張旻玥

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100191

混合燃料內(nèi)燃機(jī)PM2.5排放控制方法

張旻玥

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100191

采用混合燃料控制內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放的目的是為了，降低車輛運(yùn)行對(duì)大氣環(huán)境的污染，改善人類健康的生活環(huán)境，緩解傳統(tǒng)石化燃料資源緊張。主要闡述的內(nèi)容就是探討不同內(nèi)燃機(jī)代用燃料對(duì)顆粒物排放生成的機(jī)理及控制方法。

內(nèi)燃機(jī)；顆粒物；控制方法

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，汽車工業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，并在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著積極作用。然而，汽車保有量的快速增長(zhǎng)也為我國(guó)的能源安全和環(huán)境保護(hù)提出了一系列問(wèn)題。除了對(duì)石油資源的大量消耗以外，機(jī)動(dòng)車排放也是城市污染的主要來(lái)源之一，北京城市大氣中PM2.5排放有30%左右來(lái)自于機(jī)動(dòng)車尾氣。盡管電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等技術(shù)在近年來(lái)已經(jīng)取得一定發(fā)展，但短期內(nèi)內(nèi)燃機(jī)仍將是汽車的主要?jiǎng)恿υ碵1-2]。而內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行時(shí)恰恰最容易產(chǎn)生粒徑小于2.5微米的細(xì)顆粒和粒徑小于0.1微米的超細(xì)顆粒。這些細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒雖然在總顆粒數(shù)中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，但其所占的顆粒數(shù)目百分比卻相對(duì)較大。同時(shí)，Dockery 等最早發(fā)現(xiàn)PM2.5 與死亡率呈正相關(guān)關(guān)系，而PM10等相對(duì)較大的顆粒對(duì)人體健康的影響卻并不明顯[3]。由此可見(jiàn)，降低內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒物排放已經(jīng)迫在眉睫。

1 內(nèi)燃機(jī)PM2.5生成原理

柴油機(jī)由于采用擴(kuò)散式燃燒，因而其較氣道噴射的汽油機(jī)在運(yùn)行時(shí)更易產(chǎn)生顆粒物排放。在擴(kuò)散燃燒過(guò)程中，柴油被以高壓噴入到氣缸內(nèi)，由于油束在缸內(nèi)與空氣混合的時(shí)間很短，因而未燃的柴油極易產(chǎn)生顆粒物排放。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的顆粒物主要來(lái)自于燃料中的碳元素、吸附性有機(jī)化合物以及少量的硫酸鹽、硝酸鹽、灰分等。

汽油機(jī)運(yùn)行時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生顆粒物排放，但因其運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生明顯的黑煙，因而以往并未引起廣泛關(guān)注。特別是對(duì)于直噴汽油機(jī)而言，局部區(qū)域過(guò)濃的混合氣和未蒸發(fā)的液態(tài)油滴擴(kuò)散燃燒都會(huì)引起顆粒排放增加，并且相對(duì)較低的缸內(nèi)溫度也造成了微粒氧化不完全。

2 現(xiàn)有PM2.5控制方法及特點(diǎn)

通過(guò)采用HCCI、高壓共軌或調(diào)整噴油規(guī)律等技術(shù)雖然可以降低內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的顆粒物排放，但是這些技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)本體結(jié)構(gòu)和電子控制單元的改動(dòng)量均較大，普遍存在成本高、系統(tǒng)復(fù)雜和難以被在用車輛所采用的問(wèn)題。

顆粒捕集器（DPF）是目前對(duì)車輛顆粒物排放最有效的處理方式。DPF通常由收集排氣微粒的濾芯和周期性的把濾芯中積存的微粒燃燒或氧化掉的再生系統(tǒng)組成。但是，當(dāng)DPF上積聚的顆粒物過(guò)多時(shí)，顆粒捕集器的吸附作用就會(huì)被減弱。因此，顆粒物捕集器的倆大關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料和過(guò)濾體再生技術(shù)。

氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）也是降低車輛尾氣中顆粒物的手段之一。DOC以鉑（Pt）和鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，主要降低微粒排放中的SOF的含量，從而降低PM的排放。采用DOC、DPF等后處理手段是目前控制內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放的主要方法，但是由于內(nèi)燃機(jī)燃料中含有的硫等雜質(zhì)會(huì)破壞催化劑的性能，因此該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也面臨著轉(zhuǎn)化能力降低的問(wèn)題。同時(shí)，DOC和DPF等系統(tǒng)的造價(jià)也相對(duì)昂貴。

