陳永賢,俞建達(dá),黃 見(jiàn),沙有勝
(無(wú)錫油泵油嘴研究所,江蘇 無(wú)錫 214063)
柴油機(jī)具有熱效率高、升功率大、功率范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)以及便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸車(chē)輛、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、船舶等領(lǐng)域。據(jù)公安部最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至2011年6月底,我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已達(dá)到2.17億輛,并仍保持較快增長(zhǎng)之勢(shì)。
機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的飛速增加,除帶來(lái)石油短缺問(wèn)題外,其排氣污染物也給大氣環(huán)境和城市環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染破壞作用。然而,排放法規(guī)卻日益苛刻,降低柴油機(jī)主要排放污染物的要求刻不容緩,為很好地降低柴油機(jī)的主要污染物,我們必須深刻理解其主要污染物的生成機(jī)理及影響因素,同時(shí)闡述降低這些主要排放污染物的對(duì)應(yīng)策略。
眾所周知,柴油機(jī)的排放污染物主要是氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。一般說(shuō)來(lái),在缸內(nèi)直噴柴油機(jī)中,由于噴霧與進(jìn)氣充量的混合時(shí)間很短,再加上柴油的粘度大、揮發(fā)性差,形成的可燃混合氣嚴(yán)重不均勻,不均勻的混合氣被分為高溫過(guò)濃區(qū)和高溫火焰區(qū)。
高溫過(guò)濃區(qū)在高溫高壓下,由于缺氧而形成碳煙(Soot)粒子,并在降溫過(guò)程中吸附各種凝聚相物質(zhì),形成了柴油機(jī)重要的污染物微粒(PM);
高溫火焰區(qū)在高溫高壓下,由于氧氣富足,缸內(nèi)的氮?dú)獗谎趸蒒O和NO2,從而形成了柴油機(jī)排放中的另一種重要污染物——氮氧化物(NOx)。
可見(jiàn),控制柴油機(jī)有害排放物的重點(diǎn),在于控制PM和NOx。
研究表明,在傳統(tǒng)燃燒技術(shù)優(yōu)化過(guò)程中,柴油機(jī)本身由擴(kuò)散火焰控制的燃燒方式?jīng)Q定,必然存在PM和NOx排放的Trade-off關(guān)系,這為柴油機(jī)的主要排放物控制帶來(lái)了很大困難。本文分別從機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化的角度出發(fā),針對(duì)這兩種主要排放物,分別闡述了先進(jìn)而有效的應(yīng)對(duì)策略,以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的超低排放,從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和人類健康的目的。
冷卻的EGR技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)降低NOx排放的主要技術(shù)措施之一。
一般來(lái)講,隨著EGR率的增大,進(jìn)入缸內(nèi)的N2、H2O和CO2等惰性氣體增加,新鮮空氣被稀釋,氧濃度下降,再加上H2O和CO2等三原子氣體有較大的比熱容,致使同樣的放熱量缸內(nèi)平均溫度降低,因而NOx排放總是下降的,但常常伴隨著PM排放的增加。然而,在LTC燃燒方式下,PM排放卻隨EGR率的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。
其原因如下:當(dāng)EGR率較小,氧濃度較高時(shí),隨著EGR率的增大,氧濃度的降低,當(dāng)量燃氧比越來(lái)越大,缸內(nèi)平均溫度越來(lái)越低,再加上燃燒過(guò)程屬于一邊燃燒一邊噴射,致使Soot排放的氧化率低于生成率,故PM排放隨EGR率的增大而增大;
