柴油机排放（精选12篇）
柴油机排放 篇1
柴油机在燃烧过程中会产生一些有害气体, 这些气体的生成量是跟柴油机混合气的形成还有缸内燃烧情况有关, 而这些都与喷油、气流、燃烧系统之间的配合有关。要想让柴油机的气体排放得到净化, 需要找到处理NOx和微粒碳烟的生成量的办法。
一、推迟喷油降低NOx排放
喷油提前角是喷油起始点早于汽缸压缩上止点的角度。柴油机在点燃内部燃油之前会有一段滞燃时间, 为保证实际燃烧放热中心能接近上止点, 需要提前喷油, 能防止燃烧拖后, 导致经济性下降, 这就是提前喷油的原因。单从动力性、经济性角度出发, 最佳提前角随转速上升而增大, 随负荷加大而略有增加。车用柴油机的运转空间相对要广阔些, 而且也有专门的转速自动提前装置来满足这一需求。在工况相同的情况下, 滞燃期是跟提前角相联系的, 随着提前角的变化而变化。一般推迟喷油时, 因初期喷油更接近上止点, 故缸内压力、温度较高, 滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。如果喷油的时间太晚, 滞燃期就会推迟到上止点后, 这样缸内压力和温度就不一定会升高。这种情况并不常出现。NOx排放受到影响的最严重时期就是预混燃烧阶段。减少预混量和混合气, 能够有效的提高速燃期的压力和温度, 这样就使NOx的排放得到控制。所以采用改变喷油提前角这一做法, 是最早减少NOx排放量的有效办法。推迟喷油, 直喷机的NOx大幅下降, 而间接喷射式涡流室柴油机的下降幅度则小一些。但是喷油过迟, 则燃油消耗率和烟度都会恶化, 对CO和I-IC也有不利影响。油耗和烟度的恶化是喷油推迟, 燃烧跟着推迟以及缓燃期油量增加, 燃烧时期拉长的必然结果。
二、燃油高压喷射降低微粒碳烟排放
用高压喷射的方式来改变柴油机机内的气体和微粒情况已经被大家所认可了, 而且这样的方式是目前直喷式柴油机降低微粒碳烟最好的办法。对于间接喷射式柴油机, 借助气流来雾化、混合是目前的主要手段, 对压力的要求也相对低一些。在其他条件不改变的情况下, 改变喷油压力也就是等于改变喷油速率, 能起到两个作用。
1.降低微粒碳烟的排放量
增加喷油的压力, 喷出的油粒减小, 贯穿的距离增加, 形成的雾锥角度增大, 这一系列的改变都使燃油和空气得到充分混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例, 使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使出现了过浓混合气的情况, 也会因为油粒小, 空气多, 使其被快速燃烧和氧化掉, 在碳烟还没形成的时候就氧化了。高压喷射能够降低碳烟排放率, 这是大家所认可的。
2.降低燃油消耗率
压力增大, 喷油速度加快, 喷油期就跟着缩短, 这样燃烧的也更快, 并且燃烧放热都会集中在上止点附近, 这样能够减少油耗。虽然推迟喷油有不足的地方, 但是高压喷射能够有效的减少碳烟度和减少油耗, 这样就弥补了不足之处。相反的, 高压喷射会加快混合气的稀释速度, 使燃烧变快, 温度提高, 从而增加NOx排放量, 但是这样的缺点又被推迟喷油所解决。高压喷射并没有过大削弱推迟喷油, 减小滞燃期喷油量所带来的改善NOx排放的显著效果。所以, 两种手段同时使用能够减少NOx和微粒碳烟排放量, 并且这也是目前使用比较多的方法。
三、小直径、多喷孔加速雾化混合
如果不改变喷油率, 可以通过改变喷口大小和数量, 让柴油能够更加均匀的填充在燃烧室里面, 促进油气的混合, 这样能够取得很好的排放效果。六孔喷嘴相比四孔喷嘴来说, 气体的混合容积更大, 每个喷注要窄, 内部混合气容易扩散和燃烧。这些效果同增加喷油压力是相同的, 在增加喷孔后, 对气流的要求相对降低, 能够减小涡流比, 提高油的经济利用率。但喷孔不宜过多, 那样会没有足够的贯穿力, 并且相互之间形成干扰, 产生不利效果。
四、喷油系统的其他净化措施
目前, 已广泛应用的降低HC排放的措施就是减小孔式喷嘴压力室容积或采用无压力室式喷油嘴。经过实验研究证明, 柴油机在长时间运转之后, 不会增加有害气体的排放量。与汽油机不同, 汽油机在使用过一段时间之后, 有害气体的排放量会有明显的增加, 柴油机不会如此。如果柴油机在使用的时候, 排放性能突然发生改变, 则非常大的可能就是喷油系统出现了问题, 不能正常的工作。在实际使用时, 如果发现大量冒烟, 就应该检查一下每个喷油器的开启压力是不是下降, 喷雾状态如何。有条件时, 应在油泵试验台上测试循环油量是否超过规定值以及各缸油量是否严重不均匀。很多因素都能导致循环油量不均匀和超标, 需要对原因进行寻找, 如果需要更换则更换, 需要清洗则清洗。有一点需要注意, 如果油泵和调速器拆开了, 需要重新在台架上调整。如果冒烟的情况无法得到解决, 那么试着减少负荷运行。
柴油机排放 篇2
摘要：2009年12月,张德江副总理在到长江专题调研考察内河航运情况时强调,要把内河航运发展摆在重要位置,加快发展畅通高效平安绿色内河航运.今年“两会”期间,加快内河航运发展,更是成为代表委员热议的话题.作为中国热气机专业的第一位博士,金东寒委员敏锐地把关注的目光投向了内河船用柴油机排放控制标准.作 者：徐华 Xu Hua 作者单位： 期 刊：中国船检 Journal：CHINA SHIP SURVEY 年，卷(期)：2010, “”(3) 分类号：★ 柴油机认识实习报告
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柴油机排放 篇3
【摘 要】排放已经成为关乎发动机是否继续存在的生死攸关的问题。柴油机在排放性能方面优于汽油机，但是其在削减排放方面比汽油机更加困难，因此研究柴油机的排放控制措施，对于提高柴油机综合性能，削减排放物具有重要意义，本文从进气系统分析，讨论进气系统对于削减柴油机污染物排放方面的技术措施。
【关键词】排放控制；柴油机；进气系统
0.概述
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、改变气门重叠角度、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的残余废气系数，从而影响NOx排放。当残余废气系数增加时，NOx排放降低。
1.涡流比对排放的影响及其控制策略
适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。同时燃烧室内局部区域混合气过浓或过稀现象减少。另外，涡流能加速燃烧，使气缸内最高燃烧压力和温度提高。这些有利于未燃烃的氧化。但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成相互重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加，如图1所示。
图2所示的试验结果表示车用柴油机在低、中、高三种转速下用不同фa表征的不同负荷下，缸内涡流比SR对柴油机微粒排放的质量浓度ρPT（mg/m3）和NOx排放体积分数φNOx的影响。该机螺旋进气道产生的日期涡流比在2.3左右，且不随转速改变而变。从图2可见，虽然在不同的转速下NOx排放均随SR的加大而增加，但PT（微粒）排放却有着不同的变化趋势。在低转速下，PT排放随SR加大而下降，而在高转速下，PT随SR加大而上升，原因可能是涡流过强使PT中的SOF（可溶性有机成分）增加所致。所以，可以推断，在高转速下，适当降低SR（例如从2.3降到1.7～1.8），可同时使PT和NOx排放；在低转速下，适当提高SR（例如从2.3升到3.5～4.0），可使PT排放下降（特别是碳烟DS下降明显），当然，这会引起NOx的上升（可以用别的方法加以降低）。
在每缸只有一个进气门的柴油机上，要改变由进气道形状决定的进气涡流比是很困难的。在得出图2所示的结果的试验中，进气涡流比SR是依靠向进气道喷射压缩空气加以改变，这种手段很难实用化。
2.多气门技术对排放的影响及其控制策略
四气门柴油机的开发从根本上改变涡流比的上述情况。每缸4气门（2进2排）的结构并不是新东西，历史上甚至出现过批量生产的6气门（3进3排）的高功率强化柴油机。但是每缸4气门的结构过去主要用于缸径130～150mm的高速柴油机，主要为了提高充量系数和改善气门的工作可靠性。现在，四气门大有淘汰二气门柴油机之势。
四气门柴油机的主要优点是扩大进排气门的总流通面积，一般可比二气门柴油机大15%～20%，从而降低进排气流动阻力，提高充量系数。
由于这些原因，在同样NOx排放条件下，四气门柴油机排气烟度、微粒排放和HC排放都低于二气门柴油机（图3）。此外，四气门柴油机喷油器的冷却情况与二气门机相比得到改善，燃烧室在活塞头部中心位置布置消除了温度场的不均匀，降低活塞的热应力和热变形。
3.总结
改进进气系统可适当的降低污染物排放，但是，柴油机的排放控制是一个系统的工程，需要发动机各个系统同时参与进来，甚至提升燃料品质。才能达到削减排放的目的。
【参考文献】
[1]黄伟.汽车尾气污染及净化措施.湖南农机，2007，11.
[2]马涛.汽车尾气排放与大气污染，油气田环境保护，2007，06.
