维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 2008年2月 内燃机 Internal Combustion Engines No.I Feb.2o08 紫油机辨敏控制技术发展综述 郭猛超.姜大海,王琛,李幸丹 (军事交通学院汽车工程系,天津300161) 摘要:阐述了车用柴油机尾气的组分和生成机理;简要介绍了当前的机前和机内排放处理技术;重点对后处理技术 进行了探讨,给出了后处理技术的净化原理和技术路线。 关键词:尾气组分;生成机理;排放控制;后处理 中图分类号:TK421 文献标识码:A 文章编号:1000—6494(2008)01—0007—04 Summary on Development of Control Technology f0r Diesel Engine Exhaust GUO Meng—chao,JIANG Da—hai,WANG Chen。LI Xing—dan (Department of Automotives,College of Military Transportation,Tianjin 300 1 6 1。China) Abstract:The constitution and mechanism of diesel engine exhaust ale elaborated in the paper.The current enfission control technologies are introduced briefly,especially aftertreatment tchnoleogT.It presents the purifying theory and technique COUFSeS. Key words:tail—gas composition;mechanism;emission control;aftertreatment 柴油车因具有良好的经济性、可靠性、动力性和。 及氧的浓度 J。PM是排气温度为51.7℃时,柴油 的排气通过带有聚四氟乙烯的树脂的滤纸时,被滤 纸所留下的所有物质。其组分为碳烟、未氧化的或 未完全氧化的HC,硫酸盐以及与硫酸盐相结合的水 和其它物质。SOx是燃油中含有S的物质在燃烧后 形成产物的统称,主要是SO ,SO 和硫酸盐颗粒。 较低的CO,HC排放,使其在国内保有量近十几年来 持续增长。但以柴油机尾气排放为主的大气污染严 重破坏了自然界的生态平衡,而且危害了人类健康。 目前,美国、欧洲和日本等国都已制定了严格的排放 法规。我国在发展经济的同时也高度重视环保,要 满足日益严格的法规,研究排放控制技术是当 务之急。 2机前与机内处理技术 机前处理主要指对进人气缸的工作介质(燃料、 1 柴油机尾气的组分和生成机理 1.1组成成分 空气、循环废气等)做有利于降低有害排放物生成的 预处理,广义上,发动机的优化设计与性能匹配也包 柴油机排放的废气中,氮气(N )约占75.2%, 二氧化碳(CO )约占7.1%,氧气(O )及其它成分约 占16.89%,有害排放约占0.81%H J。有害物主要 包括:氮氧化物(NOx)占35.4%,一氧化碳(CO)占 含在内。目前的机前处理技术主要有: a.改进燃油质量,包括改进现有燃油品质,采用 替代燃料等。 b.发动机优化设计,主要是动力传动系统的优 化匹配。当前的机内净化处理技术如表1所示。 35.3%,碳氢化合物(HC)占8.54%,氧硫化物 (SOx)及微粒(PM)等占20.76%。 1.2生成机理 3后处理技术 柴油机排气中有害成分主要是NOx和PM。 CO是烃基燃油燃烧不完全的产物,主要是在缺 氧或过低温度下形成的;HC是由燃油的不完全燃烧 和缸壁的淬冷作用、缝隙效应,曲轴箱漏气等原因形 成的;NO 是在高温燃烧条件下空气中的氧与氮反 NOx大多是在混合阶段和稀薄火焰区生成,为高温 富氧产物,而微粒大多是在扩散燃烧期富油区生成, 为高温缺氧产物。某些减少NOx生成的措施会增加 微粒生成,反之亦然。这一现象称为NOx与PM的 应生成的,其生成量取决于缸内燃烧温度、反应时间 作者简介:郭猛超(1984一),男,陕西西安人,硕士,主要 从事内燃机污染排放控制的研究。 收稿日期:2007—06—15 折衷效应(trade—off)(图1曲线)。这种效应使机 内处理技术受到很大。而且许多机内净化措施 是以牺牲动力性和燃油经济性为代价的。另外考虑 维普资讯 http://www.cqvip.com 内燃机 2008年2月 ^I-工 莹.暑v\鼍辎罨车蚕 O O 呲 Ⅱ:∞ ∞ 冷・卸 BGI O O / +PM J 炙集舞 却BC R Ⅱ 一. 2 4 6 8 10 12 14 N0x捧放量/(g・kW ・h-1) NOx与PM的trade—off效应图 表l 主要机内处理技术简表 类别 对策技术 主要控制对象 推迟喷油提前角 NOx 燃油高压喷射 PM 喷油系统 喷油率控制技术 NOx PM 稀薄燃烧 PM 涡轮增压与中冷技术 PM 进气系统 多气门技术 PM 挤流口式燃烧系统 NOx PM 燃烧系统 非回转体型燃烧系统 NOx PM 无涡流高压喷射燃烧 NOx PM 废气再循环 (EGR) 中冷EGR、内部EGR NOx 电子控制 电控高压喷射等 PM 到目前的开发研究现状、技术复杂性以及效益成本 比等因素,可以认为围绕NOx和PM展开的后处理 技术是解决当今柴油机排放问题最直接、最有前途 的办法。 