車用柴油機(jī)尾氣顆粒排放控制

1、車用柴油機(jī)尾氣顆粒排放控制王宇霽 1,朱會(huì)田 2,杜愎剛 2(1.河南省交通公路工程局一處,河南鄭洲 450009; 2.安徽蚌埠汽車管理學(xué)院, 安徽蚌埠233011關(guān)鍵詞 :柴油機(jī);顆粒(PM排放;控制摘要 :本文通過分析車用柴油機(jī)的尾氣PM排放特點(diǎn), 重點(diǎn)介紹和分析了適應(yīng)現(xiàn)代柴油機(jī)PM排放的措施及目前 柴油機(jī)尾氣PM排放控制的關(guān)鍵技術(shù)和方法。中圖分類號(hào) :TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1001-4357(200301-0026-04Control of Tail Gas Particulate Molecules Emission from Vehicle DieselWA

2、NG Yu-ji, ZHU Hui-tian, DU Bi-gangKeywords : Diesel engine; PM emission; ControlAbstract : Based on analysis of the tail gas PM emission characteristics for vehicle diesel engines, elaboration and discus-sion are made principally on the measures taken to suit the PM emission of modern diesel engines

3、 and on the key technolo-gies and methods presently available for control of engine tail gas PM emission.柴油機(jī) Diesel Engine 2003年第 1期收稿日期 :2001-12-301前言柴油機(jī)通過排氣管排放的有害物主要有一氧化 碳(CO 、 碳?xì)浠衔?(HC 、 氮氧化合物 (NOx 、 二 氧化硫(SO 2和顆粒狀物質(zhì)(PM 。車用柴油機(jī)的尾 氣排放物主要是 PM 和 NOx。 控制車用柴油機(jī)尾氣排 放中的 PM 可以有效降低其尾氣對(duì)大氣的污染。 柴油機(jī)排出的 PM 分為碳煙

4、和可溶性有機(jī)組分 (S O F 。碳煙與有機(jī)溶劑不相溶,出現(xiàn)在柴油機(jī) 燃燒室高溫缺氧的狀態(tài)下(如車輛急加速或大負(fù) 荷 。此時(shí),因柴油機(jī)循環(huán)供油量劇增,造成燃 油燃燒不良,燃油裂解、聚合、炭化,以干碳 煙(DrySoot,由 85%的碳及少量的氧、氫、硫、 灰分和多種多環(huán)芳香烴化合物組成 的形式大量排 至大氣中;SOF 主要由未燃的燃料或機(jī)油組成,也 有部分為燃燒的中間產(chǎn)物。2車用柴油機(jī)PM 排放控制現(xiàn)代柴油機(jī)尾氣中 PM 的排放控制, 通常采取 燃料改質(zhì)、機(jī)內(nèi)凈化、排氣后處理、使用代用燃 料等措施相結(jié)合的綜合控制方法。 2.1燃油改質(zhì)燃油的改質(zhì)一般從以下幾方面入手:a.降低燃油中的硫(S含量。

5、在燃燒過程中, 柴油中的 S 約有 98%轉(zhuǎn)化為 SO 2,其余的 2%成為硫酸鹽顆粒,部分 SO 2被進(jìn)一步氧化并與燃燒過程中 生成的 H 2O 結(jié)合,形成 H 2SO 4和硫酸鹽(如 C a SO 4等 。當(dāng)燃料中的 S 從 0.12%下降到 0.05%時(shí),PM 排放量將減少 8%10%;b.根據(jù)燃油餾份適當(dāng)提高十六烷值。 十六烷值 是衡量燃料著火性能的指標(biāo)。十六烷值高,燃料的 著火性能好,則著火延遲期短,燃油容易著火,柴 油機(jī)工作柔和。 可以通過使用十六烷值改進(jìn)劑來提 高燃料的十六烷值,改善燃油著火性能,以有效地 降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣 PM 排放。但是十六烷值過高,會(huì)使燃料燃燒時(shí)裂解太快 而生

6、成游離碳、 產(chǎn)生不完全燃燒、 導(dǎo)致排氣冒黑煙, 致使 PM 排放反而大大增加;c.在柴油中摻混一定比例的消煙添加劑, (如用金屬鋇、 鎂、 鋅等溶性堿化鹽或中性鹽作為消 煙添加劑 。通過促進(jìn)碳煙粒子在膨脹過程中再燃 燒,來消除噴油嘴頭部的積炭,可以減少 30%50%PM 排放;d.提高燃料中的含氧物質(zhì)量(如MTBE對(duì)控制 發(fā)動(dòng)機(jī)有害物排放的作用有一定的差別。 但通常隨 著燃料中含氧物的增加,HC、CO 和 PM 的排放下降, 其中 PM 下降最明顯;e.使用燃油添加劑。 對(duì)于加裝碳煙過濾器和 再生裝置的柴油機(jī), 一般在燃油中加入金屬有機(jī)化 合物,多為含氧或有機(jī)鹽類。燃燒生成的金屬氧化 王宇霽,

