柴油机排放控制（共12篇）
柴油机排放控制 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。
柴油机排放控制 篇2
在整车转鼓上对直列4缸SAME 4G63电控汽油机的冷起动空燃比以及THC排放进行了测量.通过试验,研究了由于不同的`空燃比控制方案引起的THC排放变化的趋势.研究结果表明,最佳的冷起动空燃比方案应将起动空燃比控制在11.7~12.4之间,实际空燃比向理论空燃比回归的速率将对THC排放的生成产生重要影响.
作 者：张隽 刘雅琴 李理光 Zhang Jun Liu Yaqin Li Liguang 作者单位：张隽,刘雅琴,Zhang Jun,Liu Yaqin(德尔福科技研发中心,上海,31)
李理光,Li Liguang(同济大学汽车学院,上海,04)
柴油机排放控制 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】
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[2]马涛.汽车尾气排放与大气污染，油气田环境保护，2007，06.
船用柴油机NOx排放控制技术 篇4
柴油机自问世以来以其良好的动力性、经济性和可靠性在船舶领域得到了广泛的应用。据有关的资料统计, 在一般大中型民用船舶中, 有90%以上使用柴油机作为主推进装置, 同时也作为船舶发电的原动机。但由于船用柴油机强化程度高, 循环燃烧时间长, 排气中主要的有害排放物是NOX, 且对生态环境影响最大。其中NO约占95%, NO2只占其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大, 但排入大气后会很快被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强 (毒性大约是NO的5倍) 的红棕色气体, 会对人的呼吸道及肺造成损害, 严重时会导致生命危险。NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾, NOX还会增加周围臭氧的浓度, 破坏植物的生长。因此世界上几大柴油机制造厂如MAN B&W、Wartsila—New Sulzer、MTU和日本三菱公司等都采取了相应的措施来减少NOX排放。下面介绍几种比较有效的控制柴油机NOX排放的技术。
2 船用柴油机的排放法规
由于船用柴油机对环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益关注, 国际海事组织海洋环境保护委员会 (Marine Environment Protection Committee, MEPC) 在1997年通过了《MARPOL73/78公约》的附则VI《防止船舶造成大气污染规则》, 对船舶主机排放提出了严格的限制。该规则适用于每一台安装在2001年1月1日或以后建造的船舶、输出功率大于130kW的柴油机。该法规于2005年5月19日正式生效, 截止2008年10月10日, 已经有53个国家批准了该法规。
MEPC又于2008年10月10日正式通过了附则VI的修正案, 修正案包括三个级别的IMO船用柴油机排放法规体系, 正在执行的附则VI内容被作为TierⅠ (2005年5月开始实施) 标准纳入其中, 并增加了更加严格的TierⅡ (2011年全球实施) 和TierⅢ (2016年排放控制区实施) 。IMO排放法规对NOx排放的限制如图1所示。在柴油机标定转速n<130r/min或n≥2000r/min时, NOx排放是定值;而当转速在两者之间时, NOx排放是标定转速的函数。
可以预见, 随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格, 将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响, 甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。
3 控制NOX排放的技术
目前比较适用于降低船用柴油机NOX排放技术有三种:基于微调控制燃烧过程降低NOX排放技术、掺水技术和SCR技术。
3.1 控制燃烧方法
柴油机缸内燃烧过程直接决定NOX的生成量, 因此控制燃烧方法是控制NOX的基本方法。目前主要是通过采用新型燃烧室、推迟喷射、提高喷油压力和采用共轨技术等。
采用新型燃烧室。根据NOX的生成机理可知, 欲降低NOX排放, 最简单可行的方法是降低最高燃烧温度。如MAN B&W公司在其MC、MC—C系列柴油机中采用一种称为Oros的新型燃烧室结构, 其活塞顶部呈中间凸起的浅ω形, 代替原先的浅盆形, 可使活塞顶部的外壁温度下降80~90℃、燃烧阶段的平均热流量减少20%以上、局部最大热负荷降低25%~35%, 可在保持原机油耗率水平下降低NOX排放量。
推迟喷油并适当提高喷油压力。推迟喷油将降低燃烧时的最高温度, 同时又缩短了氮、氧在高温下的停留时间, 从而抑制了NO生成。Wartsila现所有中速机都已采用延迟喷油燃烧配合高压缩比及提高喷油压力, 来达到在不增加油耗率的前提下降低NOX的目的。但同时将增加排气中的黑烟以及HC, 而且经济性、动力性亦会降低。
