柴油机NOX排放控制与废气再循环技术

柴油机NOX排放控制与废气再循环技术天津大学何邦全姚春德刘增勇李万众(天津300072)摘要本文从柴油机废气再循环的角度分析了降低柴油机NOX排放的原理、实施方案、存在的问题及其解决方法。可以相信,随着废气再循环技术和发动机相关技术的发展,柴油机NOX和颗粒排放物将会进一步降低。关键词废气再循环排放物ReductionofNOXfromDieselEngineswithEGRTianjinUniversityHeBangquanYaoChundeLiuZengyongLiWangzhong(Tianjin300072)AbstractInthispaper,thetheory,applicationproblemsandtheirsolutionsarereviewed.Itiscertainthatwiththedevelopmentofexhaustgasre-circulationanditsrelevanttechnologiesap-pliedtodieselengines,theNOXandPMemissionsfromdieselengineswillbefurtherreduced.KeywordsExhaustgasre-circulation,Emissions1前言为了改善空气质量,各国开始制定自己的排放法规。表1就是美国、欧共体制定出的未来轻型柴油车严格的排放法规。单位:(g/mile)美国年份NOXCONMHC或NMOGPM联邦1现在0·43·40·250·08联邦220040·21·70·1250·08欧Ⅲ20000·50·640·560·05欧Ⅳ20050·250·50·300·025由此可见,减少柴油机的有害排放物,特别是NOX的措施已成为柴油机满足各种新法规的必要手段。2废气再循环技术与汽油机相比,柴油机由于其进气流动损失小,燃油消耗率低,而且在低当量比下工作时CO和HC排放低这些优点,所以使柴油机成为很有吸引力的动力。柴油机的废气主要由N2、CO2、H2O和O2组成,然而传统的柴油机有相当高的NOX和颗粒排放物,大多数降低NOX排放物的措施往往又致使HC和颗粒排放增加。如推迟喷油提前角可使压力升高率dp/dθ下降,最高燃烧温度下降,NOX减少,但参与扩散燃烧的燃料增加,颗粒排放增加,而且还使发动机热效率降低,燃油经济性下降。图1给出了喷油提前角与燃油经济性和排放之间的关系。图1喷油提前角与燃油消耗和排放之间的关系图2给出了发动机燃烧放热率随排放法规变化的趋势图。由此可见,仅用推迟喷油提前角来改善排放是有限的。通常小于5g/hp.h的NOX排放水平的柴油机采用推迟喷油提前角来改善NOX差不多已经达到了极限。为了保证发动机的燃烧热效率,进一步推迟喷油提前角必然要使用更高的喷油压力,这又会对发动机材料的强度提出更高的要求,同时喷油压力的提高又将增加驱动油泵的功率损失,燃油系统的成本也将增加,一般还会导致发动机NOX排放升高。因此有必要探索一条更有效的降低NOX排放的技术。废气再循环(EGR)技术一直被认为是一种降低汽油机NOX排放的有效措施。图3给出了汽油机和柴油机的热容量和A/F随EGR率变化的趋势。可以看出,由于汽油机气缸中的进气总量随着EGR率的增加而增加,因此混合气的比热也随之增加。当柴油机采用EGR时由于其进气总量不会变化,所以废气的加入,使A/F比减小,比热增加较小,因此,汽油机气缸中的气体温度会随着EGR的增加而减小,柴油机中气体的温度减小较少,但氧气浓度随EGR率的增加而迅速减小,因而使得单位质量混合气的放热量成比例地减小,降低了燃烧的最高温度,从而使NOX排放减少。柴油机在采用废气再循环时,由于废气的加入,使得发动机气缸中混合气的形成、燃烧和排放发生了变化,因而对发动机的性能产生了各种影响。图2放热率趋势2·1废气再循环对柴油机性能的影响(1)通常情况下,高温的再循环废气导致发动机的进气温度增加,致使压缩行程通过气缸壁传出的热量增加,最高燃烧压力降低。