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大連普陽

柴油機內凈化方法透析

柴油發電機在緩燃期中燃燒溫度達到大,直接影響到氮氧化物(NOx)的生成量同時緩燃期中,若發動機還在噴油,且噴到高溫廢氣區,或者混合氣過濃,都會導致因缺氧而生成微粒。因此,從發電機內凈化的角度,可以通過調節高溫度與燃油濃度的關系,降低氮氧化物(NOx)的生成可采用多氣門技術、增壓中冷技術、控制噴油速率和廢氣再循環通過調節噴油或組織氣流,使燃料迅速而完全地燃燒,降低微粒的生成可采用廢氣渦輪增壓技術、提高噴射壓力、改進燃燒室結構、減少機油消耗、使用低硫燃油、控制噴油過程和調節燃油量。
  
  1 廢氣渦輪增壓技術
  
  根據增壓的方式不同,發動機的增壓可分為:機械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓、復合增壓其中廢氣渦輪增壓是利用發動機排出的具有一定能量的廢氣進入渦輪并膨脹作功,廢氣渦輪的全部功率用于驅動與渦輪機同軸旋轉的壓氣機,在壓氣機中將新鮮空氣壓縮后再送人氣缸。
  
  1.1發展現狀
  
  廢氣渦輪增壓器可提高發動機的進氣密度,提高發動機的充量一般車用發動機多采用徑流式,以滿足高轉速及較高響應性能的要求增壓器的壓氣機部分一般都采用單極離心式結構,而渦輪增壓系統,可分為定壓渦輪增壓系統和脈沖渦輪增壓系統其中,定壓增壓系統對排氣利用率低,低速轉矩特性和加速性能較差,適合低增壓時使用脈沖渦輪增壓系統低增壓時對廢氣利用率相對較高,掃氣作用明顯,排氣管容積小,對負荷變化敏感,動態響應好,結構復雜車用柴油機,對加速性能和轉矩特性要求較高,因此多采用脈沖渦輪增壓系統。
  
  與機械增壓相比,廢氣渦輪增壓不消耗由發動機曲軸輸出的功率,不影響發動機功率,不會增加燃油消耗與氣波增壓相比,其增壓壓力高,可達0.4MPa,用于柴油機時單機功率大于35kW,且技術相對成熟,已實現產品化與復合增壓相比,其結構簡單,易控制,更適于車用柴油機使用使用廢氣渦輪增壓器,柴油機經過必要的改裝,可使功率提高30%~50%,燃油消耗率降低5%左右,有利于改善整機的動力性、經濟性和排放性能。
  
  但廢氣渦輪增壓技術也存在一定的缺陷,低轉速時性能不好當柴油機處于較低轉速時,帶動渦輪機所產生的功率也會降低,導致壓氣機的增壓壓力相應降低,增壓效果不好其次,加速響應慢由于使用廢氣帶動增壓器,發動機至少經過一個循環排出廢氣量才會增加,才會反映到增壓器上,因此瞬態響應性不好再次,對進、排氣壓力的敏感度高當氣缸排氣量過小,增壓器會發生喘震當氣缸排氣量過大,增壓器會發生堵塞這兩種非正常工況均會影響增壓器的增壓壓力及工作效率。
  
  1.2廢氣渦輪增壓對排放的影響
  
  1.2.1對CO排放的影響
  
  柴油機中CO是燃料不完全燃燒的產物,主要在局部缺氧或低溫下形成柴油機通常工作在稀燃條件下,渦輪增壓技術使過量空氣系數變大,燃料霧化和混合得到改善,使燃料燃燒更充分,CO排放進一步降低。
  
  1.2.2對HC排放的影響
  
  柴油機中的HC主要是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及燃燒反應中的中間化合物所組成,小部分由竄人氣缸的潤滑油生成增壓后進氣密度增加,過量空氣系數變大,可以提高燃油霧化質量,減少沉積于燃燒室壁面上的燃油,HC排放減少。
  
  1.2.3對NOx排放的影響
  
  NOx的生成主要取決于燃燒過程中的濃度、溫度和反應時間柴油機單純增壓后,因過量空氣系數增大和燃燒溫度升高而導致NOx排放增加因此常在增壓同時配合減少壓縮比、推遲噴油、廢氣再循環等方式,降低NOx的排放采用進氣中冷技術可以大大降低增壓后進氣溫度,有效控制燃燒溫度,利于減少NOx。
  
  1.2.4對微粒排放的影響
  
  影響微粒生成的原因較復雜,主要受過量空氣系數、燃油霧化質量、噴油速率、燃燒過程和燃油品質影響通常有利于降低NOx的措施都不利于微粒的排放(泰州發電機銷售網)增壓后,進氣密度增加,充量增大,配合中冷技術、高壓燃油噴射、電控共軌噴射、多氣門技術等,可更有效地控制微粒的排放。
  
