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        內燃機尾氣NOx排放控制及噴水技術研究*

        2017-01-12 01:33:16福建船政交通職業(yè)學院林金英
        海峽科學 2016年12期
        關鍵詞:沖程內燃機氮氧化物

        福建船政交通職業(yè)學院 林金英

        內燃機尾氣NOx排放控制及噴水技術研究*

        福建船政交通職業(yè)學院 林金英

        節(jié)能減排已是現(xiàn)代文明社會的一種共識。該文介紹了內燃機尾氣NOx排放控制及缸內噴水新技術,對包括尾氣余熱回收、降低缸內高溫、解決內燃機的節(jié)能減排有一定的指導意義。

        內燃機尾氣 NOx排放控制 噴水技術

        1 廢氣排放

        內燃機廢氣排放主要包括氮氣、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和顆粒物等。

        氮氧化物(NOx)是一種致癌物質,是城市霧霾和酸雨(可使土壤酸化)的主要原因。一氧化碳(CO)形成的主要原因是不完全燃燒和二氧化碳的分離,高濃度CO有劇毒。顆粒物(PM)是無機和有機化合物的混合物。其中超過一半的顆粒物是煙塵(無機碳顆粒),明顯的特征是煙。二氧化碳本身無毒,但它會導致溫室效應,從而改變地球的大氣層結構。氧化硫氣味對人體有刺激作用,也是酸雨的主要原因之一,地下水酸化已經在有些地方出現(xiàn),導致飲用水供應系統(tǒng)的金屬腐蝕,被溶解的金屬對人體健康帶來傷害。如果燃料硫含量為3%,每噸燃料燃燒生成SOx大約64kg;如果使用燃料硫含量為1%,每噸燃料燃燒生成SOx降到21kg左右。歐盟為了控制空氣污染,要求所有船只在歐盟港口燃燒燃料最大硫含量為0.2%,這將迫使船舶燃燒低硫燃料。

        2 NOx排放控制

        NOx 生成的影響因素:燃燒溫度、燃燒時間及燃油與空氣的預混合程度。要控制NOx的排放,可以從其生成機理和性質兩方面進行分析,一般分為機內燃燒控制技術和機外排氣凈化技術[1]。方法有燃油乳化、發(fā)動機優(yōu)化、廢氣再循環(huán)EGR 、選擇性催化還原法SCR、噴水技術等。

        燃油乳化是液體乳劑通過噴油器注入使氮氧化物排量顯著減少。受到發(fā)動機型號的影響,通常1%的水可以減少1%的氮氧化物排放量。

        發(fā)動機優(yōu)化,在燃燒過程中改善燃燒室結構,以及優(yōu)化發(fā)動機參數(shù)(氣門正時、燃油噴射和渦輪增壓等) 來減少氮氧化物排放。另外,智能控制技術的應用改變了傳統(tǒng)的燃油控制模式及柴油機的管理模式,利用智能控制技術可以實現(xiàn)噴油時間準確控制、噴油壓力和噴油量的精準控制,從而大大提高柴油機的動力性和經濟性,并且減少了NOx排放。

        廢氣再循環(huán)(EGR)是一種改變進氣降低NOx排放的方法,基本原理是采用一部分廢氣經過處理再引回進氣管,與新鮮空氣混合。由于減少了燃燒區(qū)內的氧濃度,燃燒和爆炸過程中,NO的生成反應速度是與氧的濃度的平方根成正比,因此,NO的生成反應速度降低,廢氣中的NOx濃度也相應下降[2]。由于廢氣中的水和二氧化碳有較高的熱容,使最高的燃燒溫度降低,反過來,限制氮氧化物的形成。EGR技術是一種降低NOx排放非常有效的方法,不影響發(fā)動機的功率輸出,但發(fā)動機只能燃燒清潔燃料,如低硫、低灰分以及酒精等。如果燃燒高硫燃料會導致渦輪增壓器,中間冷卻器和掃氣管道的腐蝕。

        選擇性催化還原法(SCR)是指在催化劑的作用下,利用還原劑(如NH3)“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。

        3 內燃機噴水技術

        3.1 燃燒室溫度對NOx形成的影響

        為了降低燃燒時的溫度,一般采用加濕和直接噴水兩種方法。圖1為某內燃機測試的溫度對NOx的實驗曲線,可以看出,燃燒室溫度是NOx形成的主要因素。

        圖1 燃燒室溫度與NOX形成之間的關系

        3.2 瓦錫蘭發(fā)動機噴水技術

        加濕降低燃燒溫度方法。飽和空氣參與燃燒,采用燃燒空氣飽和系統(tǒng)(簡稱CASS),如圖2所示。加濕法測量曲線如圖3所示。

        圖2 加濕降低燃燒溫度方法

        圖3 加濕法測量曲線

        直噴法降低燃燒溫度方法,采用雙噴嘴,如圖4所示。直噴法測量曲線如圖5所示。

        圖4 直噴法降低燃燒溫度方法

        圖5 直噴法測量曲線

        3.3 寶馬發(fā)動機噴水技術

        3.3.1 進氣道噴水方法

        圖6為寶馬汽車水噴射系統(tǒng)(WIS)。進氣道中增加了一款水噴射器。該噴射器先將水霧化并噴射到進氣道與空氣進行預混合。汽油直噴系統(tǒng)配合增加燃燒效率。總體節(jié)油效果可達到世界輕型車輛測試循環(huán)WLTC高速公路工況下13%及普通駕駛工況下4%。

