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汽车柴油机尾气排放控制策略

发表时间:2023-09-12 14:12:16 来源:电喷共轨系列

  柴油机自1892年问世以来,凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置、和车辆上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在20世纪70年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。从80年代后期开始,轿车上也慢慢变得多的应用柴油机,例如目前德国生产的1.4-2.0L排量的小轿车中,柴油机轿车占61%,而法国轿车柴油机的比例高达88%。从世界范围来看,汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。

  车用柴油机主要排放物为PM(颗粒状物质)和NOx,而CO和HC排放较低。控制柴油机尾气排放主要是控制颗粒物质PM和NO生成,降低PM和NOx的直接排放。柴油机与同等功率的汽油机相比,微粒和NOx是排放中两种最主要的污染物。目前,世界各国都在致力于减少柴油机颗粒排放的技术研究,并且已经取得了实质性的进展。由于柴油机排气微粒与NOx的生成机理不同,因此减少微粒的同时又增加了NOx的排放,同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制,从而使采用机外催化技术净化NOx成为可能。现代柴油机尾气排放控制通常采取以下方法。

  柴油机NOx排放的危害。柴油机排出的NOx中,NO约占90%,NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大,但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛,而且NO排入大气后会逐渐被氧化为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,可对人的呼吸道及肺造成损害,严重时能引起肺气肿。当浓度高达100×10-6体积浓度以上时,会随时导致生命危险。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,而臭氧则会破坏植物的生长。此外,NOx还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。

  基于上述原因,柴油机排放物中的NOx对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注,因此各国限制其排放的法规亦越来越严格。

  柴油机尾气排放物的生成机理。迄今为止人们已经对NOx的生成机理进行了大量的研究,但尚未达成共识。比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为:柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧,而是来自氮气与氧气的反应,它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的,在膨胀和排气时有少量的分解,排到大气后遇氧形成NOx和其它氮氧化物。

  柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO,其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间(即高温下所占燃烧循环的时间量)等因素有关。从理论上讲,柴油机NOx排放的形成是无法避免的,但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

  柴油机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化,使发动机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。采取机内净化是治本之举,它是通过改进柴油机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能,进而达到减少NOx排放的目的。

  提高喷油压力和减小喷孔直径。提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低PM的排放。为了避免高压喷射导致的NOx的增加,要求适当降低空气涡流运动,提高压缩比和可变定时燃油喷射与其相适应。高压喷油系统需要和燃烧室良好配合,以避免过多燃油喷射到汽缸的冷表面上,减少HC和PM中SOF(有机可溶物)的排放;同时减少喷嘴压力室容积或采用无压力室喷油嘴,能使PM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,可降低PM和NOx的排放。

  进气系统的优化。对进气系统进行优化设计,主要目的是在提高充气效率的同时,合理组织进气涡流,以利于混合气的形成,提高燃烧速率,并尽量减少NOx的生成。

  进气涡流的优化。提高涡流比可使燃烧加速并且完全,其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高,从而使NOx的排放明显增加;若减少进气涡流的强度虽可减少NOx的排放,但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此,可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化,以兼顾柴油机在整个工况范围内务个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题,因而限制了该技术的推广。

  改进燃烧系统。改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内,燃油在燃烧室中均匀分布,有合适的气体流动,有合理的喷油规律。

  采用电控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施,既可改善柴油机性能,又可降低柴油机尾气排放物,尤其是颗粒PM物质的排放。

  防止机油串入燃烧室。由于柴油机排放颗粒状物质的相当部分,是由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的,所以应尽可能地减少串机油量。防止和减少机油串入燃烧室,应通过加强机体刚度,改善汽缸盖与机体的连接,减少汽缸工作面的变形,改善活塞、活塞环和汽缸表面的设计,加强机油控制,减少从气门推杆泄漏机油等措施来实现。

  增压中冷。柴油机采用进气增压技术后,由于压缩温度升高,在动力性与经济性提高的同时,NOx的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后,增压空气在进入气缸以前被冷却,在一定程度上可以抑制NOx的排放。废气涡轮增压提高了汽缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度,可使柴油机颗粒物的排放量降低50%左右,并减少CO和CH的排放。利用中冷技术,NO的排放量可降低60%-70%。目前,柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛,小型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。废气涡轮增压中冷技术的应用大大提高了汽车柴油机的动力性、改善了燃油经济性,并且还在降低汽车排放有害物、减少温室效应气CO2、保护环境等方面起到了重要作用。为使汽车柴油机满足欧洲I、Ⅱ法规,涡轮增压中冷技术是一个很好的技术方案; 为满足更高的排放法规欧洲Ⅲ、Ⅳ的要求,则必须采用电控可变喷嘴涡轮增压器。随着涡轮增压器技术和其他先进发动机技术的进一步发展,柴油机将会成为真正的低能耗、高环保性的汽车动力。