谈柴油机的低碳化排放 篇4
柴油本身是石油提炼后的一种油质产物 (又称油渣) , 主要成份的分子式:C14H30~C25H52, 含有14~25个碳原子, 是一种碳氢化合物的混合物。由于柴油机将柴油喷入气缸与空气混合燃烧, 将蕴藏在柴油中的化学能转化为机械能, 必然会同时排出残余的废气。而在排放的一道道废气量成分中, 除主要有75.7%的N2、10%的CO2、6%的O2、8%的水蒸气, 共计为99.7%, 对动植物的生态环境无害外;余下的0.3%成分主要有0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC、0.01%的SO2、0.05%的CO、小于0.01%的PM (颗粒物) 等都是污染性的有害物质。
NOx的生成与柴油的本质无关, 它是由于柴油机工作时的进气行程, 需要将空气 (含约78%的N2和约21%的O2) 吸入。N2和O2在燃烧室受到压缩 (高温与高压) 作用, 发生了化学反应生成的, 同时还生成了少量的NO2。在排放系内是NOx与HC的混合物, 排放后在阳光照射下会发生光化学反应, 生成光化学烟雾 (光化学氧化剂) 后毒性更强。当排放的NO进入大气后, 在O3等强氧化剂作用下, 氧化速度加快形成了NO2, 毒性约为NO的5倍。
PM为一种固体和流体的复杂聚合体, 最初是柴油机气缸内燃烧生成的碳微粒, 再进一步组成大量烧结物, 一般由碳微粒、吸附性的凝结粒HC化合物、SO4水合物等组合, 俗成的黑烟就是柴油的废气主要组合体。
柴油机燃料工作时排放污染物的体积 (以1台6135G型为例) :额定转速1500 r/min时, 排放废气量37.5道/s, 则1 h排放污染物的体积为:单个气缸内的活塞工作容积×37.5道/s×3600 s×0.3% (占废气量系数) 。
在这些污染物中, 属NOx和PM的危害性最大, 其他的污染物SOx、CO、HC也具有一定的危害性;尤其它们是与NOx、PM混合在一起置外排放的, 其毒性就更不能忽视了。它们与石棉、砷和芥子气是同属一个级别的潜在致命性物质, 是可以导致人类罹患癌症。
2 低碳化排放 (化学法、机械化)
通常柴油机的排放系统构造十分简单, 只起到集中、降噪和外释废气的作用, 根本不能适应大气质量的环保要求。对它分阶段的利用余热生产水蒸气, 通过化学反应, 并安装机械式的清除污尘设施, 配套除NOx光线幅射器等, 将有助于废气低碳化的排放。
2.1 排放工程的前部分布局 (剂液汽化器与化学物质反应堆)
柴油机大多数与发电机配套使用, 其电源通过适配器可为低碳化排放提供作用。柴油机在燃料工作时, 气缸中燃放出大量的热能 (缸内的燃烧温度通常是300~400℃, 瞬间可高达1000~2000℃) , 除35%的热能被转换成为有效的机械能外, 为保证不致因高温热涨力度, 破坏自身零件的强度、硬度及弹性, 破坏各个运动机件相互间的正常配合间隙, 降低机油的润滑性能等。以冷却消耗掉一部分的热能外, 需要排放的废气为它带走25%~30%的热能。这一道道的废气热能, 足以使包裹排放管的外水套或穿行它之中的金属管道内流行的水液汽化潜热生成水蒸气;如果水中含有一定浓度的化学物质元素, 则水蒸气中就会含有其化学物质元素物质。
汽化潜热器与化学物质反应堆, 分别设定在排放系统端口延后和中部往前的位置, 由传热系数高的金属管材制作而成。其组合件有蓄水 (化学物质元素反应剂) 液箱、小型电动式高压水泵、输液管道、喷嘴等主要的零部件。
由于废气中污染物的成分、特性、形成过程都与化学关系十分密切, 所以混合物中当然存在着与它们之间的化学物质反应剂。这里例举的化学物质反应剂有: (1) H2O2和Na OH水溶液; (2) Mg O (OH) 2 (俗名:消蛇纹石灰水) 和Ca O (OH) 2 (俗名;消石灰水) 及≥0.02%的Cl水溶液。它们各自与污染物中NOx、PM、CO、SO2的化学反应情况大致如下。
2.1.1 H2O2和Na OH水溶液与NOx的化学反应
H2O2具有强烈的氧化性、尤其能对NO进行氧化生成NO2, 当它遇H2O蒸气后绝大部分都会演变成为HNO3, HNO3与Na OH水溶液的化学反应生成物为Na NO3。
2.1.2 Mg O (OH) 2和Ca O (OH) 2溶液与CO、SO2的化学反应
CO与水蒸气发生化合反应生成CO2, SO2溶于水会生成为SO4-2和H2。
Mg O (OH) 2与Ca O (OH) 2通常都并存在一体中 (灰石) , CO2或者是SO2都会与Mg O (OH) 2或者是Ca O (OH) 2发生化学反应;前者生成Mg CO3或者是Ca CO3, 后者生成Mg SO4或者是Ca SO4。
前者的学反应式:
后者的学反应式:
2.1.3 PM溶于水反应情况
PM溶于水, 水蒸气更容易使它受潮, 易发生颗粒之间的互联混凝, 变大结构, 形成了坠性的化合物质。
2.1.4 其他的物质化学反应
(1) 烧红的细材薄板Cu与SOx的热化学反应, 会生成Cu SOx化合物;
(2) 紫光幅射线能有效的消除NOx强的强度使之趋向弱势;
(3) HC和CO都可以回收至柴油机的进气行程再燃。
疏理上述污染物在化学法中的反应情况, 它们被生成了NH3、Na NO3、或Mg SO4和Ca CO3、Cu SOx等多种类的化合物, 化学反应堆需要按其物种的不同类分段落步营式的筑成。因此在排放系统前部大致应当设置2~3个, 具有一定容积的化学反应室, 采用化学法来使它们演变成为各种不致于对大气质量危害的东西;当这些污染物在排放系统内被演变成为含H2O沉淀物质时, 利用它与气体之间的比重的差距, 利用机械除污装置给予净化。
2.2 排放工程的中部布局 (机械化除污器)
作为生产工具柴油机本身就是动力源, 洽好可利用来驱动机械式除污物器工作, 它不仅仅是电力和燃料释气时的热能可以利用, 而且连它的活塞在气缸内运行、偏心飞轮的旋转等配套的零部件的运动, 以及释放废气引发排放系整件出现轻微的抖动等, 都能在清除污物工程中起到一定的作用。
除尘器在环保工业化进程中早就得到了普及, 有离心式、袋式及静电式等型式的器械。将它布局在柴油机排放系统内的中部位置, 对于上述被化学法生成坠落性的东西, 仿效离心式除尘器较为合适。
2.2.1 离心式除污物器的构造
离心式除污物器由以下零部件组成: (1) 圆柱形的滤芯体部件是以金属材料为转轴和支架, 以金属线网为外圈套和上下圆表面板, 内体除留有≥4条从下向上波浪形状 (或S形) 的通气管道外, 余积中装满着透气性的金属丝团 (具有三维骨架的泡沫合金) 的组合械器; (2) 波浪形状的通气管道壁由金属线网圈成; (3) 含器壳在内的蓄积污物斗; (4) 壳外的小型电动机和电工材料或壳内有利用排放冲力, 促使滤芯体部件旋转的驱动叶轮; (5) 壳内有轴承等零部件巢居穴处、气体流通室或有紫光线幅射室等。
2.2.2 离心式除污物器的工作过程
除尘器通常有捕集、清物、卸物三个工作过程, 离心式除污物器也一样。废气携带污物, 从下向上进入波浪形状 (或S形) 通气管道内, 这时滤芯体部件容积内金属丝团的间隙内充满着废气, 当整个滤清体件在电动机驱动下高速旋转时, 每个金属丝团中的间隙捕集到比气体稍重的污物也随行作圆周运动, 被旋转形成的离心力抛至甚至碰撞器壳内壁。由于污物自身的坠下性, 上述引发整个排放系部件出现轻微震动也会对它产生作用力下, 污物频频抖动同时顺着器壁表面坠落进入蓄积斗内。考虑到一道道废气的排放速度快, 在流量过程分离污物的艰巨性, 为了最大化的低碳排放, 大致需要在这段排放系统中部布置2~3台的离心式除污物器, 或后置1台是静电式的除尘器。
2.2.3 静电除污物器的工作过程
静电除尘是气体除尘方法的一种。若在布局2~3台除污物器中, 后置1台静电式的利用柴油机自身的电力, 使排放工程的中后部位置拥有强电场, 所经过的废气分子就会被电离为正离子和电子;当电子奔向正极过程中遇到污物 (尘粒) , 便会使它带上负电吸附到正极而被捕集和卸到蓄积斗内。因此用所谓的静电式除污物器给断后, 对于己经躲避过离心式除污物器作用的残余物, 在这最后一道的除尘工艺过程中是在劫难逃的。
2.3 排放工程的下部分布局 (紫外线辐射区、电子火花区)
利用柴油机的发电机和蓄电池之电力, 通过高压电生成器等电工材料生成下列效果: (1) 使安装的紫光灯在系统内直接幅射废气中NOx的残余; (2) 使安装的多个电子式火花塞、在尾口处点燃废气中的HC和CO的残余; (3) 设置将7%~10%废气回输给柴油机进气行程实现再燃, 也能够淡薄柴油机进气行程中的含Nx与Ox量, 从而减轻NOx在排放中的含量。
这里值得注意的问题: (1) 废气热能在排放系统内也表现出烘干的作用, 因此喷射到排放系统内的溶液量必须合理; (2) 定期清理污物斗, 注意对污物的处置, 防止发生二次污染; (3) 防止因整个排放系统抖动系统的零部件脱落, 尤其应该防止或因点燃HC而引起的火灾。
3 低碳化排放的可行性
(1) 柴油机的排放系统在构造上通常都置于机体外, 客观上只要保持它原有的工作性能, 易按主观需求在构造上作出改进型的设计和铸造。升级版的排放系统应当是组合式的, 不但容易定期保养、维修和更换零部件, 更易定期对除污物器卸下的东西进行妥善处理;以防范发生对大气质量生态环境的二次性污染。
(2) 柴油与汽油同样都是属于石油提炼后的一种油质产物 (又称油渣) , 但柴油不含重金属物质而汽油却含有, 因此柴油机的尾气不同于汽油机, 不含稀有金属元素放射性的东西, 对于大气环境质量的污染性问题也比较容易处理。
(3) 柴油机燃料工作时, 燃料在气缸中燃烧放出大量的热能, 气缸内燃烧温度通常在300~400℃, 瞬间可高达1000~2000℃, 除35%的热能被转换成为有效的机械能外, 为保证不致因高温热涨破坏自身和机油等的功能正常发挥, 需要排气带走约25%~30%的热能, 而这一废热洽好能通过汽化潜热获取所需的水蒸气。为上述高温热条件下的化学反应堆的筑起, 提供了必将消耗热能量的保障。
(4) 学用物理、化学常识, 将悬浮在尾气中的的NOx、SOx、CO、PM演化成为坠落性物质;秉承环保工业化中的除尘器捕集、清物、卸物工作原理;促使柴油机燃料工作时在对外排放前夕, 最大化的先对废气进行化污去渍, 从而达到低碳化的排放标准是完全可行性的。
摘要：柴油机的排气系大都位于机体外且造型简陋, 无法对所排放废气中的污染物进行处理, 只起着将一道道的废气集中、降噪、对外释放的作用。功率越大的柴油机释放污染物也就越多, 而这些污染物对于地球大气质量具有污染性;尤其是当它的侵染浓度达到一定的程度时, 往往就会危及生态环境质量, 严重时甚至会致死人命。因此, 本文分析了柴油机排放时的废气余热, 用物理学的汽化潜热常识、化学法与机械化除尘技术;在排放系统原有的工作性能基础上, 增添对废气中污染物的净化工程装置, 以促进柴油机燃料工作时排放更具低碳性。
柴油机排放 篇5
棉籽油生物柴油对欧Ⅳ柴油机排放特性的影响
文章在一台满足欧Ⅳ排放法规的柴油机上,对不同掺混比例的棉籽油生物柴油进行了负荷特性和外特性试验,监测其NOx,CO,HC以及碳烟排放.试验结果表明,加入生物柴油后,CO、HC和碳烟排放都有不同程度的.降低,降低的程度随掺混比例的增加而增大,NOx排放略有上升.另外,随生物柴油掺混比例的提高,表观燃油经济性有所降低,但有效热效率相差仅约1%.