(2)由于再循环废气的影响,气缸中气体的氧浓度下降。这是由两个因素引起的:一方面是再循环废气比新鲜空气的氧气含量低;另一方面是使用EGR时进气道和气缸壁的温度升高导致进气充量下降。图4给出了在大众可视化四缸1·9L直喷式柴油机上测得的O2浓度和CO2浓度随EGR的变化趋势。由此可见,当EGR率由0增加到50%时,O2的浓度从21%下降至约14%,与此同时CO2的浓度从0上升到约5%。(3)EGR对着火延迟期的影响表现在:进气平均温度提高,缩短了着火延迟期,但CO2和N2的稀释作用又使着火延迟期延长,总的趋势是着火延迟期延长。(4)燃烧室中的再循环废气改变了着火延迟期内混合气的形成和燃烧,使燃烧期间的气体温度下降,最大放热率减小,燃油消耗率增加,HC排放和颗粒排放物增加,发动机232000年(第29卷)第1期柴油机NOX排放控制与废气再循环技术的活塞环、气缸套等部件的磨损加剧。对柴油机废气中颗粒成分进行分析的结果表明:颗粒排放物主要由润滑油、燃料中的碳氢成分、硫酸盐和碳烟组成。HC和碳烟与燃烧过程有关,可以通过优化进气系统、燃烧系统和燃油喷射装置来减少,也就是说通过组织合适的进气涡流、提高喷油压力和优化喷油器设计使燃烧室中所有燃料获得一个高的局部A/F比,从而使得氧气能迅速进入油束以抑制碳烟的形成。硫酸盐主要是由燃料中的硫元素在燃烧过程中氧化而形成的,所以为了提高EGR率,必须限制燃料中的含硫量。(a)汽油机(b)柴油机图3热容量和A/F随EGR率的变化趋势图4O2和CO2浓度随EGR率的变化趋势(5)EGR对碳烟氧化的影响依赖于负荷。怠速条件下,A/F比约为100∶1,EGR对其没有明显影响,可以用比高负荷时更高的EGR率(无EGR时,高负荷时的A/F比约为25∶1)。但在低负荷时随着EGR率的增加,碳烟氧化率减小,而提高EGR率可以通过提高进气压力,如增压,增加A/F比实现。大多数情况下,高负荷时的最小A/F比由允许的冒烟极限决定。小负荷时,EGR率可由燃烧稳定性和有害排放的激增作为可能的极限。因此,为了达到最小的NOX排放,EGR率必须达到各缸最大燃烧波动和瞬态响应允许的最24小型内燃机No·1(Vol·29)2000大值。为了最大限度地利用EGR对NOX的抑制作用,必须控制颗粒的形成,减少高负荷下NOX排放尤为重要,因为60%的NOX(按美国排放试验标准)和约70%的NOX产物(按欧洲排放试验标准)是在高负荷下形成的。降低NOX排放的措施有:(1)使用多次喷射,可同时降低颗粒和NOX排放。Caterpillar3406单缸机上采用了该技术,使颗粒和NOX排放分别降低到0·07g/hp.h和2·2g/hp.h。(2)冷却再循环废气,降低进气温度,减少进气损失。与使用冷却EGR的柴油机相比,使用未冷却EGR的柴油机有较高的碳烟、CO、CO2和HC排放,在低EGR率(小于30%)时冷却EGR的柴油机有较低的NOX排放,但在EGR率大于30%后,热态的EGR有较低的NOX排放,这是由于氧气浓度在两种条件下的相反作用所引起的。(3)优化燃油供油率曲线形状,抑制预混燃烧放热率,提高扩散燃烧率,这对控制燃烧噪声和NOX排放有利。(4)采用低含硫燃料。当采用低含硫燃料时,催化剂中毒的可能性下降,可以使用稀薄NOX催化转换器。(5)采用高压共轨系统。高压共轨系统在发动机低速工况下产生较高的喷油压力,因而有两个潜在的好处:第一,由于高的喷射压力有利于减少颗粒,因而可以提高发动机最大扭矩的冒烟极限。第二,高的喷油压力有利于使低速、部分负荷时的NOX和PM排放最小。然而在看到低速、部分负荷时高压喷射对排放益处的同时,必须要考虑喷油泵消耗功的增加而引起的燃油消耗率增加的负面影响。无论如何,为了满足未来小型高速直喷柴油机性能的需要,燃油喷射系统应在尽可能低的发动机转速下达到150MPa的喷油压力。2·2废气再循环技术的应用EGR技术正在被应用于柴油机客车和小缸径自然吸气重型卡车上。