柴油机排放控制的研究与应用

柴油机排放控制的研究与应用

0柴油排放控制方法和控制技术与汽车车辆相比，发动机具有高效、低燃料消耗率、低燃料价格等优点，并越来越受到重视。然而，随着私家车的增加，世界各国对汽车有害排放的控制变得越来越严格，私家车的排放变得越来越重要。对汽车车来说，主要的污染物是nox和pm，这导致各种类型的机油压力控制和控制技术。本文从机前处理、机内净化和机外处理三条途径着手,就柴油机排放控制技术的发展状况进行了分析。1减少燃油含硫量所谓机前处理,就是对进人发动机燃烧室的燃料与空气作有益于净化的预处理。对于柴油机而言,主要方式是改进柴油品质。柴油的品质对柴油机排放影响极大,增加柴油的十六烷值能有效地降低发动机排气PM、CO和NOx排放;降低柴油中硫的含量,可降低13%～22%的颗粒排放;降低燃油中的芳香烃成分可以减少NOx排放;加入一些添加剂也可以有效的降低微粒的排放。柴油改质应从以下几方面进行。1.1降低燃油中的含硫量一方面在燃烧过程中,柴油中的硫约有98%转化为SO2,其余成为硫酸盐颗粒,部分SO2被进一步氧化并与燃烧过程中生成的H2O结合,形成硫酸盐,增加了颗粒的排放量。另一方面,燃料中的硫还会引起催化剂中毒。使用含硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果。1.2减少燃油中的芳香烃成分1.3根据燃油的馏程合理提高燃油的十六烷值如果十六烷值由40%增加到50%,则NOx排放约下降11%。1.4进行柴油的乳化处理在柴油中加入适当的乳化剂,通过燃料中的水汽化来降低气缸温度和燃烧温度,减少NOx的排放;另外,乳化燃料中的水分子迅速汽化、膨胀,促进了燃料与空气的迅速混合,加速了燃烧,减少了气缸内的激冷层,有利于减少HC的生成。1.5加入降污添加剂碳酸二甲酯具有含氧量高、沸点高、与柴油互溶性好和无毒性的特点,使用该添加剂,无须改造柴油机的燃油供给系统。试验表明:加入添加剂后,在保持原来供油系统不变的条件下,可大幅度降低柴油机的碳烟排放量,尤其对柴油机急加速时碳烟的控制较为明显。1.6在柴油中掺烧消烟添加剂将金属钡、镁、锌等溶性碱化盐或中性盐中作为消烟添加剂,通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧,消除喷油嘴头部的积炭,可减少30%～50%碳烟颗粒排放。1.7在柴油中加人活性剂如加人HH—B活化剂可降低生成NOx的热分解活化能,加速NOx热分解。2减少排气污染的方法所谓机内净化,就是从有害排放物的生成机理出发,在燃烧室内部对有害排放物的生成反应予以最大限度的控制,而对它们的消失反应则尽量提供有利的条件,进而从根本上达到减少排气污染的目的,目前主要有以下几种方式:2.1中央布置式燃烧燃料柴油机燃烧室的型式形状和结构参数对柴油机的燃烧及污染物的生成有重要的影响,柴油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两类。对于直喷式燃烧室,趋向于采用中央布置,加大燃烧室直径,能改善燃油与空气的分布,使燃油空气充分混合,燃烧更彻底,会有效减少PM、HC和NOx的生成。目前较先进的中央布置方法是采用四气门结构的燃烧室。对于分隔式燃烧室利用部分燃料先期燃烧的能量,促成后期混合气的形成和燃烧,使得(比同规格的直喷式燃烧室)NOx的排放量降低,其他有害成分HC、CO等也相对较低。此外,以HCCI为代表的新燃烧方式,同样能大幅度地降低NOx和PM排放,可以全面改善柴油机的燃烧性能,只是目前仍处于基础研究阶段。2.2多心理烟气下脱硫废水改进进气系统可适当的降低NOx排放,可以通过组织适当的进气涡流强度、改变进气重叠度、改变进气状态和采用多气门技术等多个方面着手。进气涡流减弱,NOx降低,但烟度增加。其原因是混合气形成条件变差而使燃烧速度变慢,因而气缸内温度降低。因此,进气涡流强度需要在NOx与烟度之间作适中的选择。气门的大小和配气相位影响气缸内残余废气系数,从而影响NOx排放。当残余废气增加时,NOx排放降低。此外,通过改变进气状态如适当地增加进气湿度,使最高燃气温度降低,也可以使NOx排放降低。在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。