柴油机排放控制技术

2024-07-04

柴油机排放控制技术（共10篇）

柴油机排放控制技术篇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。

柴油机排放控制技术篇2

介绍了国外各种柴油机电控燃油喷射技术的.发展历程、系统典型代表及各阶段的技术特点,阐述了我国应达到国Ⅲ排放标准的技术措施及所采用的电控和非电控燃油喷射技术的特点,指出目前我国采用的电控分配泵、电控泵喷嘴、电控组合单体泵、高压共轨及电控直列泵+冷却EGR等柴油机燃油喷射技术路线可以满足国Ⅲ排放法规的要求.

作者：包俊江邢居真高俊华 BAO Junjiang XING Juzhen GAO Junhua 作者单位：包俊江,高俊华,BAO Junjiang,GAO Junhua(中国汽车技术研究中心)

邢居真,XING Juzhen(武汉理工大学)

柴油机排放控制技术篇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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水泥炉窑氮氧化物排放控制技术篇5

1.水泥行业排放现状和标准的发展

我国的氮氧化物污染日益严重，十二五规划明确了氮氧化物排放标准，但我国却缺乏具有自主产权的脱硝技术。

2007年全年氮氧化物的排放总量约为1800万吨～2000万吨。全国氮氧化物的排放量年增长率为5％~8％。如果不采取进一步的氮氧化物减排措施，到2030年我国氮氧化物排放量将达到3540万吨。目前我国已成为世界第一大NOx 排放国, 如此巨大的排放量将给公众健康和生态环境带来灾难性的后果。

全国的水泥企业近5000家，2010年全国累计水泥总产量18.7亿吨。采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达1300多条。水泥行业NOx排放对全国NOx排放贡献率达到12～15％。水泥行业对NOx排放贡献仅次与电力行业和机动车尾气排放，位居第三。根据一些不完全的监测数据显示，水泥炉窑氮氧化物平均排放浓度大约在800 ～ 1600 mg/Nm3左右, 也有一些数据报道水泥炉窑平均排放浓度为500 ～800 mg/Nm3。

水泥行业将严格执行《水泥工业大气污染物排放标准》和《水泥工业除尘工程技术规范》以及可替代原料、燃料处理的污染控制标准。对水泥行业大气污染物实行总量控制,新建或改扩建水泥(熟料)生产线项目须配置脱除NOx 效率不低于60%的烟气脱硝装置。新建水泥项目要安装在线排放监控装置,并采用高效污染治理设备。

与火电厂相比，水泥窑炉有着烟气温度波动大，粉尘浓度高，NOx排放浓度高，SO2 排放浓度低等特点，这将使减排面临着巨大的挑战！2.水泥行业NOX控制现状

十二五规划明确了全国水泥行业NOX排放为100mg/nm³。因水泥行业的特殊性，目前水泥行业还没有较好的减排方法。

SCR法不仅投资很大、运行费用很高，更主要的是在窑炉出口处粉尘浓度高，催化剂极易被堵塞而失效。直接影响其推广使用。

SNCR法对950~1050℃的“温度窗口”控制要求高，控制不好不仅不能降低NOX的排放，还对窑炉的正常运行和水泥质量产生诸多不利影响。3.氧化吸收法脱硝技术 3.1脱硝原理分析：

烟气中NOx的主要组成是NO（占95%），NO难溶于水，而高价态的NO2、N2O5等可溶于水生成HNO2和 HNO3，溶解能力大大提高，从而容易被碱液吸收，达到脱硝的目的。虽然NO难溶于水，但NO带有自由基，当它与氧接触时容易被氧化成NO2。将NO氧化成高价态的NO2，并提高NO的氧化效率将极大的提高脱硝效率。

氧化吸收法是采用气—汽热交换原理，在烟气进入脱硝塔前利用专用氧化器将烟气中的NO氧化成NO2后进入装置内的脱硝反应器中，并在反应器中喷入被特殊活化剂活化和雾化的氨水。该吸收剂使气态氨、汽态水与气态的NOx迅速反应结合成铵盐和氮气，从而达到治理NOx的目的。该新技术主要的优势在于，采用自行设计的空气氧化器，将一氧化氮氧化率提高到90%左右，而传统技术的氧化率不足40%，一氧化氮氧化成二氧化氮后经稀碱吸收后，尾气中氮氧化物浓度达到国家最低排放要求。3.2 化学反应： 2NO + O2 = NO2 2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 当氨与HNO3或HNO2接触时产生如下化学反应。NH3 + HNO3 = NH4NO3 NH3 + HNO2 = NH4NO2 氧化吸收法能脱除65～85%的氮氧化物。3.3性能特点

（1）工艺简单，可实现全程自动化控制，运行管理工作量极少。（2）测控参数少（PH值、温度、液位），测控技术成熟。（3）有利于烟气余热的吸收和利用。

（4）不造成（水体、噪声、粉尘等）二次污染。（5）脱硫剂来源广泛，价格低廉，储运方便。（6）设备阻力小。脱硫脱硝装置总阻力小于1500Pa。（7）维修量少。因该设备无运动部件几乎不需维修。

（8）寿命长。因脱硝效率高，脱硝后烟道内酸性物质极少，减少了对管道和风机的腐蚀程度，增加了使用寿命。3.4 新颖性：

它是采用稀氨水为脱硫剂，利用气体氨与气体NOX进行气－汽热交换反应，生成硝酸铵和氮气，从而达到脱硝的目的。3.5 先进性：

此化学反应仅需0.2秒即可完成，从而极大地减少了设备的结构复系数，降低成本。另外，所用辅助设备少，工艺流程简单，具有极强的竞争力。3.6独特性：

采用专有技术配方（一种活化剂），使稀氨水中的离子态铵转化为分子态氨，为气－汽热交换反应提供了前提条件。4.技术参数

（1）对脱硫剂的要求：氨水浓度5%-25% 或碳酸氢铵、尿素（2）脱硫效率：＞95%（3）脱硝效率：＞80%（4）设备阻力：＜1500pa（5）无二次污染 5.结论与展望

水泥窑的尾气排放对大气NOx污染的贡献仅次于电力行业和机动车尾气排放，要完成“十二五”期间国家的NOx减排指标，需要严格控制水泥窑的NOx排放。

因水泥行业的特殊性，烟气温度波动大，粉尘浓度高，氮氧化物排放浓度高，以致目前流行的SCR与SNCR法都不能满足排放标准的要求。

柴油机排放控制技术篇6

笔者首先阐述了柴油机尾气的主要成分和生成机理,简要介绍了柴油机机前预处理和机内净化措施,然后重点针对柴油机PM和NOx排放最具代表性的后处理技术,如选择性催化还原、NOx吸附-催化还原、颗粒捕集器、氧化催化器以及PM-NOx控制整合技术等进行了综述,并指出了柴油机后处理技术的进一步发展方向。

