柴油机排放污染物控制技术研究.docx

柴油机排放污染物控制技术研究针对柴油机排放污染物的生成特点，从提高燃料品质、选用适宜的机内净化技术和增加后处理装置三方面分析了排放控制技术，并瞻望了将来的发展方向。关键词：柴油机；污染物；柴油清洁；控制技术；联合净化经济增长和城市化建设促进了我国汽车工业的快速发展。年全国汽车保有量为亿辆，较去年增长万辆。在节能惠民补贴、二手车置换等利好政策的引导下，汽车产销量分别到达万辆和万辆，同比增长和，我国连续年成为世界第一大汽车产销国。在汽车产业迅速发展的同时，也带来了严重的污染问题。环保部的（年中国机动车污染防治年报）中显示，年机动车作为污染总量的主要奉献者，总的排放量已达万吨，排放的和所占比例超过，和超过。从所用燃料上看，柴油机排放的接近汽车排放总量的，超过；而汽油车和排放量则较高，超过排放总量的。与汽油机相比柴油机，在动力性和经济性上都具有明显优势，因而得到了广泛应用。柴油机的排放污染物主要是和。包括和，具有较强的刺激性，能够引起人体呼吸道的疾病，还可与空气中的水蒸气反响构成酸雨，使土地酸化。是空气中的悬浮颗粒物，直径微小的颗粒物被人体吸入肺中可造成肺功能下降，甚至引起癌变。此外，颗粒物大规模聚集还会构成雾霾，影响人们的正常生活。怎样有效降低柴油机污染物的排放量已成为内燃机领域研究的热门问题。目前，控制技术主要集中在提高燃料品质、采用适宜的机内净化措施和增加机外后处理装置三方面。提高燃油品质作为内燃机的动力源，燃油的品质对发动机动力性、经济性和排放性能都有重要影响。目前，柴油机以柴油为主要燃料，其他新兴代用燃料也发展很快，应用前景广阔。柴油在柴油的成分中，含硫量对排放性能影响很大。柴油中的硫在燃烧后会生成硫酸盐颗粒物，使排放量增加。研究人员选用种含硫量不同的柴油在直喷涡轮增压柴油机上进行排放特性研究，实验结果表明，的排放量随柴油含硫量的减小呈下降趋势，最大降幅为。而且，硫还会造成排气后处理装置的催化剂中毒，影响净化效果。因而，各国的燃油标准都对柴油中的硫含量有明确规定，且逐年严格。表是各排放标准中柴油含硫量的限值变化。针对柴油中硫化物对排放性能的影响，主要的净化方法包括加氢脱硫和非加氢脱硫两种。加氢脱硫技术经太多年发展已较为成熟，目前大规模柴油脱硫主要应用该种方法。加氢脱硫是指在催化剂的作用下，将柴油中的有机硫化物同反响生成，进而降低含硫量的工艺。加氢脱硫对反响条件要求较为苛刻，对反响温度和压力有严格的控制范围，净化设备费用较高。净化后的柴油含硫量虽能知足目前的法规要求，但对油品中的噻吩类衍生物去除效果不理想，难以实现深度脱硫，进而限制了该技术的进一步发展及应用由于加氢脱硫存在各种缺陷，非加氢脱硫技术逐步遭到重视，并获得了较大发展。非加氢脱硫主要包含氧化脱硫、生物脱硫和吸附脱硫等。氧化脱硫是指硫化物在氧化剂的作用下反响生成砜类物质，再通过极性溶剂将其除去的方法。该方法脱硫效果明显，工艺流程简单，能耗较低。生物脱硫利用菌类对硫化物的吸收作用，到达净化效果。该方法对酶菌类的清洁生产、运输存储及使用条件等都有严格的要求。吸附脱硫是利用吸附剂对油品中的含硫化合物进行选择性吸附，进而到达去除的效果。其技术难点主要集中在吸附剂的制备和选择。柴油中芳香烃的含量也会影响的生成。芳香烃是分子中含苯环的碳氢化合物，高温下燃烧经过缓慢且容易发生不完全燃烧，生成颗粒物。实验表明，稳态循环时，柴油中芳香烃含量下降，和的生成量都会有明显降低。代用燃料固然车用柴油机仍以柴油作为主要燃料，但随着世界石油资源的日益干涸，各国排放法规的日渐严格，开发清洁环保的代用燃料已迫在眉睫。目前，主要的代用燃料有生物柴油、二甲醚和天然气等。