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1、柴油机NOX排放控制与废气再循环技术天津大学何邦全姚春德刘增勇李万众(天津33000772)摘要本文文从柴油机机废气再循循环的角度度分析了降降低柴油机机NOX排排放的原理理、实施方方案、存在的的问题及其其解决方法法。可以相相信,随着着废气再循循环技术和和发动机相相关技术的的发展,柴油油机NOXX和颗粒排排放物将会会进一步降降低。关键词废废气再循环环排放物物Reducctionn of NOXffrom Diessel EEnginnes wwith EGRTianjjin UUniveersittyHee BanngquaanYaao ChhundeeLiuu ZenngyonngLii Wa
2、nngzhoong(Tiannjin3000072)AbstrractIn tthis papeer,thhe thheoryy,appplicaationn prooblemms annd thheir soluutionns arre reeviewwed.IIt isscertaain tthatwwith the deveelopmment of eexhauust ggas rre-ciircullatioon annd itts reelevaant ttechnnologgies ap-pliedd to diessel eenginnes,tthe NNOXannd PMMem
3、isssionns frromdiiesell engginesswilll be furtther reduuced.Key wwordssExhhaustt gass re-circculattion,Emisssionns1前言为了改善空空气质量,各国开始始制定自己己的排放法规规。表1就就是美国、欧欧共体制定定出的未来轻型型柴油车严严格的排放放法规。单位:(gg/mille)美国年份NNOXCOO NMHHC或NMMOG PPM联邦1现在在04 34 025 0008联邦2 22004 02 17 0125 008欧20000 05 064 0056 0005欧20005 025 005
4、 030 00025由此可可见,减少少柴油机的的有害排放放物,特别是NOXX的措施已已成为柴油油机满足各各种新法规的必要要手段。2废气再再循环技术术与汽油机相相比,柴油油机由于其其进气流动动损失小,燃燃油消耗率率低,而且且在低当量量比下工作时CO和和HC排放放低这些优优点,所以以使柴油机成为很有有吸引力的的动力。柴柴油机的废废气主要由N2、CCO2、HH2O和OO2组成,然而传统统的柴油机有相当当高的NOOX和颗粒粒排放物,大多数降低NOXX排放物的的措施往往往又致使HHC和颗粒排放增加加。如推迟迟喷油提前前角可使压压力升高率dp/d下降,最最高燃烧温温度下降,NOX减少,但参参与扩散燃燃烧的
5、燃料料增加,颗颗粒排放增加,而且且还使发动动机热效率率降低,燃燃油经济性下降。图图1给出了了喷油提前前角与燃油油经济性和排放之之间的关系系。图1喷油油提前角与与燃油消耗耗和排放之之间的关系系图2给出了了发动机燃燃烧放热率率随排放法法规变化的趋趋势图。由由此可见,仅用推迟迟喷油提前角来改改善排放是是有限的。通通常小于55g/hp.h的的NOX排排放水平的的柴油机采采用推迟喷喷油提前角来来改善NOOX差不多多已经达到到了极限。为了保保证发动机机的燃烧热热效率,进进一步推迟喷油提提前角必然然要使用更更高的喷油油压力,这又会会对发动机机材料的强强度提出更更高的要求,同时时喷油压力力的提高又又将增加驱驱
