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重型柴油机尾气是如何产生的,目前都有哪些处理技术?

2018-08-16 04:00:00 封狼居胥

重型柴油机尾气是如何产生的,目前都有哪些处理技术?

【卡车之家 约稿】发动机就是汽车的心脏,其性能对于整车性能的重要性不言而喻。每当提到发动机我们脑海中的印象是粗暴、国产落后和国外垄断,但这是以前的发动机带给我们的印象。那么现在我们再提到发动机是用什么形容词来形容它?在下面的文章中小编就会回答这个问题。

重型柴油机尾气是如何产生的,目前都有哪些处理技术?

排放:这是重中之重,首要之首要

那么我们所说的排放都包括哪些成分?一氧化碳,碳氢,氮氧化物,微粒以及其他非常规排放。

下面将分别分析一下我们的发动机是怎么产生一氧化碳,碳氢化合物以及我们目前采取了哪些解决污染物的处理措施。

重型柴油机尾气是如何产生的,目前都有哪些处理技术?

▲图1:法规进程

在讨论发动机污染物的时候,我们需要对发动机进行一个分类,在日常生活中我们通常是用一种直观的方式将发动机分为汽油机和柴油机,这是一个简略的分类,分类依据是燃料的不同。

在更为科学上来讲,通过对排放的影响可以分为预混燃烧和非预混燃烧,在这个分类上,柴油机属于非预混燃烧,汽油机可以是预混燃烧,也可以是非预混燃烧,也就是生活中所说的进气道喷射和缸内直喷燃烧。

我们为什么要强调燃烧呢?这是因为燃烧影响排放污染物的生成,顺便说一句,我们现在已经把治理发动机排放转移到尾气后处理上了。

污染物的分类

首先咱们大部分卡友用的是柴油机,那么先分析一下柴油机的污染物和技术处理。对污染物进行分类,在生成和处理上,可以将一氧化碳和碳氢化合物归为一类。

一氧化碳:一氧化碳是一种无色无味的气体,我们之所以把它列为污染物是因为它与血液中血红蛋白的结合能力比氧强200~250倍,换句话说在有一氧化碳的地方咱们连一口“气”都吸不到。

这也从侧面说明我们在遇到一氧化碳中毒的人时,第一件事是开窗通风。现在知道了一氧化碳的危害的同时,我们又产生了另一个疑问尾气都排放到大气了,大气那么大也会让我们中毒么?

答案是会的,当车辆多到一定程度时候,当有大雾污染气体不能及时流动时,以至于空气中一氧化碳的体积分数超过0.1%时,我们就会出现头痛、心慌等中毒症状。

有一个数据我们需要知道那就是我们柴油机尾气中一氧化碳到底占比多少呢,如果很少那也不用关心啊,一般情况下柴油机一氧化碳的体积分数在0.2%~1.5%。

这个范围代表不了什么,我们应当知道的是大部分工况实在0.5%~0.8%之间,因此我们也得重视一氧化碳对咱们大气环境的影响。

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▲图2:伦敦大雾霾

碳氢化合物:简单说它与氮氧化物一起在日光紫外线作用下形成很强毒性的“光化学烟雾”,著名的洛杉矶光化学烟雾事件就是它们引起来的。因为碳氢化合物组合成分很复杂,说来最危险的就是芳香烃了,有毒,甚至致癌。

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▲图3:洛杉矶光化学烟雾

柴油机的一氧化碳和碳氢是如何产生的?

我们已经了解了一氧化碳和碳氢化合物的危害,下面我们探讨一下柴油机一氧化碳和碳氢化合物产生原因和来源,为什么要在前面要加一个限定词呢,这是因为一氧化碳和碳氢化合物产生原因和来源与汽油机不同。

对柴油机而然一氧化碳和碳氢化合物来源有以下两方面:

一是柴油未完全燃烧而产生的一氧化碳和碳氢化合物,这一部分很好理解,就是没烧干净嘛。

可是为什么没烧干净呢?这与燃烧时间、燃烧速率和燃烧温度都有关系,柴油在燃烧过程中生成的中间产物是一氧化碳和碳氢化合物,因为燃烧时间的限制所以一氧化碳和碳氢化合物就没烧完就排到了大气。

二是混合气不均匀,造成局部缺氧燃烧不完全,即使柴油机混合气非常稀薄是富氧燃烧,但是因为缸内直喷且混合时间短还是有不均匀的地方。

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▲图4:潍柴WP13

重型柴油机尾气处理技术有哪些?

知道了一氧化碳和碳氢化合物产生的原因和来源,那么我们应该怎么解决这个问题呢?