  采用柴油电控高压喷射技术。柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。正在研制或装机的共轨式喷油系统,可在柴油机运转的整个特牲曲线范围内改变喷油过程。如德国Bosch公司开发的共轨喷射系统,可自由选择喷油压力,高精度控制喷油量,灵活控制喷油定时,并可灵活进行预喷射和多级喷射,对颗粒和烟度的降低很有利。在采用共轨多级喷射系统和电控喷油器的柴油机试验中观察到,由于分段喷射加强了空气的卷吸和紊流,加强了燃油和空气的混合,可明显降低烟度。电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射,与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节,使颗粒排放降低40%以上,并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制,能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与扩散燃烧的比例,可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比,有利于实现有效的机外净化措施。

  采用可变技术。一般发动机的压缩比是不可变动的,因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数,在设计中已经定好。不过,为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率,以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现,做为重要参数的压缩比,也有人尝试由固定不变改为“随机应变”。近年绅宝(Saab)开发的SVC发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块,缸体可以沿滑块的斜面运动,使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化,改变燃烧室的客积,从而改变压缩比。其压缩比范围可从8:1至14:1之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油;在发动机大负荷时采用低压缩比,并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。绅宝SVC发动机是1.6L 5缸发动机,每缸缸径68mm,活塞行程88mm,最大功率166kW,最大扭矩305Nm,综合油耗比常规发动机降低了30%,并且满足欧洲Ⅳ号排放标准。

  柴油机采用可变技术使发动机在不同工况下的性能都较为理想,使不同工况下排放性能和经济性都得到提高,这包括喷油定时的可变控制、可变涡流控制和增压系统的可变控制,这些措施的合理使用可使HC和颗粒物排放减少近35%。

  改进润滑系统设计,减少润滑油转化为50%,可有效降低柴油机的PM排放。增加活塞环压力,减少裙部间隙,优化活塞环形状设计,提高汽缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施,可有效地降低润滑油消耗量,使串漏的润滑油有效地燃烧,也可有效地降低排放。

  采用多气门技术。在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央,从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件,并可实现涡流比在不同转速下的变化,这使混和气的形成进一步优化,因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOx排放,但增加了成本和结构的复杂性。例如采用四气门技术的缸盖,可优化喷嘴位置,使其垂直置于燃烧室中央。活塞顶的燃烧室凹坑也同样处于中心位置或旋转对称位置,这样就可在活塞顶燃烧室凹坑内形成均匀的气流,多孔喷嘴喷出的油束处于沿任何方向流量均等的理想状态,从而改善了进气涡流和油雾分布的均匀性,达到了最佳的空气利用率和降低颗粒排放的效果。四气门结构不仅能提高发动机功率,而且改善了活塞和喷油器的冷却条件,可在不同转速下实现涡流比可变,优化了燃烧方式,降低了低转速区的排放。四气门结构可减少换热损失,从而改善了低速扭矩。采用四气门结构的缺点是增加了柴油机成本和结构的复杂性,为了达到欧美各国严格的排放法规,小缸径柴油机上使用四气门的也慢慢的变多。最小的已在AVL缸径为85mm的小型轿车柴油机上使用。在燃用汽油的大、中、小型轿车上,多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一,国外内燃机的气门最多时已达到5个,目前已在大型柴油机应用的基础上,逐渐开始在小型柴油机上应用,国内在这方面的研究尚未成熟。

  喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧,即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOx排放的有效途径。

  优化喷油定时。NOx排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOx排放,但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响,可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点,可降低NOx的排放。

  优化喷油压力。提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能,使混合气的混合质量得以改善,燃烧更充分,燃烧温度上升,NOx排放增加。因为提高喷油压力能改善燃烧过程,故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升,但这又使延迟喷油以降低NOx排放的目的落空。为减少NOx排放应该降低喷油压力,而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

  优化喷油速度。当喷油提前角一定时,提高喷油速率,缩短喷油持续期,可以使柴油机产生的NOx较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOx的排放。另外,喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关,应综合权衡以谋求各参数的最佳值。