1 柴油机尾气的主要组分和生成机理

1.1 组成成分

柴油机排放的废气当中,氮气约占75.2%,二氧化碳约占7.1%,氧气及其它成分约占16.89%,有害排放物约占0.81%[2],见图1(a),有害排放物主要包括氮氧化物NOx(35.4%),一氧化碳CO(35.3%),PM,SOx(20.76%),HC(8.54%),其组成比例见图1(b)。

1.2 生成机理

NOx是在气缸内高温燃烧条件下空气中的氧与氮气反应生成的,根据燃料特性及其混合气形成方式,可将燃烧过程中生成的NO分为热力NO、快速NO和燃料NO,其生成量主要取决于缸内燃烧温度、氧的浓度以及反应进行的时间。微粒状物质(碳烟)可分为可溶性有机成分和不可溶成分两种,主要由燃烧时生成的含碳粒子(碳烟)及其表面上吸附的多种有机物组成在高温环境下由于热分解而形成的低级碳氢化合物中,没有与空气再接触的部分最终形成微粒。柴油机CO生成机理与汽油机相同,也是燃油中烃基化合物燃烧不完全的产物,主要是在缺氧或过低温度下形成的。柴油机未燃HC排放物,多发生在柴油喷注外缘混合气过稀的地区,而且与喷油器的雾化特性有很大关系,燃油的不完全燃烧以及缸壁淬熄作用、缝隙效应是发动机排气管中HC排放的主要来源。

2 柴油机前处理技术

在不同时期,美国、欧洲和日本等世界各国(地区)对汽车排放物的排放限值是不一样的,从而为达到不同阶段的排放法规所需要采取的技术措施是有区别的,笔者以欧盟制定的一系列排放法规为例,简要介绍了与不同阶段排放法规匹配的关键技术措施,见表1[3]。

2.1 机前预处理

机前处理就是指对进入发动机燃烧室的燃料和空气作有利于减少排放的预处理。对于柴油机而言,主要是指改进柴油品质或者开发使用替代清洁燃料。改进燃油品质的措施主要有以下几种:一是根据柴油的馏程合理提高柴油的十六烷值,从而可以有效降低发动机排气PM,HC和NOx排放;二是将柴油中的含硫量控制在0.005%以下,这样不仅可以有效控制PM排放,而且对各种后处理技术中的催化剂载体有利;三是降低90%馏出点(T90),抑制成为重质成分的PM生成;四是减少芳香族成分,抑制成为相同成分的PM生成;五是进行柴油的乳化处理,通过降温和加速燃烧分别控制NOx和PM排放;六是加入降污添加剂,如碳酸二甲酯,可大幅降低柴油机碳烟排放;七是在柴油中加入活性剂(HH-B活性剂),可降低生成NOx的热分解活化能,加速NOx热分解;八是掺烧消烟添加剂,促进碳烟粒子再燃烧,可降低30%~50%碳烟排放[4]。

机前处理的另一方面则是开发使用清洁替代燃料。开发代用燃料不仅是为了降低汽车排放污染,也是为了节省能源,以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。目前,在汽车上得到实际应用的替代燃料主要有甲醇、乙醇、天然气、液化石油气、二甲醚、生物柴油以及氢燃料等,此外,还有将醇类燃料、生物柴油以及二甲醚等燃料和传统汽柴油以不同掺烧比例混合进行燃烧以达到节能减排的作用。

2.2 机内净化

所谓机内净化,就是从有害排放物生成机理出发,在燃烧室内部对有害排放物的生成反应予以限制,而对它们的消失反应加以促进,从根本上达到减少排放污染物的目的。目前,柴油机排放控制主要技术措施及控制的排放对象见表2[5]。

3 柴油机后处理技术

柴油机后处理就是利用各种滤清净化装置和催化转化器,对已经产生的排气系统内的有害废气进行最后处理,以进一步降低有害物的排放,它是机前处理和机内净化的重要补充。

由于柴油机排气中有害成分主要是NOx和PM,而NOx大多是在混合阶段和稀薄火焰区生成,为高温富氧产物,而微粒大多是在扩散燃烧期富油区生成,为高温缺氧产物。某些减少NOx生成的措施会增加微粒生成,反之亦然。图2[6]为PM与NOx的生成区域示意图。因此排气后处理可分为两大类,分别是针对柴油机主要排放废气PM和NOx的后处理技术或装置。

3.1 PM控制技术

3.1.1 氧化催化转化器(DOC)[7~9]

(DOC)一般安装在柴油汽车排气系统中,通过催化剂进行氧化反应,能同时降低排气中一氧化碳(CO)总碳氢化合物(THC)和柴油颗粒物中可溶性有机物组分(SOF)。但主要是降低了颗粒中的可溶性有机物成分。根据其在颗粒中的含量不同,柴油机氧化催化器可以降低3%~25%的颗粒排放量。此外,基于柴油机氧化催化器具有同时降低HC,CO和颗粒的功能,因而常常在发动机上与EGR同时使用,以全面提高发动机的排放水平。同时,由于柴油机氧化催化器优异的氧化性能,也多用在SCR(选择催化还原)系统中,以促进尿素的水解反应和防止NH3的泄漏。另外柴油机氧化催化器还可以把部分NO氧化为NO2,为接下来的SCR或DPF再生反应做准备。

(DOC)目前存在的主要问题有:一是对燃油中的硫含量及其敏感,当燃油中硫含量较高时,催化剂会将排气中的硫氧化成硫化物,硫化物容易在过滤体内沉积,导致过滤效率降低,排气阻力增加;二是排气中由硫生成的硫酸盐颗粒等成分覆盖在载体表面而导致催化剂中毒。此外,固态硫酸盐颗粒会额外地增加微粒排放量;三是高温老化,贵金属在高温下发生烧结而导致催化剂活性降低,性能下降;四是氧化催化转化器对微粒的净化效果不如微粒捕集器。

3.1.2 颗粒捕集器(DPF)

目前控制PM排放最有效的技术就是使用DPF,它可以同时降低PM排放的质量和数目。DPF技术研究的焦点主要有两方面:一是研究开发排气阻力低、过滤效率高的滤体材料;二是过滤体的再生技术。当前,过滤体的材料研究已经成熟,但再生技术研究却相对滞后[10]。