两方面,一是机内净化优化燃烧;二是,尾气后处理。

很显然在日常生活中,很少听说在柴油机上添加关于一氧化碳和碳氢化合物的尾气后处理装置,这是因为与汽油机相比,柴油机的一氧化碳和碳氢化合物的排放较低,一氧化碳和碳氢化合物不是柴油机的主要排放物,采用机内净化就可以。

机内净化措施是一种综合的处理方法,也就是喷射压力、喷油规律、燃油雾化方式、燃烧室形状、进气道形状等等一些技术的配合使用。

采用更高的喷射压力能带来什么呢?带来的第一好处就是能使燃油雾化更好,减少了混合的不均匀性,燃烧更加充分。

我们目前采用的高压共轨,也就是提高了喷油压力,使喷油压力达到150~200MPa,相当于1500~2000个大气压。

在如此高的喷油压力下,燃油的雾化效果可不是之前没有高压共轨的情况下可以相比的,在重卡上喷油泵的最大允许压力在120MPa,显然达到这个最大允许压力时,高压油泵处于不稳定状,会出现异常喷射,进而使得排放恶化。

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▲图5:燃油喷射

燃油喷射规律的改变当然也可以控制减少污染物的生成,最普通的喷射技术就是多段喷射,比如二次喷射。目前来看,最新的技术大概在七次喷射。

采用多段喷射能够明显改善柴油机的燃烧,这是因为柴油机是压燃,提前喷射的部分在气缸内雾化时间更长,混合气更加均匀,自然就能减少一氧化碳和碳氢化合物的生成。

除了对于喷射规律而言,喷油时刻的精准把握,采用更加合理的信号采集和处理方式,用更加合理的喷油MAP图,也是非常有必要的。

燃油雾化方式的不同,对燃烧和排放的影响当然不一样,应当指出的是随着喷射压力的提高,燃油喷射距离越来越长,这时就必须考虑到喷雾撞壁,喷雾撞壁之后就形成了油膜,这时我们就引入了我们雾化的另外一种方式,燃油蒸发雾化。

燃油蒸发雾化,在气缸壁面的不同位置、气缸壁面温度的改变、气缸壁面附近的气流运动都会影响燃油蒸发雾化。

实验结果表明喷雾撞壁在排气门附近壁面,或者活塞上表面附近温度高,燃油雾化好。燃油雾化还能带给我们其他好处,随着蒸发,能够减少发动机气缸内的热负荷,能承受更高的燃烧温度,做功能力进一步加强。

但是壁面雾化有一个致命的缺点,就是雾化时间太短,不能完全蒸发,所以一个不好,反而会增加一氧化碳和碳氢化合物排放。

除了与喷油相关还与燃烧室相关,燃烧室形状的不同,对一氧化碳和碳氢化合物的影响不一样。对柴油发动机计而然,有直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室。分隔式基本不怎么使用了,现在基本是直接式,这是因为分隔式热效率低。

直接式分为浅盆形和深坑形,浅盆形不易组织气流运动,所以混合气形成靠燃油喷射,反之深坑形就容易组织气流运动,但是散热面积大,热效率小一些,经济性差一些。

气流运动不止与燃烧室、活塞形状相关,与进气道形状相关,不同的形状进气气流速度不同,自然形成的缸内气流强度不同、湍流强度不同。

在合适的进气强度之下,有利于混合的形成,使混合气更加均匀,并且在燃烧过程中利于火焰燃烧,使烧更加充分。进气强度过大或者过小都是不利于最终的燃烧排放合乎法规。

重型柴油机尾气是如何产生的,目前都有哪些处理技术?

▲图6潍柴WP2.3N

缸内气流运动其实是非常复杂且不能用现有的数学方法进行精确描述的,就是因为气流运动的复杂性和难以控制性,所以更好的应用气流运动,结合合适喷油规律、喷油压力,促进混合气形成,加快燃烧速度,减少一氧化碳和碳氢化合物的形成。

总结

目前来看,对于柴油机的一氧化碳和碳氢化合物是没有要加后处理装置的必要,但是如果法规进一步加严,也就是国六法规的实施,增加后处理装置处理一氧化碳和碳氢化合物就势在必行了。

针对一氧化碳和碳氢化合物,我们可以采用DOC(氧化型柴油催化器),研究结果表明,一氧化碳和碳氢化合物在氧化型柴油催化器催化剂表面的氧化率都在90%以上;较高的碳氢化合物和一氧化碳浓度或较高的排温都会影响氧化型柴油催化器催化剂表面氮氧化物氧化反应速率。

适当控制喷油量,增加后燃持续期,可实现氧化型柴油催化器入口温度250℃以上时碳氢化合物正常起燃,即发生充分的氧化反应,但是增加后燃期发动机工作效率就变低了。

氧化型柴油催化器在国六柴油机上已经是标配,正因为又增加了氧化型柴油催化器我们的发动机制造成本又有所提升,如果实现高效率工作,我们在氧化型柴油催化器上也需要喷入柴油增加起燃温度,但是如果燃烧不完全反而增加一氧化碳和碳氢化合物,需要精准控制。

就像前面所提到的,现在我们在提到发动机第一印象就是排放,这是因为国家在法规下,不满足要求的发动机势必不能进入市场,已经进入市场的会因为排放法规的升级而强制报废,各大厂家也是在排放法规的道路上跟上“领头羊”的脚步。


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