作 者：刘强 于超 郑亮 史国强 肖建华 作者单位：刘强,史国强(中海油新能源投资有限公司,北京,100016)于超,郑亮,肖建华(清华大学汽车工程系,北京,100084)
刊 名：交通节能与环保 英文刊名：MARINE ENERGY SAVING 年，卷(期)： “”(2) 分类号：U4 关键词：棉籽油生物柴油 排放特性 欧Ⅳ柴油机柴油机排放 篇6
【关键词】NOx排放量；实船测试；在航船
功率超过130kW的柴油机在装船前需进行相关的NOx排放量认证工作[1][2]，并获取EIAPP证书。其NOx排放量测试工作一般是在柴油机台架上进行的，相关的测量仪器及其精度都是按照实验室标准配置，能满足船舶柴油机NOx排放量测量的相关要求。由于使用用途、航行区域、机损故障、关键部件调整等因素，需要对在航船的柴油机进行NOx排放量的实船测量。要想在船舶上实施柴油机的NOx排放量测试，目前船舶柴油机的系统组成及测试仪器精度等环节不能满足《MARPOL》公约的相关要求，必须进行系统改造和测试仪器的安装或更换。
在进行柴油机氮氧化合物（NOx）质量排放量的测试工作时，依据公约及其计算方法的要求，并根据其各自的性质，可以将测取的参数分为四类，分别为大气环境参数、柴油机运行参数、排气参数和燃油成份。具体如表1所示：
表1所示的第四项参数为燃油成份，需在试验过程中对柴油机燃用的燃油进行现场取样，之后送到有资质的专业燃油成份分析服务机构，按照ISO9001的要求对燃油成份进行分析，并出具正式的燃油成份分析报告；其它三项参数（大气参数、柴油机运行参数和排气成份）都需在现场使用符合要求的测试仪器进行实时测量。在实船上，现有测试仪器的数量及精度一般都不能满足要求，需根据船舶的实际情况进行相应的系统调整和测试仪器安装。下面结合大连海事大学排放测试中心实施的某轮发电副机实船NOx排放量测试项目的试验情况，就系统调整、测试仪器及其安装、及各类测量误差对NOx排放量测试结果的影响等问题进行阐述：
1.大气环境参数的测量及影响
大气环境参数的测量仪器由测试者自带，其摆放位置，需靠近运行柴油机增压器的压气机侧，距离应控制在0.5～1.0米为宜，如为表盘式仪表应注意适当的固定，避免运行柴油机的震动影响其测量精度；由于船舶机舱一般为封闭空间，柴油机消耗的空气由机舱风机提供，随着柴油机工况点的变化，应调整运行风机数量，保持机舱大气压力在100 kpa左右，并避免较大的波动。
大气环境参数测量精度对柴油机NOx测试工作的影响包括两方面，其一直接决定柴油机NOx排放试验的大气环境因子fa是否满足公约的要求，按照NOx技术规则（2008）Tier II的要求，fa应满足的条件为（0.93 ≤fa≤1.07）；其二影响柴油机的NOx排放量的计算结果。除大气压力外，其他参数对NOx计算结果的影响均为正向，即：随着大气温度、大气相对湿度、大气CO2的体积含量测量数值的增加，柴油机NOx排放量的计算值随之增加。具体情况如表2所示：
2.柴油机运行参数的测量及影响
影响柴油机NOx排放量计算值的参数主要包括：扫气的温度和压力、柴油机的轴功率、燃油质量流量。
2.1柴油机扫气温度和压力的测量及影响
船上原有的扫气温度表与压力表一般为工业级，其精度较低，试验时需更换。扫气温度表应选用精度等级为0.5级的实验室用表，类型应选用电阻式或压力式，安装位置可利用原扫气温度表（本地表）位置；测量扫气压力时宜选用外接的U型管压力计，安装位置可利用原扫气温度传感器位置（远程传输用传感器），也可在温度表附近开一个临时的扫气压力测量孔。
扫气温度对柴油机NOx排放量计算值的影响为正向，即随着扫气温度测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值随之增加；而扫气压力的影响相反。具体情况如表3所示：
2.2 柴油机的功率测量及影响
实船柴油机功率测量的精度直接影响柴油机NOx质量排放量的测量精度。除特种船舶外，服务于船舶的柴油机主要包括主机（推进用途）、副机（常规发电用途）及应急发电柴油机，需持有EIAPP证书的仅为主机与副机。由于主机与副机其工作负载特征不同，在船上实现功率测量的方式方法也不同。
柴油机作为船舶的主机时，由于船、机、桨组成了船舶能量转换三角关系的三个支点，其中主机作为船舶推进装置的功率提供单元，推进器作为船舶推进装置功率的转换单元，船舶作为船舶推进装置功率的消耗单元。主机发出的功率最终转化为船舶的航速，要想使船舶以一定的航速航行，须使主机发出一定的功率。
根据螺旋桨的形式不同，主机的工作方式分两种，即定距桨模式和变距桨模式。以定距桨模式工作时，主机需按照E3工况运行；以变距桨模式工作时，主机需按照E2工况运转。其工况点分别如表4所示：
船舶主机遥控系统包括油门和转速两方面的控制要素。对于直接传动的定距桨船舶来说，其遥控信号一般为速度信号和（或）油门信号，其机旁操作信号为油门信号。为了使船舶主机按照E3工况运转，必须使主机遥控系统能独立输出油门和转速两种设定信号，即系统具有双手柄控制功能。机旁控制仅具有油门控制信号，因而无法满足获得E3工况的需求；具有单手柄控制功能的主机遥控系统，应预先对系统进行功能调整。对于主机接变距桨的情况，一般有单手柄和双手柄模式，满足E2工况的操作模式应为单手柄模式（仅输出负荷信号），如果系统为双手柄，应预先进行系统改造。
为了精确测量柴油机发出的功率，需在传动轴上安装传递式扭矩测量装置。扭矩测量装置的类型较多，安装和调试方法也不尽相同，一般都能够满足柴油机NOx排放量质量测量的精度需求；比较而言，电阻应变片式扭矩测量装置更适合实船柴油机轴功率的测量。电阻应变片式扭矩仪一般由转子、定子和信号接收处理单元组成，安装过程中应尤其注意应变仪的安装位置及精度，否则将影响测量精度。安装位置避开中间轴承，距中间轴承2个轴径以上，在粘贴应变片前应清洁好轴颈，在初步清洁的基础上，再使用满足医用标准的酒精进行清洁，最后再使用丙酮溶液进行清洁；定子部分应确保距离钻子的安装距离符合设备的安装要求。通过扭矩仪测量的功率为主机的轴功率，应根据实船推进装置的具体组成，获取相应各环节的效率，进而确定柴油机的有效功率。
柴油机作为船舶的副机时，发电原动机、发电机、用电设备组成了船舶配电系统的三个支点，柴油机是功率的提供单元，发电机是功率的转换单元，船舶用电设备是功率的消耗单元。为了使发电柴油机按照D2工况运行，须安装足够的用电负荷，用以满足柴油机的运行需求。干电阻和水电阻都可以满足以上要求，由于其耗电的特点不同，其精度不尽相同。干电阻由若干电阻丝组成，工作稳定、负载波动很低，波动率低于0.2%，完全满足柴油机NOx质量排放量的测试精度要求，其缺点是租用价格较高；水电阻的工作介质一般为导电液体，由于液体的波动、沸腾等影响，其精度较低，负载的波动率较大，尤其是当水电阻工作时间较长而使导电液体沸腾时，负载的波动会加剧，根据水电阻的结构特点，其误差一般在0.5-3%之间变化，其优点是租用价格较低。
功率的测量值对柴油机NOx排放量计算值的影响为反向，即随着功率测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值减少，其影响幅度相同，就是说，功率测量的误差直接转化为柴油机NOx质量排放量的误差（误差方向相反）。
2.3柴油机的燃油流量的测量及影响
在实船上，测取柴油机的燃油质量流量前，需对燃油供给系统进行适当的改造，安装符合NOx排放量测试精度要求的燃油流量测量设备。安装精度等级为0.5的具有远传功能（一般输出电流或脉冲信号）的容积式流量计为宜，安装的数量取决于实船燃油系统的实际构成，原则为相对柴油机（主机或副机）而言，对每一个燃油的流进与流出点都要加装一个流量计，燃油的消耗等于各个进出流量计的代数和。对于具有远传功能的流量计，可以通过和差功能的显示单元或自制的多路信号处理终端实现集中的燃油流量测取，可降低人员多点读数的误差影响。
油耗的测量值对柴油机NOx排放量的计算值的影响为正向，即随着油耗测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值增加，其影响幅度基本相同，就是说，油耗测量的误差直接转化为柴油机NOx质量排放量的误差（误差方向相同）。
3.柴油机排气参数的测量及影响
排烟中各组份（氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、碳氢、剩余氧）的测量都是通过测试机构的经主管机关认可的测试仪器完成，在实施中，应注意两方面的问题，其一是应注意船舶机舱的条件能否满足测试仪器的使用环境条件要求；其二是测试仪器的放置位置及取样探头的安装位置等，一般取样探头的安装位置需要在柴油机排烟管道上临时安装，注意安装的位置应满足公约的要求。
排烟中剩余氧的浓度对柴油机的计算结果没有影响，其他组份对柴油机NOx计算结果影响各异，其具体情况如表5所示：
4.柴油机燃油成份及其误差影响
如果船舶没有符合公约要求的RM级燃油，应专门加装符合条件的燃油，注意在加装前应对油柜进行清洗，同时对燃油单元的所属管路进行冲刷和清洗，尽量减少原来燃油的残留量。燃油中的碳、氢、氧、氮的质量含量影响柴油机NOx排放量的计算值，必须确保燃油取样的准确性。如果条件允许，在燃油进机前的管路上安装“全程点滴取样设备”，其设备如图1所示，确保取样的燃油来自于整个试验过程。燃油中碳的质量含量对柴油机的NOx排放量的影响是正向的，而氢、氧和氮的质量含量对柴油机的NOx排放量的影响是反向的。其具体影响情况如表6所示：
在实船实施柴油机NOx测试时，按照D2工况运行的发电副柴油机的NOx排放测试，可以安排在抛锚或停泊期间进行，但应确保在试验期间无货物的装卸，对于功率较大的用电设备应锁死在常态，确保船舶用电负荷的稳定，以免其自动起停影响试验效果；按照E2和E3工况运转的船舶主机的NOx排放测试，应安排在天气状况良好的情况下进行，以减少风浪对柴油机工作的状况的影响，确保测量精度。
【参考文献】
[1]《MARPOL73/78》公约附则VI.