3 混合燃料PM2.5控制方法

降低燃料中硫、乙烷及丙烷等顆粒前驅(qū)物含量，提高氧含量，并減少燃料中不飽和烴和芳烴含量均有利于降低燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的顆粒物排放。向燃料中混合少量添加劑或與內(nèi)燃機(jī)代用燃料混合，是改善內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放的有效手段之一。

氫氣是一種不含碳的燃料，且其相比汽柴油而言具有稀燃極限寬、燃燒及擴(kuò)散速度快等特點(diǎn)。因而使用氫氣作為添加劑來(lái)提高汽柴油內(nèi)燃機(jī)性能的研究在近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。Zhao和Stone等學(xué)者[4]的研究表明，向汽油機(jī)中添加氫氣有利于減少顆粒物的生成。當(dāng)摻氫分?jǐn)?shù)由0%提高至10%時(shí)，汽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的顆粒物數(shù)目和質(zhì)量最高可以降低95%以上。同時(shí)，摻氫對(duì)降低汽油機(jī)低負(fù)荷時(shí)顆粒物排放的作用較高負(fù)荷時(shí)更加明顯。

提高進(jìn)氣中的氧濃度或向燃料中摻入含氧添加劑也有利于促進(jìn)燃料的充分燃燒，進(jìn)而減少顆粒物的生成。提高內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣中的氧濃度可以有效地控制內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放。同時(shí)，向燃料中添加乙二醇醚等不含碳環(huán)結(jié)構(gòu)的含氧燃料也可以明顯降低內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放。

甲醇和乙醇是可以通過(guò)生物質(zhì)或煤等制取的燃料。由于醇類具有更高的H/C和O/C比，因而向內(nèi)燃機(jī)中加入醇類添加劑可以改善燃料的燃燒過(guò)程，從而控制顆粒物排放的產(chǎn)生。就甲醇而言，在高負(fù)荷條件下，向燃料中適量添加低于10%的甲醇可以降低顆粒物生成，但當(dāng)甲醇添加量達(dá)到15%時(shí)，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的顆粒物排放會(huì)迅速升高。此外，向柴油中添加15%的乙醇可以使顆粒物排放的質(zhì)量和數(shù)量分別降低。

二甲醚也是內(nèi)燃機(jī)優(yōu)良的代用燃料之一，且二甲醚能夠通過(guò)煤炭制取，發(fā)展二甲醚燃料內(nèi)燃機(jī)符合我國(guó)“富煤、貧油”的能源格局對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃料的要求。相比汽油及醇類等液態(tài)高辛烷值燃料，二甲醚（DME）常溫下呈氣態(tài)，因而其擴(kuò)散系數(shù)更高，從而使二甲醚混合燃料能夠改善混合氣的均勻性。此外，二甲醚在燃燒反應(yīng)中會(huì)生成大量的CO與OH自由基，因此向燃料中摻入二甲醚能夠增強(qiáng)以O(shè)H自由基為基礎(chǔ)的活化中心反應(yīng)過(guò)程，進(jìn)而使燃料的燃燒速率得到有效提高。二甲醚是一種含氧燃料，因而二甲醚燃燒時(shí)能夠生成CH2O和HCO2活性自由基，從而進(jìn)一步降低混合燃料內(nèi)燃機(jī)PM2.5排放。

4 結(jié)論

內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的有害排放已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要來(lái)源。特別是機(jī)動(dòng)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物正在改變大氣環(huán)境的物理化學(xué)特征，從而帶來(lái)新的環(huán)境和健康問(wèn)題。通過(guò)向汽、柴油中添加氫氣、氧氣、醇類燃料或DME燃料有利于減少內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的顆粒物排放。但是，在低負(fù)荷時(shí)過(guò)量加入醇類添加劑后，由于缸內(nèi)混合氣均勻程度降低，因而顆粒物排放反而會(huì)有所增加。因此，利用醇類添加劑控制內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放應(yīng)在大負(fù)荷階段采用，并注意控制醇類添加劑的使用量。

[1]National Research Council of the National Academies，Review of the Research Program of the U.S. DRIVE Partnership: 4th Report，Washington: National Academy of Sciences，2013.

[2]Tanaka N. Transport，Energy and CO2. Paris: International Energy Agency，2009.

[3]Dockery D W，Pope A，Xu X，et al．An association between air pollution and mortality in six US cities．New England Journal of Medicine，1993；329：1753-1759．

[4]Zhao H，Stone R，Zhou L. Analysis of the particulate emissions and combustion performance of a direct injection spark ignition engine using hydrogen and gasoline mixtures. Int J Hydrogen Energy 2010;35:4676-86.

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1674-6708（2015）143-0085-01