        圖6 寶馬汽車水噴射系統(tǒng)

        具體的工作示意圖如圖7所示,該系統(tǒng)當發(fā)動機處于高負荷狀態(tài)(High Engine Load)下被觸發(fā),由水泵(Water Pump)將水箱(Water Tank)中的水輸送到水噴射器(Water Injector valve)噴射入進氣道隨后進入氣缸,降低氣缸中油氣混合器的溫度,從而提高燃燒效率。該工作模式被稱為噴水助力(Water Boost)模式。

        該水噴射系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計每幾百公里僅消耗近百毫升的水,因此一個緊湊的水箱及幾千公里加注一次的頻率就可滿足使用要求。另外采用空調系統(tǒng)中產生的凝結水珠、積少成多、一滴也不放過地利用在水噴射技術之中,從空調系統(tǒng)中收集冷凝水,匯總在一個特制的水箱中,通過過濾之后利用。

        圖7 寶馬水噴射系統(tǒng)工作示意圖

        寶馬汽車水噴射系統(tǒng)的優(yōu)點主要有:(1)為充氣過程提供冷卻。類似于對進入氣缸的空氣降溫。(2)可以有效防止爆震的發(fā)生。(3)可以提高發(fā)動機的壓縮率,從而讓發(fā)動機產生更大的扭矩。(4)能夠簡單而且高效地降低油耗。特別是高負荷和低轉速工況。(5)避免燃油的加濃噴射和降低排氣溫度,特別是高負荷和高轉速工況。(6)由于燃燒室溫度降低,減少NOx的形成。

        3.3.2 燃燒室直噴方法

        目前,寶馬公司所公開的缸內噴水技術,噴入的不是水,而是用廢氣制造的高溫高壓水蒸氣;不是與汽油混合噴入(汽油通常在進氣和壓縮沖程噴入氣缸),而是在做功沖程開始時才噴入。在混合氣燃燒已經開始時,通過向缸內噴水(蒸氣),在燃燒室頂部制造一個水蒸氣隔熱層,可以起到以下作用:

        (1)因水蒸氣溫度低于燃燒室頂部,屬吸熱膨脹做功,熱效率會高于動力渦輪的設計,這將增加扭矩10%以上,即發(fā)動機熱效率提高10%以上;

        (2)燃燒室頂部是熱損失的關鍵位置。水蒸氣隔熱層將使熱損失大幅下降,使發(fā)動機熱效率增加10%以上;

        (3)燃燒室頂部不會再出現(xiàn)500度以上的高溫區(qū)域,混合氣不會被高溫提前加熱,不易發(fā)生爆震,壓縮比可提高1.5~2,熱效率將提升4.5%~6%。

        3.4 內燃機排氣沖程噴水節(jié)能減排技術

        圖8為柴油機排氣沖程噴水實驗平臺示意圖。柴油機排氣沖程噴水減排技術方案的主要特點是:在排氣沖程中,噴射到活塞頂部的水受熱,產生大量的水蒸氣,把燃燒室中的尾氣擠出,停留在燃燒室中的水蒸氣參與下個循環(huán)的燃燒,達到減排節(jié)能的目的[3]。

        采用新購買的一臺風冷柴油機,缸套鉆孔并安裝電控噴嘴,可完成排氣沖程定時噴水,其中噴水量的多少、噴水水壓的大小、噴水持續(xù)時間等可調整,并可檢測煙度、CO、CO2、O2、NO等濃度。

        圖8 柴油機排氣沖程噴水實驗平臺示意圖

        4缸電控系統(tǒng)本身并不具備噴水功能,加裝的電控系統(tǒng)根據(jù)多個傳感器的數(shù)據(jù)綜合作用來控制噴水時刻和噴射量,噴射控制系統(tǒng)通過控制軟件實現(xiàn)對4缸電控系統(tǒng)內置控制器的輸入傳感器信號的模擬,從而實現(xiàn)對噴水時刻及噴水量的精確控制。試驗前通過系統(tǒng)控制器中的自動標定程序,分別改變各個傳感器的模擬輸入值,檢測噴水時刻和噴射量的變化,并將數(shù)據(jù)進行處理,獲得噴水時刻和噴水量的數(shù)據(jù)表,保存在控制器中,試驗時通過在顯示屏中直接輸入噴射時刻和噴射量,系統(tǒng)控制器自動查詢數(shù)據(jù)表,獲得傳感器的模擬數(shù)據(jù),從而改變4缸電控噴射系統(tǒng)輸入?yún)?shù),實現(xiàn)噴射時刻和噴射量的直接控制。

        4 結語

        缸內噴水技術是一種包括尾氣余熱回收、對燃燒室頂部絕熱減少熱損失、降低缸內高溫部位以提高壓縮比等一系列技術的組合,它能夠解決內燃機熱效率低、燃燒室熱損失大、尾氣氮氧化物含量高等一系列問題,有較廣闊的研究發(fā)展空間。

        [1] 龐海龍,鄧成林,姚廣濤.船用柴油機有害物排放控制技術[J].船舶工程, 2011(1):21-32.

        [2] 李江華,董勝先.船舶柴油機NOx排放控制的技術研究[J].裝備制造技術2009(7):32-34.

        [3] 陳清彬,詹志剛,林金英.船舶柴油機減排新技術方案研究[J].船舶工程, 2011(4):44-48.

        福建省交通運輸廳科技發(fā)展項目(編號:201331)。

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