7、朱會(huì)田,杜愎剛:車用柴油機(jī)尾氣顆粒排放控制物對(duì)碳煙顆粒有催化作用,使碳煙顆粒著火溫度降 低, 濾芯便可在較低的排氣溫度下 (不需外部能源 自 行再生。氣流經(jīng)過濾器時(shí), 有一部分會(huì)沉積下來。 積累在濾芯 上的添加劑金屬燃燒產(chǎn)物會(huì)堵塞濾芯孔隙、 縮短濾芯 使用壽命, 若沉積過多, 則會(huì)使排氣背壓上升, 從而 嚴(yán)重影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 因此, 使用燃油 添加劑時(shí)應(yīng)定期換濾芯。2.2機(jī)內(nèi)凈化柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的核心是對(duì)柴油機(jī)燃燒過程進(jìn) 行優(yōu)化,使柴油機(jī)達(dá)到燃油與空氣混合均勻、燃 燒充分、工作柔和、起動(dòng)可靠、排放較低的要 求。機(jī)內(nèi)凈化主要采取如下措施。提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低PM 中碳

8、的排放。 提高噴油壓力即采用高壓噴射系統(tǒng)需 要和燃燒室良好匹配, 如需要適當(dāng)降低空氣渦流運(yùn) 動(dòng)、 提高壓縮比和采用可變定時(shí)燃油噴射與其相適 應(yīng),以達(dá)到控制 P M 和 NOx 排放的目的。減小噴嘴壓力室容積、 采用無壓力室噴油嘴優(yōu) 化燃油噴射率(如采用雙彈簧噴油器等措施能 使 PM 和 HC 排放大大減少。改進(jìn)燃燒系統(tǒng)目的是使燃燒室形狀、供油系統(tǒng)、 進(jìn)氣流動(dòng)取得最佳匹配。采用電控噴油泵、電控 泵 -噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門 化和中央配置噴油器等措施既可改善柴油機(jī)性能, 又可降低柴油機(jī)排放,尤其是 P M 物質(zhì)的排放。 例如:進(jìn)行進(jìn)氣旋流的優(yōu)化,在高壓噴射的情 況下采用低渦流比有利

9、于減少PM排放, 而采用可變 渦流進(jìn)氣技術(shù)使運(yùn)行中的渦流比在0.20.5之間變 化, 可使發(fā)動(dòng)機(jī)性能及PM排放特性在整個(gè)范圍內(nèi)得 到優(yōu)化;采用四氣門技術(shù),便于活塞上的燃燒凹坑 和缸蓋上的噴油器布置在燃燒室中央, 以改善進(jìn)氣 渦流和油霧分布、使燃燒狀況明顯優(yōu)化、改善活塞 和噴嘴的冷卻條件, 從而有利于減少 PM排放; 采用 陶瓷材料,用陶瓷材料制成的燃燒室、活塞頂和缸 套可以提高燃燒室的絕熱效果, 用陶瓷材料制作氣 門搖臂等運(yùn)動(dòng)部件,可減少摩擦阻力、降低機(jī)油耗 量,從而減少 PM 排放。柴油機(jī)排放顆粒狀物質(zhì)(如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管冒青 煙 , 在相當(dāng)大程度上是由竄入燃燒室的機(jī)油不完全 燃燒造成的,所以為

10、了減少 PM 排放,應(yīng)盡可能地 減少上竄機(jī)油量。廢氣渦輪增壓+中冷技術(shù)提高了氣缸內(nèi)平均有 效壓力 pme、過量空氣系數(shù) 和整個(gè)循環(huán)的平均溫 度,可使柴油機(jī)的排放量降低 50%左右。所以, 采用增壓中冷是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、 改善經(jīng)濟(jì)性及降 低排放的有效措施之一。柴油機(jī)目前采用的可變技術(shù)主要有噴油定時(shí)的 可變控制、可變渦流控制和增壓系統(tǒng)的可變控制。 這些措施的合理使用可使 PM 排放減少 35%左右;加上改進(jìn)機(jī)油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少機(jī)油轉(zhuǎn)化為 SO2,可進(jìn) 一步有效降低柴油機(jī)的 PM 排放。增壓車用柴油機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)富油會(huì)導(dǎo)致燃燒 惡化、冒黑煙;加速時(shí)若油門突然加大,壓氣機(jī) 則由于慣性而供氣滯后,致使柴油