电控共轨喷射系统是国外九十年代中期开始推向市场的一种新型柴油机电控喷射系统。其主要特点是:可实现高压喷射和引导喷射。根据工况变化对喷油定时、喷油规律和循环供油量进行最优化控制, 以获得所要求的燃烧规律, 既保证发动机性能又抑制NOx和颗粒的生成。
采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 但降低了NOX排放指标, 往往却又生成新的污染物, 或伴随着油耗的增加。另外这些技术几乎已经接近其功效的极限, 无法满足特殊海域的排放要求。
3.2 掺水技术
众所周知, 柴油机中NOx生成量取决于燃烧室中的燃烧温度, 而水对于降低燃烧过程的最高温度以减少NOx生成具有正面的影响作用。因此人们对各种掺水方法进行了试验研究, 最为广知的掺水方法有下述四种:
第一种是油水乳化技术 (FEW, Fuel Water Emulsion) 。它是水溶入油的乳化油, 在喷油之前将燃油和水进行乳化, 再喷入气缸, 可以降低NOx20%~30%。主要优点:设计上无需特别改变;对燃烧的稳定性无影响, 即使水量达30%, 对燃油消耗率也没有影响;有利于排烟;水消耗率低 (10%的水可使NOx减少10%) ;投资费用低。所存在的乳化油稳定性以及不用乳化油时柴油机性能变差、供油系统腐蚀等问题已得到了解决。MAN B&W公司主张采用这种油掺水的方法, 在中速船用柴油机12V48/60上采用FEW技术, 其乳化油含水体积比为20%, 并结合喷油延迟, 使该机型80%负荷以下的NOX排放下降54%。缺点是为保持发动机的功率输出量, 这种方法尚须使用超大尺寸的喷油装置。
第二种方法是直接喷水技术 (DWI, Direct Water Injection) , 它是通过一个独立的水喷嘴直接将水喷入气缸, 通过水份在燃烧过程吸收热量来冷却燃烧室, 降低燃烧的峰值温度, 从而降低NOx的生成。这种装置是在同一个喷油器上分别装有喷油和喷水的喷嘴, 喷水压力为20~40MPa, 喷油压力为120~200MPa。喷水定时、喷水量及持续时间由电控单元控制, 喷水时间在上止点前45°CA至上止点前10°CA左右, 接下来喷油至上止点后20°CA左右, 喷油量与喷水量之比为0.4~0.7, 可达到近似等压燃烧, 不影响柴油机功率输出。在烧重油 (HFO) 时, NOx为4~6g/ (kW.h) , 比IMO的限值低得多。主要优点:喷水系统与喷油系统安全独立, 可使发动机的运行不受喷水系统断水的影响, 喷油系统与标准机型上所用的相似;对空间要求很低, 投资费、使用费低, 投资费一般为US$20~25/kW, 使用、维修费通常为燃油费用的4%~5%。南京金陵船厂为芬兰FORTUM公司建造的25000t化学品船采用Wartsila公司的直接喷水降低NOx的9L46中速柴油机, 结果NOx排放降低50%~60%。
第三种方法是向进气管中喷水
如图2所示, 水正好在进气管的进气阀前喷射, 喷射水来自支管提供给燃油阀的冷却水, 喷水量是通过改变水喷嘴孔的数量来控制的。它可以降低NOx10%~30%。这种方法最为简单, 并可代替一部分中冷器的作用。但会有引起进气管中冷凝 (水浓度高时压缩空气瓶中的水会出现冷凝) 和进气门侵蚀的危险, 因此实际使用还存在一些问题。
第四种方法是采用HAM (humid air motor) 技术。它是德国Munters Euroform公司开发的一种改进型进气加湿系统。HAM系统是由加湿器、循环泵、增加水温的热交换器、泄放系统、水箱和过滤器等组成。其工作原理是用水蒸汽加湿进气管中的进气, 这种湿空气进入气缸燃烧, 使燃烧最高温度降低, 从而降低NOX的产生。图3是HAM系统原理图。从压气机中出来的热压空气进入被称之为“加湿器”的装置中, 通过用发动机废热加热的水不断地冲刷的热交换器表面, 使水吸热汽化。由于过热空气的放热作用, 使空气的相态发生变化, 即从过热空气变化至饱和空气, 同时使混合气温度降低。在加湿器中, 经过3级加湿, 压气机出口的约160℃的空气经加湿后的相对湿度达到98%, 温度降低到65~70℃。为确保蒸发过程良好, 在整个蒸发过程只有5%~10%的水被蒸发。HAM系统具有以下优点:
(1) 能有效的减少NOX达70%~80%。在低负荷时, 效果更好 (在50%负荷时可达80%) , 同时不会引起二次污染。如瑞典Munters Euroform公司在一台6000kW的12PC2-6V型船用中速柴油机中采用HAM技术, 使NOX的排放量降低了74%。
(2) 投资费用低。由于可以使用海水, 泵、滤器等的维护管理费用低。同时循环水的加热可使用柴油机冷却水加热或废气锅炉加热, 若没有加热, 在正常情况下也可有效减少NOX45%~65%。
(3) 操作简便。HAM系统与柴油机同时启动;停机前15min, 在柴油机怠速情况下, 关闭循环水, 以保证系统中干空气运行。
(4) 使柴油机运行优化。由于过热水蒸汽的作用, 使排气温度、气阀温度降低, 热应力也相应降低, 碳烟减少, 滑油消耗减少, 而燃油消耗率无明显影响。
(5) 系统可靠稳定。由于系统本身自控制功能, 与所工作的柴油机无关, 因此即使水循环系统中供水中断, 柴油机的工作参数也不会发生变化, 即系统的稳定性好, 对负荷的响应性好。
因此, HAM技术是柴油机减少NOX排放的经济、环保和高效的方法。
3.3 SCR (Selective Catalytic Reduction) 技术