柴油机NOX排放预测模型研究 篇7
由于SCR反应涉及到NOX排气氛围、催化剂及还原剂, 而还原剂的供给需要动态考虑NOX浓度、催化剂工作状况和氨气 (NH3) 泄漏量等实际情况。当还原剂喷射量不足时, 会使得NOX反应不彻底, 排气不达标;当还原剂喷射过量时, 浪费的同时使得NH3泄漏造成二次污染。所以, 还原剂喷射的控制是SCR技术应用所面临的一个重要问题。由于各种随机因素的存在, 目前通常根据发动机运行工况和MAP图计算NOX摩尔流量[10], 需要进行大量的实验标定, 而且存在着较大的误差。为此, 本文应用带有外部输入的GNAR模型 (GNARX) [11], 对柴油机NOX排放量进行预测预报, 从而为柴油机SCR系统尿素水溶液的喷射控制提供可靠依据。
1 柴油机SCR技术
SCR (selective catalyst reduction) 技术通过向柴油机排气管中喷入浓度为32.5%的尿素, 利用其分解产生的氨气 (NH3) , 在SCR催化转化器中和尾气中的NOX反应生成对环境无害的氮气 (N2) , 从而降低NOX排放量。这其中最为主要的化学反应包括:
1) 尿素的水解:
首先尿素液滴的水汽蒸发, 析出尿素颗粒, 之后分两步分解成NH3和CO2:
2) NH3选择性催化还原反应:
正常工况下, 催化转化器中的选择性催化还原反应可分为标准反应、快反应和慢反应, 其中标准反应和快反应为主要反应[12]。
标准反应:
快反应:
慢反应:
另外, 可能还有少量的NOX或N2O形成。如在排气温度大于400℃时, 钒基催化器中会有N2O形成。但由于形成量较少, 一般不予考虑。
SCR系统主要由尿素罐、尿素泵、压缩空气罐、计量供给装置、SCR控制器、尿素喷射装置、氧化催化器、SCR催化器和传感器等组成 (图1) 。
其中, SCR控制器的功能主要有:实时监测并记录系统的转速、温度、压力等参数;将采集到的实时参数代入控制算法, 计算所需的尿素喷射量, 根据计算量控制尿素喷射装置等。
由式 (1) -式 (4) 可知, 控制尿素喷射量的关键是知道NOX的确切摩尔流量, 而现在尿素水溶液的基本喷射量一般是根据发动机的运行工况, 通过查NOX排放的MAP图和排气流量MAP图, 计算NOX摩尔流量获得[13]。该计算基于这样一个假设, 即认为在同一工况下, NOX排放量基本不变。但由于实际情况下, 存在燃料品质不同、燃烧情况不同等问题, NOX排放量即使在同一工况下也不尽相同, 因此, 在柴油机实际运行中, 尿素喷射的控制, 需要对NOX排放量进行实时监测。
然而, 由于氮氧化物传感器存在延迟, 准确获知当前时刻的NOX摩尔流量并非那么容易, 且化学反应也需要时间, 并非瞬间完成。所以, 根据当前时刻NOX排放量, 建立准确可靠的模型, 预测下一时刻的NOX排放量, 为尿素水溶液的喷射控制提供依据, 有着很好的实际应用价值。
2 GNARX模型
式中:p为多项式展开的阶次;θ (i1) , θ (i1, i2) , …为模型参数;xt, i, 1 (j) 为向量xt, i, 1中的第j个元素;nw, j (j=1, 2, …, p) 为输出{wt}各项记忆步长;nu, j (j=1, 2, …, p) 为输入{ut}各项记忆步长;nv, j (j=1, 2, …, p) 为输入{vt}各项记忆步长;τu为系统输入{ut}的延迟;τv为系统输入{vt}的延迟。
同理, 式 (2) 还可以推广到多输入系统, 此处不再赘述。
GNARX模型的参数辨识用最小二乘法容易求得[11], xt, p表示模型的p次项, 则记:
于是, t时刻到t+k时刻的方程式写成:
参数最小二乘法估计为
式中:
GNARX模型结构的辨识, 包括模型阶次p的确定和记忆长度的确定, 这里应用修正的AIC准则[14]来确定模型结构, 通常取AIC值最小处对应的模型为适用模型。
式中:α, β, γ为重要度权系数;σm2为建模误差方差;σf2为预测误差方差;R是模型参数总量, 用来衡量模型复杂度;N为数据长度。
式 (9) 中, 与未修正的AIC准则[15]相比有两点改进:1) 引入预测误差σf2, 可以防止模型的过拟合;2) 引入了重要度权系数, 在具体建模过程中, 可根据现场要求的不同, 调整式权系数, 来满足实际建模需求。如模型用于滤波, 则可增加建模重要度权系数α;若模型以预报为主, 则可以增加预测重要度权系数β;而当现场侧重于建模实时性时, 则可以增加模型复杂重要度权系数γ。
3 柴油机NOX排放量预测应用
需要预测的NOX排放量是指进入SCR系统前的NOX排放量, 即NOX的原机排放量 (质量数据) 。数据来源于某公司300PS车用柴油机, 采用欧洲瞬态循环 (european transient cycle, ETC) 测试NOX排放量。测试数据中, 发动机分为3个工况, 如图2所示。
考虑到发动机工况为已知信息, 可以将其作为输入以提高预测精度, 因此采用GNARX模型对NOX排放量进行建模预测。综合考虑建模效率以及影响NOX生成的柴油机结构和性能参数、喷射系统参数、进气系统参数及燃油质量等因素, 选取NOX原机排放量作为GNARX模型的输出 (记作wt) , 净扭矩 (u1, t) 、增压机转速 (u2, t) 和油门踏板位置 (u3, t) 这3个序列作为GNARX模型的外部输入, 数据原始图见图3。
在建模之前, 首先需要对数据进行归一化处理, 采用线性函数转换, 表达式如下:
式中:yi为处理后的数值;zi为处理前的数值;zmin是zi (i=1, 2, …) 中最小值;zmax是zi (i=1, 2, …) 中最大值。
分别对3种工况建模, 每个工况600个数据, 前400个数据用作建模, 后200个数据用作预测和验证, 预测为一步预测。为作对比, 先用AR模型、GNAR模型、ARX模型建模预测NOX数据, AR最大搜索模型为AR (35) , GNAR最大搜索模型为GNAR (4;20, 3, 2, 2) , ARX最大搜索模型为ARX (18, 10, 0) 。各模型通过修正的AIC (重要度权系数暂取α=1, β=1, γ=1) 准则求取最优解, 将最终模型的各误差列于表1-表3中。
为比较建模预测效果, 定义如下衡量指标。
建模均方误差:
预测均方误差:
建模平均绝对百分比误差:
预测平均绝对百分比误差:
式中:yi为模型输出真值;为模型输出估计值;Nm为建模的数据长度;Nf为预测的数据长度。
表中, GNARX模型的建模过程如下:
1) 分别以净扭矩 (u1, t) 、增压机转速 (u2, t) 和油门踏板位置 (u3, t) 作为GNARX模型的单输入, 最大搜索模型取GNARX (4;0;20, 3, 2, 2;10, 5, 2, 2) , 通过修正的AIC准则求取最终模型, 并比较建模预测误差, 结果列于表1-表3中, 建模预测效果见图4-图6。
2) 三输入的GNARX模型将u1, t、u2, t和u3, t同时作为外部输入, 输入阶次与记忆步长同单输入的GNARX模型, GNAR最大搜索模型为GNAR (4;20, 3, 2, 2) , 同样用修正的AIC准则求取最终模型, 并将建模预测误差列于表1-表3中, 效果图见图4-图6。
建模预测结果分析:
1) 带外部输入的时序模型对NOX数据的建模预测效果明显优于仅仅以白噪声为输入的AR模型和GNAR模型, 说明了选取相关数据作为系统输入是合理有效的;
2) GNARX对NOX浓度的建模预测效果普遍优于AR、GNAR和ARX模型, 体现了GNARX模型建模预测的优越性和应用于NOX数据的可行性;
3) 三输入的GNARX模型的建模预测效果明显优于单输入模型, 体现了三输入GNARX模型的优越性, 验证了对于NOX数据, 取净扭矩、增压机转速和油门踏板位置这三组数据作为模型输入是合理可行的。
4 结论
结合柴油机SCR系统发动机运行工况已知的特点, 应用一种带有外部输入的线性/非线性自回归模型 (GNARX模型) 对柴油机NOX排放量进行预测。选取净扭矩、增压机转速和油门踏板位置三组数据作为模型输入, 其建模预测效果优于其他时序模型。
将GNARX模型应用于柴油机NOX的排放预测, 结果优于AR, GNAR和ARX模型, 可为SCR系统的尿素喷射量控制提供了可靠的数据支持。
柴油机废气排放控制技术新进展 篇8
关键词：柴油机,排放控制技术,选择性还原法,微粒过滤器,进展
0 前言
