柴油机NOx与碳烟微粒排放控制技术综述

柴油机的碳烟及NO x排放控制技术综述

陈翔 1001305004

摘要：柴油机本是一种清洁高效的发动机，但是在汽油机应用三效催化器后，柴油机的碳烟颗粒及NOx排放就显得尤为突出。本文简要介绍了碳烟及NOx生成机理，并着重从燃油油品、机内净化技术及尾气后处理技术方面对柴油机的碳烟颗粒及NOx排放控制技术现状进行了探讨分析。

关键词：柴油机；碳烟；NOx；排放控制；尾气后处理

柴油机具有耐用、清洁、高效、可靠性高等优点，和汽油机相比，柴油机是一种环境友好的发动机，但是和装配了三效催化剂的汽油车相比，以氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)为特征的柴油车的尾气排放污染成为制约其推广应用的重要因素。柴油车尾气中NOx的浓度与汽油机相当，颗粒物(PM)是汽油机的几十倍。三效催化剂已经成功开发并被广泛应用，可同时将汽油车排放的主要污染物NOx、CO、HC削减90%以上。但柴油机在工作过程中是处于富氧状态下，使得传统的用于汽油机的三效催化转化器TWC(Three way catlyst)不能有效地降低柴油机的NOx，且柴油机由于混合和燃烧的固有特点，其排出的碳烟微粒很多。加上碳烟微粒与NOx之间又存在着一条权衡曲线（trade-off）关系，传统的方法很难对两者进行有效地控制，所以目前解决柴油机的碳烟微粒及NOx的排放已经成为一个重要研究方向，随之也产生了许多相关的新技术。

NOx的生成机理

NOx并不是来自燃料,而是空气在气缸内燃烧时由高温条件下氧和氮反应而产生的。在气缸高温下其主要生成NO,而生成的NO2的含量特别少;在高负荷的情况下NO2的含量可以忽略[1]。根据链反应机理可知:

O+N

2⇌NO+N N+O

2

⇌NO+O

在这2个反应过程中，N

2，O

2

，N，O的浓度、燃烧所提供的高温以及高温持续时

间决定了反应的速度和程度,并直接影响最终的NOx的浓度。空燃比一定时，NO 的生成量随温度增高而增加,也随转速和负荷的增加而迅速增加。同时NO的生成量也取决于火焰前锋中是否富氧，在空气过量系数α稍大于1时，NO的生成量达到最高；当α小于1时,混合气越浓，NO浓度越高；当α大于1，过了产生NO 的峰值以后,混合气稀薄,NO浓度下降。由于NO的生成反应达到化学平衡需要一定的时间,而且这个时间要比每一循环中燃烧反应时间长,故为了降低NOx的含量应着手降低火焰的高峰温度、缩短高温持续时间和采用适当的空燃比[2]。大量的试验表明,要降低NOx排放必然会引起燃油经济性不同程度的降低,引起热效率的降低和影响燃烧的彻底性。

碳烟的生成机理

由于柴油机是非均质燃烧,燃烧室内各区域的化学反应条件不一致,因此在燃烧过程中产生炭烟颗粒是难以避免的,而炭烟颗粒是烃类燃料燃烧过程的中间产物。Brome及Khan根据对火焰的研究资料,提出了炭烟颗粒的产生进程[3]。他们认为烃类燃料在过浓的高温区中通过深度裂解和脱氢过程,产生较小分子量的物质,且在后期出现聚合反应;在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合产生较大分子量的物质。这两个途径单独作用或相互交错最终产生炭烟颗粒。

从技术的范畴来看,减少柴油车排放应该从燃油品质、内燃机机内技术和内燃机机外排放控制技术3方面同时着手，从国外的经验看,3种技术应该配套使用、分层次地协调发展。

1、燃料和代用燃料

柴油的主要参数为密度、含硫量、芳香烃含量和十六烷值。柴油机运转中，柴油中约有98％的硫转化为气体SO ，其余2％左右生成硫酸盐颗粒随尾气排出。研究表明：柴油含硫量由0．3％减少到0．05％时，颗粒物污染将减少9％。十六烷值是影响NOx排放的主要参数，十六烷值由40增加到50，NOx排放下约ll％。面对低硫、低芳烃、高十六烷值含氧柴油要求，世界各国都纷纷制定新的柴油标准，规定柴油含硫量应小于0．05W％、芳烃含量小于35V％，以后逐年加严。采用含硫、芳烃少高十六烷值富氧柴油可大幅改善柴油机碳烟微粒排放[4]。

二甲基醚DME(CH

3一O—CH

3

)由于含氧原子，加之只有C—H键和C—O键，

没有C—C键，因此燃烧生成的排放物CO、HC和碳烟微粒低。由于它蒸发潜热大，可采用较大的EGR率，十六烷值比柴油高，着火延迟期短，因此可以抑制NOx 生成和低的压力升高率，是一种较理想的新兴代用燃料。发动机上燃用DME的试验结果表明：自然吸气式发动机排放水平可达目前Euro3和加洲ULEV标准，燃烧噪声降低l5dB (A)，燃用DME同时采用冷却EGR技术，NOx排放可降至1．36 g／kW·h，且颗粒排放几乎不增加，只是燃油消耗率略有增加[5,6]。柴油机燃用DME虽可使柴油机排放大幅改善，但目前仍有一些问题亟待解决。如燃料的储运、燃油系统改进(新型低压30 MPa燃油喷射系统)、泄漏和润滑等问题。

气体燃料(主要是天然气CNG和液化石油气LPG)和空气混合较充分，无需汽化，加之不含铅，因此燃烧充分并可大幅改善柴油机的排放。目前由柴油机改装的单燃料天然气发动机和由柴油／CNG、柴油一LPG改装的双燃料发动机已极大地改善了内燃机的排放，特别是城市建设用的工程机械和公交汽车内燃机等，已在清洁城市的大气环境中做出了贡献。但由于CNG 和LPG 的一些特点，目前尚有一些问题需进一步研究解决。一是启动慢、加速性差、排温高和易失火问题，二是耐久安全性、资源和供气站推广应用等，相信不久的将来，CNG、LPG等气体燃料将在内燃机上获得更加广泛的应用[4]。

2、机内净化

2．1废气再循环（EGR）

EGR技术是现在柴油机降低NOx排放的主要技术措施之一。EGR在所有的负荷条件下均能降低NOx的排放。其工作机理是将定量的废气引入柴油机的进气系统中,再循环到燃烧室内,有利于点火的延迟,增加参与反应物质的比热容以及CO2,H2O,N2等惰性气体对氧气的稀释作用,从而降低燃烧最高温度,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的排放是很有效的。废气再循环率为15%时,NOx排放可以减少50%以上。而废气再循环率为25%时,NOx排放可以减少80%以上,但是随着废气再循环率的增加,发动机燃烧速度变慢,燃烧稳定性差,HC排放和油耗增加。若采用“热EGR”还可以在减少NOx排放的同时减少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佳[7]。虽然EGR对柴油机缸内NOx形成有明显的抑制作用,但同时会增加排气烟度。所以,EGR虽是降低柴油机NOx排放量的有效措施,但需要采取相应的措施降低排气烟度,而且如何选取适当的EGR率对改善柴