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1、柴油機同時降低NOx和微粒的技術探討彭飛(武漢理工大學汽車工程學院;動力機械及工程1203班;1049721202223)摘要:在高速發(fā)展的今天,節(jié)能與環(huán)保成為當今汽車產業(yè)的主題。柴油機本是一種清潔高效的發(fā)動機,但是隨著排放法規(guī)的日益嚴格,柴油機排放控制顯得尤為突出。由于柴油機尾氣中碳煙微粒的濃度與氮氧化合物的濃度之間存在著一條權衡曲線(trade-off)關系,尋找一種同時降低NOx和微粒的技術尤為重要。本文簡要介紹了碳煙及NOx生成機理,并著重從燃油品質、機內外凈化技術方面對同時降低柴油機的碳煙顆粒及NOx排放控制技
2、術現(xiàn)狀進行了探討分析。關鍵詞:氮氧化合物;微粒;燃油品質;EGR;DFP引言柴油機具有耐用、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)境友好的發(fā)動機,但是和裝配了三效催化劑TWC(Threewaycatlyst)的汽油車相比,以氮氧化物(NOx)和微粒(PM)為特征的柴油機車的尾氣排放污染成為制約其推廣應用的重要因素。柴油機車的尾氣與汽油機相當,NOx和微粒的濃度是汽油機的幾十倍。三效催化劑的成功開發(fā)并被廣泛應用,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
3、狀態(tài)下,使得傳統(tǒng)的用于汽油機的三效催化轉化器不能有效地降低柴油機的NOx,且柴油機由于混合和燃燒的固有特點,使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衡曲線(trade-off)關系,降低NOx生成的條件往往有利于微粒的產生,NOx和微粒的生成條件是相互矛盾的,然而傳統(tǒng)的方法很難對兩者進行有效地控制。隨著排放法規(guī)的日益嚴格,同時減少NOx和微粒既成為柴油機研究的重點,更重要的是一個技術經濟難點。1NOx與微粒的生成機理在柴油機排放控制中,研究NOx與微粒的生成機理是很有必要的,只有清楚的了解了排放物的
4、生成機理才能開展尋求解決控制排放的有效途徑,下面簡單介紹NOx與微粒的生成機理。1.1NOx的生成機理在柴油機中排放物中NOx并不是來自燃料,而是空氣在氣缸內燃燒時由高溫條件下氧和氮反應而產生的。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NO2的含量可以忽略[1]??諝庵械牡蒒O的化學機理是擴展的澤爾多維奇(Zeldovitch)機理。在化學計量混合比(=1)附近,導致NO生成和消失的主要反應為:O2?2OO+N2?NO+NN+O2?NO+O在這3個反應過程中,N2,O2,N,O的濃度、
5、燃燒所提供的高溫以及高溫持續(xù)時間決定了反應的速度和程度,并直接影響最終的NOx的濃度??杖急華/F一定時,NO的生成量隨溫度增高而增加,也隨轉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,在過量空氣系數(shù)稍大于1時,NO的生成量達到最高;當小于1時,混合氣越濃,NO濃度越高;當大于1,過了產生NO的峰值以后,混合氣稀薄,NO濃度下降。由于NO的生成反應達到化學平衡需要一定的時間,而且這個時間要比每一循環(huán)中燃燒反應時間長,故為了降低NOx的含量應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?shù)目杖?/p>
6、比[2]。大量的試驗表明,要降低NOx排放必然會引起燃油經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。氮氧化物的生成機理比較復雜,可以認為,NOx是在燃燒溫度大于2300k的富氧條件下生成的,即在高溫富氧情況下生成的。同一溫度下,燃料混合氣越稀薄,則生成NOx的量越高;同一燃料混合濃度下,燃燒溫度越高,生成NOx的量也越高,而當燃燒溫度在1700k以下時,生成NOx的速度很低??刂芅Ox的生成量,必須控制燃燒溫度,使燃燒放熱率,沒有急速的峰值,控制燃燒放熱率的平穩(wěn)性。特別是降低燃燒的初始溫度,能大幅度地降低N
7、Ox的排放。1.2微粒(PM)的生成機理由于柴油機是非均質燃燒,燃燒室內各區(qū)域的化學反應條件不一致,因此在燃燒過程中產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中間產物。炭煙微粒(PM)主要是由于碳氫燃料不完全燃燒而生成的。主要包括碳粒(Soot)、可溶性有機成分(SOF)以及硫酸鹽(Sulfate)等,碳粒(Soot)占PM組成的50%~80%。其中可溶性有機物SOF來自不完全燃燒的燃料和潤滑油,控制SOF主要是盡量減少潤滑油的燃燒,并使燃料燃燒完全充分。硫酸鹽是由于燃料中含有的硫雜質而生成的,控制Sulf
8、ate主要是控制燃料的品質。碳粒是在燃燒溫度大于1500k,過量空氣系數(shù)小于0.6的濃混合氣環(huán)境下生成的。[3]Brome及Khan根據(jù)對火焰的研究資料,提出了炭煙顆粒的產生進程[4]。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,產生較小分子量的物質,且在后期出現(xiàn)聚合反應;在燃燒室壁等非火焰區(qū)則通過聚合產