在多气门技术方案中,由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑一般布置在气缸中央处,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转速下的变化,这使混和气的形成进一步优化,因而在提高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点之一,目前已在大型柴油机应用的基础上,逐渐在小型柴油机上开始应用。2.3nox和pm柴油机采用增压中冷技术不仅可显著地提高柴油机的动力性和经济性,而且能极大地改善排放指标特别是NOx和PM。采用增压中冷以后,一方面进气管内的空气压力温度着火滞后期燃烧速率和过量空气系数都相应地发生了变化使得NOx的生成更加困难,另一方面增压可使气缸内浓度增加为改进混合气形成和燃烧创造条件,同时增压还可以提高进气温度促使液体燃料蒸发汽化,从而减少微粒的生成。2.4废气再循环技术废气再循环(EGR)是指让发动机一部分排气引回到进气管,与新鲜空气混合后进人气缸作为工质参加气缸内的热循环,EGR作为控制NOx排放的一项有效措施,越来越受到重视,对柴油机采用EGR的研究已取得了一定的成果。由于废气再循环(EGR)减少了进气中含氧量,废气的热容量增加而使最高温度下降,所以只有在部分负荷或空燃比足够大的工况下采用,以不使HC和PM排放量明显增加。EGR技术的关键应使NOx在最大程度降低情况下,又不影响柴油机经济性和HC与PM排放。采用有效的调整装置来优化柴油机整个工作范围内的废气再循环量,电控技术可有效地解决这一矛盾,和增压中冷技术的结合使用,可提高发动机的整机性能。利用废气中的冷凝水导人进气管从而使NOx下降,在进气系统中加入O3,可促使混合气氧化,改善性能和排放。2.5发动机过渡工况排放性能得到显著改善目前研究的比较多的是共轨式电控高压喷射。电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油速率和预喷射与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节,使颗粒排放降低40%以上,并且发动机过渡工况的排放性能也得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制,能根据发动机运行工况实现最佳喷油,同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例,降低有害排放和控制发动机的空燃比,有利于实现有效的机外净化措施。2.6低高温和高温对烟度和油路的影响延迟喷油定时是柴油机降低NOx排放的一项行之有效的措施。推迟喷油定时的主要作用是降低燃烧峰值温度和减少高温出现的持续时间,但是增加了排气门出口的温度,会引起烟度和油耗的增加。要解决降低污染物排放与保证发动机性能之间的矛盾,较好的办法是综合运用EGR废气再循环、延迟喷油定时和高压喷射等技术,达到NOx和微粒排放、油耗、功率等的最佳平衡。2.7可溶性有机物润滑窜入燃烧室的润滑油不完全燃烧,不但产生大量的碳烟微粒(蓝烟),而且还大大地促成可溶性有机物的生成。该润滑油来源于活塞环与气缸臂之间的间隙和气门挺杆周围的缝隙。所以,在结构上要改善气缸套与活塞的配合,提高接触面的加工精度,改进气门挺杆的密封措施等,尽可能地减少窜漏的润滑油数量。2.8喷油及增压系统可变控制技术是根据发动机不同的工况,适时地调整喷油定时、燃烧室涡流状况以及增压系统的各项参数,以达到充分发挥燃油效率,减少污染排放的目的。3存在的问题和处理方法机外净化就是利用各种滤清净化装置和催化转化器,对排气系统内废气进行最后处理,以进一步降低有害物的排放量,是机前处理和机内净化方法的重要补充。柴油机排气后处理技术也分为两类,分别是排气后NOx处理技术和排气后PM处理技术。除此之外,近来人们还对能够同时处理NOx和PM的技术进行了探索。3.1拆卸后nox处理技术3.1.1减少碱土中双碱产硫酸钠pme和柴油的氧化反应柴油机氧化催化转化器中使用的氧化催化剂铂(Pt),主要用来氧化柴油机尾气中的HC与CO,其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和C0的原理基本一样。