再生方式可以分为主动再生和被动再生两大类:主动再生是通过外界能量来提高捕集器温度,使颗粒物着火燃烧,如电加热再生、燃油喷油或喷气助燃的燃烧器再生、逆向喷气再生、微波再生、红外加热再生等;被动再生主要通过在燃油或者过滤体上添加催化剂,降低PM的起燃温度,在正常排气温度下使PM氧化再生,如燃料添加剂式再生,催化剂连续再生等。这些方法各有优缺点,如主动再生对汽车的工况没有要求,对S不敏感,效率较高,可靠性好;而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。二者都需要优化控制再生策略,如果控制得不好,那么载体的温度会过高,这样就会降低DPF的使用寿命。

DPF应用中的一个重要问题是对燃油中的硫含量比较敏感。因为由DOC氧化SO2而形成的SO3会与机油中某些组分产生反应生成灰分,从而阻塞DPF。这样会使排气背压升高,而降低燃油经济性。另外,当燃油中硫含量较高时,过多的硫酸盐会覆盖在催化剂的表面,使催化的效果降低,增加了PM排放。因此,柴油低硫化将是DPF技术应用于柴油车上的一大挑战。

3.2 NOx控制技术

3.2.1 还原催化装置(SCR)

由于柴油机为富氧燃烧,排气中的氧浓度高,而HC和C0浓度较低,因此主要采用通过向尾气中添加还原剂来对N0x进行催化还原。在欧洲7家主要商用汽车公司中,有5家选择采用SCR技术来达到欧Ⅳ、欧V标准[8]。SCR系统的核心部件是SCR催化器,在催化反应器中通过以氨或尿素为还原剂,以V2O5-Ti O2,Ag-Al2O3以及含Cu,Pt,Co或Fe的人造沸石为催化剂进行反应,对NO进行选择性还原。反应器中基本的化学反应方程为:

SCR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%[4]。但该技术的缺点在于储存还原剂需要随车携带,定时填充来维持正常工作,且体积大,质量大,因此要将SCR系统广泛应用还存在不少问题。而选择性非催化还原技术(SNCR)目前只是在发电厂应用比较广泛,在车用发动机应用较少,至于非选择性催化还原技术则因为NOx去除率较低及催化剂消耗量大而未得到广泛应用。

3.2.2 稀薄NOx吸附-催化还原(LNT)

NOx吸附-催化还原是基于发动机周期性进行稀燃和富燃工作的一种NOx净化技术。在稀薄燃烧状态时,NOx以硝酸盐的形式吸附在催化器表面,当发动机在富燃条件下工作时,发动机排气中的HC和CO的含量增加,把NOx还原为N2[8]。

LNT的主要缺点是极易产生硫中毒而失效,因此对燃油中硫含量要求极高,最好是采用无硫柴油,这对该技术的大规模商业化应用带来了极大挑战。结合使用低硫柴油(<15×10-6)和保护LNT催化器的SOx捕集器将成为该技术应用的关键。目前,LNT技术已经应用在欧洲市场2.0 L丰田Avensis汽车及日本市场Hino4.0 L轻型商用卡车。美国EPA的报告认为,LNT是满足美国2007~2010排放法规非常有效的技术[9]。虽然现在还面临着一些问题需要解决,但相信不久,LNT将完全可以达到工业化生产的目标。

3.2.3 等离子辅助催化还原技术

等离子体技术是当前的热门技术,该技术的基本思想是:因等离子对NOx较SOx具有较高的选择性,并能促进活性物质的生成,使其在催化剂活性作用下选择性地生成目标产品,以获得高活性和高选择性。但是单独使用等离子体对NOx还原没有效果,只有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,才能对排气中的NOx和碳烟颗粒物都具有较好的净化效果。该技术的另一个优点是对燃料中硫含量几乎没有要求,而且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和碳烟颗粒后处理系统,可应用于小轿车以及重型车上。

4 NOx和PM综合控制技术

除了上述PM的催化氧化和过滤技术以及NOx的选择性催化还原和吸附还原技术之外,人们对同时净化PM和NOx的技术也进行了研究。这种技术包括:同时去除PM和NOx的催化装置(DPNR)及四元催化转化器等。

4.1 DPNR系统

日本丰田公司开发出一种柴油机排气PM-NOx同时去除系统(DPNR),这种系统对CO和HC也具有较好的净化作用。图3[11]为通过DPNR催化装置同时降低PM与NOx排放的机理。

当实际空燃比比理论空燃比稀时,NOx在铂金属催化剂上被氧化,并被储存在专门的NOx储存材料中。此时,PM则不断被在NOx储存过程中释放的活跃氧及废气中剩余的氧气氧化。另一方面,如果燃料增加使实际空燃比比理论空燃比浓,则NO和活跃氧会从NOx储存材料中被释放出来。NO会因为与HC及CO反应而减少,并生成N2,而PM则会被活跃氧所氧化。当然,在实际工作过程中,PM会不断沉积在DPNR催化剂上,因此必须进行强制的PM氧化。

4.2 四元催化转化器技术

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)两种技术结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4为集DOC,DPF,SCR于一体的四元催化转化器。

5 结束语

a.随着日益严格的排放法规的出台,目前柴油机排放控制技术仍然是以机内净化和后处理技术为主,机内净化从根本上是要改善混合气质量,优化燃烧过程;后处理技术主要是依赖催化剂进行化学反应。

b.不管是对于哪一种后处理技术,都不同程度受到燃油中硫含量的影响,因此,提高燃油品质对控制柴油机排放极其重要。

柴油机排放控制技术篇7

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.

柴油机排放控制技术篇8

关键词：柴油机,有害排放物,控制技术

柴油机的有害排放物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)和微粒(PM)排放物，CO2尽管不会直接对环境造成污染，但它是温室效应影响全球气候变暖的根源，因而降低油耗不仅可以节约能源，同时也可以缓和全球变暖的趋势。在柴油机有害排放物中，以NOX和微粒两项最难达到排放标准，因而柴油机有害排放物控制技术主要任务是降低NOX和微粒与降低燃油消耗。机内净化措施主要有以下几个方面。

（一）燃烧系统优化

柴油机直喷化已是现代柴油机的发展方向，柴油机的燃烧室型式、形状和结构参数对柴油机的燃烧和有害排放物的生成有重要的影响，现代柴油机必须在节油、低污染、高输出功率方面进行综合的设计。在燃烧室的改进上，其基本原则是使燃烧室与进气涡流、喷油合理匹配，以减少污染物的生成。

现代柴油机大都采用缩口型的挤流燃烧室，该燃烧室首先由英国泊金斯于上世纪70年代中期提出的，其口径比为0.385。AVL公司在此基础上提出了圆型缩口燃烧室，该燃烧室在很多柴油机上得到了应用。缩口的作用是能在压缩过程中产生强烈的挤压涡流，在燃烧室中进气涡流和挤压涡流的复合运动，再以合理的燃油喷注方向相匹配，使得混合气形成更加完善。该燃烧系统能够在较低的过量空气系数下实现完全燃烧，并可以减少喷油提前角，降低放热率峰值，使最高燃烧压力和最高燃烧温度下降，从而大大减少了NOx的生成量，同时排烟和油耗也有所降低。