11、機(jī)冒煙。采用 煙度限制器后, 可使柴油機(jī)獲得較好的低速扭矩特 性,同時(shí)可有效降低排氣煙度。2.3排氣后處理車用柴油機(jī)排氣可以用氧化催化轉(zhuǎn)化器來降低 其 PM 狀物質(zhì)中的有機(jī)成分;用 PM 過濾裝置來捕集 其中的 P M 狀物質(zhì),等等。車用柴油機(jī)加裝氧化型催化轉(zhuǎn)換器是一種有效 的機(jī)外凈化排氣中可燃?xì)怏w和 SOF 的常用措施。加裝氧化型催化轉(zhuǎn)換器(以鉑 Pt、鈀 Pd 貴金屬作為 催化劑能使排氣中的 PM 減少 50%70%,也可使 其中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴明顯減少。 但是,氧化催化器有它的缺點(diǎn),會(huì)將排氣中的SO 2 氧化為 SO3,生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒,額顆粒過濾器由顆粒過濾器和再生裝

12、置組成。 顆 粒過濾器通過其中有極小孔隙的過濾介質(zhì)(濾芯 捕集柴油機(jī)排氣中的固態(tài)碳粒和吸附可溶性有機(jī)成 分來減少 P M 直接向大氣排放。顆粒過濾器的主體是過濾介質(zhì)(濾芯 ,過濾 濾芯目前主要有四種形式:壁流蜂窩式堇青石陶瓷 體、深床濾型泡沫狀堇青石(摻鋁陶瓷體、金 屬絲網(wǎng)和陶瓷纖維。壁流蜂窩式屬于表面過濾方 式,深床濾型泡沫式屬于體內(nèi)過濾方式,這兩種 過濾體的過濾效率、可靠性及再生效果比后兩種 優(yōu)。濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、 使用壽命以及再生技術(shù)的使用和再生效果。 濾芯應(yīng) 滿足較高的性能指標(biāo):a . 具有較高的過濾效率, 具有大的過濾面積;b . 耐熱沖擊性好,具有較強(qiáng) 的機(jī)械性

13、能指標(biāo),熱穩(wěn)定性好,能承受較高的熱 負(fù)荷;c . 具有較小的熱膨脹系數(shù);d . 通過性好, 流通阻力小;e . 在外形尺寸相同的情況下,背壓 小,背壓增長率低,適應(yīng)再生能力強(qiáng);f . 質(zhì)量 輕。目前,最常使用的過濾材料為堇青石(其主要成分為 MgO.Al 2 O3.SiO2和碳化硅晶體 SiC。顆粒過濾器對(duì)碳的過濾效率較高,可達(dá)到 60% 90%。在過濾過程中,顆粒過濾在過濾器內(nèi)會(huì)導(dǎo) 致柴油機(jī)排氣背壓升高,當(dāng)排氣背壓達(dá)到 16 20kPa 時(shí),柴油機(jī)性能開始惡化,因此必須定期地 除去顆粒,使過濾器恢復(fù)到原來的工作狀態(tài),即 過濾器再生。柴油機(jī)顆粒過濾器的再生方式可分為“被動(dòng)” 再 生 和 “ 主

14、 動(dòng) ” 再 生 ;“被動(dòng)”再生方式即為催化再生,是在過濾器 載體上浸漬催化劑或在燃油中加入添加劑來降低顆 粒氧化反應(yīng)的活化能, 降低碳粒的起燃溫度以實(shí)現(xiàn) 顆粒過濾器的再生。利用白金和鈀等貴金屬作為催化劑的組成成 分, 以氧化鋁和二氧化硅制成的蜂窩狀陶瓷作為載 體,用于可溶性 SOF 的催化轉(zhuǎn)化。在正常的排氣溫 度環(huán)境下,存在于尾氣中 SOF 可溶性有機(jī)物在催化 劑的作用下被氧化(逐步氧化為 SO2、H2SO4非過濾技術(shù)的目前主要研究方向有兩種:a. 靜電式微粒收集器。柴油機(jī)排氣微粒中有 70%80%呈帶電狀態(tài),每個(gè)帶電微粒約帶 15個(gè) 基本正電荷或負(fù)電荷,整體呈電中性。目前利用 附加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)

15、呈帶電特性的碳煙微粒進(jìn)行靜電吸 附,并取得了一定的試驗(yàn)成果,但由于附加設(shè)備 體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高壓電源供給存在問題等而 給實(shí)用化帶來一定困難;b.電壓捕集技術(shù)。在柴油機(jī)排氣管的上下游 分別裝金屬網(wǎng),網(wǎng)間加約 50V 直流電壓。一般上 游的金屬網(wǎng)網(wǎng)格較大加負(fù)電壓, 下游的金網(wǎng)網(wǎng)格較 密加正電壓。當(dāng)微粒經(jīng)過上游金屬網(wǎng)時(shí)帶上負(fù)電, 經(jīng)過下游帶正電的金屬網(wǎng)時(shí)被吸附, 從而達(dá)到微粒 凈化的目的。這種方法裝置簡(jiǎn)單且過濾效率高。 2.4采用代用燃料采用代用燃料將是控制柴油機(jī)和汽油機(jī)排放的 重要方法之一。 目前, 代用燃料主要有天然氣 (壓 縮天然氣 C N G 和液化天然氣 L N G 、液化石油氣 (LP

