汽车柴油机尾气排放控制策略.

汽车柴油机尾气排放控制策略

源自:中国汽车工业信息网Combustion ; emission ; turbo-charged ; inter-cooled ; ignition timing ; heat release rate ; maximum ; the effective thermal efficiencies ; high speed and heavy load ; ethanol-diesel blend fuel ; ethanol ratio ; equivalent brake specific fuel consumption ; 乙醇汽化潜热;

1、车用柴油机的尾气排放控制技术概述

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,轿车上也越来越多的应用柴油机,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。

2、柴油机尾气排放的危害和生成机理

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。

NOx的产生环境:富氧,高温,高温持续时间长。

3、柴油机控制尾气排放的机内主要净化措施

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。这一措施有可能同时实现降低PM和NOx的排放的目的。

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