柴油机氧化催化器还能氧化掉PM中的一部分可溶性有机物SOF,但同时也将尾气中的部分SO2,氧化成硫酸盐。所以对于含硫量较高的柴油来说,使用氧化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大,这样就降低了氧化SOF的效果,甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒。所以使用高硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果,还会降低催化器的寿命。因此,选择合适的催化器和使用低硫化燃油就显得尤为重要。3.1.2nox技术稀NOx技术是指用HC化合物作为还原剂减少NOx排放。其中被动的稀NOx技术是指直接利用发动机废气中的HC作为还原剂,主动的NOx技术是指通过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的HC作为还原剂,但是由于柴油机废气中HC的浓度比较低,所以其最大转换率不超过15%;若采取主动喷射HC化合物的技术,NOx最大转换率将增长到30%。3.1.3非选择性催化还原nox在催化剂存在的条件下,若还原剂优先与气相中的氧发生反应,再与NOx发生反应的还原过程称为非选择性催化还原.1970年以来,利用H2,CH4和CO作还原剂进行非选择性催化还原NOx得到了广泛的研究.其中,CO还原NOx的研究更加深人,原因是CO是柴油机排气中的成分之一。常用催化剂主要有:CuO,NiO,SnO,CeO,和Pt-、Rh-TiO2、RuO2等。3.1.4scr系统研究采用NH3(尿素)和HC(乙烯、丙烯、丁烯和丙烷)作为还原剂的选择催化系统已经得到了广泛的研究。利用(尿素)作为还原剂进行催化还原NOx反应的催化剂有贵金属、贵金属氧化物和沸石体系,其催化反应是:CO(NH2)2+2H2O—2NH3+CO2+H2O4NH3+2NO2+O2—3N2+6H2O4NH3+4NO+O2—4N2+6H2OSCR系统已经在诸如电厂、船舶等大型柴油机上实用化,用于降低NOx的排放,转化效率高达90%。在国外,已有SCR运用实例,如戴姆勒一克莱斯勒公司为了使配备柴油机的商用车符合欧N及欧V排放标准,采用了使用尿素的SCR法。已于2005年上半年在卡车及大巴中采用SCR法,并在2006年10月符合欧N标准前,开始阶段性地支持欧N标准。该公司今后还将继续开发SCR技术,以尽早达到欧V标准的要求.但该种技术的缺点在于NH3(尿素)需要定时填充来维持正常工作,且选择催化转化器的体积大、成本高,需要动态计量控制还原剂,在低负荷时,由于废气温度较低,催化效率下降。另外,需要高流量的氨气才能使NOx转化效率最高。3.1.5在稳态工况下的应用由于电控技术在汽车上的应用,由此产生了NAC技术。NAC技术就是指用能吸附NOx的催化剂在富氧的条件下对NOx进行吸附反应,在缺氧的条件进行再生,缺氧条件的产生主要是通过燃油喷射系统的后喷实现。对于柴油机而言,由于在浓混合气的条件下容易产生黑烟,使得再生变得十分困难,通过适当地调节燃烧系统,可以将柴油机产生的黑烟降到允许的范围。通过对吸附和再生过程的适当搭配,NAC技术在稳态工况下可以将90%左右的NOx还原。要使NAC技术在瞬态工况获得很好的性能,需要增加复杂的控制系统,需要进一步的研究。影响NAC技术应用于汽车的最关键因素是硫的容忍性,因为废气中的硫将会使催化剂中毒,影响再生过程。3.1.6等离子体与催化剂的结合剂等离子体技术原来主要用来处理碳颗粒的排放,现在该项技术研究的重点是NOx处理,在稀燃排气中等离子放电主要是氧化反应,单独用等离子体对NOx还原没有效果,但当将等离子体与催化剂结合,等离子体增强了催化剂的选择性,对柴油机排气中的NOx和碳颗粒都有很好的净化效果。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求,可以在相对低的温度下运行。Delphi和Caterpillar等公司已经利用等离子体和催化剂系统开发出NOx和碳颗粒后处理系统,可用于柴油小轿车、重型车上。3.1.7纤维加载低电压技术碳纤维具有吸附性、导电性和催化活性,能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应。