一代的电喷系统采纳时间控制,用新式高速电磁阀取代传统的机械机构,对高压燃油实现数字调理。此刻,这类发射系统在逐渐向高压化迈进,高压发射可使柴油雾化改进,发动机的燃烧过程进行得相当圆满,并且速度快,同时又不显然提升燃烧温度,在全面降低各排放污染物的同时还降低发动机油耗。近几年,另一种新式的共轨式电喷系统已问世,这类喷油系统可保证喷油压力不随发动机转速变化,可降低微粒物的排放。燃烧室的结构和参数优化优化压缩比柴油机压缩比控制着着火延缓期的长短。降低压缩比,有益于着火延缓,能够减少峰值压力,可使燃烧最高温度降低,NOx排放减少,碳烟增加。但压缩比过低,柴油机难于着火。压缩比对NOx的影响较为复杂,采纳压缩比时应综合考虑。燃烧室型式的优化燃烧室型式与NOx的排放有着亲近关系。直喷式柴油机NOx排放显然高于非直喷式柴油机,这是因为非直喷式柴油机先期的燃烧发生在混杂气过浓的预燃室或涡流室里,因为缺氧NOx41柴油机排放及控制技术———王忠俊张凌的生成遇到了控制,又因在主燃烧室中的燃烧开始较晚,且是在较低温度下进行的。对于同一种类但结构不完满同样的燃烧室,其NOx的排量也有差异。燃烧室喷水冷却技术水拥有较高的比热,在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度;水与油混杂喷入燃烧室还可以够降低燃油密度,从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOx排放的同时,还有益于改进燃油经济性和排气烟度,并有降噪的作用。采纳多气门技术在柴油机上采纳多气门技术是满足更严格排放指标的有效门路。因为缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑部署在气缸中央,从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件,并可实现涡流比在不同样转速下的变化,这使混平和的形成进一步优化,因此在提升动力性和经济性的同时减少了NOx排放,但增加了成本和结构的复杂性。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热门之一,外国内燃机的气门最多时已达到5个,目前已在大型柴油机应用的基础上,逐渐开始在小型柴油机上应用。采纳废气再循环技术采纳废气再循环(EGR是降低NOx排放的一项极为有效的措施,目前但是在汽油机上获得了较为成熟的应用。EGR在全部负荷条件下都能够有效减少NOx排放。将定量废气引入柴油机进气系统中,再循环到燃烧室内,有益于点火延缓,增加了参加反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用,从而可降低燃烧最高温度,减少NOx的生成。大体60%~70%的NOx是在高负荷时产生的,此时采纳适合的废气再循环率对于减少NOx是很有效的。当废气再循环率为15%时,NOx排放能够减少50%以上,而废气再循环率为25%时,NOx排放可减少80%以上,但跟着废气再循环率的增加,发动机燃烧速度变慢,燃烧坚固性变差,HC和油耗增加,功率降落。若采纳”热EGR”还可以够同时减少HC和PM的排放,并且不会增加油耗,在中、低负荷时净化见效更佳。3.3机外净化措施对于柴油机废气排放中的CO和HC排放,使用氧化催化转变器能有效的降低且净化效率较高。但对于NOx和微粒排放而言则相对困难。目前用于捕获微粒的过滤氧化器技术已经成熟,能将尾气中的微粒过滤积聚在金属网上,氧化生成无害的气体排掉[3]。NOx的机外净化采纳催化转变技术。因为柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高,这使得利用还原反应进行催化转变比汽油机困难。选择非催化还原(SNCRSNCR技术只幸好必然的温度区间(800~1000℃使用。而柴油机排气不能够能达到这样高的温度,只好经过在柴油机膨胀过程中,向气缸中喷入氨水来实现,但见效不很理想。该技术但是在发电厂获得了广泛应用,在车用柴油机上还没有应用。非选择催化还原(NSCRNSCR技术是将还原剂(如氨水、尿素等喷入排气管中,在催化变换器的作用下与废气中的NOx进行反应。因为废气中含氧量较高,还原剂很简单直接被氧化,故耗费量极大。选择催化还原(SCRSCR的原理与NSCR相似,也是将NH3加入到高温废气中与NOx发生反应生成N2和H2O,但是催化剂配方不同样。在车用柴油机上该技术比前两种更拥有应用价值。NOx的还原反应在选择性催化转变器中被加快,还原剂的氧化反应被控制,在300~450℃时发生以下主要反应:4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O;6NO2+8NH3=7N2+12H2O。结论各种减少排放的措施,都不同样程度地存在着必然的限制性