日本五十铃公司提出的四角型燃烧室的底部与一般的ω形燃烧室相同，但上部呈正方形，其四角制成圆弧。四角型的四边和四角对涡流运动起着阻滞作用。当燃烧室内气体涡流运动随转速升高而加强时，能够遏制它不致过强。同时，由于燃烧室上方下圆特殊结构造成上下层气流运动的速度差，可以形成较强的紊流，因而能改善混合气形成和加速燃烧，使柴油机碳烟生成量减少，燃油经济性也得到改善。此后，五十铃公司进一步将该燃烧室的开口部改为缩口型，利用燃烧室形状的突变来增加挤流强度和在燃烧室中产生更多的涡流，因此大大改善了混合气的形成，提高了燃烧速度，为推迟喷油减少NOX排放创造了有利条件，对降低HC、NOX及碳烟排放有显著效果。丰田公司提出了一个TRB系统，该系统的特点是燃油碰壁后，反弹后的燃油形成由壁面射流(Wall jet)和半壁射流 (Half jet) 组成的混合射流Combined jet)，通过燃烧室壁面的导向，碰壁后的燃油和下部燃烧室壁面之间有一个空气区相隔，通过缩口的挤流作用，促进了燃油与空气的混合，并减小了HC的生成。通过对燃烧室内流场分析表明，燃油与空气混合的主要区域有较强的紊流，有利于加速燃烧过程。在此基础上，丰田公司提出了TRB II燃烧系统，将根据喷孔个数和油束方向将上部的圆型结构改为多边形结构。实验表明，该系统可以进一步减小发动机大负荷工况碳烟排放。

（二）燃油喷射系统

在改善柴油机的性能和降低HC、NOX及微粒排放方面，燃油喷射系统具有重要的作用，采用高压喷射、预喷射和电子控制喷油系统等燃料喷射装置已取得了相当满意的效果。

提高喷油压力和减少喷孔直径可以明显地降低微粒中的碳的排放，未来重型柴油机将采用喷射压力达200Mpa (2000bar) 的新型燃油喷射系统，并且对其喷油率形状进行控制。为了避免高压喷射导致的NOX的增加，要求降低进气涡流、提高压缩比和可变定时燃油喷射和它相适应，以达到控制微粒和NOX排放的折衷方案。预喷射(Pilot injection)和多次喷射技术可以有效地降低柴油机的噪声和NOX排放。国内外研究经验表明，要达到未来严格排放法规需要和发动机经济性要求的先进燃烧系统的发展方向是高压喷射和电子控制技术的结合，电控技术的应用可以使柴油机排放控制与燃油经济性之间的矛盾得到有效的调和，通过按最佳喷油定时与发动机转速、负荷之间的关系连续调节喷油定时，使发动机不同运行工况都能获得良好的排放和经济性。利用电控技术可以使微粒排放降低40%以上，并且发动机过渡工况的排放性能也可显著改善。电控喷射可以对喷油规律进行控制，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和扩散燃烧的比例，可以同时降低有害排放和改善其它性能。电控喷油系统和可变几何尺寸涡轮相配合，可以控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。近几年来，电控共轨式燃油喷射系统(Common Rail FuelInjection System)有较大的发展，由于欧洲Ⅲ法规的实施，在今后几年内共轨式喷油系统将取代目前欧洲柴油机上使用的常规喷油系统。

高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，避免过多的燃油喷射到气缸壁冷表面上，以减少HC和微粒中SOF(有机可溶物)排放;同时减小喷嘴压力室容积或采用无压力室喷油嘴能使微粒和HC排放大大减少。通过燃油喷射率的优化，如采用双弹簧喷油器，可以优化微粒和NOX的排放。

（三）进气系统

高速直喷式柴油机大都需要组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进行。涡流比的大小和充气效率对柴油机性能和排放有很大影响。因此必须根据实际情况选择最佳涡流强度与燃烧室及燃烧系统相匹配。

车用高速柴油机已趋向采用中央布置燃烧室，这可以改善燃烧室内燃油和空气分布，使燃油空气充分混合，有效地减小微粒和HC排放。同时降低了对涡流的要求，减少了滞燃期内与空气混合的燃油量，因而可减少NOX的生成。福特公司在1989年型2.5L直喷式柴油机上证实了采用中央布置的喷油器和燃烧室凹腔的好处，它使发动机的排放水平从ECE15.04达到了1994年美国轻型卡车的标准。在不显著减少气门面积而使燃烧系统完全中央布置的唯一方法是采用多气门结构，多气门化可以使发动机换气损失减少，充气系数高，使活塞热负荷均匀，同时可以根据发动机的转速和负荷，方便地改变进气涡流强度，这对提高功率、降低油耗及排放都有好处。

采用增压中冷技术，不但可以显著提高平均有效压力，降低排放和噪声，并能有效地提高燃油经济性，这一技术已应用到了中、小缸径的柴油机中。目前，美国15T以上柴油机载货车100%采用涡轮增压中冷，欧洲约70%，日本自上世纪80年代后也大量采用涡轮增压中冷。AVL公司也认为，增压中冷技术是满足1994美国排放法规和未来排放法规的重要机内净化措施之一。

（四）废气再循环（EGR)

废气再循环可有效地控制NOX的排放量，这一技术已推广到轻型柴油机上。由于它减少了进气充量中的含氧量，所以它只宜在部分负荷或空燃比足够大的工况下采用，以致不使HC和微粒排放量明显增加。要想最大程度地使NOX减少又不影响柴油机经济性和HC与微粒排放，需要采用有效的调整装置来优化整个工作范围内的废气再循环，电控技术是解决这一矛盾的有效手段。同时和增压中冷技术的结合使用可以提高发动机的整机性能。为了满足未来更为严格要求的NOx排放限值，近几年出现了冷却废气再循环的新技术，研究表明这可以有效地降低柴油机的NOX。