6、动油泵的功率损损失,燃油油系统的成成本也将增增加,一般还会导致致发动机NNOX排放放升高。因因此有必要探索一一条更有效效的降低NNOX排放放的技术。废气再再循环(EEGR)技技术一直被被认为是一一种降低汽油油机NOXX排放的有有效措施。图图3给出了汽油油机和柴油油机的热容容量和A/F随EGR率变变化的趋势势。可以看看出,由于于汽油机气缸中的进进气总量随随着EGRR率的增加加而增加,因此混混合气的比比热也随之之增加。当当柴油机采用EGGR时由于于其进气总总量不会变变化,所以废气的加加入,使AA/F比减减小,比热热增加较小,因此,汽油机气气缸中的气气体温度会会随着EGR的增增加而减小小,柴油机机中
7、气体的的温度减小较少,但但氧气浓度度随EGRR率的增加加而迅速减小,因而而使得单位位质量混合合气的放热热量成比例地减小小,降低了了燃烧的最最高温度,从而使NOX排放放减少。柴柴油机在采采用废气再再循环时,由于废废气的加入入,使得发发动机气缸缸中混合气的形成、燃燃烧和排放放发生了变变化,因而而对发动机的性能能产生了各各种影响。图2放热热率趋势21废废气再循环环对柴油机机性能的影影响(1)通常常情况下,高温的再再循环废气气导致发动机的进进气温度增增加,致使使压缩行程程通过气缸壁传出出的热量增增加,最高高燃烧压力力降低。(2)由于于再循环废废气的影响响,气缸中中气体的氧浓度下下降。这是是由两个因因素
8、引起的的:一方面是再循循环废气比比新鲜空气气的氧气含含量低;另一方方面是使用用EGR时时进气道和和气缸壁的温度升高高导致进气气充量下降降。图4给给出了在大众可视视化四缸119L直喷喷式柴油机机上测得的O2浓浓度和COO2浓度随随EGR的的变化趋势。由此可可见,当EEGR率由由0增加到到50%时,O2的的浓度从221%下降降至约144%,与此此同时CO2的的浓度从00上升到约约5%。(3)EGGR对着火火延迟期的的影响表现现在:进气平均温度度提高,缩缩短了着火火延迟期,但CO22和N2的稀稀释作用又又使着火延延迟期延长长,总的趋势是着火火延迟期延延长。(4)燃烧烧室中的再再循环废气气改变了着着火
9、延迟期内混混合气的形形成和燃烧烧,使燃烧烧期间的气体温度度下降,最最大放热率率减小,燃燃油消耗率增加,HHC排放和和颗粒排放放物增加,发动机2320000年(第第29卷)第1期柴柴油机NOOX排放控控制与废气气再循环技技术的活塞环、气气缸套等部部件的磨损损加剧。对对柴油机废气中中颗粒成分分进行分析析的结果表表明:颗粒排放物物主要由润润滑油、燃燃料中的碳碳氢成分、硫酸盐盐和碳烟组组成。HCC和碳烟与与燃烧过程有关,可可以通过优优化进气系系统、燃烧烧系统和燃油喷射装装置来减少少,也就是是说通过组组织合适的进气涡涡流、提高高喷油压力力和优化喷喷油器设计使燃烧烧室中所有有燃料获得得一个高的的局部A/F
10、比,从而使得得氧气能迅迅速进入油油束以抑制碳烟的形形成。硫酸酸盐主要是是由燃料中中的硫元素在燃烧烧过程中氧氧化而形成成的,所以以为了提高EGRR率,必须须限制燃料料中的含硫硫量。(a)汽油油机(b)柴油机图3热容容量和A/F随EGGR率的变变化趋势图4O22和CO22浓度随EEGR率的的变化趋势势(5)EGR对对碳烟氧化化的影响依依赖于负荷荷。怠速条件下下,A/FF比约为11001,EGGR对其没没有明显影响响,可以用用比高负荷荷时更高的的EGR率(无EGGR时,高高负荷时的的A/F比比约为2551)。但在在低负荷时时随着EGGR率的增增加,碳烟烟氧化率减小小,而提高高EGR率率可以通过过提高
