柴油机NOX排放控制与废气再循环技术.docx

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300072)摘要本文从柴油机废气再循环的角度分析了降低柴油机NOX排放的原理、实施方案、存在的问题及其解决方法。可以相信随着废气再循环技术和发动机相关技术的发展柴油机NOX和颗粒排放物将会进一步降低。关键词废气再循环排放物ReductionofNOXfromDieselEngineswithEGRTianjinUniversityHeBangquanYaoChundeLiuZengyongLiWangzhong(Tianjin300072)AbstractInthispaperthetheoryapplicationproblemsandtheirsolutionsarereviewed.Itiscertainthatwiththedevelopmentofexhaustgasre-circulationanditsrelevanttechnologiesap-pliedtodieselenginestheNOXandPMemissionsfromdieselengineswillbefurtherreduced.KeywordsExhaustgasre-circulationEmissions1前言为了改善空气质量各国开始制定自己的排放法规。表1就是美国、欧共体制定出的未来轻型柴油车严格的排放法规。单位:(g/mile)美国年份NOXCONMHC或NMOGPM联邦1现在0·43·40·250·08联邦220040·21·70·1250·08欧Ⅲ20000·50·640·560·05欧Ⅳ20050·250·50·300·025由此可见减少柴油机的有害排放物特别是NOX的措施已成为柴油机满足各种新法规的必要手段。2废气再循环技术与汽油机相比柴油机由于其进气流动损失小燃油消耗率低而且在低当量比下工作时CO和HC排放低这些优点所以使柴油机成为很有吸引力的动力。柴油机的废气主要由N2、CO2、H2O和O2组成然而传统的柴油机有相当高的NOX和颗粒排放物大多数降低NOX排放物的措施往往又致使HC和颗粒排放增加。如推迟喷油提前角可使压力升高率dp/dθ下降最高燃烧温度下降NOX减少但参与扩散燃烧的燃料增加颗粒排放增加而且还使发动机热效率降低燃油经济性下降。图1给出了喷油提前角与燃油经济性和排放之间的关系。图1喷油提前角与燃油消耗和排放之间的关系图2给出了发动机燃烧放热率随排放法规变化的趋势图。由此可见仅用推迟喷油提前角来改善排放是有限的。通常小于5g/hp.h的NOX排放水平的柴油机采用推迟喷油提前角来改善NOX差不多已经达到了极限。为了保证发动机的燃烧热效率进一步推迟喷油提前角必然要使用更高的喷油压力这又会对发动机材料的强度提出更高的要求同时喷油压力的提高又将增加驱动油泵的功率损失燃油系统的成本也将增加一般还会导致发动机NOX排放升高。因此有必要探索一条更有效的降低NOX排放的技术。废气再循环(EGR)技术一直被认为是一种降低汽油机NOX排放的有效措施。图3给出了汽油机和柴油机的热容量和A/F随EGR率变化的趋势。可以看出由于汽油机气缸中的进气总量随着EGR率的增加而增加因此混合气的比热也随之增加。当柴油机采用EGR时由于其进气总量不会变化所以废气的加入使A/F比减小比热增加较小因此汽油机气缸中的气体温度会随着EGR的增加而减小柴油机中气体的温度减小较少但氧气浓度随EGR率的增加而迅速减小因而使得单位质量混合气的放热量成比例地减小降低了燃烧的最高温度从而使NOX排放减少。柴油机在采用废气再循环时由于废气的加入使得发动机气缸中混合气的形成、燃烧和排放发生了变化因而对发动机的性能产生了各种影响。图2放热率趋势2·1废气再循环对柴油机性能的影响(1)通常情况下高温的再循环废气导致发动机的进气温度增加致使压缩行程通过气缸壁传出的热量增加最高燃烧压力降低。(2)由于再循环废气的影响气缸中气体的氧浓度下降。这是由两个因素引起的:一方面是再循环废气比新鲜空气的氧气含量低;另一方面是使用EGR时进气道和气缸壁的温度升高导致进气充量下降。图4给出了在大众可视化四缸1·9L直喷式柴油机上测得的O2浓度和CO2浓度随EGR的变化趋势。由此可见当EGR率由0增加到50%时O2的浓度从21%下降至约14%与此同时CO2的浓度从0上升到约5%。(3)EGR对着火延迟期的影响表现在:进气平均温度提高缩短了着火延迟期但CO2和N2的稀释作用又使着火延迟期延长总的趋势是着火延迟期延长。(4)燃烧室中的再循环废气改变了着火延迟期