（五）可变化控制技术

柴油机的可变化控制技术，可以使发动机不同的工况下的性能都较为理想，达到不同工况下排放性能和经济性都得到明显的提高，这包括喷油定时的可变化控制、可变进气涡流控制和增压系统的可变化控制。喷油定时对微粒和NOX排放有明显相反的影响，这需要采取能够对喷油定时动态的可变的控制技术。可变几何尺寸涡轮可使HC和微粒排放减少近35%，但NOX排放几乎没有变化。对于依靠进气涡流实现燃烧的直喷式柴油机，其燃烧的完善程度和速度与进气涡流的强度密切相关，为了使直喷式柴油机的燃料与空气充分混合燃烧，需要组织与燃油喷射相适应的涡流运动。研究表明，缸内适当的空气运动是获得低微粒排放的较好方法之一，进气涡流强度强烈依赖于发动机转速，不同的负荷也要求有相应的进气涡流与其匹配，因此，恒定的进气道难以满足变工况的要求。采用可变涡流技术优化直喷式柴油机燃烧，对降低微粒和燃油消耗率有良好的效果。

（六）减小机油消耗

机油是柴油机微粒中有机可溶物(SOF)的重要来源，约占微粒中SOF的70～90%，改进润滑油系统设计，减少机油转化为SOF，可以大大降低柴油机的微粒排放。增加活塞环压力、减小裙部间隙、优化活塞环形状设计、提高气缸套圆度和表面光洁度，以及改进进气门导管孔的密封等措施，可以有效地降低机油消耗，从而有效地降低微粒排放。

（七）新型燃烧理论

常规柴油机的燃烧受化学当量比下扩散燃烧过程控制，研究发现燃烧室内的局部高温和浓混合气是产生碳烟和NOx排放的主要原因。应用EGR降低NOx的机理是通过降低火焰温度，这又对碳烟或微粒在燃烧后期的氧化不利，因此，用EGR降低NOx是有限的。Daniel W.Dicked等人认为柴油机NOx排放的极限大约2.04g/Kw.h。要满足美国2004年之后NOX排放1.36g/Kw.h要求，一种是使用NOX后处理，另一种是将柴油机扩散燃烧过程变为预混合压燃式燃烧 (homogenous charge compression ignition, HCCI) 过程。HCCI是通过在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近均质混合气自燃着火，由于不存在扩散燃烧，NOX排放极低 (可降低98%以上) ，而且不会导致发动机排烟，可以解决传统压燃式发动机NOX和碳烟排放之间的矛盾，同时保留了压燃式发动机高热效率的优点。HCCI燃烧方式的是Onishi等人在1979年首先提出的。近年来，由于意识到HCCI在解决柴油机NOX及微粒排放方面的巨大的潜力，该领域的研究在国外变得十分活跃。自上个世纪90年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，美国、欧洲和日本研究机构和相关企业都大力开展这一领域的研究工作。美国能源部2001年提交给国会的报告指出，HCCI是内燃机燃烧技术的一个重大进步，它将替代目前的车用压燃式和点燃式发动机，到2010年HCCI发动机在轻型客车上将得到应用，到2015年使用HCCI发动机每天可以节约原油50万桶。我国学术界也高度重视这一领域的研究工作，由天津大学苏万华教授为首席科学家提出的“新一代内燃机燃烧理论和石油燃料替代途径的基础研究”也于去年获科技部重点基础研究项目立项，国内的相关单位正在全面开展这一领域的研究工作。

广义上讲，HCCI有以下三种方式：

1. 预混合气在进气系统中产生，在压缩冲程均质混合气压燃。这一概念HCDC (Homogeneous Charge Diesel Combustion) 。该方式仍然存在扩散燃烧区域，因此不能从根本上降低NOX排放。从严格意义上讲，该方式不属于HCCI。

2. 预混合气在进气系统中产生，但混合气由压缩冲程未喷入的燃油点燃。

3. 燃油在压缩冲程很早的时刻开始喷入，部分均质混合气在压缩冲程形成，并且在上止点附近开始燃烧，这一概念叫PREDIC (Premixed lean DieselCombustion) 预混合稀薄柴油机燃烧。

PCI (Premixed Compression-Ignited Combustion) ，UNIBUS(均匀松散燃烧系统)和LPDC(稀薄预混合柴油机燃烧)系统。需要特别提出的是一种称为MK (Modulated Kinetics)系统，它是通过把排出的废气再引入燃烧室，提高燃(下转第74页)(上接第125页)烧室内惰性物质的浓度，减少氧浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞后期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间。同时设法提高混合速率，使MK发动机在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标。这种预混合过程可以避免由于进气中氧浓度降低而使产生烟度和微粒排放的增加。

（八）结论

1. 回顾了满足不同柴油机排放法规的主要技术措施;

2. 分析了柴油机机内净化措施的主要方面：对燃烧系统进行改进优化、提高燃油喷射系统压力、改进进气系统结构、采用肺气再循环及可变化控制技术、减小机油消耗和采有新型燃烧理论都可以有效地降低柴油机的排放指标。

参考文献

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[2]柳原弘道.柴油机燃烧系统的新技术.天津大学—丰田公司汽车技术研讨会技术资料 (三) , 天津, 1997.11.

[3]魏春源, 张卫正, 葛蕴珊.高等内燃机学.北京理工大学出版社, 2001.9

[4]中华人民共和国国家标准.压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法GB17691-1999, 1999.

柴油机排放控制技术篇9

关键词：国Ⅳ,国Ⅴ,柴油叉车,排放标准,控制技术

我国内燃叉车国Ⅲ排放标准实施以来,取得了一定的效果排放标准虽然提高了,但终端用户对内燃叉车的反馈意见不尽如人意。目前,北京市已实施“京四”的排放标准,一些对排放要求比较严的城市普遍使用更高排放水平的内燃叉车以净化环境质量,但由于相关柴油非道路的国Ⅳ、国Ⅴ法规还没有落地,导致这些城市不约而同地采用了油改电技术路线的变更。譬如:深圳市决定在2016年10月份起禁止5吨以下柴油叉车的销售,而北京市也开始对在用柴油叉车进行大规模摸底登记排查。

根据深圳市人居委网站公布的柴油叉车与汽油轿车的试验数据对比以及排放标准,一辆3吨柴油车碳颗粒物的排放量相当于296辆国Ⅳ小轿车。目前我国每年新增20多万辆柴油叉车,由此造成的污染相当突出。从燃料来看,柴油车氮氧化物和颗粒物污染问题比较突出,排放的氮氧化物接近机动车排污总量的七成,颗粒物占到九成以上。

全世界机动车排放标准技术体系,主要以欧洲体系、美国体系、日本体系为主。应该讲,中国从国Ⅰ到国Ⅴ,机动车排放标准基本是按照欧洲技术体系设置的,到第六阶段,中国才会同时融合美国排放标准,而国Ⅵ阶段的排放标准会更加严格。因此,提前按照国家非道路排放标准制定好相关的柴油动力排放控制技术非常必要