目前降低柴油机排气中的NOX的排气后处理方法有SNCR (Selective Non Catalytic Reduction, 选择性非催化还原) , SCR (Selective Catalytic Reduction, 选择性催化还原) , NSCR (Non Selective Catalytic Reduction, 非选择性催化还原) , NSR (存储式NOX催化转换装置) 和SNR (选择性NOX回导装置) 等。其中最成熟、最有效、应用最广泛的公认为SCR技术。
SCR (图4) 技术是利用还原剂氨和尿素有选择地对NOX发生反应, 将有害的NOX转化为无害的氮气和水蒸气, 从而达到降低NOX的目的。其基本反应式为:
使用SCR实现NOx的快速、高效还原主要取决于如下几个要素:
催化剂:催化剂由蜂窝状催化剂载体和触发成份 (活性部分) 构成。目前使用的载体结构材料一般采用钛基氧化物 (如TiO2) 。触发成分即催化剂层大都采用金属氧化物, 有V2O5、WO3和MOO3等, 其中以V2O5最好。
还原剂:可以在氧元素存在情况下有选择地还原NOx的唯有氨类物质, 包括氨气 (纯氨) 、尿素、氰尿酸、密胺等。由于尿素比液氨或氨水更便于运输和存储, 安全性也好, 因此船用柴油机一般采用尿素作为还原剂。在反应器前把按一定比例配制的尿素溶液喷入排气, 产生的NH3经过反应器在催化剂作用下快速对NOx进行反应, 使之还原。现在, 无毒且易操作的碳氢类化合物 (烃) 也可用于有选择的NOx还原反应。
反应温度:虽然SCR中的还原反应是在催化剂的触发作用下进行, 但仍然对工作温度 (主要是排气温度) 有一定要求。在较低工作温度区, NH3和SO3容易生成硫酸胺吸附在催化剂载体表面, 会造成催化剂中毒而使性能下降;温度过高, 超过500℃时, NH3又会被排气中的O2氧化, 反而使NOX排放增加。因此, 要求的工作温度范围通常在320℃~480℃之间。
使用SCR装置, 即在排气最后安装催化转换装置, 使NOX的排放量大幅度降低, 可降低85%~95%, 达到NOX为2g/ (kW.h) 或更低水平 (0.5g/ (kW.h) ) 。Kjemtrup报告MAN B&W公司的船用柴油机安装SCR后NOx排放法平均降低93%。同时, 这种装置不会造成油耗和排气黑烟增加;不存在最终排放物的清除问题, 还具有消声降噪效果。
SCR系统是一项高投资的技术, 其原来投资费是船价的5%~8%, 是发动机的50%。但近几年由于很多公司对SCR系统进行了大量的研究, 并取得了显著成果, 使其投资费用大大降低。例如, 一台2.0MW的柴油机安装目前市场上的SCR系统如RJ-MARIS系统的技术费用是14000~16000美元, 这种系统至少可以降低90%NOX, 假如每年运转4000h, 其费用将低于0.025美元/ (kW.h) (或费用低于750美元/t) 。换言之, 这项费用对整台机器而言是很小的。
SCR装置只用于排放规范特别严格的地方, 如某些电站、沿海特别区域、美国加州 (EPA规定根据NOX排放值付费) 、波罗的海渡船等。
从1999年11月以来, 已有许多MC、MC-C和RTA型低速柴油机开始安装SCR或SCR与消声器结合的装置, 都取得了良好的效果。
4 结语
(1) 采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 可满足IMO排放法规TierⅠ及TierⅡ的要求。但无法满足特殊海域的排放要求。
(2) 使用掺水技术可大幅度降低NOx排放, 使用乳化油可使NOx排放减少50%, 通过进气增湿可使其降低70%, 但达不到特别海区等所规定的2g/ (kW.h) 排放限值。
(3) 在控制NOx排放技术中, 最成熟、最有效的公认为SCR, 使用后可将NOx排放量从15g/ (kW.h) 降到2g/ (kW.h) 。因此它在船舶NOx排放中逐步得到了推广应用。
(4) 为了满足IMO排放法规TierⅢ的排放要求, 采用共轨技术、电子喷射并与SCR技术相结合将是未来控制NOx排放的发展趋势。
摘要：本文简要介绍了船用柴油机的排放法规和现阶段国内外船用柴油机降低NOx排放的最新技术及其应用情况, 并对满足未来超低排放法规的船用柴油机NOx排放控制技术进行了展望。
关键词：船用柴油机,NOx排放,HAM,SCR
参考文献
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浅谈国内柴油机排放过滤器的应用 篇5
浅谈国内柴油机排放过滤器的应用
摘要：简述了我国应对机动车污染防治的.概况;针对柴油车污染后处理装置,指出流通式或部分流通式过滤器不能有效降低柴油车排气中的微粒数量,对微粒质量的降低比例也仅在50%左右,而壁流式微粒过滤器对超细微粒的分离效率超过90%,能有效解决超细微粒对公众健康的危害.作 者：胡成南 方茂东 HU Cheng-nan FANG Mao-dong 作者单位：胡成南,HU Cheng-nan(中国科学院生态环境研究中心,北京,100085)方茂东,FANG Mao-dong(中国汽车技术研究中心,天津,300162)
期 刊：中国环保产业 Journal：CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 年，卷(期)：, (7) 分类号：X701 关键词：柴油车 污染排放控制 流通式过滤器 壁流式微粒过滤器柴油机排放控制 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.
