柴油机微粒排放的净化技术发展趋势

无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)1柴油机微粒排放的净化技术发展趋势摘要：近年来随着环境保护的日趋重视，世界各国都对环境的要求很高。柴油机的微粒排放更是不同程度的危害着人类和破坏着生态环境，所以柴油机微粒的净化技术问题也是备受关注的，本文就现在已经采用的柴油机微粒净化技术和未来的发展趋势，做到柴油机排放标准化、尽量做到污染小或者无污染。关键词：柴油机、微粒排放第一章柴油机微粒的分析第一节柴油机燃烧过程分析由于柴油的蒸发性差，柴油机喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成千百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温高压的热气中，经蒸发扩散混合等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一段时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故混合气形成过程和燃烧会重叠进行，即：边喷油边燃烧。柴油在气缸内燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，燃烧过程的完善程度，直接影响着柴油机的作功能力、热效率和使用期限，其燃烧过程划分为四个阶段：滞燃期、速燃期、缓燃期、后燃期。第一阶段——滞燃期，指柴油开始喷入气缸到着火的这一段时期，此阶段包括燃料的雾化、蒸发扩散与空气混合等物理变化，以及重分子的裂化，燃油的低温氧化等化学变化，到混合气浓度和温度比较合适、氧化充分的一处或几处同时着火。第二阶段——速燃期，指着火开始到出现最高压力的这一段时期。此阶段并没有把滞燃期内喷入的燃油全部烧光，主要取决于混合气形成条件的情况，但至少会把相当部分已喷入气缸并混合好的燃油烧掉。第三阶段——缓燃期，指从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。缓燃期开始时，虽然缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气在燃烧。在缓燃期的初期，喷射过程可能仍未结束，因此缓燃期中燃烧过程仍以相当高的速度进行，并放出大量热量，使气体温度升高到最大值，但是在气缸容积增大的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅速下降。第四阶段——后燃期，指从缓燃期终点到燃油基本烧完的这段时期。前一阶段燃烧中，燃料由喷射中心向外扩散的过程受到已燃废气的包围，使一部分燃料拖到后期燃烧，形成后燃期。柴油机是通过把柴油高压喷入已压缩到温度很高的空气中迅速混合、自燃而工作的，所以混合气没有那么均匀的，总有部分燃料不能完全燃烧，分解为以碳为主体的微粒。因此为分析柴油机微粒排放的净化技术发展趋势必须先分析它的燃烧过程。这样才能了解燃烧后的微粒成份和形成途径。无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)2第二节柴油机微粒的排放和生成机理柴油机排放物中的有害成分主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒等，而微粒的成分主要包括碳烟颗粒(占30%)、可溶碳氢有机物(占35%)、硫及水(占35%).由于排放的微粒比表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃、苯并花等)且微粒直径小、重量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸入并沉积在肺胞中，对人类的健康有极大的危害.为此，世界各国对柴油机微粒排放的限制越来越严格，由于喷入燃烧室的燃料与空气混合不完全，混合后的燃料历经高温聚合及分解反应，产生了高分子量的HC，经过进一步的凝聚作用，产生了碳烟颗粒，虽大部分在随后的富氧区烧掉，但终究因混合不完全仍有约1%的碳烟颗粒没被烧掉，重的颗粒随即排出，可溶碳氢有机物来源于未燃的燃油。碳氢有机物在冷凝过程中吸附在碳烟颗粒的表面，成为柴油机微粒排放的一部分，为了达到日益严格的排放法规的要求，目前世界各国都在积极开发减少柴油机微粒排放的技术措施.柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集而成，总体结构为团絮状或链状。柴油机微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过500℃时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；当排气温度低于500℃时（柴油机的绝大部分工况），烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可容成分。这些有机物在一定温度下可以挥发，而且绝大部分能溶解在有机溶剂中。它在微粒的含量变化范围很广，可以从10%～90%，其含量取决于燃油性质、发动机类型及运行工况。如果沿发动机的排气管道测试取样，可发现微粒粒度不断增大，且由于排气中的有机化合物不断吸附冷凝在微粒上，使排气中的有机可容成份含量增加。柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中碳原子数及氢原子比的影响。柴油机碳烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下经过裂解脱氢以后的产物。从高温裂解的角度出发，碳烟微粒是在扩散火焰中燃油较浓的燃烧处形成的。柴油机的烟粒生长和长大一般可分为两个阶段:(1)烟粒生长阶段：这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。(2)烟粒长大阶段：包括表面生长和聚集两种形式。表面生长指烟粒表面粘住来自气相的物质使其质量增大，同时发生脱氢反应，但不会改变烟粒数量，而聚集过程指通过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集物。在柴油机中，烟粒聚集过程常与烟粒在空气中的氧化过程同时发生，即在燃烧早期生成的碳烟微粒，在温度高于碳反应温度的富氧区和扰流火焰出现的地方，在燃烧后期和氧混合而完全燃烧。烟粒排放量取决于烟粒生成反应和氧化反应之间的平衡情况，对于烟粒的开始生成，可燃混合气的碳氧原子比是重要的影响因素。烟粒的氧化。在烟粒的整个生成过程中，不论是朱兆物、晶核还是聚集物，都可能无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)3发生氧化，用专门的测试法可测得，柴油机气缸内的烟粒峰值浓度远远大于排放浓度，说明燃烧过程所生成的烟粒大部分是在排气过程开始前被氧化掉。SOF（可溶性有机成分）的吸附与凝结。柴油机排气微粒生成过程的最后阶段，是组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附，这个阶段主要发生在燃气从发动机排出并被空气稀释之前，通过吸附与凝结使烟粒表面覆盖SOF。第三节各种微粒的处理方法一、分析微粒的质量与成份微粒成份分析不是排放法规所要求的，但对微粒的形成、氧化过程及微粒后处理技术的研究等具有重要意义。下面就介绍一下微粒中有机可溶成分SOF的分离方法：1.热解质量分析法热解质量分析法是在惰性气体氛中，将微粒样品按规定加热速率加热到923K，保温5分钟。