一、国Ⅳ与国V排放标准对比

道路柴油车国Ⅴ与国Ⅳ排放标准对比,如表1:对于柴油车,氮氧化物(NOX)排放限制国Ⅴ比国Ⅳ严格了28%,碳氢化合物和氮氧化物(HC+NOX)总和指标严格了23%,而对于柴油车的颗粒物浓度(PM)限制提升了82%。还有新增的颗粒物粒子数量(PN)也是对柴油车提出的要求,PN标准只对柴油车检测。相比于汽油车,国V排放标准显然对柴油车要求更高。

只依靠发动机自身机内技术提升很难达到国Ⅳ、Ⅴ的排放标准,必须要连带柴油品质和后处理技术的提升与应用方可以达标。对于油品,国Ⅴ的油品标准也比国Ⅳ高,主要体现在硫含量上。国Ⅴ这次提升的目标更多是柴油车,体现出国家对空气治理的决心

二、柴油叉车的排放控制技术

柴油叉车顺利过渡到国Ⅴ、国Ⅳ时代,需要迈过几道坎,其中最重要的是技术升级问题。无论是我国还是欧美,为了既满足日趋严格的排放法规,又要降低柴油机的油耗,通常在以下三个方面实施改进:机前处理技术,主要是提供燃油品质;机内处理技术:燃油系统、增压系统、燃烧系统、降低机油消耗等;机后处理技术,主要指后处理系统。

1. 提升燃油品质

包括降低柴油中的硫含量、胶质含量,控制多环芳烃含量、十六烷值,提高润滑性能、添加剂的使用等,来降低颗粒等等的排放。

我国国V标准柴油已经执行,“三桶油”的加油站,已经基本全部置换完毕;但柴油叉车使用的柴油来源非常复杂,许多甚至达不到普通柴油。部分送货上门的柴油多以地方炼厂的产品为主,有些用户甚至使用非常规柴油,譬如生物柴油等

2. 柴油机机内净化

机内净化技术包括电控高压燃油喷射技术、增压中冷技术、废气再循环(EGR)技术、多气门技术、可变涡流进气道技术、可变压缩比技术、均质混合压燃技术(HCCI)以及优化燃烧室结构和参数的相关技术等,可以减少NOx和PM等的产生。现在我国道路车辆已经从国Ⅳ发动机就开始采用了电喷技术,相信叉车行业也一定会沿袭此技术路线。

(1)燃烧系统设计。发动机燃烧系统改善工作主要集中在几个方面:高喷射压力以及控制柔性;提高EGR冷却效率、各缸分布;优化增压器,尤其是与EGR的耦合;优化燃烧室与油嘴匹配;降低压缩比。

(2)通过FIE系统提高柴油发动机燃油喷射技术,选择最高喷射压力,有利于最大功率的提高以及燃油经济性的改善。

(3)通过EGR系统开发实现轻型柴油车排放控制。EGR系统是机内净化的关键,EGR与推迟喷射相结合降低Nox排放,折中考虑排放、燃油经济性及成本,具体措施包括:使用管束式冷却器;改善EGR各缸的分配,对于国Ⅳ排放控制很重要;国Ⅴ阶段EGR冷却器旁通阀需要考虑,降低冷机阶段的HC。EGR冷却系统设计需注意EGR冷却器可靠性问题以及EGR冷却对于整个冷却系统的影响。

(4)增压系统。轻型柴油机增压系统匹配的主要特点包括:适应发动机小型化,BMEP大幅提高;宽广的转速范围;中低转速部分负荷区域实现大EGR率;用户对加速响应要求提高。

(5)机油消耗的控制。机油消耗主要途径包括缸内燃烧和排气道燃烧。机油消耗控制的目标是机油燃烧导致颗粒和冷机状态下HC升高明显,机油中的不可燃烧灰分在DPF中积累造成堵塞。机油消耗需要进行严格控制,国Ⅳ阶段机油消耗小于0.1%,国,阶段机油消耗小于0.05%。

3. 排气后处理

在几近苛刻的国V排放法规面前,仅依靠以上发动机本体的控制技术还是不够的,必须综合使用排气后处理技术来控制排放。目前使用的技术有:EGR (废气再循环)、DPF (颗粒捕集器)、DOC (微粒催化转换器)与SCR (选择性催化还原)等技术,如表2。

目前,市场上绝大部分柴油发动机制造商都是在改进国Ⅲ发动机的基础上,再加上SCR (一般视为欧洲体系)或EGR+Doc+POC/DPF(一般视为美国体系)等后处理系统来控制排放的。目前从开发成本来看,还是较为侧重SCR系统,但从长远来看,将来随着油品质量的提高和DPF技术的完善,后处理技术将会向EGR+DOC+DPF倾斜。EGR+DOC+DPF技术路线需要改变发动机结构,而且DPF目前单次购买价格偏高,在长时间使用之后还会产生堵塞现象,需要主动再生定期清洗,所以现阶段不适合大规模推广

三、柴油叉车技术路线选择及实施难点

实际上,在非道路国Ⅳ、国Ⅴ标准未正式出台之前,各发动机企业已“兵马未动粮草先行”,积极着手国Ⅳ、国Ⅴ技术储备与产品研发。相比国Ⅲ阶段,国Ⅳ、国Ⅴ阶段的技术有一定继承性,也更加成熟。

针对国Ⅳ发动机,各企业的技术路线会比较一致,采用SCR技术(选择性催化还原技术,利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理)的企业比较多。而国Ⅴ阶段,5吨以上柴油叉车基本将延续国Ⅳ的技术路线,采用SCR技术;而3.5吨以下的柴油叉车会出现欧洲体系SCR与美国体系DPF并存的情况,也就是采用的是EGR(废气再循环)、DPF (颗粒捕集器)、DOC (微粒催化转换器)技术与SCR (选择性催化还原)技术并行的路线,但多数柴油叉车发动机企业将以后者为主,这是因为SCR允许发动机针对低颗粒、高NOx及最大燃油经济性进行优化。同时,还得考虑到DPF标定应用技术准备需要充分、标定周期长、技术难度较大的因素。与柴油叉车排放相关的技术特征如表3。

此外,欧洲现有的SCR排放控制系统有能力在改动最小的情况下(提供更高的尿素喷射率等方法)达到欧Ⅴ排放标准。欧洲重型柴油车都选择钒基SCR系统,是因为它具有最佳的成本和效益比。在不采用DOC装置的情况下达到欧Ⅳ标准要求的、实现60%-70%的NOx转换率也是有可能的。这一方法有利于在无法供应低硫燃油的地区使用,特别适合类似叉车这种燃油品质无法保障的内燃车辆。