3.1 NOx处理技术 3.1.1 稀NOx催化剂(LNC) LNC(LeanNOx Catalyst)技术是近年来发展的一 种较新的De—NOx技术,它利用HC作还原剂脱除 NOx。LNC系统一般分主动式和被动式。主动式 LNC系统通过二次喷射等方式,HC,NOx的最大转 化效率可增加到30%以上。被动式系统利用发动机 尾气中原有的HC作还原剂,由于柴油机排放的HC 浓度很低,因此被动式系统NOx转化效率较低,目前 只有20%左右。LNC技术的进一步研究工作主要集 中在增加催化剂的运行温度范围及转化效率上。稀 NOx催化器净化原理示意图见图2。 图2稀NOx催化器净化原理示意图 3.1.2 NOx吸附催化器(NAC) NAC(NOx Adsorber Catalyst)技术,利用贵金属 催化剂在稀混合状态下将NOx中的NO转化为NO: 并吸附在BaO等碱土氧化物上生成盐,定期在 浓混合状态下将NOx脱除并还原成N:。一般情况 下,NOx去除率可达到55%左右,但此技术与燃料含 硫量有极大关系,当含硫量小于3×10I6时,NOx去 除率可达到90%以上 7 3。NOx吸附催化器原理示意 图见图3。 图3 NOx吸附催化器作用原理示意图 3.1.3低温等离子技术(NTP) NTP(Non—Theimal Plasma)技术是当前热门的 技术。该技术的基本思想是:因等离子对NOx较SOx 具有很高的选择性,并能促进活性物质的生成,使其 在催化剂活性作用下选择性地生成目标产品,以获得 高活性和高选择性。简单来说,等离子体先将尾气中 的NO氧化为NO ,再把NOx还原为N 。其净化路线 如图4所示。在采用QD32T柴油机在稳定工况下试 验,结果表明,当发动机转速稳定在2 4O0 r/min,油门 保持在52%,排气流量控制在28 m /h时,NOx去除 率达到20%以上 。 3.1.4催化还原(CR) 选择催化还原(SCR,Selective Catlaytic Reduc— tion)技术,以氨(NH,)或尿素(Urea)做还原剂,以 V O ,TiO 等作为催化剂,在专门的催化反应器中进 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 郭猛超等:柴油机排放控制技术发展综述 电控阀 图4低温等离子体辅助催化还原系统图 。 行反应。其NOx去除率一般都可达65%以上 J。 以氨作还原剂,使氮氧化物还原为H O,N 等。反 应器中基本的化学反应方程为: 尿素热解:(NH2)2CO--*HNCO+NH 水解:HNCO+H2O_÷CO2+NH3 合成:(NH2)2CO+H2O—cO2+2NH3 转换:4NO+4NH3+O2—4N2+6H2O 6NO2+8NH3 N2+12H2O 研究表明,SCR至少有两项明显的优势:一是不 影响发动机燃油经济性,二是易于改装 』。但由于 储存还原剂需随车携带,且体积大,质量大,因此要 将SCR技术广泛应用还存在不少问题 。至于选 择非催化还原技术(SNCR)、非选择催化还原技术 (NSCR),其NOx去除率都较SCR低。SNCR只是在 发电厂得到了广泛应用,在车用柴油机上应用很少, 而使用NSCR催化剂消耗量极大 J。 3.2 PM处理技术 目前的PM净化技术最主要的是微粒捕集器 (DPF,Diesel Particulate Filter)技术。此外还有氧化 催化器技术(DOC,Diesel Oxidation Catalyst)、低温等 离子技术、旋风分离技术等。 3.2.1微粒捕集器(DPF) DPF是目前国际上最接近商品化的柴油机微粒 后处理技术。主要由过滤装置、再生装置、控制装置 三部分组成,关键技术是过滤材料和过滤体再生。 目前,国内外常用的过滤材料主要有:泡沫陶瓷、壁 流式蜂窝陶瓷、编织陶瓷纤维及多孔金属等。根据 再生原理不同,可将柴油机微粒过滤体再生方法分 为主动再生(强制再生)和被动再生类。 主动再生是利用外加能源进行再生,目前所用 的方法如图5所示,此种方法再生效率高,在低工况 下能可靠再生,但系统复杂,运行成本高。被动再生 是利用柴油机排气本身所具有的能量对过滤体进行 再生,如在过滤体上浸渍催化剂或在燃油中添加催 化剂或添加剂来降低微粒氧化反应的活化能,从而 降低微粒的起燃温度,达到再生目的。此方法简单, 不需控制系统,成本低,但再生效率低,并易产生二 次污染。过滤体再生方法的发展分类表如图5所 示。在过滤体再生研发中需进一步解决的问题有: a.降低再生温度,进一步降低再生所需能量。 b.DPF系统结构和能量的来源以及可靠性都有 待进一步研究。 C.结合燃料的去硫化,进一步研究连续再生。 d.将多种方式结合使用。 加热再生 油助燃再生 外加热再生 波加热再生 负荷再生 气节流再生 气节流再生 化再生 向喷气再生 械振动再生 化再生 续再生 油添加剂 图5过滤体再生方法的发展分类 3.2.2氧化催化剂(DOC) PM的氧化归结为两个问题:一是碳烟(soot)本 身,即石墨化固体组分(GSF,graphitic solid fraction); 另外一个就是吸附在碳烟上的碳氢化合物(HC),通 常指的是可溶性有机成分(SOF,soluble organic frac— tion),SOF主要包括HC,也含有H ,NO,NO 和微量 s,Zn,P,Ca,Fe,Si以及Cr等组分。DOC技术主要 针对SOF的,同时可除去HC,CO和醛类、多环芳烃 等污染物。