  1.2.5對CO2排放的影響
  
  CO2是重要的溫室氣體,可導致全球氣溫升高(泰州發電機銷售網)同時,CO2的排放也是衡量發動機燃油經濟性的指標增壓柴油機充分利用了廢氣的能量,經濟性高,整機的平均有效壓力增加,CO2排放優于汽油機。
  
  1.3渦輪增壓技術未來發展趨勢
  
  可變截面渦輪增壓是未來有發展潛力的一種增壓技術由于傳統的渦輪增壓器不能隨轉速、負荷的變化調整噴嘴截面,可以滿足高轉速的良好工作,但不能滿足低轉速的良好工作,低轉速時的增壓效率較低可變截面渦輪可在低轉速時減小渦輪噴嘴面積,達到提高增壓壓力的效果,保證低轉速時的良好工作。
  
  2 廢氣再循環(EGR)
  
  為了解決NOx排放,產生了廢氣再循環系統(EGR),其原理是將一部分廢氣導入燃燒室,增加燃燒室內氣體的熱容量,降低燃燒氣體的溫度,從而抑制NOx排放。
  
  2.1EGR發展現狀
  
  從20世紀70年代開始,就開始了廢氣再循環系統的研究,現在一些柴油車上已經安裝了EGR系統,為柴油車達到歐Ⅳ標準奠定了基礎。
  
  對于增壓中冷柴油機,通常有以下兩種方式:從渦輪前取氣回流到壓氣機后的EGR系統;從渦輪后取氣回流到壓氣機前的EGR系統渦輪增壓柴油機的冷卻再循環結構設計適宜采用前一種方式,可避免出現再循環廢氣污染壓氣機和中冷器,減少淤塞和腐蝕問題,同時避免EGR隨工況變化響應滯后。
  
  由于柴油機過氧燃燒,直噴式柴油機的EGR率超過40%,非直噴式可達25%為防止微粒產生,中、低負荷常采用較大的EGR率,全負荷不采用EGR,以保證發動機的動力性和燃油經濟性當轉速提高時降低EGR率,保證較多新鮮空氣的進入,由實驗標定測得EGR脈譜。
  
  對EGR率的精準控制多采用電子信號根據發動機的轉速信號、油泵齒條信號(即供油量)和水溫信號等,按預先設定好的脈譜改變EGR率因柴油進、排氣管間壓差較小,柴油機的E-GR回流管直徑較大,且柴油機所需的EGR率較高,可在進氣管上加節氣門,低負荷時,通過進氣節流達到增加進、排氣管間壓差同時,采用冷EGR,可進一步降低NOx的排放柴油機排氣中的SO2會生成硫酸,對EGR系統的管路和閥門以及氣缸壁面形成腐蝕,應選用高品質潤滑油和低硫柴油。
  
  2.2廢氣再循環對排放的影響
     2.2.1對NOx排放的影響
  
  廢氣再循環技術降低了燃燒室內可達到的高燃燒溫度,減少了進氣充量,從而抑制NOx的排放實驗表明,當發動機的轉速一定時,廢氣中NOx的比例,會隨廢氣再循環率的增加而降低當發動機處于不同負荷時,NOx排放下降率與EGR率呈近似線性關系較大的廢氣再循環率會導致柴油機動力下降,在中高負荷時,EGR率較低,在小負荷時,EGR率較高,根據不同的工況,選擇適當的EGR率。
  
  2.2.2對微粒排放的影響
  
  當發動機的轉速一定時,微粒排放量會隨EGR率的變化而變化一般來說,廢氣的引入會造成進入氣缸的新鮮空氣降低,易造成局部缺氧和燃料燃燒不完全,引起微粒的增加,隨著EGR率的增加,發動機排出的微粒也隨之增加但實際上中、高負荷時,噴油較多,燃燒時間較短,E-GR率對過量空氣系數的影響較大,微粒增加幅度較在小負荷時,噴油較少,EGR率對過量空氣系數的影響相對減弱,微粒增加的趨勢也相對較小與NOx的線性關系不同,微粒排放量增加率與EGR率關系為二次響應,因此微粒增加比例相對更大。
  
  隨著廢氣的引入,NOx排放會降低,微粒值會升高,負荷較大的工況微粒增加的趨勢很明顯,應限制高負荷工況下的EGR率同時,帶有EGR系統的發動機排氣微粒中的HC成分較少需綜合NOx和微粒兩方面選擇適當的EGR率。
  