由于柴油机具有宽广的功率范围,高的扭矩输出和低的燃油消耗率,以及采用先进的废气排放控制技术,使其得到了广泛的应用。在重型动力装置中,柴油机占绝对统治地位;而在汽油机传统的应用范围,如小轿车等轻型车辆中,柴油机的应用也越来越广。特别是在欧洲,由于柴油的补贴政策、先进的电控喷射技术、严格的废气排放法规和先进的控制技术以及人们的环保意识,已有45%的轿车采用柴油机作为动力。我们主要论述了柴油机废气排放控制技术方面的新进展。
1 柴油机的有害排放物生成机理
与汽油机相比,柴油机的燃烧方式主要是扩散燃烧,过量空气系数大,空气充足,燃烧速率主要受可燃混合气形成速率的控制,混合比从零变化到无穷大,因此,柴油机的废气有害排放物主要是CO2,NO X,PM,而CO,HC较小。
1.1 C O2排放
CO2气体是近十年来在内燃机中开始进行控制的(以前主要控制工厂的CO2排放),它是一种温室气体,过多导致全球气温升高。石油燃料完全燃烧的最终产物是CO2和H2 O,因此,降低柴油机的CO2排放就是要降低燃油消耗,也就是说以少的CO2排放获得较大的功率输出。
1.2 N O X排放
柴油机废气中的NOX是NO,NO2,N2 O3,N2 O,N2 O5,N2 O4,NO3的总称,其中,主要是NO,NO2,其他成分可以忽略,而NO占90%,NO2占10%,因此,柴油机中的NOX排放主要指NO的排放。
柴油机中NO的来源有两个,一是大气中的氮转化而来,一是燃料中的氮转化而来。由于柴油中氮的含量很低(质量百分比不到0.2%),对NO的贡献可以忽略不计。燃烧过程空气中NO的生成来自火焰中“瞬发”形成和焰后区形成的NO,而火焰中“瞬发”形成的NO量很少,主要是焰后区形成的NO。目前,公认的焰后区形成的NO是1946年原苏联学者Zeldovich提出的NO生成机理,他认为高温分解所产生的氧原子引发了NO生成的连锁反应。
其中,式(1)反应的活化能最高,E=315 932 J/mol,它是控制NO生成速率的关键反应。根据Zeldovich的NO生成机理,影响焰后区的NO生成的主要因素是焰后区的温度、氧原子浓度和反应时间,前两个因素决定了式(2)的反应速率,后一个因素决定了整个链反应的有效时间。也就是说,NO的生成条件是高温、富氧以及反应时间。
1.3 PM排放
PM(Particulate Matter)是柴油机排放的微粒物的总称。柴油机废气中的PM主要有碳、碳氢化合物、硫酸盐、含金属元素的灰分等组成。含金属元素的灰分来源于各种添加剂和运动件摩擦产生的磨屑,硫酸盐主要由柴油中硫分转变而成。柴油机废气中的PM主要是以碳为主要成分的固体颗粒,它们是燃烧不完全产物,以碳为主要成分的固体颗粒常称为碳粒子。其中,气相燃烧过程产生的碳粒子一般称作碳烟,而液相燃料热裂解生成的碳粒子一般称作煤焦或煤胞,显然,柴油机中燃烧是气相反应的结果。柴油机废气中的PM组成见表1。
一般认为,碳烟粒子最终取决于其生成量与氧化量之差,碳烟的形成过程(见图1)经历成核、表面增长和凝聚、积聚几个阶段,而氧化过程始终存在,排气中碳烟量的多少是燃烧室内碳烟生成与氧化相互竞争的结果。
2 柴油机有害排放物的控制技术
由于环境污染日益严重以及对能源危机的担忧,世界各国制订了日益严格的柴油机废气排放法规,深受汽车尾气污染的美国加州和环保意识很强的欧洲是世界上排放法规最严格的地方。一方面是有害物的排放限值越来越低,另一方面是限制的排放物种类越来越多。图2、图3、图4是欧洲对柴油机有害物(CO2,NOX,PM)排放限值的变化。严格的排放法规是柴油机排放控制技术进步的动力,促使各柴油机制造公司不断研制新的废气排放控制技术,优化燃烧过程。在柴油机三种主要有害物中,降低CO2排放与提高柴油机的燃油经济性一致,而降低NOX和PM的措施有时相互矛盾。下面综述降低CO 2,NOX,PM排放的新措施和进展。
2.1 CO 2排放控制技术
凡是能够提高柴油机燃油经济性的措施,均能降低CO2的排放。传统的改善燃烧效率的措施,如采用DI燃烧室,废气涡轮增压并中冷,改善进气涡流,提高喷油压力等。现在各大柴油机燃油系统制造公司如德国的Bosch,Siemens,日本的Denso,ISUZU,美国的Caterpillar研制的电控燃油系统,特别是高压共轨电控燃油系统(见图5),不但可以实现高压喷射,目前最高可达1 800 MPa,而且可以根据工况控制喷射定时、喷射周期和喷射规律。例如,可以将喷射期分为引燃喷射、主喷射和后喷射(见图6),能同时降低柴油机的燃烧噪声和CO2,NO X,PM排放。
2.2 N O X排放控制技术
如前所述,NOX的生成条件是高温、富氧以及反应时间,因此,降低燃烧温度、减少氧浓度和反应时间,是减少排放的措施。降低NOX的排放,除了优化柴油机的设计参数外,机内净化措施主要是采用废气再循环技术EGR和优化运行参数(电控)。机外净化措施的最新技术是采用选择性催化还原技术(SCR)。
2.2.1 废气再循环技术(EGR)
所谓EGR就是将一部分废气引入到进气中,再次参加柴油机的热力循环。EGR方法主要是利用废气有较大的热容量来降低最高燃烧温度,并降低氧气浓度,从而达到降低NOX排放目的。废气再循环量要适当,要随柴油机的工况变化而变化,控制精度要求较高。同时,采用EGR虽然NOX排放量降低了,但同时提高了PM的排放量,动力性和经济性也有所下降,这些问题在机械控制式柴油机中无法解决。在电控柴油机中,通过电控单元控制喷油率和喷油规律,同时根据柴油机工况控制EGR量,如ISUZU公司研制的电控的连续控制的EGR系统,电控单元同时控制EGR阀和进气节气门,能较好地协调NOX和碳烟的排放(见图7),但动力性会有所影响。
2.2.2 选择性催化还原技术(SCR)
如果能将废气中的NOX通过化学反应,变为N2即可以降低NOX,这是选择性催化还原技术(SCR)的基本思想。20世纪20年代末有人提出将NO直接催化分解成氧气和氮气的方法,此种方法简单,操作费用低,缺点是氧气的存在使得NO的转化效率非常低;另一种方法是在还原剂的存在下将NO催化还原成氮气,由于柴油机废气中存在氧气,所以要求还原剂能够有选择地还原NO而不是与氧气发生燃烧反应,这就是选择性催化还原SCR(Selective Catalytic Reduction Method)的由来。还原剂一般采用柴油或者尿素的水溶液(也有用烃作为还原剂,在锅炉燃烧技术中也称为烃类SCR烟气脱硝技术),采用柴油作还原剂要求柴油的硫含量很低,现在正在研发中;采用尿素水溶液作为还原剂,实际上将尿素进行水解,产生氨,真正的还原剂是氨,氨将废气中的NOX还原成N2。其化学反应方程式如下所示。SCR法的组成见图8。
在SCR技术中,在电控单元的控制下,尿素泵将尿素溶液(欧洲开发了一种叫Adbiue的尿素溶液)从尿素罐中抽出,加压、过滤后送到计量喷孔,压缩空气经电控单元调压后也送到计量喷孔。当计量喷孔打开时,尿素溶液在压缩空气的引射下喷出,和压缩空气一起进入废气中,在催化剂的作用下,有选择性地将NO还原成氮气,此法NO的转化效率很高,高达85%,可以达到欧V标准。在使用SCR法时,车辆上要装备一个尿素罐,车辆每百公里要消耗1~2 L尿素,因此,要布置尿素加注站。另外,尿素溶液在-11℃时会结冰,在-90℃时会出现结晶体,因此,欧洲专门设计了一种可以加热、接口与加油管不同的SCR软管。
2.3 P M排放控制技术
降低PM的排放,一是降低PM的生成,如减少扩散燃烧的比例,提高扩散速度,降低扩散火焰温度等;二是提高PM的氧化速率,如提高气体温度,增加含氧量,增加燃烧时间等。机内净化措施主要是完善柴油机的燃烧过程,如高压喷射、增压中冷、加强空气涡流等。但是,由于柴油机的燃烧特点,在现有的条件下,尚不可能完全消除液滴燃烧。因此,仅仅利用机内净化措施无法满足日益严格的排放法规要求,必须采取PM后处理技术。目前,主要采用氧化催化剂技术DOC和PM过滤器DPF。
2.3.1 氧化催化技术DOC
DOC主要是处理柴油机废气中的HC,CO和PM中的SOF,将它们氧化成CO2和H 2O,要求的反应温度低,只要250℃(柴油机废气温度一般在300~500℃)以上便可以将它们氧化,氧化效率高达90%。催化剂一般由Pt,Pd等贵重金属组成,并浸在载体表面上。采用DOC对燃油的硫含量要求很高,因为一方面会因为燃油中硫转化为硫酸盐而增加颗粒排放量,另一方面硫酸盐会导致催化剂中毒,一般要求硫含量低于0.005%(质量比)。从国外特别是欧洲柴油机废气治理的情况看,采用DOC,可以达到欧IV标准。虽然DOC可以将HC,CO和PM中的SOF氧化成CO2和H2 O,但却不能氧化PM中的干碳烟(Soot),因此,仅仅采用DOC不能满足PM的排放法规,而必须采用PDF。
2.3.2 PM过滤器DPF