  优化喷孔结构。喷油器喷孔直径和数目对柴油机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时,减少孔径会减少初期喷油量,抑制预混合燃烧和最高燃烧温度,以减少NOx的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下,增加喷孔直径或增加孔数,可降低流阻,改善燃油的雾化和分布,因而能降低NOx的排放。

  优化压缩比。柴油机压缩比控制着着火延迟期的长短。降低压缩比,有利于着火延迟,能够减少峰值压力,可使燃烧最高温度降低,NOx排放减少,碳烟增加。但压缩比过低,柴油机难于着火。压缩比对NOx的影响较为复杂,选取压缩比时应综合考虑。

  燃烧室型式的优化。燃烧室型式与NOx(的排放有着密切关系。直喷式柴油机NOx排放明显高于非直喷式柴油机,这是因为非直喷式柴油机前期的燃烧发生在混合气过浓的预燃室或涡流室里,由于缺氧NOx的生成受到了抑制,又因在主燃烧室中的燃烧开始较晚,且是在较低温度下进行的。对于同一类型但结构不完全相同的燃烧室,其NOx的排量也有差异。例如在直喷式柴油机中,涡流最强的球型燃烧室最高,浅盆型燃烧室最低。

  燃烧室喷水冷却技术。水具有较高的比热,在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度;水与油混合喷入燃烧室还能够更好的降低燃油密度,从而使燃烧温度逐步降低。该技术在降低NOx排放的同时,还有利于改善燃油经济性和排气烟度,并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式:进气管喷水;用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室;通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室;在喷嘴的两个燃烧层之间填充水,并分层喷入燃烧室。但怎么来控制喷水的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还有待于进一步研究。

  提高柴油机十六烷值。十六烷值在柴油机燃料参数中对NOx排放影响最大。十六烷值较高时,由于其稳定性变差,极易裂解为碳烟。柴油机排气烟度较高,但其发火性能好,柴油机点火延迟期缩短,缸内温度与压力降低,NOx排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时,NOx排放可降低10%左右。

  降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中,柴油中的硫约有98%转化为SO2,其余的2%成为硫酸盐颗粒,部分SO2被进一步氧化与燃烧过程中生成的H2O结合,形成H2SO4和硫酸盐(CaSO4等),增加了微粒的排放量。当燃料中的S从0.12%下降到0.05%时,微粒排放量将减少8%-10%;减少燃油中的芳香烃成分,能够大大减少NOx的排放;根据燃油馏程,合理提高燃油的十六烷值,能有效地降低发动机尾气PM、CO和NOx排放。

  进行柴油的乳化处理。在柴油中加入适当的乳化剂,通过燃料中水的汽化,降低汽缸套的温度和燃烧温度,减少NOx的排放;另外,乳化燃料中的水分子迅速汽化膨胀,成为微细的燃料油滴,促进了与空气的迅速混合,加速了燃烧,减少了汽缸内的激冷层,有利于HC的生成。

  使用柴油添加剂。在柴油中掺烧特殊的比例的消烟添加剂。将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂,通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧,来促进和消除喷油器头部的积炭,能够大大减少30%-50%的碳烟颗粒排放;但使用添加剂会导致二次污染。

  使用代用燃料。采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气(压缩天然气CNG,液化天然气LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等,其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。

  柴油机燃用醇类燃料时,基本能实现无烟排放,在中、低负荷时NOx的排量也很低。近年来可当作内燃机代用的醇类燃料很多,其中甲醇是目前应用最广的内燃机代用燃料。但如果不采取了适当措施,柴油机排放的HC、甲醛将成为重要的排气污染物。以氢作为柴油机代用燃料时,NOx和其它污染物的排放都很低。将来太阳能利用及氢的存储技术解决之后,氢将成为柴油机的主要燃料,但缺点是易于回火。如采用燃料电池,其电能转化效率在40%-65%之间,远高于柴油。燃料电池的工作时候的温度低于1000℃,此时基本不产生NOx,且其它污染物排放也很低。燃料电池的应用在技术上已不存在重大问题,唯一的障碍在于成本太高。燃用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG),NOx和微粒排放可同时减少75%-80%。二甲基作为最新出现的液体燃料,其燃烧后无微粒产生且NOx的排放亦很低。

  代用燃料的热值较低,增加发动机的体积,各种代用燃料的特点如下:一是天然气成本低,储量丰富,主要以CNG为代表。CNG燃料本身呈气态,不需进行雾化,燃烧充分,尾气中CO含量较低,无排烟,但动力降低10%,携带不便;二是甲醇具有高辛烷值、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,冷启动性差,有腐蚀性,并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放;三是液化石油气NOx、PM排放较低,HC易氧化,可实现稀薄燃烧,以预燃电热辅助点火和电控喷射液化石油气排放为佳,一般会用双燃料汽车。

