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重型柴油机的排放控制技术
摘要
随着排放法规的日益严格,传统的柴油机技术已经无法满足要求。因此,各种新的技
术被开发出来。本文立足于国内外的研究现状,从新的燃烧方式、对燃料的选择、改善缸
内混合气的燃烧和对排气进行后处理几个角度出发,对当前大功率柴油机的排放控制技术
进行分析和总结。从而提出满足欧5或欧6排放标准的的技术途径。
1柴油机低温燃烧方式
低温燃烧技术(LTC)是能够有效减少柴油机内有害排放物的重要技术途径之一。低温
燃烧技术可以同时降低NOx和碳烟排放。研究表明,在低当量比情况下,如果局部燃烧温
度在2200K以上,NOx会大量生成;在当量比较高的情况下,为避开碳烟的主要生成
区域,最高燃烧温度则需要进一步降低。如果燃烧温度可以保持在低于1650K的水平,无
论当量比如何,燃烧都可以完全避开NOx和碳烟的主要生成区域[1],这种燃烧模式便是
低温燃烧。与传统直喷式柴油机的燃烧相比,低温燃烧模式通常增加燃烧前的油气混合,
或者采用大量的排气再循环(EGR)。由空气或EGR稀释后的混合气使燃烧温度降低,从而
减少NOx的生成。均质混合气的形成减少局部过浓的区域,从而减少碳烟的生成。同
时,稀薄的混合气也有利于抑制碳烟的生成。均质压燃(HCCI)技术是最主要的低温燃烧
技术之一。
由于柴油机的燃烧特点是非均质燃烧,混合气的形成时间很短,而且是一边混合一边
燃烧。这就使得气缸内各个区域的过量空气系数差别很大,有的地方是富氧燃烧,有的区
域是缺氧燃烧。造成柴油机的NOx和CO排放量都很高。而汽油机是预混燃烧方式,即
在燃烧前已经是均质混合气,所以汽油机只要严格控制空燃比就可以控制NOx,CH和CO
的量,再用三效催化转化器,就可以把排放控制在要求的范围之内。为改善柴油机的缸
内燃烧,参考汽油机的混合气形成方式,也可以想办法在柴油机上实现均质混合气压燃的
技术,于是引入HCCI的概念。
HCCI(Homogeneouschargecompressionignition)即均质压燃技术。在柴油机
上实现均质混合气的压燃技术可以有效的减少NOx和soot的排放[2]。控制混合速率、自
然着火速率和燃烧速率是柴油燃料HCCI燃烧过程的三个关键问题。以柴油为燃料的HCCI
燃烧技术可以根据混合气的形成方式分成三类:
1.1缸外预混HCCI
柴油被喷入进气管和空气进行混合的方式,与传统的气口喷射汽油机类似,是形成预
混合气最直接的方法,也是最容易实现的方法。缸外柴油预混合方案,对柴油预混合过程
和自燃着火过程都很难直接控制,是缸外预混HCCI的最大技术障碍。
1.2缸内早喷HCCI
即在压缩冲程早期,柴油被喷如气缸,随活塞上行逐步与空气混合,直至发生自燃着
火。缸内压缩冲程早期直喷柴油,是目前最普遍采用的柴油燃料HCCI预混合气形成方式。
与缸外预混柴油HCCI相比,早喷柴油HCCI具有很多优点。首先,压缩冲程气缸内的温
度和压力,高于进气门开启使进气管内的温度和压力,因此有助于燃油的雾化和混合。压
缩冲程早喷,降低对进气温度的要求,从而减少混合气早燃的倾向。其次,理论上,采
早喷方案可以实现一套喷油系统满足HCCI和传统直喷柴油两种燃烧方式。此外,缸内早
喷柴油HCCI还面临一些困难,其中最主要的就是在形成均质混合气的前提下,燃烧始点
很难控制。
1.3缸内晚喷HCCI
即在压缩上止点后开始喷油,并结合提高喷油压力和进气涡流,以及高的EGR率,提
高柴油与空气的混合速率,延长滞燃期,以保证在滞燃期内完成喷射形成混合气。
2燃料对排放的影响
燃料的组成和性质对控制柴油机中的排放物特别是NOx和M的排放具有重要影响。
2.1燃油品质对排放的影响
燃油品质对于排放的降低具有重要的贡献。燃料中的硫对M排放是不利的,其原因
除因燃烧过程中能生成硫酸盐的固体颗粒以外,还因燃烧产物氧化疏能促使碳烟的生成。
研究表明,含硫量每提高0.1%,M排放就增加0.034g/(kW.h}。同时生成的硫酸盐
固体颗粒对SOF(可溶有机物)有较强吸附能力
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