  2.2.3對HC、CO排放的影響
  
  隨著EGR率的增加,發動機尾氣中HC與CO的排放變化關系較為一致,呈現上升趨勢在發動機轉速一定的情況下,隨著EGR率增加,HC和CO均為燃料燃燒不充分所產生的排放物當充入氣缸內的廢氣增加,必然導致參與燃燒的氧氣量相對減少,燃料燃燒條件惡HC排放在中高負荷時呈現增加趨勢,在小負荷時呈現下降趨勢HC排放主要來自滯燃期內形成的極稀混合氣,因此HC排放與滯燃期時間長短有關負荷越低,滯燃期內形成的極稀混合氣越多,發動機排氣中HC的濃度越高在同樣低負荷時,廢氣回流率越大,加熱進氣的作用越明顯,滯燃期將縮短,對改善HC排放有利。
  
  2.2.4對CO2及燃油消耗率的影響
  
  試驗表明,當發動機的廢氣再循環率增加,過量空氣系數有所降低,但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波動,基本保持不變。
  
  2.3EGR未來發展趨勢
  
  在歐美,EGR在汽油機和輕型柴油機領域已是一種成熟的工業技術,發展方向是將其完善:如何將EGR技術與顆粒捕捉技術、電控高壓噴油技術、進氣富氧技術等密切結合起來,使各種有害排放物全面降低;如何實現EGR率變工況時的精準控制以及動態響應特性的提高都是以后的研究重點為達到歐Ⅳ標準,EGR率還需進一步提高,EGR應用于增壓發動機時,腐蝕性問題和進排壓逆差問題需要研究,以得到一個比較理想的解決方案在重型柴油機領域,應用EGR的問題更多更復雜,在重型柴油機較高負荷情況下,隨著EGR率的增加微粒排放增加速度加快,發動機的耐久性和可靠性受到影目前EGR在重型柴油機的應用是別地方的一個重點研究方向,可以預見在不遠的將來,EGR將在重型柴油機領域得到廣泛的應用。
  
  3 柴油機摻燒
  
  以上兩種方法是通過改變柴油機燃燒室內的燃燒方式達到降低NOx或者微粒的目的但是,因NOx與微粒的排放規律常常相悖,通常是減少一種而另一種隨之增加,因此,可以考慮通過改進燃料的方式來達到既降低NOx又降低微粒
  
  3.1柴油機摻燒LPG(液化石油氣)
  
  實驗表明,柴油機摻燒LPG后,由于LPG在進氣道與空氣混合,較為均勻,燃燒過程中的局部缺氧情況得到改善,微粒的排放得到抑制NOx、HC、CO會隨LPG加入量及工況的變化而變化NOx排放在中小負荷時隨LPG量增大而減小,全負荷工況時,LPG量較少,NOx隨LPG量增大而降低當LPG量繼續增大,NOx排放略有升高HC、CO排放隨LPG量增大而升高,可通過減小供油提前角來降低排放。
  
  3.2柴油機摻燒CNG(天然氣)
  
  天然氣是一種比較常見的燃料,CNG/柴油雙燃料發動機已經產品化例如用少量柴油引燃天然氣的發動機,其混合氣為預混燃燒,燃燒過程中產生很多著火點,燃燒中局部缺氧狀況得到改善,減少了微粒的排放同時燃燒速度更快,選擇適當的天燃氣、柴油比例,可以降低NOx的排放量。
  
  3.3柴油機摻燒氫氣
  
  氫氣是一種熱值很高的物質,氫氣在燃燒過程中,火焰傳播速度很快,不會產生HC、CO和CO2,是一種十分清潔的燃料,而且資源豐富當柴油機摻氫燃燒時,可大大改善燃燒情況等離子體制氫技術在汽車上有應用前景,可以為發動機提供富氫氣體,提高熱效率,同時氫氣燃燒速度快,可以縮短滯燃期,可以抑制NOx的排放目前,等離子體制氫技術在汽油機上應用有所進步,在柴油機上也會有不錯的效果。
  
  3.4其他代用燃料
  
  隨著能源的緊缺,會有更多的新型燃料參與到優化柴油機燃燒的方法中通過改善燃料的品質和組成,改善缸內燃燒過程,以提高發動機效率和排放性能,一定會有十分廣闊的前景。
  
  4 結論
  
  (1)使用廢氣渦輪增壓技術,可以提高燃油的經濟性,降低HC、CO和微粒的排放,但會惡化NOx的排放(泰州發電機銷售網)因此需要通過加裝后處理設備,才可以全面降低各種排放物。
  (2)廢氣再循環技術主要針對柴油機稀燃產生大量NOx排放,可顯著降低NOx的排放量,相比會增加其他排放物的生成量,尤其是微粒的排放隨EGR率升高,快速增加,配合微粒捕捉器排放效果會有改善.
  (3)通過摻燒其他燃料,如:天然氣、液化石油氣、氫氣等都能一定程度上改善排氣中NOx和微粒的數量,需要根據工況調整其比例,需要進一步的研究