柴油机尾气排放及控制措施的探讨 篇7
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。
柴油机的碳烟排放及其控制措施 篇8
烃类燃油与空气在柴油机气缸中燃烧后, 在理想情况下, 应当生成CO2、HO2和N2。但是实际上, 除了上述3种物质外, 还生成CO、HC、NOx和固体颗粒等污染物。对于柴油机来说, 碳烟的排放问题比较突出。柴油机废气各种成分的大致比例如表1。
2. 柴油机碳烟对环境的危害
柴油机产生的碳烟是燃料及润滑油在气缸内不完全燃烧的产物。众所周知, 内燃机烃类燃油的化学成分主要是碳 (83%～87%) 和氢 (11%～14%) , 其余为氧 (0.08%～1.82%) 、硫 (0.06%～0.8%) 、氮 (0.02%～1.7%) 以及微量元素镍、钒、铁等。而柴油是一种重碳氢化合物, 在燃烧不完全的情况下, 会形成大量碳烟颗粒 (被称为PM) 。
柴油机与汽油机比较, 一个明显的缺陷就是碳烟的排放比较严重, 黑色烟雾状碳烟颗粒会降低大气的能见度, 导致周围空气被污染, 这是柴油机长期被社会各界诟病的主要原因之一。此外, 柴油机碳烟中的黑色碳颗粒同时含有少量的、带特殊臭味的乙醛, 吸入人体后容易引起恶心和头晕, 碳烟微粒表面吸附的可溶性有机物对人的呼吸道也有较大损害。
3. 控制柴油机碳烟排放的几项措施
柴油机要满足日益严格的排放法规要求, 面临的最大问题就是如何减少氮氧化物和颗粒物的排放。
(1) 采用电控燃油喷射技术
采用电子控制燃油喷射技术, 是从根本上改善柴油机排放性能的技术措施。电子控制柴油机的主体是高压共轨喷射及其一整套电子控制系统, 其中包括传感器、电子控制单元 (ECU) 和执行器等3部分。
电子控制柴油机的工作原理是:电子控制单元 (ECU) 接收发动机转速传感器、冷却液温度传感器、加速踏板传感器、针阀运动传感器、车速传感器等检测到的实时工况信号, 根据电子控制单元 (ECU) 内部预先编制和存储的控制程序和参数, 经过数据运算和逻辑判断, 确定适合柴油机实际工况的喷油提前角和喷油时间等参数, 并将这些参数转变为电信号, 输送给执行器, 执行元件根据ECU的指令, 灵活改变喷油器电磁阀开闭的时刻, 控制柴油机的喷油量, 使气缸的燃烧过程适应柴油机各种工况变化的需要, 从而达到最大限度提高柴油机功率、降低油耗和减少碳烟排放的目的。
(2) 使用高品质燃油和润滑油
众所周知, 劣质柴油容易造成喷油器堵塞和异常磨损, 因此需要经常放出柴油机油水分离器中的水和沉淀物, 定期更换或清洗柴油滤清器和机油滤清器。鉴于目前国内柴油的质量难以完全满足电控柴油机的要求, 因此建议使用专用柴油添加剂加入燃油箱, 定期清洗燃油供给系统。
高端电控柴油机对油品的要求非常严格, 要求含硫、磷量很低, 含杂质少。采用高品质的燃油和润滑油, 是减少柴油机碳烟排放的关键措施之一。
(3) 设置废气再循环系统
在新型柴油机上, 越来越多地采用废气再循环技术 (EGR) , 将一部分难以燃烧的废气重新引入进气系统, 稀释混合气, 降低气缸最高燃烧温度, 以减少氮氧化物的生成, 也减少了颗粒物的排放。
(4) 设置碳烟传感器
在柴油机电子控制系统中, 采用了一种可以连续测量柴油机烟度的传感器, 提供能够反映碳烟存在程度的信号, 然后通过电控单元ECU自动调节空气和燃油的供给, 以达到完全燃烧和避免形成过多的碳烟。
碳烟传感器的外形与汽油机的火花塞相似, 感应头本体装在金属体中, 通过上方的中间体与接线盒相连, 金属体的下端有螺纹, 可以方便地安装在排气管上。传感头由绝缘材料和2个贵金属 (铂合金) 电极组成, 电极周围涂有强催化剂材料, 使得沉积在电极上的碳烟能够迅速被氧化掉。感应头插入排气管的烟气中, 在电极隙缝中充满了碳烟, 由于两电极之间保持0.1mm左右的距离, 形成碳桥, 电极之间的电阻会随着烟度的大小而发生变化, 碳烟少时电阻大, 碳烟多时电阻小, 这样, 碳烟传感器提供给电控单元ECU的电流 (μA) 信号也会随着碳烟的多少作出相应的变化。
(5) 安装碳烟微粒捕集器
柴油机排放控制 篇9