  随着科技的发展,通过计算机辅助设计对柴油机燃烧系统、进排气系统、燃油供给系统和燃烧室结构的优化设计,并采用新材料和新工艺,广泛采用增压中冷和电控高压喷射控制技术并采用尾气处理技术综合控制,将是柴油机发展和进行尾气控制的发展方向。

  由于机内控制排放并不能完全起到净化效果,因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气做处理,采取机外控制技术显得很有必要。NOx的机外净化主要是采用催化转化技术。由于柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高,这使得利用还原反应进行催化转化比汽油机困难。例如在汽油机上使用三元催化转化器,其有效净化条件是过量空气系数大约为1。若空气过量时,作为NOx还原剂的CO、H2和HC便首先与氧反应;空气不足时,CO、HC不能被氧化。显然,用三元催化转换器降低NOx的技术在柴油机上是不适用的。柴油机排气后处理可以用氧化催化转化器,以降低HC和CO的排放量和PM中的有机成分;用选择性还原催化转换器在寓氧条件下还原NOx;用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

  采用废气再循环技术。废气再循环(EGR)是将一部分排气导入进气系统中,通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用EGR来降低NOx的排放,需要与电子控制(ECU)结合,根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号对废气进行随机控制,保证在对柴油机性能影响不大的条件下,降低尾气中NOx的排放。采用废气再循环(EGR)是降低NOx排放的一项极为有效的措施,EGR在所有负荷条件下都可以有实际效果的减少NOx排放。将定量废气引入柴油机进气系统中,再循环到燃烧室内,有利于点火延迟,增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用,从而可降低燃烧最高温度,减少NOx的生成。大约60%-70%的NOx是在高负荷时产生的,此时采用合适的废气再循环率对于减少NOx是很有效的。废气再循环率为15%时,NOx排放能够大大减少50%以上,而废气再循环率为25%时,NOx排放可减少80%以上,但随着废气再循环率的增加,发动机燃烧速度变慢,燃烧稳定性变差,HC和油耗增加,功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放,并且不会增加油耗,在中、低负荷时净化效果更加好。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量,其响应速度较慢,所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。

  加装氧化型催化转化器。柴油机加装氧化型催化转化器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和SOF的常用措施。加装氧化型催化转化器(以铂、钯贵重金属作为催化剂)能使HC、CO减少50%,PM减少50-70%,其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。对于HC转化效率较高的氧化催化器还可有效地减少排气的臭味。但是,氧化催化器的缺点是会将排气中的SOF氧化为SO2,生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒,额外增加颗粒物质排放量。所以,柴油机氧化催化器一般适于含硫量较低的柴油燃料;并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常,使净化效果达到最佳。

  采用颗粒过滤及再生技术。颗粒过滤由颗粒过滤器和再 生装置组成。颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固定碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。颗粒过滤器对碳的过滤效率较高,可达到60%-90%。在过滤过程中,颗粒过滤在过滤器内会导致柴油机排气背压升高,当排气背压达到16-20kPa时,柴油机性能 开始恶化,因此必须定期除去颗粒,使过滤器恢复到原来的工作状态,即过滤器再生。

  NOx催化转化器。NOx催化转化器对柴油机尾气中的NOx在温度为350-550℃的范围内进行良好的催化转化,可使NOx排放降低20%-30%。NOx催化转化技术可分为催化热分解和选择性催化还原反应两种。催化热分解是利用由金属离子沸石、钒和钼构成催化剂来降低NOx热分解反应的活化,能使NOx分解成无毒的N2,该方法简单且反应生成物无毒;选择性的还原反应是在排气中喷入饱和的HC和NOx,反应生成物为N、CO和H。

  氧化催化。利用铂和钯等贵重金属作为催化剂的组成成分,以氧化铝和二氧化硅制成蜂窝状陶瓷作为载体,用于SOF的催化转化。在正常的排气温度环境下,SOF在催化剂的作用下被氧化,并被催化剂吸附,SOF在高温时脱离催化剂载体,随废气排出而达到净化。通过氧化催化,SOF降低率达到60%-80%,以此来降低PM排放20%-30%。因此要求氧化催化载体具有低温吸附SOF性好,高温与SOF脱离性好的特点。


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