隨著EGR率的進(jìn)一步增大,氧濃度的進(jìn)一步降低,盡管燃氧當(dāng)量比進(jìn)一步增大,但由于缸內(nèi)平均溫度很低,以至不能滿足Soot的生成條件,致使Soot排放隨EGR率的增大而減少,但HC和CO排放卻急劇增加。
目前被廣泛研究的冷卻的EGR管路布局有:低壓EGR管路、高壓EGR管路、長(zhǎng)EGR管路和短EGR 管路等[1~2]。
采用多級(jí)渦輪增壓中冷技術(shù),提高了進(jìn)氣終了壓力,增加空氣的供給量,提高充氣系數(shù),促進(jìn)了燃油與進(jìn)氣充量的混合氣的形成,加快了燃燒反應(yīng)速率,使柴油燃燒充分,使Soot排放大大降低,并降低了HC和CO的排放;同時(shí)進(jìn)入氣缸的總的進(jìn)氣充量增加,尤其是再循環(huán)廢氣成分的增加,從而缸內(nèi)工質(zhì)的總比熱容增大,致使缸內(nèi)平均溫度降低;再加上由于中冷作用,使進(jìn)氣溫度降低,以控制NOx的惡化。
研究表明,隨著進(jìn)氣壓力的提高,Soot排放峰值有所下降,且Soot排放增大的始點(diǎn)推遲,這表明隨著進(jìn)氣壓力的提高,NOx與Soot的trade-off關(guān)系有所改善。一般說(shuō)來(lái),隨著進(jìn)氣壓力的提高,燃油與進(jìn)氣充量的混合速率增大,局部過(guò)濃區(qū)減少,Soot生成速率降低,氧化速率增大,致使Soot排放峰值下降。隨著進(jìn)氣壓力的提高,進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量越多,氧濃度越高,越利于Soot氧化。因而,Soot排放增大的始點(diǎn)推遲。
實(shí)踐證明:增壓空氣溫度每降低10℃,柴油機(jī)的工作循環(huán)平均溫度可降低25~30℃,采用多級(jí)渦輪增壓與中冷技術(shù),是降低NOx和PM排放、改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和提高升功率的有效措施[3]。
采用可變氣門(mén)技術(shù)是控制化學(xué)特征時(shí)間的主要技術(shù)手段之一[4]。該技術(shù)的理論依據(jù)為Miller/Atkinson循環(huán),即通過(guò)推遲關(guān)閉進(jìn)氣門(mén),來(lái)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的冷卻效應(yīng),以減少發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮功的消耗,并利用增壓來(lái)彌補(bǔ)由于進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)而引起的進(jìn)氣量減少問(wèn)題。
該技術(shù)在降低有效壓縮比的同時(shí),保持了較大的膨脹比,是解決缸壓過(guò)高的有效手段之一。同時(shí)由于有效壓縮比的降低,缸內(nèi)溫度也相應(yīng)降低,有利于增加缸內(nèi)燃油的著火延遲期,使其混合情況大為改善,且低溫也有利于降低NOx排放。
目前,按照控制參數(shù)的不同,可變氣門(mén)技術(shù)分為:可變氣門(mén)正時(shí)(VVT),即氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)刻可變;可變氣門(mén)升程(VVL),即僅改變氣門(mén)的最大升程;可變氣門(mén)升程與定時(shí)(VLT),即在改變升程的同時(shí),改變了定時(shí)與開(kāi)啟持續(xù)期。
而實(shí)現(xiàn)可變氣門(mén)技術(shù)則有多種途徑,按照有無(wú)凸輪軸,可分為基于凸輪軸的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)和無(wú)凸輪軸的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)兩大類。
研究表明,在總的進(jìn)氣流量相同的情況下,隨著進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉定時(shí)的推遲,NOx和Soot排放能同時(shí)降低,其原因歸于缸內(nèi)燃燒溫度的降低,而當(dāng)量燃氧比相對(duì)較高。
多次噴射被分為3個(gè)基本類型:預(yù)噴射、后噴射和分離噴射[5]。