11、进气压力,如如增压,增增加A/FF比实现。大大多数情况下,高高负荷时的的最小A/F比由允允许的冒烟极限决定定。小负荷荷时,EGGR率可由由燃烧稳定性和有害害排放的激激增作为可可能的极限限。因此,为了达达到最小的的NOX排排放,EGGR率必须须达到各缸最最大燃烧波波动和瞬态态响应允许许的最24小型型内燃机No1(Vool29)22000大值。为了最大限限度地利用用EGR对对NOX的的抑制作用,必必须控制颗颗粒的形成成,减少高高负荷下NOX排放放尤为重要要,因为660%的NNOX(按按美国排放试验标标准)和约约70%的的NOX产产物(按欧欧洲排放试验验标准)是是在高负荷荷下形成的的。降低NOXX排
12、放的措措施有:(1)使用用多次喷射射,可同时时降低颗粒粒和NOX排放放。Catterpiillarr34066单缸机上上采用了该该技术,使颗颗粒和NOOX排放分分别降低到到007g/hp.h和和22g/hhp.h。(2)冷却却再循环废废气,降低低进气温度度,减少进气损失失。与使用用冷却EGGR的柴油油机相比,使用未未冷却EGGR的柴油油机有较高高的碳烟、CO、CCO2和HHC排放,在低EGGR率(小小于30%)时时冷却EGGR的柴油油机有较低低的NOXX排放,但在EEGR率大大于30%后,热态态的EGRR有较低的NOOX排放,这是由于于氧气浓度度在两种条件下的相相反作用所所引起的。(3)优化化
13、燃油供油油率曲线形形状,抑制制预混燃烧放热率率,提高扩扩散燃烧率率,这对控控制燃烧噪声和NOOX排放有有利。(4)采用用低含硫燃燃料。当采采用低含硫硫燃料时,催化化剂中毒的的可能性下下降,可以以使用稀薄NOX催催化转换器器。(5)采用用高压共轨轨系统。高高压共轨系系统在发动机低低速工况下下产生较高高的喷油压压力,因而有两个个潜在的好好处:第一一,由于高高的喷射压力有利于于减少颗粒粒,因而可可以提高发发动机最大扭矩的的冒烟极限限。第二,高的喷油油压力有利于使低低速、部分分负荷时的的NOX和和PM排放最小。然然而在看到到低速、部部分负荷时时高压喷射对排放放益处的同同时,必须须要考虑喷喷油泵消耗功的
14、增增加而引起起的燃油消消耗率增加加的负面影响。无无论如何,为了满足足未来小型型高速直喷柴油机机性能的需需要,燃油油喷射系统统应在尽可能低的的发动机转转速下达到到150MMPa的喷喷油压力。22废废气再循环环技术的应应用EGR技术术正在被应应用于柴油油机客车和和小缸径自然然吸气重型型卡车上。当EGR被被用于增压压中冷大型型卡车和公公交车上时,必须保证证发动机的的耐久性和和可靠性,这与废废气再循环环的方式有有很大关系系。图5给出了涡涡轮增压中中冷发动机机实现EGGR的几种可能方案案。方案11是从涡轮轮机前取再再循环废气后经EEGR冷却却器送入压压气机进口口;方案2从涡轮机机出口取再再循环废气气送入
15、压气气机入口。方案33从涡轮机机前取废气气经EGRR冷却器由文丘利利管加入发发动机进气气管;方案案4在再循环回路路中加入了了一个EGGR泵实现现废气再循环。方方案2和44从涡轮机机出口处取取再循环废气送入入到压气机机进口,这这种方法称称为低压方法。在在这种情况况下,由于于合适的EEGR阀容易获得一一个适当的的压力差,因此在发发动机较大的运转转范围内比比较容易实实现EGRR。为了避免吸入入的再循环环废气经过过压气机时时引起空气温度超超过压气机机的设计温温度,因此此对EGR气体体进行了冷冷却。然而而发动机运运行很短的时间后后就会由于于油污沉积积,堵塞流流道而使中冷器的的压力损失失增加。利利用低压方