将柴油机废气中的微小颗粒过滤掉,过滤材料必须十分细密,同时要求有较低的排气背压,并能连续再生。现在,一般采用蜂窝陶瓷PDF,蜂窝陶瓷PDF具有较高的过滤效率,耐高温。PDF过滤后,必须及时将颗粒烧掉,也就是再生。再生技术有多种方法,如进排气节流再生、喷油助燃再生、逆向喷气再生、连续再生、燃油添加剂辅助再生等。采用DOC,提高排气温度,然后在燃油添加剂或PDF辅助催化剂的作用下燃烧过滤体内的颗粒物,是一种很有前途的PDF,如五十铃正在研发的连续再生式柴油颗粒过滤器就是此种PDF,见图9。
3 结束语
柴油机的最大优点是其低的比油耗(相应的CO2低排放)、宽广的功率范围,经久耐用。噪声和高的NO,PM(是汽油机的几十倍),是人们对其诟病的主要原因。特别是汽油机使用三元催化剂后,CO,HC和NO可以降低90%以上,柴油机面临的压力越来越大。目前,采用电控技术、高压喷射、增压中冷、直喷化,在进一步降低油耗的同时,噪声也得到了很好的改善。在降低NO排放上,传统上采用EGR,但它增加了PM的排放,目前开发的SCR是降低NO的有效方法。改善燃烧的方法,均能降低PM,但是,要达到严格的排放法规要求,则必须采用连续再生微粒过滤器。SCR结合PDF可以达到欧V的要求。但随着人们对大气污染“零容忍”的认可,柴油机面临的压力更大,目前国外进行的均质混合压缩点火燃烧技术HCCI是一种很有前途的技术,可以仅仅采用DOC便可以满足非常严格的排放法规要求。同时,采用清洁能源技术也是降低柴油机排放的有效手段。
柴油机排放 篇9
柴油机颗粒物排放对人体的危害正日益为人们所重视。1989年国际癌症研究组织(IARC)指出柴油机的颗粒排放物对实验动物具有致癌性和对人类具有潜在的致癌作用[1]。研究表明,不同直径的微粒对人体健康的危害程度是不同的,微粒粒径越小,悬浮于空气中的时间就越长,更容易经呼吸道深入到人体肺叶中,在人体中的滞留时间也越长,危害也就越大[2]。因此,在国内外柴油机常规排放研究中,除了根据法规要求对颗粒物质量总量进行监控外,对于颗粒物数目和颗粒粒径分布也给予了越来越多的关注。从文献[3]可知,颗粒物的成形原理可分为两类,即核态颗粒和聚集态颗粒。核态颗粒主要是由H2SO4凝核生成,而聚集态颗粒则是在燃烧过程中燃油不完全燃烧所残留的碳颗粒聚集而成。同时,由于成形原理的不同,聚集态颗粒的粒径比核态颗粒要大,二者的分界在粒径30～60 nm之间,根据发动机及工况的不同各有区别。
生物柴油为绿色、可再生的柴油机代用燃料,具有无毒、高生物降解率等特点,还可以与石化柴油进行任意比例的混合,在基本不改变发动机结构参数的前提下燃用,具有比柴油更佳的排放性能(NOx除外)。因此,生物柴油目前已在欧美等国家得到了广泛的应用和研究[4,5,6] 。而国内对生物柴油的应用也开展了一系列的研究,包括生物柴油车的道路试验、冷起动试验和发动机动力性、经济性和排放特性等试验[7,8,9]。但对于生物柴油的颗粒粒径分布的研究相对较少,特别是针对高压共轨喷射系统的国-Ⅲ柴油机,鲜见报道。本文在国-Ⅲ共轨柴油机上,对生物柴油和柴油混合燃料的排放颗粒物粒径分布进行了研究。
1 试验系统及方法
1.1 试验系统
表1为试验用发动机主要技术参数。发动机包括:高压共轨喷射系统、增压中冷系统、中冷EGR系统、二级氧化催化器等。
试验系统如图1所示,主要由7部分组成:共轨柴油机、AVL台架控制系统、AVL735油耗仪,AVL多组分气体分析仪、CO2气体分析仪、自制部分取样稀释风道和扫描迁移率粒度分析仪(SMPS)。其中,AVL多组分气体分析仪可同时测量HC、CO、NOx、PM等各项法规要求的排放物数据,以及多项非标气体的数据。SMPS是试验的主要测量仪器,它提供采样气体内不同粒径颗粒物的粒径分布数据,测量范围为7～1 000 nm。稀释风道的取样管路和稀释管路均采用绝热处理,以减少颗粒传输过程中的热泳损失。稀释空气采用高效空气过滤器过滤。稀释系统的稀释比采用柴油机产生的CO2作为示踪气体,主要包括:排气中的CO2浓度 E(由FTIR测量)、稀释空气的CO2浓度 A和混合气体的CO2浓度 M,由CO2分析仪测量(精度0.01 %)。稀释比(Dr)按照下式计算:
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1.2 燃料特性
试验采用的生物柴油原料是地沟油、柴油为0号柴油,相关特性测试结果如表2所示。与普通柴油(B0)相比,纯生物柴油(B100)的含氧量约为11%,生物柴油的硫含量仅为柴油的0.5 %左右,而低热值比柴油约低10 %。试验燃油混合比分别为B0、B40、B60、B100(数字代表混合燃料中纯生物柴油所占的体积百分比)。
1.3 试验方法
试验转速为2 000 r/min,扭矩分别为50、100、150、200 N·m,试验前SMPS采用标准粒子标定,测量范围为10～360 nm,颗粒数量排放数据均在发动机工况稳定后测试,测量点位于两级氧化催化器之后。试验时发动机未做任何改动和调整,试验前两级氧化催化器均进行换新。
2 试验结果及讨论
在比较生物柴油与柴油粒径分布前,首先对燃用普通柴油时颗粒粒径分布进行测量,如图2所示。随着负荷的增加,颗粒的粒径分布从单态分布转为双态分布,在100 N·m工况下开始出现核态颗粒,升高到150 N·m后颗粒粒径分布形态趋于饱满。双态的分割点在50 nm左右。此结果与国内外学者的研究结果基本一致[3,10]。峰值<50 nm的颗粒属于核态颗粒,峰值>50 nm的颗粒属于聚集态颗粒。而聚集态颗粒的粒径分布基本不受负荷变化影响。颗粒粒径分布的变化主要位于核态(<50 nm)。负荷为50 N·m时的核态颗粒数量仅为200 N·m时峰值的千分之一,并且未出现核态峰值。当负荷增加到100 N·m,核态颗粒峰值开始出现,并随着发动机负荷的增加,核态颗粒粒径分布范围逐渐增大。国外试验研究表明,核态颗粒的主要成分是H2SO4凝核生成,由于燃油中含有硫成分,在燃烧过程中会形成SO2,通过氧化催化器转化成SO3,与排气中的H2O结合形成水化物硫酸[11]。本文认为当发动机低负荷运行时,排气温度比较低,使得催化器效率过低,不能有效转化SO2;随着负荷的增加,排气温度逐渐升高,越来越多的SO2被转换成SO3,形成核态颗粒峰值。
图3和图4分别为负荷在200、50 N·m时,燃用不同混合比生物柴油测得的颗粒排放物粒径分布情况。随着混合比的不断升高,聚集态颗粒的数量浓度有一定程度的下降。这是因为随着混合比的提高,生物柴油的含量逐步增加,燃油中的含氧量不断增加,改善了燃烧过程,减少了碳颗粒的生成,因而以碳颗粒为主体的聚集态颗粒相应减少。
经过硫含量的线性插值估算可知,B60燃油的含硫量约为480×10-6,由图3可见,颗粒物排放仍存在核态峰值。使用含硫量280×10-6的燃油进行相似试验时也存在核态峰值[11]。而当生物柴油混合比增加到100 %时,颗粒物粒径分布形态由双峰分布变为单峰分布,核态颗粒的排放峰值消失了。这主要是由于燃油中的硫成分在燃烧过程中所产生的H2SO4是核态颗粒物的主要成分,而B100生物柴油的硫含量仅为64×10-6。因此,燃料中硫含量的大幅度减少使得H2SO4生成量极少,从而导致了核态颗粒物峰值的消失。
3 结论
(1) 国-Ⅲ共轨柴油机颗粒物排放呈双态分布(核态颗粒和聚集态颗粒),基本以50 nm颗粒为界。随着发动机负荷的增加,燃用石化柴油的颗粒粒径分布从单态转变为双态,这是由于排气中的SO2被催化器氧化为SO3后,进一步形成了微小的硫酸颗粒。
(2) 在2 000 r/min、200 N·m工况下,当混合燃料的混合比<60 %时,颗粒物排放呈明显的双峰分布,纯生物柴油为聚集态单态分布。在50 N·m工况下,所有燃料均为聚集态单态分布。试验结果表明燃料硫含量直接影响柴油机核态颗粒的形成。
(3) 生物柴油是含氧燃料,在低、高负荷时均可明显降低聚集态颗粒的数量浓度。
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柴油机尾气排放及控制措施的探讨 篇10
与汽油机相比, 柴油机具有油耗低、CO2排放量小的优点。但柴油机的尾气中有害成分较多, 主要包括CO、NO、HC、SO、PM颗粒等。这些有害成分的形成取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程。而整个过程是由喷油、气流、燃烧系统和缸内工作特性的配合决定的。柴油机净化的关键是有效地消除NOX和微粒碳烟的生成量。而恰恰这两项排放物的生成规律是互相矛盾的, 任何一个单项措施都有它的负面影响, 最好是多项措施综合应用, 达到有害成分的最小化。下面我就柴油机尾气排放控制采取的措施进行简单的探讨。
一、改善燃油品质