当EGR被用于增压中冷大型卡车和公交车上时,必须保证发动机的耐久性和可靠性,这与废气再循环的方式有很大关系。图5给出了涡轮增压中冷发动机实现EGR的几种可能方案。方案1是从涡轮机前取再循环废气后经EGR冷却器送入压气机进口;方案2从涡轮机出口取再循环废气送入压气机入口。方案3从涡轮机前取废气经EGR冷却器由文丘利管加入发动机进气管;方案4在再循环回路中加入了一个EGR泵实现废气再循环。方案2和4从涡轮机出口处取再循环废气送入到压气机进口,这种方法称为低压方法。在这种情况下,由于合适的EGR阀容易获得一个适当的压力差,因此在发动机较大的运转范围内比较容易实现EGR。为了避免吸入的再循环废气经过压气机时引起空气温度超过压气机的设计温度,因此对EGR气体进行了冷却。然而发动机运行很短的时间后就会由于油污沉积,堵塞流道而使中冷器的压力损失增加。利用低压方法虽可在高负荷时实现EGR,但中冷器堵塞影响了发动机的耐久性。方案2还利用进气节流和增加涡轮出口背压的方式实现废气再循环。为了增加涡轮出口的压力,在涡轮出口处安装了一个节流阀,改变节流阀的开度,就可改变EGR率。然而,使用提高涡轮出口背压的高压方式,虽可实现高负荷的EGR,但是由于涡轮膨胀功下降,故增压度下降,而且EGR替代了部分新鲜空气,发动机气缸中的过量空气系数显著下降,发动机的燃烧性能将变坏,碳烟和燃油消耗增加。方案3是从涡轮前端取再循环废气的高压方法,可以直接将再循环废气送入进气管。此时由于再循环废气没有经过压气机和中冷器,不会发生低压方法中遇到的问题,这种方法已被用于增压中冷轿车柴油机上,然而由于涡轮增压器和发动机的特性,进、排气管的压力差有时252000年(第29卷)第1期柴油机NOX排放控制与废气再循环技术不能提供足够高的EGR率。当它用于大缸径的重型柴油机时,要想获得所需的压力差是困难的。为了实现EGR,排气管中的压力必须高于进气管中压力,获得所需的压力差,方案3中加入了一个文丘利管以保证高负荷时所需的压力差。还有一种方式是利用可变截面的涡轮增压器控制涡轮喷嘴的面积,排气背压得到控制,从而可以改变EGR率,因而提供了优化EGR在高负荷时的过量空气系数的手段,这样NOX可被大大减少而不会使经济性下降。1-压气机2-涡轮机3-EGR冷却器4-节流阀5-中冷器6-EGR阀7-EGR泵8-文丘利管9-背压阀图5增压中冷发动机实现废气再循环的几种方案要实现发动机的废气再循环,还必须保证多缸发动机各缸获得均匀的再循环废气。图6给出了ECOTEC发动机的EGR图,当EGR率达到30%时,排放可达欧Ⅱ标准。要想达到更高的的排放标准,还需进一步提高EGR率。可以预想,要使多缸发动机达到这样高的EGR率,还会有许多问题。首先要解决各缸EGR分配均匀性和瞬态响应问题。例如,用短进气道供给发动机EGR,发动机的瞬态响应好,但要使各缸获得均匀EGR将更加困难。相反,用长的进气歧管供给发动机EGR,则混合均匀,但瞬态响应变坏,这是因为必须把长进气管中的EGR清除后才可以完全吸入新鲜空气。第二是EGR的冷却。冷却的EGR由于降低了进气温度,故可以降低NOX的排放。然而采用常规冷却方式,发动机的进、排气系统就会变得很大。一种解决办法是利用气缸盖上的冷却通道冷却EGR气体。ECOTEC发动机采用这种方法,达到了30%的EGR率,其措施指标分别达到了CO为0·37g/km,HC+NOX为0·71g/km,PM为0·039g/km。这个系统的另一优点是在发动机冷机时用EGR加热循环水。图6ECOTEC2L直喷柴油机EGR率随燃油量和发动机转速变化图3结束语废气再循环技术就是利用再循环废气降低发动机进气的氧气浓度,从而减少了发动机燃烧的最高温度,达到降低柴油机NOX排放物的目的。尽管采用废气再循环时颗粒排放物有所增加,但是通过采用低硫燃料、多次喷射、优化燃油供油率曲线、冷却再循环废气和高压共轨等手段,可以减少柴油机的颗粒排放物。就我国而言,柴