柴油機nox與碳煙微粒排放控制技術(shù)綜述

1、柴油機的碳煙及NOx排放控制技術(shù)綜述陳翔1001305004摘要：柴油機本是一種清潔高效的發(fā)動機，但是在汽油機應(yīng)用三效催化器后，柴油機的碳煙顆粒及NOx排放就顯得尤為突出。本文簡要介紹了碳煙及NOx生成機理，并著重從燃油油品、機內(nèi)凈化技術(shù)及尾氣后處理技術(shù)方面對柴油機的碳煙顆粒及NOx排放控制技術(shù)現(xiàn)狀進行了探討分析。關(guān)鍵詞：柴油機；碳煙；NOx；排放控制；尾氣后處理柴油機具有耐用、清潔、高效、可靠性高等優(yōu)點，和汽油機相比，柴油機是一種環(huán)境

2、友好的發(fā)動機，但是和裝配了三效催化劑的汽油車相比，以氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)為特征的柴油車的尾氣排放污染成為制約其推廣應(yīng)用的重要因素。柴油車尾氣中NOx的濃度與汽油機相當(dāng)，顆粒物(PM)是汽油機的幾十倍。三效催化劑已經(jīng)成功開發(fā)并被廣泛應(yīng)用，可同時將汽油車排放的主要污染物NOx、CO、HC削減90%以上。但柴油機在工作過程中是處于富氧狀態(tài)下，使得傳統(tǒng)的用于汽油機的三效催化轉(zhuǎn)化器TWC(Threewaycatlyst)不能有效地降

3、低柴油機的NOx，且柴油機由于混合和燃燒的固有特點，其排出的碳煙微粒很多。加上碳煙微粒與NOx之間又存在著一條權(quán)衡曲線（tradeoff）關(guān)系，傳統(tǒng)的方法很難對兩者進行有效地控制，所以目前解決柴油機的碳煙微粒及NOx的排放已經(jīng)成為一個重要研究方向，隨之也產(chǎn)生了許多相關(guān)的新技術(shù)。NOx的生成機理NOx并不是來自燃料而是空氣在氣缸內(nèi)燃燒時由高溫條件下氧和氮反應(yīng)而產(chǎn)生的。在氣缸高溫下其主要生成NO而生成的NO2的含量特別少在高負荷的情況下NO

4、2的含量可以忽略[1]。根據(jù)鏈反應(yīng)機理可知:ON2?NONNO2?NOO在這2個反應(yīng)過程中，N2，O2，N，O的濃度、燃燒所提供的高溫以及高溫持續(xù)時間決定了反應(yīng)的速度和程度并直接影響最終的NOx的濃度?？杖急纫欢〞r，NO的生成量隨溫度增高而增加也隨轉(zhuǎn)速和負荷的增加而迅速增加。同時NO的生成量也取決于火焰前鋒中是否富氧，在空氣過量系數(shù)α稍大于1時，NO的生成量達到最高；當(dāng)α小于1時混合氣越濃，NO濃度越高；當(dāng)α大于1，過了產(chǎn)生NO的峰值以

5、后混合氣稀薄NO濃度下降。由于NO的生成反應(yīng)達到化學(xué)平衡需要一定的時間而且這個時間要比每一循環(huán)中燃燒反應(yīng)時間長故為了降低NOx的含量應(yīng)著手降低火焰的高峰溫度、縮短高溫持續(xù)時間和采用適當(dāng)?shù)目杖急萚2]。大量的試驗表明要降低NOx排放必然會引起燃油經(jīng)濟性不同程度的降低引起熱效率的降低和影響燃燒的徹底性。碳煙的生成機理由于柴油機是非均質(zhì)燃燒燃燒室內(nèi)各區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)條件不一致因此在燃燒過程中產(chǎn)生炭煙顆粒是難以避免的而炭煙顆粒是烴類燃料燃燒過程的

6、中間產(chǎn)物。Brome及Khan根據(jù)對火焰的研究資料提出了炭煙顆粒的產(chǎn)生進程[3]。他們認為烴類燃料在過濃的高溫區(qū)中通過深度裂解和脫氫過程產(chǎn)生較小分子量的物質(zhì)且在后期出現(xiàn)聚合反應(yīng)在燃燒室壁等非火焰區(qū)則通過聚合產(chǎn)生較大分子量的物質(zhì)。這兩個途徑單獨作用或相互交錯最終產(chǎn)生炭煙顆粒。的抑制作用但同時會增加排氣煙度。所以EGR雖是降低柴油機NOx排放量的有效措施但需要采取相應(yīng)的措施降低排氣煙度而且如何選取適當(dāng)?shù)腅GR率對改善柴油機的性能至關(guān)重要。德

