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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 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ReductionofNOXfromDieselEngineswithEGRTianjinUniversity HeBangquan YaoChunde LiuZengyong LiWangzhong(Tianjin 30007
2、2)Abstract Inthispaper,thetheory,applicationproblemsandtheirsolutionsarereviewed.Itiscertainthatwiththedevelopmentofexhaustgasre-circulationanditsrelevanttechnologiesap-pliedtodieselengines,theNOXandPMemissionsfromdieselengineswillbefurtherreduced.Keywords Exhaustgasre-cir
3、culation,Emissions1 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,
4、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,
5、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,
6、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
7、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
8、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内混合气的形成和燃烧,使