2008年10月, 国际海事组织海洋环境保护委员会 (MEPC58) 制订了针对NOx的排放法规。凡是在2011年1月1日后铺设龙骨的船舶必须满足IMO Tier II NOx排放法规, 并且在全球海域强制执行。
接下来的Tier III阶段对每个负荷点的NOx排放都有所要求 (Not-to-Exceed要求) , 即排放循环内每个负荷点的NOx排放不能超过循环平均值的50%。其次, Tier II排放法规的NOx检测点在发动机增压器后, 但Tier III的检测点在轮船烟囱末端, 这意味着发动机制造商需要对整个排气管负责。另外Tier III没有一个适用于各海域的NOx限值, 其限值取决于船舶运行的区域, 这与IMO Tier II显著不同。在排放控制区域 (ECA区域) , Tier III的NOx排放量比Tier I低80%;在非排放区域则执行Tier II排放。不同区域如图1所示。
为了满足IMO Tier III限值, 各国采取了大量降低NOx排放的技术, 既有机内的又有机外的。着眼于提供解决Tier III排放的技术路线, 本文对船用中速机降低NOx排放的最重要的技术进行了分析和总结。
1 船用中速柴油机降低NOx排量的技术概述
船用中速机降低NOx的方法可以简单概括为四大类:机内净化 (Internal) 、喷水法、废气再循环 (EGR) 和选择性催化氧化 (SCR) 。以Tier I NOx排放限值为基准, 各种降低NOx措施的潜能如图2所示。SCR和EGR具有将NOx降低80%的潜能。机内净化和喷水法 (例如乳化油法FEW和进气加湿法HAM) 分别能将NOx降低30%~60%。
使用喷水法减少NOx排量, 所需要的水量是按照每下降10%NOx, 需加入1%的水的规律运行。一般柴油机允许在全负荷下加入20%的水。这种混合从燃油角度来讲并没有什么限制。虽然喷水法法具有较大的潜力, 但是考虑到要增加额外的设备, 也不太实用。
对于机内净化, 尽管也不能使NOx排放降低80%, 但是有效地机内净化不但能够使SCR或者EGR发挥更大功效, 还有利于提高发动机的经济性和可靠性, 降低运行成本。一些发动机机内净化措施, 例如电喷技术、可变进气和可变几何涡轮增压器, 对Tier III的实现变得尤其重要。
2 船用中速柴油机NOx排放控制技术
2.1 机内净化
对于NOx的生成机理, 目前研究的结果是:一般认为NOx是在高温富氧条件下产生的。当燃烧温度高于2300K时, 如果缸内某一区域氧气浓度比较高, 此时必然产生NOx。因此合理的燃烧过程是首先是降低初始燃烧温度, 实现NOx排放下降, 然后保持快速燃烧和较高的燃烧温度使整个燃烧过程缩短, 改善燃油经济性。主要的发动机机内净化包括米勒循环、提高进气压力、可变配气正时和提高燃油喷射压力和喷油速率控制等技术。
米勒循环的核心是使气门在下止点之前关闭, 这使得进气在被压缩前就得到膨胀和冷却、整个燃烧过程的温度降低, 从而降低NOx排放。为了消除提前关闭进气门的影响、保证缸内进气量保持恒定, 采用米勒循环时必须同时采用高增压措施。
2.2 选择性催化氧化 (SCR)
SCR使用NH3将排气中的NOx转化为无毒的氮气和水。然而, NH3本身是有毒的不便于直接使用, 因此目前普遍采用32.5%或者40%浓度的尿素替代NH3。尿素分别在排气管和催化器中进行两次化学反应。第一次是在炙热的排气中分解为NH3和CO2。降低NOx的反应发生在催化器中, NH3和NOx反应生成水和氮气。整个SCR反应能够写作:
如果尿素的量超过了理论当量比就会产生NH3泄露。为了避免破坏环境, 就需要完善尿素喷射的控制策略。可以通过使用NOx传感器形成一个闭环控制, 但是这样需要在船上增加设备。也可以通过台架标定形成基于特性MAP图的控制策略, 从而达到防止NH3泄露而不增加设备。
燃用重油的船用中速柴油机还需要解决更多的技术难题。首先, 重油属于残渣油, 其中含有大量灰分和硫。灰分会附着在触媒层上, 如果不及时去除会堵塞催化器。其次, 燃用重油后产生的硫化物会影响SCR的效率。在不同的硫化物含量下, 低于某一温度, NH3会和氧化硫反应生成硫铵。温度曲线见图3。硫铵是粘性的固体物质, 能够堵塞催化器, 导致转换效率降低、排气被压增加。
