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柴油机大客车排放的机外净化技术

2013-2-16 19:51:21 来源:商车天下 编辑:商车天下 有话要说
   内燃机的发明和应用至今已有一百多年历史,而柴油发动机在高、中档大客车的动力源上的应用却一直占有绝对优势,这主要是取决于柴油发动机具有:压缩比大,输出扭矩大,输出功率大,动力性强和使用时省油(比汽油发动机省油30%左右),以及实用性好的特性。但主要技术难度要解决柴油机大客车排放气体达到国家和国际的柴油机大客车的排放规定的标准,按照规定,在2009年以后,我国柴油机大客车必须达到国Ⅳ标准(相当于欧Ⅳ标准),力争向国Ⅴ标准(相当于欧Ⅴ标准)靠拢。对于柴油机大客车要达到和高于国Ⅳ标准(数据详见表1,稳态和瞬态测试循环时进行)必须采用有关净化技术措施来进行保证。 

而这些净化技术主要内容见表2。

    要根本解决柴油机大客车的排放污染问题,不仅仅要依靠发动机的机内净化技术,而且关键要结合采用发动机排气管内的机后的净化技术。柴油机大客车的排气污染成分主要有:微粒、HC和CO以及NOx,目前柴油机大客车的机外净化技术的装置主要是为了减少上述柴油机大客车排放污染的四项有害气体,要综合解决这些技术问题,可以采用的如下具体的结构来完成。

    一、微粒捕集器和再生微粒捕集器

     微粒捕集器和再生微粒捕集器也称为柴油气微粒过滤器DPF(Diesel Particulate Filten)。微粒捕集器是纯用过滤微粒(PM)的方法,收集排污微粒。而进行第二次燃烧后过滤收集排污的方法该装置称为再生微粒捕集器。微粒捕集器主要功能是将已经通过柴油机的机内净化技术,把留下的排放目在0.07~0.2μm之间的细微粒的90%的浓度进行滤收集排污,其减少微粒的效果在90%以上,微粒捕集器,经过一段时间使用后必须更换。微粒捕集器的具体结构材料和特性见图1和表3。

    由于一般微粒捕集器只是用单纯过滤的物理手段降低微粒的方法,而过滤下来的微粒积累过多就会造成发动机排气背压增加,使发动机动力性和经济性变差,因此必须及时清除微粒捕集器中的微粒,使微粒捕集器继续工作。因此这种类型的捕集器寿命和效果较差,为了解决这问题通过加热和燃烧的方法,去除微粒捕集器中的微粒,称为再生微粒捕集器,并通过断续加热再生和连续催化再生的方法清除通过捕集微粒。具有较好效果。

    再生微粒捕集器一般微粒消除的方法,是用氧化的方法,而氧化需要温度,氧化时间和冷却时间。一般燃烧温度控制在700℃左右,(一般柴油机排气温度小于500℃)氧化要经历2min,因此加热再燃烧需要更复杂的控制系统。能够取得一定的效果。其原理和应用情况见表4。

    二、氧化催化转化器

    氧化催化转化器又称为氧催化器,主要是要降低排放污染的碳烟中的CO和HC成分含量,并以转化成二氧化碳和水的方式输出。这装置有催化载体和催化涂层(PT铂,RH铑,Pd钯,Ce铈,Ba钡,La镧和稀土等)组成。载体又分陶装载体和金属网载体两大类,安装在排气管内,最常用氧化催化剂工作原理,氧化催化转化器DOC化学反应式是 :

    2CO+O2=2CO2

    4HC+5O2=4CO2+2H2O

    一般情况氧化催化转化器载体可以是独立装置组合。也可以公用微粒捕集器载体,效果分开式会好一些,但共用载体会降低成本,各有利弊。对于氧化柴油机排放中微颗(PM)中的可溶性有机成分(SOF)中的碳烟由CO、HC及硫酸盐颗粒组成,这些可溶性有机成分(SOF)一般占柴油机排放的PM30%~50%,而氧化催化转化器可以有效清除这PM中90%左右的HC、CO成分,并以转化成CO2和水的方式输出,使柴油机排放PM中的HC、CO有害成分降低,具体排放净化情况可根据氧化催化转化器技术情况而定。