生物柴油是以生物油脂为原料，经过酯交换反响得到的脂肪酸化合物。生物柴油具有与石化柴油类似的物理特性，但芳香烃、硫和铅等有害成分却少得多，因而燃烧时产生的污染物排放量较低。二甲醚的含氧量较高，分子中无碳键构造，故燃烧后几乎不产生碳烟。另外，二甲醚的十六烷值较高，自燃性好，沸点低，喷入气缸后能快速构成均匀的可燃混合气，且汽化潜热量高，汽化经过能吸收较多热能，故降低了缸内燃烧温度和压力，抑制了的生成。天然气的主要成分是，作为代用燃料主要应用在油气双燃料柴油机上。天然气以直喷的方式被喷入气缸内，经少量柴油压缩自燃后产生的火焰中心点燃，燃烧经过平稳，放热率峰值较低，燃烧持续时间长，污染物生成量较低。机内净化技术改善进气系统改善进气系统可使油气混合更充分，有效减少机内高温缺氧区域，降低排放物的生成。目前，一般采用可变涡流与多气门结合的控制方法。可变涡流技术通过控制阀门开度，改变进气管截面积，进而使进气涡流强度发生变化，减少的生成。多气门控制系统通过增加气门数量，增大气门处的流通面积，使残余废气能排出气缸，有效的提高充气系数，优化燃烧经过，降低和的生成量。电控高压柴油喷射技术电控高压柴油喷射技术，十分是高压共轨喷射系统已成为柴油机提高动力性、经济性，降低排放的重要手段。高压共轨喷射系统将柴油在高压的作用下通过细小的喷油器喷孔喷入气缸中，期间柴油液滴得到充分雾化，保证了气缸内油滴的均匀分布，减小了不充分燃烧区域，降低了的生成。高压共轨喷射系统还可根据实时工况，由电控单元调整喷油器的开启时刻和持续时间，进而获得最佳提早角度，有效控制缸内的压力和温度，降低的排放。增压中冷技术增压中冷技术不仅能够提高柴油机的动力性和经济性，还可降低污染物的排放，因而在当代柴油机上被广泛应用。增压中冷器包含增压器和中冷器两部分。增压器通过提高进气压力到达增加进气量的目的。但气体压力的增加会导致进气温度升高，过高的温度不仅限制了进气密度，还会使缸内燃烧温度升高，造成排放增加。因而增压后的气体需通过中冷器降低进气温度。研究表明，进气温度每降低，生成量可减少。而中冷器可将增压后的进气温度降至下面，有效控制了污染物产生。废气再循环废气再循环是通过将排气管排出的部分废气重新导入气缸中燃烧来降低排放的控制技术。实验表明，率再循环的废气量与进入气缸的进气总量的比值为时，排放量降低，率为时，排放量降低。废气再循环中重新导入的废气可降低缸内的氧气浓度，减缓燃烧速率，进而降低了缸内的最高温度和压力，进而抑制的生成。但太多的废气进入气缸，会影响油气的正常混合和燃烧，对柴油机的动力性和经济性产生影响。因而，率的控制成为技术的关键。系统通过阀门调节进入气缸的废气量，实现不同工况对率的要求。新的燃烧形式柴油机的缸内燃烧对污染物的生成起决定性作用，通过优化燃烧经过能够从根本上控制污染物的排放。但传统的燃烧方式无法实现和的同时降低，因而，探索新的燃烧方式成为柴油机排放控制领域新的研究方向。均质压燃燃烧、预混合充量燃烧和低温燃烧都是通过改善空气和燃油混合方式及燃烧传播经过控制污染物的新燃烧方式。优化进气系统和燃油喷射经过，加强缸内涡流运动，加强燃油雾化效果，以获得均匀的混合气。构成的均匀混合气在压缩上止点附近被压缩后多点同时着火，减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期，降低缸内温度，减少了和的排放量。尽管能够有效降低缸内污染物的生成，但要获得绝对均匀的混合气，实现条件苛刻且控制经过复杂，而且较低的燃烧温度使得后期燃烧经过缓慢，热效率不高，这限制了在柴油机上的应用。是燃料在进气冲程中随空气进入气缸，并与空气迅速混合构成均质混合气，在压缩冲程中，喷入的燃油在活塞到达上止点附近发生自燃，均质混合气发生预混燃烧，未燃的燃油同时进行扩散燃烧。