若增加柴油的十六烷值, 能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO、和NOX的排放, 十六烷值越高, 点火质量越好。降低芳香烃和燃油中的含S量, 能降低各种有害成分的排放。另外, 通过在柴油中加入富氧添加剂的方法, 也能达到一定的减排效果。
二、采用柴油机内净化技术
柴油机内净化是对燃烧过程进行优化, 使发动机气体混合均匀, 燃烧充分, 工作柔和, 减少排放。主要是改善油气混合气, 使过量空气系数控制在0.6～0.8之间, 达到减少NO和碳烟生成的目的。
三、改进燃烧系统
柴油机的最佳喷油提前角是从动力性和经济性角度考虑的, 通过推迟喷油, 使速燃期的预混燃烧量减少, 燃烧中最高压力和温度降低, 从而大大减少NOX的排放量。同时, 也可以在主喷射之前喷入少量的燃油, 进行预喷射, 还可以采用多次喷射的方法, 即预喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射, 以达到降低NOX和PM颗粒排放的目的。
四、废气再循环
废气再循环是将一部分排气导入进气系统中, 和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧, 通过降低燃烧室的最高温度来降低NOX的排放, 在柴油机中废气再循环率过小, 效果不明显, 过大又会使PM、CO排放不正常地加大, 动力性和经济性变坏。因此废气再循环必须根据发动机状况要求进行控制。
五、代用燃料的使用
采用代用燃料是控制柴油机尾气排放的重要方法之一。目前, 代用燃料主要有甲醇、乙醇、天然气、氢燃料及复合燃料等, 其中天然气、甲醇被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。天然气成本低, 储量丰富, 不需雾化, 燃烧充分, 尾气中CO含量较低, 但动力略低。甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点, 但甲醇的十六烷值低, 着火性差, 需要加装点火装置。
柴油机排放 篇11
一、检测方法
与其它检测方法不同的方法地方在于怠速法及双怠速法是发动机在不附加外负载的状态下检测，而稳态工况检测法是发动机在附加一定外负载状态下进行检测，这样更贴近汽车运行情况的真实性。其检测方法分为ASM5025工况和AsM2540工况检测。具体方法如下：
1、SM2540工况检测，车辆经预热，使车辆各项技术指标达到规定值后，将车辆驶到底盘测功机上，将尾气分析检测仪探头插入排气管400mm左右深度，将变速器置入二至三档，或自动挡车辆置入前进档。车辆在时速25km直接加速至时速40km，底盘测功机以车辆速度为时速40km，加速度为1.475／s2输出功率的25％作为设定功率对车辆加负载，使车辆保持在时速40km±1.5km／h车速5秒后开始检测，待10秒后进行10秒的快速工况检测，车辆运行到90秒后结束ASM2540工况的检测，并自动打印检测结果，然后进行下一个工况的检测。
2、SM5025工况检测
根据上述程序，将车辆加速至时速为25km左右，底盘测功机以车辆速度为时速25km，加速度同样为1.475／s2的速度值为输出功率的1／2作为设定功率，对车辆施加负载，使车辆保持在时速25km／n±1.5km／h车速5秒后开始检测，待10秒后进行快速工况检测，车辆运行到90秒后结束该工矿的检测，并自动打印结果，然后取出检测探头，汽车驶下检测仪，稳态工况检测结束。
在检测过程中，计算机自动测取数值，自动标准判定数据(计算机已设定国Ⅳ标准值)，且由于发动机已附加外负载，模拟了汽车行驶中的状况，所以这种检测方法是汽车运行状况中废气排放的近似再现值，是一种较为科学合理的检测结果，是对一辆汽车排放值的客观检测。
二、检测结果超标的原因分析
依据多年维修经验和实践证明，排放超标的主要原因大致可归纳为四种原因，
1、空气滤清器脏，喷油器脏或喷油量低，喷油压力低，造成过量充气系数失准，此类原因主要是汽车维护不及时造成。
2、发动机工作不正常，某缸缺火或点火过弱及瞬间缺火现象，造成可燃混合气不能完全燃烧，炭氢化合物排放值超标。
3、空气滤清器，喷油器太脏，三元催化转化器失效，一是过量充气系数失准，二是三元催化转化器失效后，起不到应用作用。
4、气门、喷油器进气门过脏。一是进气阻力加大，进入气缸新鲜空气少，二是喷油器断油不及时，同样是过量充气系数失准。三是氧传感器失效无法检测到正确的废气排放中的含氧量数据，进而更无法控制发动机的工作循环及工作过程。
三、超标治理方法
根据以上分析得知，对车辆的正确使用，定期检测强制维护，视情修理，及时排除故障是控制尾气超标排放的有效手段。基此，对超标排放的车辆应遵照先易后难、先外后内的原则逐项检查排除，方法如下：
1、先要确保进气系统的道路畅通，保证有正确的过量充气数值，一般情况下每5000km更换一次三芯，必要时缩短更换清理周期，定期检测空气流量计传感器的工作情况，如有故障，及时更换。
2、确保供油系统工作正常检查供油压力是否正常，节气门、喷油嘴是否太脏，喷油器针阀是否有滴油及雾化不良现象，发现问题及时处理。
3、确保点火系统工作正常，包括检查，点火电压、点火提前角、火花塞、火模板、高压线束等相关电器机件正常。
4、确保氧传感器及三元催化转化器工作正常。经常检查氧传感器的工作性能是否处于良好状态。因为它是废气排放中的主要检测传感器，如果传感器失效，ECV就无法检测数据，进而无法通过计算机对此控制发动机的工作状态。三元催化转化器是控制废气排放的最后一道安全屏障，它有可能堵塞、铅中毒失效，也应在每行驶20000km时进行检测。如果误加入含铅汽油，会直接产生铅中毒现象，从而使其失效，如发现上述问题一定要及时更换三元催化转化器。
柴油机排放 篇12
本文综述了近年来生物柴油污染物排放特征的研究结果, 以及使用生物柴油对环境和人类健康影响的研究, 从环境和人类健康的角度出发, 提出生物柴油使用中一些值得重视的问题。
1 生物柴油污染物的排放特征
柴油机排放尾气成分复杂, 包含气态和颗粒态的多种成分, 其中NOx、气态碳氢化合物 (HC) 、CO和颗粒物是环保法规所限制的常规污染物, 而NOx和颗粒物是柴油机排放的主要污染物, 也是柴油机污染排放控制技术关注的要点和难点[11]。由于生物柴油主要以与普通柴油掺混的方式使用, 因此对生物柴油的污染物排放特征的研究, 都以普通柴油为基准, 对比使用生物柴油带来的污染物排放的变化。
1.1 气态污染物
Lapuerta等[7]综述了生物柴油对柴油机排放NOx、颗粒物、HC和CO的影响趋势, 并探讨了产生变化的原因。文章重点介绍了美国环保局 (EPA) 于2002年公布的一份关于使用生物柴油对柴油机排放影响的技术分析报告。该报告指出, 与普通柴油相比, 随生物柴油掺混比例的增加, 柴油机排放的颗粒物、CO和HC逐步减少, 其中HC的减少幅度最明显, 而NOx则随生物柴油掺混比例的增加略有增加。当使用大豆油为原料的生物柴油时, 与普通柴油相比, 混合柴油B20排放的颗粒物、HC和CO分别减少了10.1%、21.1%和11.0%, 而NOx增加了2.0%。
NOx是柴油机排放的两大污染物之一, 目前对生物柴油增加NOx排放这一现象的原因还未完全清楚, 但可以肯定是由于生物柴油和普通柴油在燃料性质上的差异引起的[7,12,13]。 Szybist等[12]研究表明, 降低原料油中不饱和脂肪酸的比例, 以及添加提高燃料十六烷值的添加剂, 可消除生物柴油增加NOx排放量的负影响。Mccormick等[13]的研究数据表明, 生物柴油的沸点高于普通柴油, 是导致NOx排放增加的原因。Tsolakis [14]在配备了废气再循环 (EGR) 系统的发动机台架上测试了大豆油生物柴油的NOx排放量, 结果表明, EGR技术与生物柴油的使用降低了柴油机的NOx和颗粒物排放量。
1.2 颗粒物
使用生物柴油可以降低柴油机的颗粒物排放量。Lapuerta等[7]探讨了生物柴油降低颗粒物排放量的原因。总的来说, 生物柴油约11% (质量分数) 的含氧量是降低颗粒物排放量的最主要原因。目前, 生物柴油降低颗粒物排放量的机理还不完全清楚, 但对含氧柴油的研究显示, 一般情况下柴油机颗粒物排放量降低的幅度随柴油含氧量的增加而增大[15]。柴油机颗粒物成分复杂, 大部分为碳质组分, 主要为有机碳 (OC) 和元素碳 (EC) 。柴油机颗粒物是城市大气中EC的主要来源, 而OC中则包含了多环芳烃 (PAHs) 等对人体危害极大的物质[16,17,18,19,20]。目前环保法规对柴油机颗粒物排放只进行质量控制, 由于柴油机排放的颗粒物对大气环境和人类健康有重要影响, 研究者在关注降低柴油机颗粒物排放质量的同时, 越来越意识到, 颗粒物的一些理化性质, 包括颗粒物的数量、粒径分布和化学组成等远比颗粒物排放质量更为重要。