另外一个原因在于POC的技术路线已经不被工信部认可,它的PM实际捕捉率较低,而DPF主动再生技术对产品的一致性要求非常高。在柴油尾气净化上,尾气温度低造成NOx处理难、PM净化难以及DPF和DOC催化剂硫酸盐堵塞问题DPF主动再生技术中的碳载量控制要求也有挑战:碳载量太大,DPF容易烧融;碳载量太小,DPF再生不彻底,有效长度缩短。正是因为此,主机企业一般不愿意承担如此之大的技术风险。

而针对国Ⅴ柴油叉车,采用两种路线的综合油耗基本一样,各有利弊。使用SCR技术的欧洲路线,发动机结构不需要改变,对燃油品质不那么敏感,可以回避国内燃油含硫量高的问题。但SCR系统体积庞大,且需要加尿素储存装置,对于国内轻型叉车造成了布置困难,使车辆损失有效载荷200-300kg,且SCR系统的日常使用成本昂贵,约为每年增加一定金额的车用尿素费用。同时,在温度较低(-11℃)的情况下,尿素水溶液会结冰,也使其在中国北方地区的推广受到限制;最后,尿素加注站的布局,必须保障工作区域内对尿素需求的日常供应,相对于道路车辆来说是一个挑战,需要提早考虑。

柴油机排放控制技术篇10

随着汽车工业的发展,汽车在方便人们出行的同时,也在严重威胁着人类赖以生存的生态环境。据统计,一些大城市的大气污染物中,约80%的CO和40%以上的NOx来自于汽车尾气,一些较小城镇也在承受着汽车尾气带来的严重后果[1]。为了有效降低汽车污染物排放,限制汽车排放水平,美国、欧洲、日本等国家和地区相继建立了严格的排放法规,对污染物成分的排放水平做出了严格规定。相应地,各大汽车厂商也逐步加大技术和资金投入,用以开发有效的排气污染物控制技术,并取得了显著成效[2]。

我国汽车工业起步较晚,相应的排放法规也滞后于欧、美、日等发达国家和地区。我国汽车排放标准实施进程与欧洲对比见表1。

从表1中可以看出,我国汽车排放标准与欧洲相比还存在一定的差距,这一方面与发动机技术水平存在一定联系,同时也受到油品质量的限制。但值得关注的是,由于大气污染问题的日益严峻以及国家对于汽车尾气危害的持续关注,我国正在逐步缩小与欧洲等发达国家和地区的差距。

由于柴油发动机具有动力强劲、经济节油、安全可靠等特点,在商用车尤其是重型商用车上得到了非常广泛地应用。但是,柴油发动机也存在自身的不足之处,与汽油机相比,排放污染物中碳烟颗粒物的排放量大大升高,加之商用车一般选用大排量发动机,因此碳烟颗粒物的排放量相当大,这也进一步加剧了雾霾的产生[3]。为了降低柴油发动机的排气污染物水平、满足日益严格的排放标准,需要对柴油发动机的排放控制进行多方面研究,其中就包括柴油发动机排放污染物的种类与生成机理,以及柴油机机内净化、排放后处理等关键技术。

1 车用柴油机排放污染物的种类与形成机理

车用柴油机的排放污染物主要包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、碳烟颗粒物(PM)和硫化物[4]。其中,一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物以气体形式存在,硫化物以液态形式存在,固体污染物则包括碳烟颗粒物以及其表面附着的碳氢化合物和硫化物。下面将分别介绍不同污染物成分的形成机理。

1.1 一氧化碳

一氧化碳的产生主要源于柴油机燃料混合气的不完全燃烧,即燃气混合不均匀以及燃烧缺氧所致。因此,一氧化碳可以认为是柴油机燃烧的中间产物。

烃类燃烧一般可以用式(1)表示:

当混合气中的氧气足够充足时,CO和H2进而发生以下反应,用式(2)和式(3)表示:

可以看出,在缺氧条件下,混合气主要进行反应,如式(1),随着氧气含量的增加,部分CO反应生成CO2,燃烧产物中CO和CO2同时存在;当混合气中的氧气足够多时,CO完全转化成CO2。

CO和人体血液中的血红蛋白具有极高的亲和力,会生成碳氧血红蛋白,进而阻断氧气与血红蛋白结合,导致人体缺氧窒息,严重时危机人体生命。

1.2 氮氧化物

在柴油机排气污染物中,氮氧化物主要包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)两种形式,其中一氧化氮所占比重较大。氮氧化物主要是由于N2和O2在高温高压环境下发生化学反应生成的。NO和NO2的形成过程可以参见表2。

NOx具有很强的毒性,其溶于水后会形成硝酸,是酸雨的成分之一;此外,在特定条件下,会造成光化学烟雾。

1.3 碳氢化合物

碳氢化合物(HC)主要是由于混合气未燃烧或燃烧不充分、润滑油窜漏以及曲轴箱窜气所致。

混合气未燃烧或燃烧不充分主要是由于发动机运行过程中混合气过浓或过稀所致,使部分混合气未进行燃烧或燃烧不充分;润滑油窜漏主要是通过影响可溶性有机物(SOF)来影响HC产生的数量,润滑油使SOF的数量上升,进而促进HC的产生;曲轴箱窜气则是指混合气通过活塞组与气缸之间的缝隙窜漏至曲轴箱中,导致大量的未燃燃料直接排放到大气中,其中就包括未燃HC。

1.4 碳烟颗粒物

碳烟颗粒物主要是由混合气中的碳生成的,并且燃油的种类、燃油分子的碳氢比会对碳烟颗粒物的生成产生影响。一般认为,碳烟颗粒物是不完全燃烧的中间产物,同时也是混合气在高温缺氧条件下裂解脱氢后形成的化学反应产物。

碳烟颗粒的形成可以归纳为颗粒生成和颗粒长大两个阶段;生成阶段,在高温富氧的混合区域,柴油通过裂解和脱氢,形成先期产物,在低温区域,通过聚合和冷凝生成碳烟微粒;长大阶段,通过表面生长和聚集作用,使得颗粒物体积和质量不断扩大。

碳烟颗粒物极易被人体吸入,沉积在肺部,导致癌症肿块的形成,对人体造成极大的危害;同时,碳烟颗粒物也是形成雾霾的重要来源。

1.5 硫化物

硫化物主要来源于混合气和润滑油当中的硫,与氧气反应生成硫氧化物,如式(4)。硫氧化物溶于水会形成硫酸,因此硫化物也是酸雨形成的来源之一。

2 车用柴油机排放控制技术

排放控制策略应综合考虑柴油机的固有特点,包括混合气的形成方式以及燃料燃烧特点。柴油机与汽油机不同,柴油是通过喷油泵和喷油嘴直接进入气缸内与空气混合,受到压缩使空气温度升高,进而柴油自燃[5]。