相比的均质混合气燃烧，一部分是预混均质混合气燃烧，另一部分是喷雾扩散燃烧，因而预混合量和喷射时间是影响燃烧进行的主要因素。是技术的延伸。研究表明，将缸内燃烧温度控制在左右时，即便混合气浓度较高过量空气系数，可以有效减少的生成。技术采用较高的冷却率降低缸内温度，延长燃烧经过的滞燃期，并通过高压燃油喷射与缸内涡流运动互相作用构成浓度分层的混合气，加强后期的燃烧反响，可有效降低排放量，同时较低的燃烧温度也控制了的生成。机外后处理技术柴油机通过机内净化技术能够有效控制污染物的生成，但要知足日渐严格的排放法规要求，还需加装后处理装置。目前，针对柴油机排放控制主要有两种技术道路。一种是在欧洲应用较多的优化燃烧选择性催化复原技术。该道路通过优化混合气构成及燃烧经过，降低的生成，再由后处理装置净化排出的。另一种是美国广泛采用的柴油机颗粒捕集器技术。该道路采用降低的排放量，然后通过加装在排气管上的颗粒捕集器实现对的净化。技术技术是将一定量的复原剂常用浓度的尿素溶液由安装在排气道上的尿素喷嘴喷入催化器上游，尿素溶液经高温水解释放的在催化剂的作用下将复原成和水，进而降低的排放，且还要将未反响的控制在法规限值下面，防止太多的排入大气，造成二次污染。系统不需对发动机原机构造进行改动，只需在排气道上加装喷嘴和催化器，且与采用的发动机相比可节省燃油，经济性能优良。净化效果方面，在的排气温度下，可使排放量下降，转化效率高。常用的催化剂如，铁沸石，铜沸石等材料对硫反响不敏感，不易因中毒而失去活性，稳定性好。因而，技术在中重型柴油机上有很好的应用前景。但技术也存在应用上的缺陷，主要表如今：由于既要控制的排放量，又不能使太多的排入大气，因而要获得良好的后处理效果，需要准确复杂的控制策略且要与发动机工况和谐匹配。系统组件尿素罐和尿素管路的布置、喷嘴的安装位置和角度都要根据车型进行设计。此外，催化剂在低温条件下活性不高，长时间使用后会出现老化失效，这些都会对净化效果产生影响。技术技术通过安装在排气道上的颗粒捕集器吸附废气中的，并能将沉积在捕集器外表的燃烧净化，使捕集器持续使用。经太多年的研究开发，技术能够减少柴油机的碳烟排放，净化效果明显。目前，技术发展的最大瓶颈集中在捕集器的再生问题。当过滤的颗粒物趋于饱和时，如不及时燃烧清理，会堵塞捕集通道，影响净化效果，同时还会造成排气背压上升，影响发动机的动力性和经济性。因而，捕集器需要具有再生使用的能力。的再生方式主要有两种，即主动再生和被动再生。主动再生是通过外部热源提高排气温度，使之到达微粒的起燃温度实现再生功能，应用较多的是电加热和燃烧器加热。电加热再生通过温控单元调节加热电阻丝的电流强度，控制加热量并使内腔温度保持恒定。燃烧器加热通过加装在捕集器前端的低压燃油喷射系统将柴油和空气喷入气道，在入口处安装的点火器将油气点燃，产生的热能燃烧颗粒物。被动再生是指不借助外部辅助加热装置，通过催化剂作用降低颗粒物的最低燃烧温度，完成再生经过。常用的催化剂包括、和等贵金属材料，实验表明，在上述催化剂的作用下，颗粒物的最低燃烧温度可下降到，且火焰传播速度加快，反响完全。面对日益严重的排放污染和严格的法规要求，只要将提高燃油品质、完善机内净化技术和增加后处理设备综合应用，才能获得良好的控制效果，到达净化污染排放的目的。随着国排放标准的施行，通过提炼和加工工艺上创新，柴油中硫及芳香烃含量将会降低，而代用燃料、合成燃料及生物燃料的开发和研究，也为燃料的可持续发展发展提供了保障。同时，发动机的集成化发展趋势、电控技术的广泛应用、柴油机与后处理装置的性能匹配及新型燃烧方式的探索都将有成为柴油机污染物控制的新方向。