1/1柴油機NOx排放控制技術(shù)柴油機NOx排放控制技術(shù)

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柴油機自1892年問世以來，憑借其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性等優(yōu)點在各種動力裝置、船舶和車輛上得到日益廣泛的應(yīng)用。歐洲和日本在70年代就基本實現(xiàn)了載貨汽車和大型客車的柴油機化。從80年代后期開始，轎車上也越來越多的應(yīng)用柴油機，例如目前德國生產(chǎn)的1.4L-2.0L排量的小轎車中，柴油機轎車占61%，而法國轎車柴油機的比例高達88%。從世界范圍來看，汽車柴油化已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。柴油機與同等功率的汽油機相比，微粒和NOX是排放中兩種最主要的污染物。目前，世界各國都在致力于減少柴油機顆粒排放的技術(shù)研究，并且已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展。由于柴油機排氣微粒與NOX的生成機理不同，因此減少微粒的同時又增加了NOX的排放，同時微粒的減少又使得催化劑中毒得以有效的扼制，從而使采用機外催化技術(shù)凈化NOX成為可能。今后研究的重點應(yīng)轉(zhuǎn)向使柴油機排放的微粒與NOX同時減少。

2柴油機NOX排放的危害和生成機理

2.1柴油機NOX排放的危害

柴油機排出的NOX中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無色無味、毒性不大，但高濃度時能導(dǎo)致神經(jīng)中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(毒性大約是NO的5倍)的紅棕色氣體，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴(yán)重時能引起肺氣腫。當(dāng)濃度高達100×10-6體積濃度以上時，會隨時導(dǎo)致生命危險。

NOX和HC在太陽光作用下會生成光化學(xué)煙霧，NOX還會增加周圍臭氧的濃度，而臭氧則會破壞植物的生長。此外，NOX還對各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。

基于上述原因，柴油機排放物中的NOX對環(huán)境的嚴(yán)重污染引起了世界范圍的普遍關(guān)注，因此各國限制其排放的法規(guī)亦越來越嚴(yán)格，表1是美國、日本、歐洲對重型柴油載貨車NOX排放的有關(guān)規(guī)定。

表1柴油機NOX排放的限值單位：g/kW.h

試驗循環(huán)工況過渡工況日本十三工況歐洲十三工況

采用年份美國日本歐洲

19976.677.75(直噴)6.76(非直噴)7.96

19985.33--

1999-4.48(建議)4.97(建議)

20042.67--

2.2柴油機NOX排放物的生成機理

迄今為止人們已經(jīng)對NOX的生成機理進行了大量的研究，但尚未達成共識。比較容易接受的是策爾多維奇機理。該機理認(rèn)為：柴油機排放中的NO并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應(yīng)，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續(xù)高溫而形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反應(yīng)式如下：

柴油機燃燒過程中噴射各區(qū)均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時間（即高溫下所占燃燒循環(huán)的時間量）等因素有關(guān)。

從理論上講，柴油機NOX排放的形成是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。

3柴油機控制NOX排放的主要凈化措施

排放物中NOX的凈化有兩種途徑：機內(nèi)凈化和機外凈化。

3.1機內(nèi)凈化措施

采取機內(nèi)凈化是治本之舉。它是通過改進柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來改善燃燒性能，進而達到減少NOX排放的目的。

3.1.1進氣系統(tǒng)的優(yōu)化

對進氣系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，主要目的是在提高充氣效率的同時，合理組織進氣渦流，以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少NOX的生成。

(1)進氣渦流的優(yōu)化

提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結(jié)果可導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOX的排放明顯增加；若減少進氣渦流的強度雖可減少NOX的排放，但又勢必會犧牲柴油機的動力性和經(jīng)濟性。因此，可采用可變渦流進氣道技術(shù)使渦流比在0.2-2.5范圍內(nèi)變化，以兼顧柴油機在整個工況范圍內(nèi)各個方面的性能。但采用可變渦流進氣道技術(shù)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高的問題，因而限制了該技術(shù)的推廣。

(2)增壓中冷技術(shù)

柴油機采用進氣增壓技術(shù)后，由于壓縮溫度升高，在動力性與經(jīng)濟性提高的同時，NOX的排量也必然增加。但增壓柴油機在采用中冷技術(shù)以后，增壓空氣在進入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增壓中冷技術(shù)可使柴油機NOX的排放降低。目前，柴油機增壓中冷技術(shù)在中型柴油機上應(yīng)用日益廣泛，小型柴油機上也逐漸在采用。一些新研制的轎車柴油機上也開始采用。