7、國曼公司公布的歐Ⅳ解決方案就是采用EGR技術(shù)來降低尾氣中NOx的含量再借助于微粒捕集器來減少顆粒物的排放[8]。22高壓噴射技術(shù)[9]燃油噴射系統(tǒng)是柴油機的心臟也是發(fā)展最快的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的泵管嘴系統(tǒng)的噴油壓力比較低一般不超過50~80MPa因此燃油的霧化不好易導(dǎo)致PM排放高。為使PM排放嚴(yán)格地達到排放法規(guī)國外采用了高壓噴射技術(shù)噴射壓力從原來的80MPa提高到了140~200MPa甚至更高。如果不考慮到其它性能的平衡高壓噴射可使PM達到歐Ⅲ

8、乃至更嚴(yán)格的排放限值使柴油機告別冒黑煙的時代。柴油機噴油壓力越高燃油和空氣的混合就越好排煙就越少。高壓噴射可通過3種形式的噴油系統(tǒng)實現(xiàn):共軌系統(tǒng)、單體泵和泵噴嘴。與其它的燃油噴射不同共軌式噴油系統(tǒng)能提供持續(xù)的高壓噴射而且容易實現(xiàn)單循環(huán)多次噴射。目前國外已經(jīng)在用的共軌系統(tǒng)最高壓力可達200MPa。據(jù)報道日本正在研制壓力高達300MPa的燃油噴射系統(tǒng)這種高壓噴射系統(tǒng)與孔徑只有80μm噴孔群配合可達到“原子化”的噴霧特性。通常共軌系統(tǒng)用于轎車

9、等輕型車而泵噴嘴和單體泵用于重型柴油車。燃油高壓噴射同時也帶來了柴油機電控和直噴的時代。目前的高壓噴射系統(tǒng)大多采用電子控制噴射。與汽油機一樣使用電控噴射技術(shù)后柴油機也全面進入了電控時代噴油量、噴油壓力、噴油率、噴油定時等全面實現(xiàn)了電控同時還控制EGR、可變截面渦輪增壓等。電控高壓噴射可非常精確地控制噴油量和噴油時間以適應(yīng)不同的道路工況并且有的還具有自適應(yīng)能力可以補償零件磨損和零件制造偏差引起的變化以取得NOx、PM和燃油經(jīng)濟性之間的最佳

10、配合。高壓噴射系統(tǒng)一般應(yīng)用于直噴柴油機它要求發(fā)動機吸入較多的空氣但燃燒效率高因此比非直噴式柴油機節(jié)油5%~10%由于高壓直噴式柴油機同時具有良好的經(jīng)濟性和較低排放特性，因此電控高壓直噴技術(shù)已經(jīng)在國外柴油機行業(yè)占主導(dǎo)地位。燃油噴射電控化后使燃油多次噴射成為可能。現(xiàn)有的共軌噴射系統(tǒng)大多采用多次噴射技術(shù)可以實現(xiàn)柔和燃燒，也可減少柴油機PM的排放。目前這一技術(shù)在歐洲已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于柴油轎車。2.3增壓中冷技術(shù)進氣渦輪增壓技術(shù)是使發(fā)動機輕量化、提

11、高輸出功率的有效措施也是現(xiàn)代柴油機的代表性技術(shù)。經(jīng)渦輪增壓后進氣溫度提高、滯燃期縮短、混合氣可適當(dāng)變稀這些因素能使柴油機的噪聲、CO和HC排放以及油耗都有所降低。特別是進氣增壓后由于進氣量大幅度增加可使柴油機的空燃比進一步提高同時允許燃油噴射壓力進一步提高這些措施可大幅度降低PM排放。而且采用了中冷技術(shù)后由于進氣溫度的降低使得NOx的排放可以得到進一步的抑制。目前增壓技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了可變幾何截面增壓。它可以通過調(diào)節(jié)渦輪進口導(dǎo)向葉片的角度

12、來改變渦輪噴嘴的截面大小進而調(diào)節(jié)增壓壓力。當(dāng)發(fā)動機處于怠速工況或低速工況時噴嘴葉片關(guān)閉或噴嘴截面很小即使在此時較低的廢氣流量下也能夠使葉輪很快地加速從而提高發(fā)動機的低速扭矩改善發(fā)動機的低速響應(yīng)性。當(dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時噴嘴葉片全開或噴嘴截面很大憑借此時較高的廢氣流量能夠克服較大的葉輪阻力提供較大的動力來提高增壓壓力充分滿足發(fā)動機對吸入空氣的需要?？勺儑娮鞙u輪增壓器目前在車用柴油機上得到愈來愈廣泛的應(yīng)用[10]。2.4均質(zhì)壓燃技術(shù)（HCCI）