    三、NOx还原催化转化器

    柴油机大客车的机外排污净化技术,要比汽油机的机外净化技术复杂,尤其是要达到国Ⅳ(即欧Ⅳ)以的排放标准,困难重重,主要原因就是柴油机大客车排放中,妨碍NOx还原反应进行的氧化量,柴油机是汽油机的30倍左右。而作为还原反应不可缺少的还原剂,柴油机是汽油机1/10。加上柴油机NOx还原条件恶劣,就是指对催化剂的要求高,排温明显低于汽油机,柴油机排气中含有硫,容易导致催化剂中毒,使进行NOx还原催化变得十分复杂和难度十分高,这是必须攻克一项关键的技术工作。国4标准对氮氧化物和颗粒物提出了更高的要求,从国Ⅲ到国Ⅳ,颗粒物排放限值从0.1g/kWh降低到0.02g/kWh,NOx排放限值从5g/kWh降低到3.5g/kWh。而国Ⅳ和国Ⅴ的颗粒物排放标准是一样的,但是NOx从3.5g/kWh降低到2.0g/kWh。在国Ⅲ的基础上仅仅对发动机内部参数进行优化虽然可以继续降低排放,但是不足以满足国v1/国Ⅴ标准,需要通过机外净化的二种手段,其中如下之一进行解决:

    1) 选择催化还原法(SCR)

    SCR还原时的催化剂一般采用V2O5-TiO2、Ag-Al2O3以及Cu-Zeolite(沸石)等不同系列。还原即可用各种氨类物质(氨气NH3、氨水NH4OH、尿素(NH2)2CO)和各种HC。HC可以通过调整柴油机燃烧控制参数或喷入柴油或醇类燃料的方法取得。

    在SCR催化器上,NOx与NH3之间有3种主要关系:

    4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O       (a)
    4NH3+2NO+2NO2=4N2+6H2O       (b)
    8NH3+6NO2=7N2+12H2O         (C)

    2) 非催化剂还原(SNCR)

    SNCR一般采用NH3为还原剂,与NOx反应后,产生氮气和水,这种方法的优点省去了昂贵的催化剂。在有催化剂的条件下,NH3和NOx反应的工作温度为200~400摄氏度,反应式为:4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O,值得注意的是,O2在这一反应中是不可缺少的存在,比起在化学计量比工作的汽油机来说,这种催化反应更适合与富氧工作的柴油机。

     NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

     在无催化条件下,如图3。可以看出,净化效果只出现在1100~1400K内,这是由于反应实际是NH2和NO之间进行的,只有在这个温度区间,NH3才能产生大量NH2,温度低时,NH2产生量不够,而温度高时,由NH3则生成为NO,这是图中温度大于1400K时NO反而增加的原因。

    用模拟计算方法考察了NH3溶液的最佳喷射时间,气缸内燃气温度(虚线)随活塞下行而下降,约在上止点后60℃A时下降至1400K,如在这时喷入NH3,NOx的浓度急剧下降,过早或过晚的效果都不理想。尽管随着转速的不同,最佳喷射时间略有不同,但在上止点附近取得了最好的NO化物净化效果,最高准化率达到60%以上,如果在排气系统中加入催化剂,不但可以进一步还原剩余NOx,还可以避免缸中剩余NH3排出。

    这种方法多了一套喷射系统,而且控制系统复杂,制造成本高,实用性不大好,较少的使用。

    柴油机大客车是世界上客运主要公共交通工具。虽然柴油机大客车数量仅占汽车数量的5%左右, 但是它的公路客运量却占70%左右,而柴油机大客车所排放PM,CO,HC和NOx被认为是有害有毒气体,为了保护人民的身体健康和保护地球的环境,目前我们只能在柴油机大客车排放的机外净化技术上,不断下大工夫,这是十分必要的战略行动,这样我们才能保持为人类可持续性发展做贡献。