16、G 、 甲醇、 乙醇、 氫燃料及與柴油摻燒的復(fù)合燃 料(柴油與甲醇和水、 植物油與柴油混合、 水乳化 燃料等,其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認(rèn)為 是最有前途的清潔能源的代用燃料。 在我國, CNG、 LPG、甲醇 -汽油燃料汽車發(fā)展迅速,其中,CNG、 LPG、甲醇 -汽油汽車在我國得到了政府的大力支 王宇霽,朱會(huì)田,杜愎剛:車用柴油機(jī)尾氣顆粒排放控制持并得到迅速發(fā)展。 目前燃用代用燃料的汽車主要 有 :a.CNG 汽車。天然氣儲(chǔ)量豐富,因此天然氣 汽車成本低。天然氣汽車主要以 CNG 汽車為代表。 C N G 90%以上的成分為甲烷,它是經(jīng)過脫水、脫 烴、脫硫凈化處理并加壓至 20MPa 后

17、得到的高壓氣 態(tài)燃料。在現(xiàn)成的柴油機(jī)上增加一套“CNG 型車用 壓縮天然氣系統(tǒng)”可以將其改裝成柴油 -天然氣雙 燃料汽車。CNG 燃料本身呈氣態(tài),不需進(jìn)行霧化, 燃燒充分,尾氣中 C O 含量較低,無排煙,但動(dòng) 力要降低 10%左右,攜帶不便;b.醇類汽車。醇類汽車目前主要是使用甲醇 (Methanol 。甲醇作為代用燃料具有辛烷值高、 發(fā)熱量低、公害低和無排煙的特點(diǎn)。但是,甲醇 的十六烷值低,著火性差,需要加裝點(diǎn)火裝置, 冷起動(dòng)性差,有腐蝕性,并需要解決機(jī)油消耗量 大和未燃甲醇處理問題以進(jìn)一步降低排放; c.LPG 汽車。LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)的 PM 排放較低,可 以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒, 其排放以采用預(yù)

18、燃電熱塞輔助點(diǎn) 火和電控噴射的為佳。單燃料的 L P G 汽車少,目 前通常采用雙燃料運(yùn)行方式。代用燃料的熱值較低,增加發(fā)動(dòng)機(jī)的體積。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和代用燃料品種的增多和價(jià) 格的降低,代用燃料將會(huì)廣泛應(yīng)用于車用柴油機(jī)。 3結(jié)束語a.隨著電控高壓噴射技術(shù)的迅速發(fā)展,第三 代共軌式電控高壓噴射+增壓中冷的柴油機(jī)其尾氣 排放已達(dá)到了歐洲目前最為嚴(yán)格的 “歐” 排放標(biāo) 準(zhǔn)。 分析表明, 通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)燃燒 系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu) 進(jìn)行優(yōu)化并采用新材料、 新工藝及尾氣后處理技術(shù) 對(duì)排放進(jìn)行綜合控制, 將是進(jìn)一步推動(dòng)柴油機(jī)發(fā)展 和降低 P M 及 CO 、H C 、

19、N O x 的發(fā)展方向;b. 隨著機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)的不斷加嚴(yán),急需研 制、開發(fā)柴油機(jī)用的四效催化轉(zhuǎn)換器,以實(shí)現(xiàn)柴 油機(jī)尾氣中 PM 、CO、HC 、NOx 的綜合機(jī)后凈化; c.需要提高石油冶煉技術(shù)、研制新型柴油機(jī) 添加劑、大幅度減少柴油中的 S 含量、繼續(xù)降低 柴油中不飽和烴的含量,使柴油的品質(zhì)進(jìn)一步提 高。同時(shí),需要提高機(jī)油、機(jī)油添加劑的質(zhì)量, 從源頭上解決減少 PM 排放的問題;d.開發(fā)和研制資源豐富、切實(shí)可行的柴油代 用燃料及代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī), 以便在逐步緩解和徹底 解決對(duì)石油的依賴的同時(shí)降低 PM 排放。參考文獻(xiàn)1馮國盛等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物分析與對(duì)策J.小型 內(nèi)燃機(jī),1998(12 鄭尊清等.柴油機(jī)燃料的發(fā)展J.小型內(nèi)燃機(jī), 1998(6 3堯命發(fā)等.柴油機(jī)有害排放物控制的新發(fā)展J, 內(nèi)燃 機(jī)工程,1997(34鄭乃金.使用代用燃料汽車的環(huán)境污染分析