柴油机排放的颗粒物主要为粒径小于2.5 μm的细微颗粒物, 其中包含大量的超细微颗粒物 (粒径小于0.1 μm) [20]。典型的柴油机排放颗粒物中, 粒径在0.1～0.3 μm的聚积态颗粒物占颗粒物质量的绝大部分;而粒径在0.005～0.050 μm的成核态颗粒物虽仅占颗粒物质量的1%～20%, 却占颗粒物数量的90%以上[20]。细微颗粒物比大颗粒物更难沉降, 其比表面积大, 容易吸附有害物质, 也容易沉积于人的肺泡上, 同时细微颗粒物也是影响大气能见度和全球气候的重要因素, 因此细微颗粒物比大颗粒物对环境和人类的危害性大。目前关于生物柴油对颗粒物排放的颗粒物数量、粒径分布影响的研究较少。有研究者[7,21,22]发现生物柴油增加了柴油机排放颗粒物中的细微颗粒物数量。Tsolakis[14]通过静电低压撞击器 (ELPI) 发现菜籽油生物柴油与超低硫柴油相比, 提高了空气动力学直径在0.091 μm以下的颗粒物浓度。Krahl等[22]发现大豆油生物柴油与普通柴油相比, 增加了粒径在10～40 nm的颗粒物数量, 减少了粒径大于40 nm的颗粒物数量。还有研究者[23,24,25]通过扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪 (SMPS) 发现与普通柴油相比, 生物柴油排放颗粒物的平均粒径减小。
柴油机排放颗粒物分为可溶性有机成分 (SOF) 、碳黑和硫酸盐3部分[6,26]。生物柴油排放颗粒物中, SOF的比例普遍高于普通柴油排放的颗粒物[6,7]。柴油机催化氧化系统是使用最早和最广泛的柴油机后处理装置, 不但可氧化去除柴油机排放尾气中的CO、HC, 还可去除柴油机排放颗粒物中大部分的SOF[27,28,29]。由于生物柴油排放颗粒物中SOF比例增加, 在氧化催化剂存在的条件下, 对颗粒物排放量的削减大于普通柴油为燃料时的情况[29]。
柴油机排放颗粒物过滤器 (DPF) 是主要的颗粒物净化手段[30]。Jung等[25]发现大豆油生物柴油排放颗粒物的氧化动力性高于普通柴油, 有利于DPF的再生。Williams等[31]考察了分别以超低硫柴油、大豆油生物柴油B100及它们的混合柴油B20为燃料时, DPF的主要工作参数。研究表明, B20的平衡点温度比超低硫柴油低45 ℃, B100的平衡点温度比超低硫柴油低112 ℃, 有利于DPF在较低的温度下再生, 明显提高了DPF的再生速率;瞬时排放测定结果表明, 同样经过DPF, 混合柴油B20的颗粒物排放质量比超低硫柴油低67%。Boehman等[32]发现生物柴油排放的颗粒物与普通柴油排放的颗粒物相比, 氧化反应活性更高且具有更多的不定形纳米结构, 混合柴油B20降低了DPF再生的起燃温度, 主要原因归于生物柴油增加了NOx排放量, 颗粒物中SOF比例增加和颗粒物中不定形纳米结构增加提高了颗粒物的氧化速率。
1.3 生物柴油化学组成与排放的关系
生物柴油的原料来源具有地域性的特点, 在欧洲以菜籽油为主, 而北美则以大豆油为主。生物柴油的价格受原料价格控制, 随着生物柴油生产规模的扩大和需求的增加, 原料油价格上涨。近年来, 开发利用棕榈油、麻疯果油、微藻油等作为生物柴油的原料在一些食用油短缺的国家备受关注[4]。有研究者也在积极开发使用餐饮废油等为原料生产生物柴油的技术[33]。各种不同的生物柴油原料, 其化学组成会有一定差异, 如大豆油和菜籽油, 主要成分为油酸和亚油酸, 但大豆油中亚油酸比油酸含量约高2倍, 而菜籽油中油酸比亚油酸含量约高3倍[34]。Mccormick等[35]研究了原料和化学组成对纯生物柴油及混合柴油B20污染物排放特征的影响, 分析了燃料密度、十六烷值和代表不饱和脂肪酸含量的碘值对NOx和颗粒物排放量的影响规律。研究表明, 生物柴油的碘值与NOx排放有较好的正相关, 在十六烷值大于45、燃料密度低于0.89 g/cm3的条件下, 颗粒物排放量的降低幅度与燃料含氧量高低成正比。
1.4 非常规污染物
柴油机排放污染物成分复杂, 包含了一些对大气环境和人类健康影响较大的非常规污染物, 如多环芳烃 (PAHs) 、含氧碳氢化合物等。研究发现, 菜籽油、大豆油等作为原料的生物柴油降低了柴油机的PAHs排放量[6,7]。Sharp等[36]考察了纯大豆油生物柴油B100、混合柴油B20和普通柴油排放尾气中的醛、酮、醇及颗粒物态和半挥发态的PAHs和硝基多环芳烃 (nitro-PAHs) 的排放情况, 发现生物柴油减少了C1～C12的CH、醛、酮、PAHs和nitro-PAHs的排放量, 消除了某些nitro-PAHs组分, 混合柴油B20也降低了这类排放, 但是降低幅度小于纯生物柴油, 并随发动机类型的不同而有所差别。Corrêa等[37,38]分析了蓖麻油生物柴油在不同掺混比例下尾气中单环芳烃 (MAHs) 和PAHs的排放量, 发现生物柴油掺混均降低了MAHs和PAHs排放量, 降低幅度随掺混比例上升而增加。Lin等[39,40]分析了棕榈油生物柴油的PAHs排放量, 发现生物柴油明显降低了PAHs排放量。Yang等[41,42]分析了以餐饮废油为原料的生物柴油的PAHs排放情况, 发现混合柴油B20使总PAHs排放量 (包括气态中的和颗粒物中的) 降低了46.4%;在发动机的稳定性测试中, 混合柴油B20的总PAHs排放因子也低于普通柴油。
柴油机尾气中的含氧CH中, 最受关注的是醛酮类羰基化合物, 而其中以甲醛、乙醛、丙酮所占比例最大[43]。这些组分是光化学过程中形成臭氧的前驱体, 对大气光化学过程有重要影响[44]。一般认为, 由于生物柴油是含氧燃料, 因此有可能增加尾气中含氧CH的排放量[6,7]。Turrio等[45]研究发现以菜籽油为原料的混合柴油B20的总羰基化合物排放量比普通柴油高19%。Corrêa等[46]发现蓖麻油生物柴油在一系列掺混比例下, 尾气中的总羰基化合物排放量均高于普通柴油, 除苯甲醛之外, 其他羰基化合物排放量均呈上升趋势。但也有研究者发现, 生物柴油降低了醛类物质的排放量。Peng等[47]考察了以餐饮废油为原料的生物柴油对柴油机醛类物质排放量的影响, 发现混合柴油B20降低了总醛排放量, 使甲醛排放量明显降低。影响生物柴油含氧CH排放量的因素很多, 生物柴油对醛类排放量的影响还可能与生物柴油的品质相关。在生物柴油生产过程中, 由于甲醇或乙醇的残留, 有可能使排放尾气中甲醛或乙醛增加。Peng等[48]在使用5% (质量分数, 下同) 乙醇、20%大豆油生物柴油和75%普通柴油的3组分混合柴油时, 发现排放尾气中总羰基化合物含量比普通柴油高1%～22%。
2 生物柴油污染物排放对环境和人类健康的影响
柴油机尾气中含有气态及颗粒物态的PAHs和nitro-PAHs等, 被认为是在高浓度、长期暴露下对人体有致癌作用的物质[49,50]。生物柴油的污染物排放特征与普通柴油存在差异, 它们对人类健康的影响也有所不同。目前, 关于生物柴油排放污染物的细胞毒性和致突变性的研究较少。Swanson等[50]阐述了研究生物柴油排放物对人类健康影响的必要性。从目前的研究数据看, 生物柴油对与人类健康相关的一些污染物的影响特征与普通柴油有所不同, 生物柴油排放物中致突变活性主要来自于SOF[49,50]。Bünger等[51,52,53,54]对生物柴油和普通柴油排放颗粒物的致突变性、细胞毒性进行了对比研究, 他们发现, 大豆油生物柴油和菜籽油生物柴油所排放颗粒物中的碳黑和PAHs少于普通柴油排放的颗粒物[51];与普通柴油相比, 菜籽油生物柴油降低了颗粒物的致突变性, 但在发动机怠速情况下, 生物柴油排放颗粒物的细胞毒性大于普通柴油, 他们认为生物柴油颗粒物中PAHs组分的减少是颗粒物的致突变性低于普通柴油颗粒物的原因, 而附着在颗粒物表面的羰基化合物以及未燃烧的燃料则使得生物柴油颗粒物的细胞毒性较大[52,53];对一系列混合比例的生物柴油和普通柴油混合燃料的研究显示, 苯排放量随着生物柴油掺混比例的增加而增加, 菜籽油生物柴油排放的以醛类和烯烃为主的臭氧前驱物比普通柴油高10%～30%, 但生物柴油颗粒物的致突变性低于普通柴油[54]。以上都是对生物柴油排放颗粒物在细菌诱变性层面上进行的研究, 而生物柴油排放对生物个体影响的研究极少, 仅有Finch等[55]报道了F344大鼠对纯大豆油生物柴油为燃料的柴油机尾气排放的亚慢性吸入暴露的系统研究结果。
3 结语