柴油机废气排放控制技术新进展.pdf

第5期
内燃机
2012年10月
Internal Combustion Engines
Oct.2012
柴油机废气排放控制技术新进展
唐大学
(湖南交通职业技术学院,潮南长沙410132)
摘要:首先论述了柴油机的主要排放污染物,概述了目前公认的排放物生成机理。在此基础上,分析了控制柴油机排放的
机内和机外浄化措施,特别是采用电控技术优化燃烧过程、用还原法降低NOx的SCR法、用微粒过滤器降低PM。最后,
展望了柴油机废气排放控制技术的发展趋势,并讨论了在我国为降低柴油机排放所采取的技术路线。
关键词:柴油机;排放控制技术;选择性还原法;微粒过滤器;进展
中图分类号:TK421
文献标识码:A
文章编号:1000-6494(2012)05-001-04
Progress of Diesel Engine Exhaust Emission Control
TANG Daxue
Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132, China
Abstract: The main pollutant of diesel engine exhaust is introduced, and its formation mechanism is also presented. On the base, the
ways of reducing emission, including in-engine combustion process and in-engine exhaust, especially about electronically control
technical, Selective Catalytic Reduction Method (SCR), Diesel Particulate Filter(PDF), are indicated. At last, the prospect for
diesel engine emission control way is showed, and it was discussed that diesel engine emission control way is applied in China
Key words: diesel engine; emission control; SCR; PDF; progress
0前言
到无穷大,因此,柴油机的废气有害排放物主要是
由于柴油机具有宽广的功率范围,高的扭矩CO,NOx,PM,而CO,HC较小。
输出和低的燃油消耗率,以及采用先进的废气排放1.1CO2排放
控制技术,使其得到了广泛的应用。在重型动力装
CO2气体是近十年来在内燃机中开始进行控制
置中,柴油机占绝对统治地位;而在汽油机传统的的(以前主要控制工厂的CO排放),它是一种
应用范围,如小轿车等轻型车辆中,柴油机的应用温室气体,过多导致全球气温升高。石油燃料完全
也越来越广。特别是在欧洲,由于柴油的补贴政燃烧的最终产物是CO2和HO,因此,降低柴油机
策、先进的电控喷射技术、严格的废气排放法规和的CO2排放就是要降低燃油消耗,也就是说以少
先进的控制技术以及人们的环保意识,已有45%的CO2排放获得较大的功率输出。
的轿车采用柴油机作为动力。我们主要论述了柴油1.2NOx排放
机废气排放控制技术方面的新进展。
柴油机废气中的NO、是NO,NO),NO,NO),
NO,N2O2,NO2的总称,其中,主要是NO,NO2,其
1柴油机的有害排放物生成机理
他成分可以忽略,而NO占90%,NO2占10%,因此,
与汽油机相比,柴油机的燃烧方式主要是扩柴油机中的NO排放主要指NO的排放。
散燃烧,过量空气系数大,空气充足,燃烧速率主
柴油机中NO的来源有两个,一是大气中的氮
要受可燃混合气形成速率的控制,混合比从零变化转化而来,一是燃料中的氮转化而来。由于柴油中
氮的含量很低(质量百分比不到0.2%),对NO
作者简介:唐大学(1966-),男,湖南衡阳人,教的贡献可以忽略不计。燃烧过程空气中NO的生成
授,高级工程师,博士生,主要研究方向为内燃机结构
来自火焰中“瞬发”形成和焰后区形成的NO,而
性能和排放控制技术
收稿日期:2012-04-11
火焰中“瞬发”形成的NO量很少,主要是焰后区
万方数据
内燃机
2012年10月
形成的NO。目前,公认的焰后区形成的NO是
表1柴油机废气中PM的组成
1946年原苏联学者 Zeldovich提出的NO生成机序号成分
英文名称
所占百分比
理,他认为高温分解所产生的氧原子引发了NO生
碳烟
Soot
50%
成的连锁反应。
半燃油颗粒Half- combusted Fi
与可溶性
40%
O+N, =NO+N
有机成分
Organic Fraction
N+0,=NO+0
3硫酸盐与其他
Sulfates
10%
N+OH=NO+I
其中,式(1)反应的活化能最高,E=
柴油分子+空气分子
不完全燃烧
315932J/mol,它是控制NO生成速率的关键反应。
孔先兆物分子
裂解}数
根据 Zeldovich的NO生成机理,影响焰后区的NO
成核
生成的主要因素是焰后区的温度、氧原子浓度和反
烟核心1算
应时间,前两个因素决定了式(2)的反应速率,
表面增长。05m
微
1凝聚
后一个因素决定了整个链反应的有效时间。也就是
基本碳燜粒子
表面增长
说,NO的生成条件是高温、富氧以及反应时间。
凝聚集聚
链状微粒
1.3PM排放
吸附未燃膨胀与
PM( Particulate Maller)是柴油机排放的微粒
HC,集聚排气冲程
排气中的徽粒
物的总称。柴油机废气中的PM主要有碳、碳氢化
合物、硫酸盐、含金属元素的灰分等组成。含金属
图1碳烟形成历程
元素的灰分来源于各种添加剂和运动件摩擦产生的
由于环境污染日益严重以及对能源危机的担
磨屑,硫酸盐主要由柴油中硫分转变而成。柴油机
忧,世界各国制订了日益严格的柴油机废气排放法
废气中的PM主要是以碳为主要成分的固体颗粒,
规,深受汽车尾气污染的美国加州和环保意识很强
它们是燃烧不完全产物,以碳为主要成分的固体颗
的欧洲是世界上排放法规最严格的地方。一方面是
粒常称为碳粒子。其中,气相燃烧过程产生的碳粒
子一般称作碳烟,而液相燃料热裂解生成的碳粒子
有害物的排放限值越来越低,另一方面是限制的排
放物种类越来越多。图2、图3、图4是欧洲对柴
般称作煤焦或煤胞,显然,柴油机中燃烧是气相
油机有害物(CO2,NOx,PM)排放限值的变化。
反应的结果。柴油机废气中的PM组成见表1。
般认为,碳烟粒子最终取决于其生成量与
严格的排放法规是柴油机排放控制技术进步的动
力,促使各柴油机制造公司不断研制新的废气排放
氧化量之差,碳烟的形成过程(见图1)经历成
核、表面增长和凝聚、积聚几个