3.1.2噴油系統(tǒng)的優(yōu)化

噴油系統(tǒng)的優(yōu)化就是使燃油噴射參數(shù)最佳化。這些參數(shù)包括噴油定時、噴油壓力、噴油速度和噴孔結(jié)構(gòu)等。通過參數(shù)的優(yōu)化來抑制預(yù)混合燃燒，即減少在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量是降低NOX排放的有效途徑，分別敘述如下。

(1)優(yōu)化噴油定時

NOX排放對噴油定時極為敏感。延遲噴油可降低NOX排放，但必須合理調(diào)整燃燒系統(tǒng)及噴油系統(tǒng)的其他參數(shù)以減少油耗、煙度和微粒排放方面的損失。為減少延遲噴油對經(jīng)濟性的不利影響，可采用較高的壓縮比和較高的噴油壓力。采用電控技術(shù)和根據(jù)運行工況調(diào)節(jié)噴油始點，可降低NOX的排放。

(2)優(yōu)化噴油壓力

提高噴油壓力可有效地改善燃料的霧化性能，使混合氣的混合質(zhì)量得以改善，燃燒更加充分，燃燒溫度上升，NOX排放增加。因為提高噴油壓力能改善燃燒過程，故可以補償由于延遲噴油造成的油耗上升，但這又使延遲噴油以降低NOX排放的目的落空。為減少NOX排放應(yīng)該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會使微粒排放增加。

(3)優(yōu)化噴油速度

當(dāng)噴油提前角一定時，提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)期，可以使柴油機產(chǎn)生的NOX較少。提高噴油速度與延遲噴油相結(jié)合亦可減少NOX的排放。另外，噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關(guān)，應(yīng)綜合權(quán)衡以謀求各參數(shù)的最佳值。

(4)優(yōu)化噴孔結(jié)構(gòu)

噴油器噴孔直徑和數(shù)目對柴油機排放也有明顯的影響。當(dāng)循環(huán)供油量與啟噴壓力一定時，減少孔徑會減少初期噴油量，抑制預(yù)混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOX的生成。當(dāng)噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數(shù)，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOX的排放。

3.1.3燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化

(1)優(yōu)化壓縮比

柴油機壓縮比控制著著火延遲期的長短。降低壓縮比，有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可使燃燒最高溫度降低，NOX排放減少，碳煙增加。但壓縮比過低，柴油機難于著火。壓縮比對NOX的影響較為復(fù)雜，選取壓縮比時應(yīng)綜合考慮。

(2)燃燒室型式的優(yōu)化

燃燒室型式與NOX的排放有著密切關(guān)系。直噴式柴油機NOX排放明顯高于非直噴式柴油機，這是因為非直噴式柴油機前期的燃燒發(fā)生在混合氣過濃的預(yù)燃室或渦流室里，由于缺氧NOX的生成受到了抑制，又因在主燃燒室中的燃燒開始較晚，且是在較低溫度下進行的。對于同一類型但結(jié)構(gòu)不完全相同的燃燒室，其NOX的排量也有差異。例如在直噴式柴油機中，渦流最強的球型燃燒室最高，淺盆型燃燒室最低。

3.1.4燃燒室噴水冷卻技術(shù)

水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術(shù)在降低NOX排放的同時，還有利于改善燃油經(jīng)濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。噴水冷卻有如下形式：進氣管噴水；用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室；通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室；在噴嘴的兩個燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。但如何控制噴水的時機、數(shù)量和噴嘴的腐蝕等問題還有待于進一步研究。

3.1.5燃料的改進

(1)提高柴油機十六烷值

十六烷值在柴油機燃料參數(shù)中對NOX排放影響最大。十六烷值較高時，由于其穩(wěn)定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較高，但其發(fā)火性能好，柴油機點火延遲期縮短，缸內(nèi)溫度與壓力降低，NOX排放亦降低。當(dāng)十六烷值從40提高到50時，NOX排放可降低10%左右［19］。

(2)使用柴油添加劑

在柴油中添加適量的硝酸鹽、亞硝酸鹽和各種過氧化物，可以提高燃料的十六烷值，縮短著火延遲期，使得NOX排放減少。但使用添加劑會導(dǎo)致二次污染。

(3)使用代用燃料

可以采用醇類、氫氣和天然氣等代替柴油。柴油機燃用醇類燃料時，基本可以實現(xiàn)無煙排放，在中、低負(fù)荷時NOX的排量也很低。近年來可以作為內(nèi)燃機代用的醇類燃料很多，其中甲醇是目前應(yīng)用最廣的內(nèi)燃機代用燃料。但如果不采用適當(dāng)措施，柴油機排放的HC、甲醛將成為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機代用燃料時，NOX和其它污染物的排放都很低。將來太陽能利用及氫的存儲技術(shù)解決之后，氫將成為柴油機的主要燃料，但缺點是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉(zhuǎn)化效率在40%-65%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油。燃料電池的工作溫度低于1000℃，此時基本不產(chǎn)生NOX，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應(yīng)用在技術(shù)上已不存在重大問題，唯一的障礙在于成本太高。燃用壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)，NOX和微粒排放可同時減少75%-80%。二甲基乙醚作為最新出現(xiàn)的液體燃料，其燃燒后無微粒產(chǎn)生且NOX的排放亦很低。