預(yù)噴射,是指在長(zhǎng)主噴射之前的短噴射。預(yù)噴射的作用,使主噴著火前缸內(nèi)壓力和溫度有一定程度的提高,預(yù)噴射形成的混合氣的燃燒,促進(jìn)了主噴可燃混合氣的形成,使著火延遲期明顯縮短,燃燒提前,并使主噴階段預(yù)混合燃燒溫度,壓力升高率及放熱率大幅度下降,避免了傳統(tǒng)燃燒初期壓力和溫度急劇升高的現(xiàn)象,使得NOx排放和燃燒噪聲,在不同工況得到了不同程度的降低。
后噴射,是指在長(zhǎng)主噴射之后的短噴射。后噴射的主要作用是加快Soot氧化,這歸于其增加了燃燒后期的湍流能量,改善了外圍空氣與燃油的混合,提高了空氣利用率。
分離噴射,僅僅是指一次噴射被分為兩次或更多次進(jìn)行噴射。分離噴射的主要作用,是后續(xù)噴射脈沖能引起湍流,該湍流有助于改善燃油揮發(fā)以及油氣混合,從而致使空氣利用率得到改善,同時(shí)加快了燃燒速度;分離噴射的另外一個(gè)作用,是有利于控制燃燒噪聲和有害排放物的形成。然而,針對(duì)分離噴射,只有優(yōu)化的噴油定時(shí)、脈沖間隔時(shí)間、脈沖油量及其比例以及噴射次數(shù),才能顯著地改善脈沖燃油與空氣的混合過(guò)程,降低未燃油滴損失率,控制缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分層,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程中著火和放熱速率的有效控制。
柴油機(jī)采用高壓噴射技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)Soot、HC和CO排放的同時(shí)降低,同時(shí)有利于熱效率的提高和燃油消耗率的降低,但卻常伴有NOX排放的輕微增加。若結(jié)合高的增壓壓力和一定量的EGR率,則能夠?qū)崿F(xiàn)NOX和Soot排放的同時(shí)降低。
因此,提高燃油噴射壓力,是目前內(nèi)燃機(jī)界研究的一個(gè)重要方向[6]。
一般說(shuō)來(lái),噴射壓力提高,噴油速率增大,相同的噴油量噴油持續(xù)期相對(duì)縮短,大部分燃油在滯燃期內(nèi)就噴入氣缸,為油氣混合贏得了更長(zhǎng)的時(shí)間,因此預(yù)混合燃燒燃油量較大;同時(shí),采用高而穩(wěn)的噴射壓力增大噴油率與增大油嘴噴孔孔徑增大噴油率相比,前者油束的貫穿能力和混合氣形成的能量,都大大增加;再加上噴孔內(nèi)外壓力差加大,更有利于噴注微粒的細(xì)化,及噴霧粒子在缸內(nèi)分布的均勻,使燃油霧化及油氣混合物的均勻性得到了改善,減少了缸內(nèi)濃混合區(qū),加快了擴(kuò)散燃燒的速度,縮短了燃燒持續(xù)期。
由于以上3個(gè)因素,柴油機(jī)在中等負(fù)荷以上工況時(shí),高噴射壓力能使熱效率提高,而Soot、HC和CO排放,得到不同程度的降低;而在低負(fù)荷大EGR率時(shí),提高噴射壓力來(lái)降低Soot排放則顯得收效甚微[7]。
為緩解我國(guó)石油資源匱乏和需求之間的矛盾,及有利于我國(guó)長(zhǎng)期可持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展和環(huán)境保護(hù),需要規(guī)劃與發(fā)展內(nèi)燃機(jī)燃用清潔代用燃料,以替代石油基燃料即汽油和柴油,這里以二甲醚和生物柴油為例,主要介紹柴油替代燃料。
二甲醚簡(jiǎn)稱DME,在其化學(xué)結(jié)構(gòu)中兩個(gè)甲基被O分隔,二甲醚沒(méi)有一個(gè)C-C鍵。氧原子不僅降低了乙烯和乙炔的形成,也促進(jìn)氧化不飽和烴。二甲醚燃料含氧量高,十六烷值低,空氣混合要求低,熱效率高,燃燒完全。因此,二甲醚燃料是能有效地降低柴油機(jī)碳煙排放的可替代燃料之一[8]。
生物柴油是指以草本油料為作物、木本油料植物、動(dòng)物油脂和餐飲廢油等為原料,通過(guò)酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料。其具有含氧量高,十六烷值高的特點(diǎn)。由于生物柴油的十六烷值高,燃燒溫度低,著火延時(shí)期短,燃燒反應(yīng)速率高,且含氧量較高,致使排氣中的Soot、HC、CO排放較化石柴油相比明顯下降,而NOX排放卻有所升高。
但若生物柴油、柴油和乙醇以一定的比例混合作為燃料,則能獲得比柴油有明顯較低的Soot和NOX排放。