16、方法虽可在高负荷荷时实现EEGR,但但中冷器堵堵塞影响了发动机的的耐久性。方方案2还利利用进气节节流和增加涡轮轮出口背压压的方式实实现废气再再循环。为了增增加涡轮出出口的压力力,在涡轮轮出口处安装了一一个节流阀阀,改变节节流阀的开开度,就可改变EGGR率。然然而,使用用提高涡轮轮出口背压的高压方方式,虽可可实现高负负荷的EGGR,但是由于涡轮轮膨胀功下下降,故增增压度下降降,而且EGR替代代了部分新新鲜空气,发动机气气缸中的过量空气系系数显著下下降,发动动机的燃烧烧性能将变坏,碳碳烟和燃油油消耗增加加。方案33是从涡轮前端取取再循环废废气的高压压方法,可可以直接将再循环环废气送入入进气管。此此
17、时由于再再循环废气没有有经过压气气机和中冷冷器,不会会发生低压方法中中遇到的问问题,这种种方法已被被用于增压中冷轿轿车柴油机机上,然而而由于涡轮轮增压器和发动机机的特性,进、排气气管的压力力差有时2520000年(第第29卷)第1期柴柴油机NOOX排放控控制与废气气再循环技技术不能提供足足够高的EEGR率。当当它用于大大缸径的重型柴柴油机时,要想获得得所需的压压力差是困难的。为为了实现EEGR,排排气管中的的压力必须高于进进气管中压压力,获得得所需的压压力差,方案3中加加入了一个个文丘利管管以保证高高负荷时所需的压压力差。还还有一种方方式是利用用可变截面的涡轮轮增压器控控制涡轮喷喷嘴的面积积,
18、排气背压得到到控制,从从而可以改改变EGRR率,因而提供了优优化EGRR在高负荷荷时的过量量空气系数的手段段,这样NNOX可被被大大减少少而不会使经济性下下降。1-压气机机2-涡涡轮机33-EGRR冷却器4-节流阀阀5-中中冷器66-EGRR阀7-EGR泵泵8-文丘利利管9-背压阀图5增压压中冷发动动机实现废废气再循环环的几种方方案要实现发动动机的废气气再循环,还必须保保证多缸发动动机各缸获获得均匀的的再循环废废气。图6给出了了ECOTTEC发动动机的EGGR图,当当EGR率达达到30%时,排放放可达欧标准。要要想达到更高高的的排放放标准,还还需进一步步提高EGR率。可可以预想,要使多缸缸发动
19、机达达到这样高的EGGR率,还还会有许多多问题。首首先要解决各缸EGGR分配均均匀性和瞬瞬态响应问问题。例如,用短短进气道供供给发动机机EGR,发动机的瞬态响应应好,但要要使各缸获获得均匀EEGR将更加困难。相相反,用长长的进气歧歧管供给发发动机EGR,则混合均均匀,但瞬瞬态响应变变坏,这是是因为必须把把长进气管管中的EGGR清除后后才可以完全吸入入新鲜空气气。第二是是EGR的的冷却。冷却的EGGR由于降降低了进气气温度,故故可以降低NOX的的排放。然然而采用常常规冷却方方式,发动机的进、排排气系统就就会变得很很大。一种种解决办法是利利用气缸盖盖上的冷却却通道冷却却EGR气体体。ECOOTEC
20、发发动机采用用这种方法法,达到了300%的EGGR率,其其措施指标标分别达到到了CO为0037g/km,HHC+NOOX为071g/km,PM为0039gg/km。这这个系统的的另一优点点是在发动机冷冷机时用EEGR加热热循环水。图6ECCOTECC 2L直直喷柴油机机EGR率率随燃油量量和发动机转转速变化图图3结束语语废气再循环环技术就是是利用再循循环废气降降低发动机进进气的氧气气浓度,从从而减少了了发动机燃烧的最最高温度,达到降低低柴油机NNOX排放物的目的的。尽管采采用废气再再循环时颗颗粒排放物有所增增加,但是是通过采用用低硫燃料料、多次喷射、优化化燃油供油油率曲线、冷冷却再循环环废气和高压共轨轨等手段,可以减少少柴油机的的颗粒排放物。就就我国而言言,柴油机机废气再循循环技术方面的研研究做得还还很少,因因此进行EEGR技术的探索研研究十分有有益。参考文献略略(收稿日期期:19999-077-21)26小型型内燃机No1(Vool29)22000