由于船用中速柴油机效率比较高, 涡后排温有时会接近甚至低于图3所示临界温度。一种解决方案是停止尿素喷射, 在无NH3的情况下催化器本身能够承受高的硫含量。这种方案可以在非ECA区域实施。在ECA区域, 必须使用提高排气温度的技术, 可行的技术有进气旁通、排气旁通或者可变涡轮 (VTA) 技术。考虑到燃油消耗、购机费用和维修费用, 对单级增压发动机首选排气旁通;对于用于定距桨或者两级增压发动机则首选VTA技术。
2.3 废气再循环
废气再循环 (EGR) 控制方式, 根据发动机的转速、负荷、温度、进气流量、排气温度等参数控制EGR阀, 排气中的部分废气经EGR阀进入进气系统。废气再循环 (EGR) 是将一部分柴油机自身产生的废气冷却后再混入进气中, 来降低过量空气系数和降低最高燃烧温度的原理来进行的。废气的热容量较高, 吸热量大, 在气缸中将进一步降低局部燃。基于EGR的IMO Tier III策略必须在发动机上安装一套EGR系统, 其优点是初期投入少, 占用空间小。但是另一方面, EGR技术也需要克服一些挑战。一套满足Tier III的可行的EGR解决方案应该包括以下几个方面:
(1) 可控的两级增压系统。
(2) 能够达到2200bar喷射压力的共轨燃油系统, 并且具有多次喷射的能力以控制颗粒物排放。
(3) 更高的缸内平均有效压力。
(4) 耐沉积、耐腐蚀的EGR系统。
如图4所示, 包括EGR洗涤、水处理器、EGR冷却器、EGR泵和EGR阀。洗涤器能够去除排气中的灰分和氧化硫, 防止其堵塞、腐蚀EGR系统。通过冷却废气, 降低进去气缸的冲量温度, 有利于降低NOx排放。EGR泵能够解决部分负荷排气压力低于进气压力的问题, 使EGR率在各个工况都可以灵活控制。EGR阀的开关易于控制, 能够实现发动机在ECA区域内外的灵活切换。
2.4可行的技术组合
3 结论
排放法规的不断强化推动着船用中速柴油机排放控制技术的不断革新。机内净化仍然是优化发动机的重要措施和基础。SCR或者EGR技术都具有使发动机达到Tier III的潜能, 但是单一技术都无法使柴油机达到Tier III排放, 达到排放限值是多种技术的综合应用。
摘要：本文介绍了IMO Tier Ⅱ和Tier Ⅲ排放法规, 对船用中速机降低NOx排放的最重要的技术进行了分析和总结, 指出了各种方法的优缺点, 提出了组合实施的改进方案。
关键词：船用中速柴油机,Tier Ⅲ,排放,IMO
参考文献
[1]国际海事组织公约[S].
[2]周龙保.内燃机学[M].机械工业出版社.
车用柴油机排放颗粒物的控制技术 篇10
1 前处理净化
燃料的品质对柴油机排放影响极大, 燃油油品是降低排放的基础, 提高柴油的十六烷值能有效地降低发动机排气PM、CO和NOX排放;减少燃油中的芳香烃成分同时可以减少NOX排放;降低燃油中S含量, 可降低13%~22%颗粒排放, 碳烟颗粒主要是由未充分燃烧的燃油所产生的。研究表明, 当柴油中的硫含量从0.12%下降到0.05%时, 颗粒排放量将减少8%~12%, 目前我国柴油标准中燃油含硫量为2.0×10-3, 而欧IV标准中对柴油中的含硫量要求为5.0×10-6。因此, 针对我国目前油品的现状, 致力提高燃油品质是满足排放法规的要求的有效手段。
2 机内控制技术
柴油机机内技术的核心是对燃烧过程进行控制和优化, 使发动机达到油气混合均匀、燃烧充分、排放较少的要求。现在的柴油机机内净化技术主要有:四气门技术、高压燃油喷射技术、燃烧室与涡流优化技术、高效率涡轮增压中冷技术。
2.1 四气门技术。
四气门技术能够扩大进、排气门的总流通截面积, 加大每循环进气量, 提高柴油机的转速和功率;在结构上为喷油器的正中垂直布置创造了条件, 可以改善了喷油器的冷却状况和活塞的热应力, 而且有利于喷射的油束与空气能均匀地混合;可以根据不同工况选择可变涡流进气。
2.2 涡轮增压与中冷技术。