氧化催化器在国外是一种商品化技术, 已在欧洲的柴油小轿车、轻型卡车以及美国重型柴 油卡车上安装使用。氧化催化器去除排气中的污染 物的作用原理如下: 2CO+O2 CO2 HC+O2_÷CO2+H2O Aldehyde+O2_÷CO2+H2O PAH+O2_÷CO2+H2O DOC目前存在的主要问题主要有: a.对燃油中的硫含量极其敏感,要求柴油硫含 量要低(一般不超过5.0×10 ),否则催化剂会将 排气中的硫氧化成硫化物,硫化物容易在过滤体内 沉积,形成不可燃烧物,并导致过滤效率降低,排气 阻力增加。同时可能使催化剂老化、中毒,二氧化硫 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ lO ・ 内燃机 2008年2月 氧化成三氧化硫,生成硫酸或固态硫酸盐微粒,额外 地增加微粒排放量。 【参考文献] b.催化剂活性随着使用时间的增加会逐渐降低。 [1 孔紧 ,李明海,张岩.改进燃油喷射系统,降低柴油机 C.对微粒的净化效率较DPF低。 仃害排放[J].内燃机车,2005,(6). 3.3其它技术 [2]杜愎刚,朱会田,许力.车用柴油机排放控制现状与技术 进展[J].内燃机工程,2004,(3). 低温等离子技术去除PM主要是对带电荷微粒 [3]资新运,郭锋,姜大海.车用柴油机排放控制进展[J]. 进行静电捕集,通过电弧放电再生。研究表明,等离 环境科学保护,2005,(6), 子体辅助催化可以使碳烟排放降低90%以上 ]。旋 [4]资新运,李新.低温等离子体去除柴油机微粒与NOx的 研究[D].学位论文,2006. 风分离技术是利用离心技术,当柴油机排气进入旋 [5]张素宁,杨润生,邵天章 .柴油机排放控制新技术 J], 风分离器时形成高速旋转运动,最后沿外壁进入灰 移动电源与车辆,2004,(2). 王卜,清洁气流从排气管中排出。 [6]邱 片,张洪涛.柴油机微粒排放后处理技术的研究现 状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2005,(1). 4结束语 [7]Andreas Pfeifer,US 2007一Which Way To Go Possible tech- nical solutions SAE paper,2003—01—0770. 当前的排放控制技术仍以机内净化和后处理技 [8]2006—01—355l:Simulated Performance of a Diesel After— treatment System for U.S.2010 Application SAE Paper, 术为主,机内净化根本上是合理优化燃烧过程,后处 2006一Ol一3551. 理实质上主要依赖化学反应。从以上分析可以看 [9 Brian Scarnegie A LNT+SCR System for Treating the NOx 出,各种技术都存在不足,故将各种技术结合使用 Emissions from a Diesel Engine 2006一Ol—O210 Paper. (女口:DOC+DPF,SCR+DOC+DPF,NTP+SCR [1O]John C,Wah1.,Engine Technology for The Future Meeting, the needs of Customers and the environment.SAE China 等)9i将是柴油机排放控制技术发展的趋势。 2003 congress. (上接第6页) 成熟,防腐涂料也必将得到进一步发展。其中高固 4]Selvaraj M.Stainless steel powder as a protective and decora— 体份涂料因其可挥发成份少、固化速度快、施工性能 tive pigment for steel stnmtures in organic coating industries. 好必将成为发展的趋势。另外,环氧树脂涂料、聚氨 Anti—Cohesion Methods and Materials,1997,44(1):13. 脂涂料由于具有较高的机械强度和粘接力、加工改 『5]Mathivanan L,Radhakrishna S.Heat—resistant anti—COITO— 性易等特点,其防腐性能、应用范围也会进一步得到 sire paint from epoxy—silicone vehicles.Anti—Corrosion Methods and Materials,l997,44(6):400. 提高和扩大。 [6]Dhanalakshmi M,et a1.Coatings for underwater nad wet sur— [参考文献] face application.Anti—Corrosion Methods and Materials, 1997,44(6):393. [1]肖纪美.腐蚀总论——材料的腐蚀及其控制方法[M]. [7]田军,周兆福,薛群基.聚氨酯/聚四氟乙烯耐磨防腐涂 北京:化学工业出版社,1994. 层表面结构的研究[J].腐蚀科学与防护技术,1997,9 2 王永厚.实用涂料防腐手册.北京:冶金工业出版社,1994. 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