工程机械用柴油机尾气控制技术

1工程机械用柴油机尾气控制技术（2006--2010-年）柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM(微粒)。尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。1燃料方面的控制措施1.1代用燃料采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一，并且由于化石燃料有限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、氢气、甲醇、乙醇、二甲醚(DEM)，碳酸二甲酯(DMC)及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。其中CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取；乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的有害成分少，是一种很有发展前景的燃料。但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分，因而在使用上受到限制。二甲醚(DEM)是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物质废料中制得。DEM的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油；能够实现发动机高效、柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能；最突出的优点是DEM能够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx排放比柴油机低30%以上，若同时采用废气再循环时，可将NO排放进一步降低到一般柴油机的50%达到PM和NO的同时降低。碳酸二甲酯(DMC)中含有53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低；据报道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年产量可达300吨。它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原2料为向日葵、大豆等等。市场售价每升为0.5美元的这种生物柴油，可以替代柴油，也可与柴油混合使用。而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生产。另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程为：垃圾油加入反应罐后，通过一种微酸性催化剂技术，使得其醇解和酯化可同时进行，反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物柴油从实验室走进了生产车间。1.2燃油的改性1.2.1提高十六烷值。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和NO排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和NO的排放。1.2.2降低芳香烃在燃油中的含量。芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的CO，HC，NO以及PM都有所增加。因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物的排放。1.2.3降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%~3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO，VanBeckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低10%~30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低大约7%。1.2.4降低密度。柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴油机的排放情况。降低柴油的密度，可使HC和排放中的颗粒物减少。燃料密度从840kg/m3减少到800kg/m3，微粒排放物将减少13%。1.2.5利用燃油添加剂。经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。3通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃料；提高燃料的十六烷值；选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力；降低密度；减少柴油中的含硫量和芳香烃含量。这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。2柴油机机内净化技术柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9(这有利于NO的生产)和低于0.6(这有利于碳烟的生产)。降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。2.1采用新的燃烧方式传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧，火焰温度高，极易产生NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统(HCCI)和日本ACE研究所的预混稀薄燃燃烧过程(PREDIC)等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，可大幅度降低NOx，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放比一般柴油机降低27%，预混稀薄燃烧方式目前还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。2.2喷油系统的改进2.2.1喷油规律改进合理的喷油规律应该是：初期喷油速率不宜过高，以抑制NOx生成；中期应急速喷油，提高喷油速率和喷油压力，以加速扩散燃烧速度，防止PM升高和热效率的恶化；后期要迅速结束喷射，避免燃烧不完全及PM增加。在没有电控燃油喷射条件下，通过改变油泵凸轮形状，对喷油规律加以改进，传统凸轮为切线凸轮，改进凸轮为凹弧型凸轮，其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期不拖长的特征。通过在某6105柴油机上验证试验，发现改进后，NOx4降低6%~13%，PM降低80/15%，但燃油经济性略有恶化为了实现先缓后急的喷油规律，也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器，在油压上升时首先克服第一级较软的弹簧压力，使针阀略微顶起，由于流通面积很小，燃油喷射的速率较低；当油压升高到克服第二级弹簧压力时开始主喷射。2.2.2提高喷油压力和减小喷孔直径提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化，以增大燃油和空气接触的表面积，加速燃油和空气的混合，明显地降低颗粒PM中碳的排放。高压喷射会导致NOx的增加，如采用推迟喷油时间和EGR等方法，以达到控制颗粒PM和NOx排放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上，减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放；高压喷射技术对喷油系统提出了十分苛刻的要求。要求整个系统有极高的强度、刚度和密封性。此种措施也必须和其他改进方法相结合才能达到更好的效果。提高喷油压力可以有效地降低柴油机的微粒排放；减少燃油平均滴径，促进混合气形成；降低发动机最大压力升高率、降低燃烧噪声。2.2.3喷油正时与喷油速率的配合控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段，推迟喷油正时是降低柴油机排放中NOx浓度的简单而有效的措施之一。NOx对喷油正时的影响非常敏感，当喷油正时与设定值相差1℃A时，NOx将提高15%左右。为了减少NOx的排放，喷油正时正在逐步推迟，向上止点方向靠近。目前采用电控喷射的喷油正时已减少到上止点前5℃A左右。喷油速率对有害气体的排放有较大的影响，在实用中，常把推迟喷油正时与提高喷油速率同时使用，使单独使用推迟喷油正时引起的CO升高受到抑制，从而使CO和NOx排放均得到降低。2.2.4先导喷射及多次喷射在主喷射之前喷入少量的燃油，以降低NOx和噪声，主喷射要求喷油速率快、喷油压力高，促进混合气形成，以缩短缓燃期，保证良好的经济性和动力性，形成先导喷射(预喷射)＋主喷射的模式。为了同时降低NOx和PM的排放也可采用多次喷射的方法，即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射，过后喷射可促进碳烟的氧化，降低PM的排放。采用过后喷射会加大HC排放和耗油增加。在不同工况下要获得良好的效果，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这对于机械式喷油系统是5很难想象的，只有电控高压共轨喷油系统才能胜任。2.3进气系统的改进目前，柴油机的发展趋势是，提高喷油压力、降低涡流强度，以减少进气的压力损失，配合多气门小孔径喷油器来获得良好的混合气。2.3.1采用增压中冷技术废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。增压后，燃油消耗率下降，CO和HC也会进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加，致使增压后NOx比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制NOx的恶化。据资料介绍，进气温度降低0~5℃，最高燃烧温度和排气温度可降低1~3℃利用中冷技术，NOx的排放量可降低60%/-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。2.3.2多气门设计采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底；实现进气涡流比可变。在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOx、另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，PM的影响试验，该机为4气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。2.4优化燃烧系统优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持6较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3-1/2。新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。2.5应用