废气涡轮增压提高了平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度, 采用可变涡轮喷嘴环截面的方式, 使增压器在全工况下基本处于高效运行状态, 这些措施合理可使HC和颗粒排放减少近35%。并且在增压器和进气管之间装配中间冷却器, 以保证增压密和控制空气温度, 使滞燃期缩短, 在稀燃区内的燃油量较少, 从而可减少HC和NO的生成。
2.3 燃烧室结构改进。
燃烧室的形状、燃烧室内的进气涡流和旋流及滚流的协调匹配, 具体措施包括进气旋流的优化, 可以促使柴油和空气混合, 改善燃烧, 从而减少尾气中污染物的排放。
2.4 提高柴油喷射压力。
高喷射压力是有助于在整个喷油期内控制燃烧速度基本的要素。高喷射压力使喷雾形成的颗粒平均直径变小, 柴油喷雾在燃烧室的空间体积占有率增大, 从而改善柴油雾化和混合的品质, 尤其是改善柴油扩散燃烧阶段雾化和混合的品质, 抑制碳烟的生成。
3 机外控制技术
3.1 颗粒过滤及再生技术 (DPF) 。
颗粒过滤及再生技术其装置由颗粒过滤器和再生系统组成。过滤器在排气管中收集颗粒物, 将排气中的微粒收集起来, 使颗粒不能排放出去, 当过滤器的阻力达到一定程度, 应当适时地清除积存的微粒, 使排气阻力和排气背压恢复到原来的水平, 即过滤体再生技术。滤芯的选用和过滤器的再生技术是微粒过滤及再生系统中的关键性技术。再生方法有主动再生和被动再生两大类, 主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、逆向喷气再生、微波加热再生等;被动再生方法有燃油添加剂再生、连续再生及催化剂辅助再生等。比较热门的是微波加热再生, 其利用微波独具的选择加热特性, 在过滤体内形成空间分布的热源, 对沉积于过滤体上的碳烟微粒进行加热, 使微粒着火燃烧, 从而实现过滤器的再生。微波再生技术的优点是简单可靠, 效率高, 加热及再生时间短, 没有二次污染。
3.2 等离子技术。
等离子体是电离状态的气体物质, 由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的非凝聚体系, 与物质的固态、液态、气态并列, 被称为物质存在的第四态。等离子体中的电子、离子、原子、分子或自由基都是极活泼的反应性粒子, 在一定物理环境下, 普通条件下难以完成或速度慢的反应变得十分快速, 尤其有利于难降解污染物的处理。等离子体与催化剂结合能对柴油机排气中的NOX和微粒有很好的净化效果, 同时还可减少柴油机排气中CO和HC排放。等离子体结合催化转化技术具有流程短、转化效率高、处理彻底、无二次污染、能耗低和等优点, 是一个有着良好应用前景的新技术, 是柴油机后处理技术研究的发展方向。
3.3 静电捕集技术。
静电捕集技术是指利用静电从气流中分离悬浮粒子的技术, 其工作过程为, 以一根曲率很小的裸露电线作为放电极, 用有一定面积的管或板作集尘极, 分别与高压直流电的两极相连。当气流在其中通过时, 气体在放电电极周围的强电场作用下电离, 气体离子与周围微粒碰撞接触, 使微粒带电, 带电微粒在电场力作用下被集尘极捕获, 从而使废气得到净化。静电捕集技术具有捕集率高, 阻力小, 捕集颗粒直径范围宽, 能在高温高压下连续工作, 能耗低等优点。
结束语
在柴油机排放控制技术日益发展的阶段, 结合目前的研究状况和我国的现实条件, 要达到目标, 还应该在以下几个方面做出努力:a.继续提高燃油品质;b.继续研发柴油机结构, 提高机内净化水平;c.进一步研究颗粒的分离机理, 对已有的技术进行组合与改进, 优化微粒过滤器的再生方式。
摘要：分析了柴油机颗粒排放的危害, 论述了为达到排放标准, 目前在柴油机前处理、机内控制和排放后处理等方面采取的控制技术和策略。
关键词：柴油机,颗粒物,控制,技术
参考文献
[1]司康.柴油机的市场优势及技术发展动向[J].交通世界, 2006 (11) :61-65.
[2]居钰生.满足未来车用柴油机要求的燃油系统与增压系统的匹配[J].现代车用动力, 2008 (4) :1-15.
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[4]杨挺然.控制柴油机排放的技术分析[J].交通节能与环保, 2006 (2) :29-31.