在柴油机的排放污染物中,一氧化碳、碳氢化合物的含量相对较少,硫化物的含量主要取决于燃油当中硫的含量。相比之下,碳烟颗粒物和氮氧化物的含量则相对较高,因此也成为了排放控制的重点内容。

柴油机排放污染物的控制技术可以从以下2个方面出发。

2.1 提高燃油品质

燃油品质对排放污染物的产生具有决定性的作用[6]。柴油机排放的氮氧化物、一氧化碳和碳烟颗粒物可以通过增加柴油当中的十六烷值来降低。其中,氮氧化物的含量与油品中芳香烃的含量有关,因此,减少芳香烃的含量可以有效降低氮氧化物的排放;而减少油品中硫的含量则可以有效降低硫化物的排放量。

改善油品质量可以从以下4个方面进行:

(1)适当增加柴油的十六烷值,并控制在合理范围内,同时减少燃油中芳香烃的含量。十六烷值是用以表征柴油自燃能力的一项重要指标。通过增加柴油的十六烷值,柴油的着火延迟期就会缩短,燃烧更加缓和,因此燃烧室内的温度和压力得到降低,氮氧化物、一氧化碳和碳烟颗粒物的排放就会降低。

但是,十六烷值不能过高,否则将会导致燃油和空气混合不均与,混合气燃烧不充分,进而导致碳烟颗粒物排放增多。因此,柴油的十六烷值必须控制在合理的范围之内,一般在50~60之间。

芳香烃作为柴油的组分之一,其十六烷值非常低,因此自燃的能力也较差。柴油中芳香烃的含量增加会降低柴油的自燃能力,导致燃烧初期未燃燃油增多,随着燃烧进程的推进,集聚的未燃燃料会发生骤燃现象,导致气缸内的温度和压力急剧升高,发动机工作极其粗暴,氮氧化物的排放量也会急剧增加[7]。

因此,控制十六烷值在合理的范围内、降低油品中芳香烃的含量是减小碳烟颗粒物和氮氧化物排放的有效途径。

(2)对柴油进行乳化处理。柴油乳化是指在标准柴油中,加入水和生物柴油的处理过程。一般情况下,标准柴油、生物柴油和水的比例可以按照式(5)确定。

乳化柴油=80%×(70%标准柴油+30%生物柴油)+20%×水式(5)

乳化柴油中,水主要用来降低氮氧化物和碳氢化合物的生成量,其原理是:

①利用水气化过程中吸收大量的热量,进而降低燃烧室温度,从而达到降低氮氧化物生成。

②水在气化过程中,会加快气缸内气流的流动,进而加速燃油与空气的混合,促进燃烧的快速进行,破坏了激冷层的生成条件,从而抑制了碳氢化合物的生成。

(3)利用脱硫技术降低柴油的硫含量。柴油当中的大部分硫会在燃烧过程中转化为,部分会进一步与反应生成硫酸盐颗粒,增加柴油机排放颗粒物的生成。试验证明:柴油中硫含量与颗粒物排放之间存在着正相关关系,且近似呈线性关系。颗粒物排放量与硫含量的关系如图1所示。

因此,降低柴油当中硫的含量可以有效降低颗粒物的排放量,同时对硫化物排量的降低具有显著的作用。

2.2 柴油发动机机内净化技术

柴油发动机机内净化技术的实质是采用相应的化学、物理方法合理优化柴油机的燃烧过程,力求燃料与空气的充分混合与燃烧,同时缓和发动机的工作环境,进而降低排气污染物的产生。

现阶段,使用最为广泛、技术最为成熟的机内净化技术总结如图2所示[8]。

(1)HCCI技术是均质充量压燃技术(Homogeneous Charge Compression Ignition)的简称。均质是指混合气的混合比例非常均匀,既可以在进气系统中进行前期混合,又可以在气缸内混进行混合,但无论哪一种混合方式,燃料和空气的混合一定要足够充分和均匀。当均匀的混合气形成之后,发动机通过压缩冲程所产生的高温和高压引燃混合气,达到均匀燃烧的效果。HCCI发动机将柴油机和发动机的优点相结合,可以有效降低排气污染物的产生,尤其是对氮氧化物和碳烟颗粒物的生成起到了非常显著的抑制作用。

(2)VNT技术是指可变喷嘴涡轮增压技术(variable nozzle turbine)。该技术是在传统的涡轮增压器上增加了一片导流片,该导流片的位置是可移动的,以保证在不同的转速条件下提供最佳的进气压力和流速。这对于提高低转速条件下的进气压力具有显著的效果,从而保证平缓的扭矩和功率输出。VNT发动机的平均有效压力和平均压力均得到提高,碳烟颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物的排量大大降低。

(3)多气门技术能够增加进排气道的总截面面积,对于改善喷油器的冷却效果以及活塞热应力具有突出效果,同时能够有效提升柴油的喷雾效果,加快混合气的均匀形成,进而降低碳烟颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物的生成。

(4)废气再循环技术(Exhaust Gas Re-circulation,EGR)是指将发动机产生的部分废气重新运送至进气歧管处,经与新鲜混合气混合后,一同进入气缸的发动机进气技术。该技术主要是利用了废气中CO2比热容较高的特征,同时废气的加入有效降低了混合气当中氧气的浓度,从而有效降低混合气燃烧的速度、燃烧室的最高温度和平均温度,进而抑制了氮氧化物的生成。

(5)燃烧室与涡流优化技术主要是指将燃烧室的形状尺寸、供油系统、进气气流等参数进行合理优化,进而达到最佳匹配的效果。该技术可以使高压喷射条件下的涡流比降低,从而减少碳烟颗粒物的生成。

3 结语

对柴油机排气污染物的种类、生成机理进行阐述,并总结了现阶段调高柴油机排放水平、降低柴油机排放污染物生成的有效途径,得出以下结论:

(1)提高燃油品质是提高柴油机排放水平的最根本途径,是有效降低排气污染物生成的关键。

(2)降低排气污染物中CO生成的有效途径有VNT技术;降低排气污染物中生成的有效途径有HCCI技术、多气门技术和废气再循环技术;降低排气污染物中HC生成的有效途径有VNT技术、多气门技术;而HCCI技术、VNT技术、多气门技术和燃烧室和涡流优化技术对碳烟颗粒物的生成具有较好的抑制作用。

摘要：文章介绍了汽车排气污染物的危害以及我国汽车排气污染物控制法规的实施进程,同时总结了柴油发动机的应用特点和在排放领域存在的问题,对柴油发动机排气污染物的种类、生成机理进行阐述,并总结了现阶段调高柴油发动机排放水平、降低柴油发动机排放污染物生成的有效途径。

关键词：柴油发动机,排气污染物,排放控制,机内净化技术

参考文献

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