3.1.6采用多氣門技術(shù)

在柴油機上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴(yán)格排放指標(biāo)的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優(yōu)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化，這使混和氣的形成進一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了NOX排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在燃用汽油的大、中、小型轎車上，多氣門技術(shù)已經(jīng)作為成熟技術(shù)得到了應(yīng)用。在柴油機上應(yīng)用多氣門技術(shù)是國際學(xué)術(shù)界研究熱點之一，國外內(nèi)燃機的氣門最多時已達到5個，目前已在大型柴油機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，逐漸開始在小型柴油機上應(yīng)用，國內(nèi)在這方面的研究尚未成熟。

3.1.7采用廢氣再循環(huán)技術(shù)

采用廢氣再循環(huán)(EGR)是降低NOX排放的一項極為有效的措施，目前只是在汽油機上得到了較為成熟的應(yīng)用。EGR在所有負(fù)荷條件下都可以有效減少NOX排放。將定量廢氣引入柴油機進氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點火延遲，增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的熱容量以及CO2、H2O、N2等惰性氣體的對氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少NOX的生成。大約60%-70%的NOX是在高負(fù)荷時產(chǎn)生的，此時采用合適的廢氣再循環(huán)率對于減少NOX是很有效的。廢氣再循環(huán)率為15%時，NOX排放可以減少50%以上，而廢氣再循環(huán)率為25%時，NOX排放可減少80%以上，但隨著廢氣再循環(huán)率的增加，發(fā)動機燃燒速度變慢，燃燒穩(wěn)定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“熱EGR”還可以同時減少HC和PM的排放，并且不會增加油耗，在中、低負(fù)荷時凈化效果更佳。由于EGR氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映EGR量，其響應(yīng)速度較慢，所以廢氣再循環(huán)量應(yīng)通過進氣流量和EGR氣門的升程信號相結(jié)合來反映。

3.2機外凈化措施

由于機內(nèi)控制排放并不能完全起到凈化效果，因此對已排出燃燒室但尚未排到大氣中的廢氣進行處理，采取機外控制技術(shù)顯得很有必要。

NOX的機外凈化主要是采用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。由于柴油機的富氧燃燒使得廢氣中含氧量較高，這使得利用還原反應(yīng)進行催化轉(zhuǎn)化比汽油機困難。例如在汽油機上使用三元催化轉(zhuǎn)化器，其有效凈化條件是過量空氣系數(shù)大約為1。若空氣過量時，作為NOX還原劑的CO、H2和HC便首先與氧反應(yīng)；空氣不足時，CO、HC不能被氧化。顯然，用三元催化轉(zhuǎn)換器降低NOX的技術(shù)在柴油機上是不適用的。

3.2.1采用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)

從理論上講，可以將NOX分解為N2與O2，但實際上這個過程相當(dāng)慢，到目前為止，該方法尚未得到實際應(yīng)用。因NOX的氧化產(chǎn)物為固態(tài)，這對車用柴油機不適合。對于車用柴油機NOX的排放只能采用還原方法除去。

(1)選擇非催化還原(SNCR)

SNCR技術(shù)只能在一定的溫度區(qū)間(800℃-1000℃)使用。而柴油機排氣不可能達到這樣高的溫度，只能通過在柴油機膨脹過程中，向氣缸中噴入氨水來實現(xiàn)，但效果不很理想。該技術(shù)只是在發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用，在車用柴油機上尚未應(yīng)用。

(2)非選擇催化還原(NSCR)

NSCR技術(shù)是將還原劑(如氨氣、尿素、HC)噴入排氣管中，在催化轉(zhuǎn)換器的作用下與廢氣中的NOX進行反應(yīng)。由于廢氣中含氧量較高，還原劑很容易直接被氧化，故消耗量極大。

(3)選擇催化還原(SCR)

SCR(SelectiveCatalyticReduction)的原理與NSCR相似，也是將NH3加入到高溫廢氣中與NOX發(fā)生反應(yīng)生成N2和H2O，只是催化劑配方不同。在車用柴油機上該技術(shù)比前兩種更具有應(yīng)用價值。NOX的還原反應(yīng)在選擇性催化轉(zhuǎn)化器