柴油机排放控制 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。
柴油机排放控制 篇12
矿用柴油机以其良好的动力性、经济性和可靠性等优越性能,在矿山开发及采矿作业中得到了广泛应用。但由于矿业生产环境的特点,柴油机的主要有害排放物PM颗粒和NOx给生产环境和工人的身体健康带来了巨大的危害。PM颗粒与NOx都是致癌的有害排放物质,随着人们环保意识的增强和职业健康保护法规的日益严格,矿用柴油机的排放控制越发显得重要。
1活塞环对机油消耗的影响
活塞环是柴油机燃烧室的重要部件,它与活塞、气缸套等相互配合,形成柴油爆燃所需的密封腔,柴油爆燃产生的压力推动活塞运动,将热能转化为动能。活塞环随活塞沿气缸套进行往复运动,为了使活塞环沿缸壁正常滑动,必须不断地供给机油做润滑,同时又要求活塞环能刮落缸壁上过多的机油,防止多余的机油上窜入燃烧室,增加机油消耗。柴油机的PM颗粒排放有60%~80%是由机油消耗产生的,一个好的活塞环设计既要能保证活塞环润滑所需要的机油油膜厚度,又要能最大限度降低机油的消耗量。本文主要讨论通过矿用柴油机活塞环的改进来加强有害物排放控制。
2活塞环改进与排放控制
2.1活塞环基体材料的稳定性
活塞环的工作环境比较复杂恶劣,高温、高压及腐蚀同时存在,这就要求活塞环的基体材料要有很好的稳定性。比如,热稳定性差的活塞环工作过程中易导致环的面压降低,进而增加机油耗。为了很好地满足活塞环的高要求,目前各活塞环生产厂普遍采用灰铸铁或球墨铸铁以及不锈钢线材。根据应用情况和燃油质量的不同,基体材料可以广泛选择(表1)。另外,铸钢环和低摩擦、高强度的复合陶瓷环也已研发成功,正逐步推广到实际应用中。
2.2活塞环耐磨性
矿用柴油机负荷要求不断增长,迫切需要改善活塞环涂层的热负荷和机械负荷承载能力,以延长其使用寿命。目前,矿用柴油机活塞环外圆面上大都使用电镀涂层,以提高活塞环的耐磨性和改善摩擦副的性能。比如针对硬铬镀层在标准抛光流程后增加一道最终的抛光以改善表面形态,表面结构是平台和波谷并存,消除了表面上粗糙的波峰,形成了密封性强又能储油的承受面;再比如德国格茨公司创新性的涂层“硬铬涂层的微裂纹网格内嵌入硬质颗粒”符合对涂层整个生命周期(厚度)的要求,对比嵌入氧化铝陶瓷颗粒CKS,微金刚石颗粒GDC除了同样具有很高的耐磨性外,还有在局部高温峰值时转化为石墨的优点,这提供了一种自润滑效果(就像石墨的包容物),因而提高了涂层的抗擦伤性能,在没有明显增加缸套磨损的情况下,活塞环涂层的磨损率能减少50%,这就延长了其使用寿命,减少了机油消耗。
2.3活塞环径向厚度
径向厚度对机油消耗的影响主要体现在环对气缸套的顺应性上,顺应性越高,机油消耗越少。活塞环装入气缸套后,活塞环本身的顺应性沿环开口对面端到环的开口端,逐渐变得越来越低,如图1(a)所示。针对这种变化趋势,利用现代化的机加工技术,顺势加工出径向厚度变化的活塞环,如图1(b)所示,这种径向厚度优化后的活塞环能更有效地顺应气缸套的变形(图2),提高密封性能,减少窜气量达20%,降低机油消耗接近50%。
2.4活塞环气环环面
数控技术的发展推动了机械加工工艺的改进,使得复杂的加工变为可能,德国Goetze公司最新推出的e WAVE活塞环(图3),其环面波浪形结构会产生一个周向压差,当活塞做往复运动时,活塞环在缸壁周围产生可控的机油量,在活塞改变运动方向时,通过改变沿圆周方向活塞环在环槽中的布油轴心点来改善油膜的均匀性。测试表明,e WAVE活塞环的机油布油面积大约为传统活塞环的10倍,圆周方向上所产生的机油流量甚至不到1%,从而提高了油膜的均匀性,可降低机油油耗20%,减少有害物排放。
2.5活塞环油环环面
油环是控制机油消耗的关键部件,在由活塞环造成的机油消耗中,60%~80%都与油环的设计有关。减少摩擦力,降低磨损率,提高活塞环的表面接触力都可以有效降低机油消耗。
德国Goetze公司最新推出了LKZ油环设计,环面采用阶梯状表面和锥形接触边缘(图4),环面与缸套的接触面积降低了约50%,在有效减少了环与缸套间摩擦力的同时,在活塞向上运动时,油环与缸套间的楔形油膜既能保证充分润滑,防止划伤,同时流体动力学的压力也有助于环与缸套的密封;而在活塞向下运动时,环面对缸套显著的压力大大提升了油环的刮油效果,试验表明,机油消耗最大可下降约50%。
3结语
影响矿用柴油机机油消耗的因素很多,机理也比较复杂,要降低从活塞环窜到气缸里的机油量,除了改进活塞环本身外,提高机体、缸套的刚性,减少机体、缸套的变形量;改善缸套的珩磨网纹形式,提高缸套的储油能力,改善机油品质,提高机油的润滑效果等,都有显著的作用。
参考文献
[1]吴立来.柴油机活塞环结构对机油消耗影响研究[J].内燃机与配件,2014(1).
[2]Cantow F G.高功率四冲程柴油机的活塞环[J].国外内燃机,2002(1).