微粒捕集器(DPF)是非常實(shí)用有效的微粒后處理技術(shù)[9]。DPF系統(tǒng)通常包括過(guò)濾裝置、再生裝置和控制裝置3個(gè)部分,其關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料和過(guò)濾體再生。目前的過(guò)濾材料主要有陶瓷基材料、金屬基材料、復(fù)合基材料等。
而過(guò)濾提再生的基本原理為:DPF工作時(shí),PM被濾芯吸附過(guò)濾,隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng),過(guò)濾體內(nèi)積聚的PM增多,過(guò)濾體前、后的壓差越來(lái)越顯著,柴油機(jī)排氣阻力加大,導(dǎo)致柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降,因而必須適時(shí)對(duì)PM進(jìn)行清除,以限制其最高阻力即最高背壓,該過(guò)程即為過(guò)濾體的再生。
根據(jù)再生原理的不同,可將過(guò)濾體再生方法,分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩類。
主動(dòng)再生是利用外加能源進(jìn)行再生,此種方法再生效率高,但系統(tǒng)較復(fù)雜,運(yùn)行成本高。主動(dòng)再生又分為加熱再生和非加熱式機(jī)械再生。
被動(dòng)再生是利用柴油機(jī)排氣本身所具有的能量,對(duì)過(guò)濾體進(jìn)行再生,其又被分為催化再生、連續(xù)再生和燃油添加劑再生。
SCR技術(shù)全稱為選擇性催化還原技術(shù)[10],其轉(zhuǎn)化器具有很強(qiáng)的選擇性,主要是針對(duì)NOx的排放控制,其還原系統(tǒng)的還原劑,可用各種氨類物質(zhì)或者各種HC。其中,尿素用得較多。
SCR技術(shù)的工作原理如下:即將一定比例的尿素水溶液噴入尾氣中,在高溫環(huán)境中(溫度高于250℃),再加上催化劑的作用,NOx能迅速與氨氣反應(yīng),生成氮?dú)夂退?。而柴油機(jī)的排氣溫度一般在250~500℃范圍內(nèi),滿足了NOx還原所需的溫度條件,且該技術(shù)的NOx排放的最高轉(zhuǎn)化率達(dá)95%。但SCR技術(shù)卻受排氣溫度、燃油品質(zhì)等的影響很大。溫度過(guò)高時(shí),NH3可能自行燃燒,而不與NOx起反應(yīng);溫度太低,催化劑的活性大大降低,反應(yīng)速度太慢,轉(zhuǎn)化效率低并伴有二次污染物。同時(shí),柴油中的硫含量,將會(huì)使裝置里的催化劑中毒,將使SCR的工作效率大大降低,因而,該系統(tǒng)對(duì)柴油中的硫含量要求較高。
氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)是由殼體、減振層、載體和催化劑構(gòu)成。催化轉(zhuǎn)化器殼體由不銹鋼制成,以防止因氧化皮脫落而造成催化器的堵塞;催化轉(zhuǎn)化器減振層有金屬網(wǎng)和陶瓷密封墊兩種,具有固定載體、隔熱、抗沖擊、密封以及降噪的作用;催化劑載體主要分為顆粒狀載體、蜂窩陶瓷載體和金屬載體這3種,載體應(yīng)具有抗沖擊、抗振、氣體流動(dòng)性好、凈化性能好、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。
氧化催化器(DOC),以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑,其主要作用是將沒(méi)有完全燃燒的HC、CO和PM中的絕大多數(shù)SOF氧化掉,氧化催化器可以除去90%以上的SOF,從而使PM排放減少近50%。其對(duì)HC和CO的處理效率可以分別達(dá)到80%、65%以上。DOC對(duì)PM的捕捉效果不如DPF,但是由于碳?xì)浠衔锏狞c(diǎn)火溫度較低,所以DOC不需昂貴的再生系統(tǒng),生產(chǎn)成本較低。
為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的超低排放,針對(duì)不同工況,應(yīng)采用不同的排放控制技術(shù),以及多種技術(shù)方法的耦合,同時(shí)選用滿足不同排放要求的后處理技術(shù)。
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