目前,该技术正处于研究阶段。3.2pm污染处理技术碳颗粒的后处理净化是将柴油机排气引入专门的后处理装置中,消除其中的碳颗粒后再排入大气,柴油机PM后处理技术包括非过滤和过滤技术。3.2.1非过滤技术非过滤技术主要包括两类:催化氧化剂技术和等离子技术。3.2.1.减少非碳化硅体的排放能力,产利用催化氧化技术减少载重车和城市公交车柴油机尾气PM排放始于20世纪90年代初。催化剂为蜂窝整体直通式,主要活性成分是贵金属。这种催化剂能部分氧化去除排气PM的可溶性有机组分以及气态污染物HC和CO。去除效果与发动机负荷、排气温度和燃料含硫量密切相关。发动机负荷低时,PM可溶性有机组分含量高,催化氧化降低PM排放效果明显;而发动机负荷高时,PM中可溶性有机组分含量低,催化氧化降低PM排放效果较弱。3.2.1.电极并聚积再生其工作原理类似于静电除尘,柴油机尾气中的微粒在高压电晕放电场中荷电,并在电场的作用下移向电极并聚积,过一段时间后可用燃烧方法再生。刘圣华对该技术进行了深入的研究,研究结果表明,在中低负荷时,捕捉器效率高于90%,而在标定工况下,由于尾气在等离子捕捉器中的滞留时间短,捕捉器效率较低,采用该技术主要是为了提高柴油机尾气在等离子捕捉器中的滞留时间。3.2.2柴油微粒捕集器的再生技术过滤是降低PM排放的最直接方法,过滤器包括壁流蜂窝陶瓷整体、陶瓷泡沫、陶瓷纤维、和金属线网等。其原理皆是借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等机理将PM从气流中分离出来。其中,壁流式蜂窝陶瓷和陶瓷纤维属于表面过滤,陶瓷泡沫和金属丝网属于深床过滤。各种过滤材料的过滤效率见表1。但是如果过滤体中收集的微粒不能及时清除,就会发生滤芯堵塞以致柴油机背压急剧上升的现象,影响柴油机的换气和燃烧,降低性能。因此需要定期清除沉积在过滤体中的微粒,使排气背压降低到原有水平。这就是过滤体的再生。再生技术是柴油机微粒捕捉器实用化的关键。再生实际上就是利用热能将沉积在过滤器内的微粒烧掉。再生技术主要分为两大类,即主动再生和被动再生。主动再生利用外界能量来提高捕集器的温度,使微粒着火燃烧。被动再生一般利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度,使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。目前主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生等。被动再生有燃油添加剂再生、连续再生、催化剂辅助再生等。现在倾向于被动再生和被动与主动再生结合。因为被动再生有较好的燃油经济性、较低的成本,整个系统也比主动再生简单。3.3同时，将净化nox和颗粒技术3.3.1独立净化技术联合使用四元催化转化器是由稀燃NOx催化剂(LNC)和柴油颗粒过滤器(DPF)两种技术或者由稀燃NOx催化剂(LNC)和柴油氧化催化剂(DOC)两种技术综合为一体的组合装置,即将PM和NOx的独立净化技术联合使用,即在同一装置中同时净化PM和NOx。这种装置有的已经商业化。图1为集DOC,DPF,SCR于一体的四元催化转化器。Cleaire公司联合采用NRC和DPF技术,研发了一套集去除NOx,PM,CO和HC于一体的Longview装置。采用外加还原反应物(如尿素)以催化还原NOx,而DPF同时净化PM,CO和HC。净化效果尽管根据柴油机而不同,但一般情况下,NOx的去除率可达25%,PM去除率大于85%,CO去除率大于90%,HC去除率大于65%。3.3.2去除柴油排气pm和nox在柴油机排气的氧化环境中,用催化的方法同时去除NOx和PM的理念是由Yoshida首次提出的。研究表明,在相同的温度范围内,PM的氧化反应和NOx的还原反应可以同时进行,在催化剂的作用下,NO和O2的共同存在促进了PM的催化燃烧,因此同时去除柴油机排气PM和NOx是可行的。其催化剂可归纳为3类,即金属氧化物型催化剂、尖晶石型复合氧化物催化剂和钙钦矿型复合氧化物催化剂。3.3.3等离子体耦合催化剂工作机理分析研究表明,等离子体与催化过程的结合是一个十分诱人的新领域,蕴藏着十分丰富的科学内容和潜在的实用价值。其基本思想是:等离子体促进活性物种的生成,选择性地生成目标产品,以