在这段时间内，其中部分可以蒸发，用热天平测量的微粒质量减少量代表其中可挥发部分，用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，基本与SOF吻合。然而将气体氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组合，残留的就是微量灰分。该方法的优点是能准确快捷的得出样品质量损失率变化的连续曲线，可据此定量分析VF中不同馏分，可测来碳烟在各种条件下的氧化速率，缺点是热解质量分析仪昂贵，且一次只能处理一个样品。2.真空挥发法真空挥发法是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度95Kpa以上，温度在473k以上加热3小时左右，其质量变化即为微粒中VF含量。此方法设备简单，操纵方便，真空干燥箱具有较大的容积，一次可同时处理多个样品。但是不能连续记录质量的变化，收集VF较困难。3.索式萃取法对微粒中的SOF可采用索式萃取法采集，常用的索式萃取法如下图1-1所示：1-冷凝管2-提取管3-虹吸管4-连接管5-提取瓶图1-1索式萃取法无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4将盛有容液的烧瓶置于恒温浴缸中，用水加热使容液蒸发，上升到冷凝管中，冷凝物回到样品室中浸泡样品，进行萃取。萃取液达到一定体积时，经虹吸管流回烧瓶，这样，容积在萃取液中循环流动，不断将微粒中的SOF带到烧瓶中，直到萃取完全。萃取溶剂通常采用二氯甲烷，其沸点为315K，比样品中的SOF低得多，萃取一般连续8小时就可完成，样品原始质量与残渣质量之差就是SOF质量。该方法从原理上说，是测量柴油机排放微粒中SOF最准确的方法，且萃取可多次使用，不足之处就是耗时多，操作较复杂。汽车排放微粒中的SOF成份复杂，可通过气相色谱仪GC进一步分析，以弄清其中各种HC的来源。一般低于C19的HC来自柴油，高于C28的则来自润滑油。如果色谱仪与质谱仪连用，则可对复杂有机物进行更细致分析，因此结果表明，柴油机排气微粒中可挥发成份随发动机负荷的增大而减少，从95%减到65%左右，其余为不挥发的可燃物碳粒，不可燃的无机物极少。无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)5第二章分析影响微粒生成的因素第一节负荷与转速的影响图2-1为柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系。由图看出：在高速小负荷时，单位油耗的微粒排放量较大，且随负荷的增加，微粒排放量减小；而在低速大负荷时，微粒排放量又由于空燃比的增加而有所升高。图2-1所示柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系微粒排放量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷是空燃比和温度均较低，气缸内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成冷凝集合的有利条件，从而有较多微粒（主要成分是未燃燃油成份和部分氧化反应产物）生成；在大负荷时，空燃比和温度均较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使微粒（主要成份是碳烟）排放量又有了升高；在接近全负荷时微粒排放急剧增加（接近冒烟界限），这时虽然总体过量空气系数尚大于1,但由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部会有过浓，导致烟粒大量生成。微粒排放量与转速有如此变化关系，是由于在小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱。当转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约，故微粒排放量随转速升高而增加；在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快，对碳烟微粒在高温条件下与空气混合氧化起了促进作用，故以碳烟为主的微粒排放量随转速的升高而减小。如仅考虑碳烟排放，对车速适应性好的柴油机而言，其峰值浓度往往出现在低速大负荷区。第二节燃料的影响和喷油参数的影响一、燃料的影响柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放有明显的影响。实验表明，燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高，微粒排放量越少。无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)6燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显的影响。实验表明，柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中碳粒的生成速率较高所致。若从燃油的十六烷值对燃烧过程的影响考虑，则由于十六烷值的燃油具有良好的发火性，故排烟浓度较大。然而，以降低十六烷来获得排烟的改善，会带来柴油机工作粗暴等严重后果。二、喷油参数的影响在直喷式柴油中，当所有其他参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度，如图2-2所示。图2-2喷油参数提前喷油使排烟下降的原因是：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。但喷油提前会使燃烧噪声和柴油机的机械负荷和热负荷加大，还会引起NOX排放量增加。非常迟喷油使排烟下降的原因是：这种喷油定时发生于最小滞燃气之后，由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度较低，使碳烟的生成速率降低。1.喷油规律的影响在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，直喷式喷油规律对NO和碳烟排放的影响如图2-3所示。当大部分燃油在前半时间内喷入汽缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而NO浓度高；反之，当大部分燃油在后半时间喷入汽缸时，参与扩散燃烧的油量增多，故排烟浓度高而NO浓度低。在提高初始喷油速率的前提下，如能减少喷油持续角，可使燃烧过程较快结束，以改进碳烟排放。无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)7图2-3直喷式喷油规律对NO和碳烟排放的影响2.喷油嘴不正常喷射的影响当喷油嘴由于针阀密封面漏油或针阀落座缓慢而造成滴漏，或针阀落座后再次升起而产生二次喷射时，燃油雾化和混合变差，对碳烟、未燃烃、CO的排放及发动机运转均有不利影响。3.喷油压力的影响提高喷油压力，改善燃油雾化（减少油雾的平均直径），能促进燃油与空气的混合，改善柴油混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。试验证明，不论柴油机转速高低、负荷大小，烟粒排放均随最大喷油压力的提高而降低。应注意，在较高的转速和较大负荷（较大循环供油量）下，同样的喷油装置有较高的喷油压力，采用较高的喷油压力还可以使柴油机具有较