降低汽車尾氣中NOX的技術(shù)進(jìn)展

張 文

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 300132)

降低汽車尾氣中NOX的技術(shù)進(jìn)展

張 文

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 300132)

文章介紹了汽車尾氣污染物的危害以及NOX的生成機(jī)理,從廢氣再循環(huán)技術(shù)、缸內(nèi)直噴式燃燒技術(shù)、代用燃料、電子控制技術(shù)、催化還原技術(shù)等幾個方面,對降低汽車尾氣中NOX的排放技術(shù)進(jìn)行了研究。

氮氧化物;廢氣再循環(huán)技術(shù);缸內(nèi)直噴式燃燒技術(shù);催化還原技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,汽車工業(yè)也取得了前所未有的進(jìn)步,汽車在給人們帶來便利的同時,也成了對我們賴以生存的大氣造成污染的主要來源,汽車排放的主要污染物由一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化合物(NO)硫化物和微粒物等成分組成。

據(jù)統(tǒng)計,大氣中 21.7%的 HC、38.5%的 CO、55%的 NO X、11.7%的 CO2、6.2%的 SO2、32%的微粒來自汽車,而城市大氣中87%的HC、61%的CO、87.6%的NOX來自汽車。其中,NOX是NO、NO2、N2O3等的混合物,NO約占90%,NOX進(jìn)入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸,對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用。亞硝酸鹽則能與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合,形成變性?紅蛋白,可在一定程度上導(dǎo)致組織缺氧。另外,NOX受陽光嚴(yán)甫外線照射后發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成光化學(xué)煙霧,當(dāng)光化學(xué)煙霧種的光化學(xué)氧化劑超過一定濃度時,能刺激眼結(jié)膜,引起流淚并導(dǎo)致紅眼癥,同時對鼻、咽、喉、器官積肥不均有刺激作用,能嬕起急性喘息癥,光化學(xué)煙霧還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害。

為了保護(hù)環(huán)境,汽車工業(yè)及相關(guān)行業(yè)的崢程技術(shù)人員在致力于提高汽車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的同時,也在致力于改善汽車尾氣污染的技術(shù)研究。

一、NO X的生成機(jī)理

汽車排氣中的NO X的生成與燃燒的擴(kuò)散、混合濃度分布、火焰濃度分布及熱的傳導(dǎo)等一系列因素有關(guān),反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜,主要是NO在進(jìn)入空氣后會很快被氧化成NO2、N2O3而成的,NO的生成主要包括三種形式:

1.熱力型:空氣中的N 2在火焰溫度下被氧化而成。

2.瞬發(fā)型:含氮燃料的燃燒產(chǎn)物。

3.快速型:燃料中碳?xì)浠衔镌谌紵^程中分解生成的原子或原子團(tuán)與空氣中的N2發(fā)生反應(yīng)生成氮化物,這些氮化物與火焰中大量的O、OH等進(jìn)一步反應(yīng)而生成。

在燃燒過程中基本可以不考慮瞬發(fā)型NO和快速型NO,因而,廢氣的NO X主要是空氣中的N 2和O 2在燃燒室高溫條件下的燃燒產(chǎn)物,即熱力型NO。熱力NO的生成過程目前為大家普遍接受的為擴(kuò)展的捷爾杜維奇反應(yīng)理(Extended Zeldovihc Reaction):

在燃料過量的條件下下,還存在氮原子與OH基的反應(yīng),

當(dāng)空燃比在15.5左右時,混合氣燃燒速度最快,循環(huán)溫度最高,又有多余的O2,NOX的濃度最大,而當(dāng)空燃比大于或小于15.5時,NOX生成反應(yīng)分別受到燃燒溫度或氧的濃度的限制,致使NOX的濃度相應(yīng)降低,此外,NOX的濃度還與混合氣在高溫下的滯留時間有關(guān),若在高溫下滯留的時間愈長,則NOX的濃度愈大,因此,點火提前角對NOX生成率有顯著的影響,隨著點火提前角的減小,最高燃燒溫度降低且燃?xì)庠诟邷叵聹魰r間縮短,NO X的焟成率隨之減少。在稀混合氐時,N KX生成率減少的效{更明顯,其原因在于濃混合氣中NO X基本上是火焰初期的瞬發(fā)型熱反應(yīng)生成的,而在稀混合氣中NOX主要在火焰后期的已燃?xì)怏w中產(chǎn)生,NO的生成速度較低,對溫度的依賴性大。從以上分析可以得出降低NOX排放有兩種方法:

(1)減少缸內(nèi)多余氧氣比重,降低燃燒生成溫度。

(2)對排氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化。

二、機(jī)內(nèi)措施

1.廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recycle-EGR)技術(shù)

EGR技術(shù)是降低NOX的有效措施,廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)有缸內(nèi)和缸外廢氣再循環(huán)兩種,是汽車的ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時地打開,排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng),與混合氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒。由于汽車廢氣是一種不可燃?xì)怏w,且其中的CO2,N2,H2O等惰性氣體具有較高的比熱容,這部分尾氣通過吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力,抑制了NOX的生成,改善了發(fā)動機(jī)的排放。

使用EGR技術(shù)時,必須嚴(yán)格控制發(fā)動機(jī)在各工況下的廢氣再循環(huán)量,即廢氣再循環(huán)率,過度的廢氣參與

再循環(huán),將會影響混合氣的著火、性能,從而影響發(fā)動機(jī)的動力性,特別是在發(fā)動機(jī)怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時,再循環(huán)的廢氣會明顯地影響發(fā)動機(jī)性能。所以,當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時,ECU控制廢氣不參與再循環(huán),避免發(fā)動機(jī)性能受到影響;當(dāng)發(fā)動機(jī)超過一定的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及達(dá)到一定的溫度時,ECU控制少部分廢氣參與再循環(huán),而且,參與再循環(huán)的廢氣量根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度及廢氣溫度的不同而不同,以達(dá)到廢氣中的NOX最低。

2.缸內(nèi)直噴式燃燒(Gasoline Direct Injection-GD I)技術(shù)

GD I技術(shù)的特點在于其供油系統(tǒng)的設(shè)計,可以使汽油以極髴壓力精準(zhǔn)的直接注入到燃燒室中,所以除了噴油嘴的構(gòu)造和位置異于傳統(tǒng)供油系統(tǒng),在油氣的霧化和混合效率上也更為優(yōu)異。噴油器主動地向火花塞附近噴油,越靠近噴油嘴的區(qū)域,混合氣濃度就越高,越遠(yuǎn)離噴油嘴的區(qū)域,混合氣的濃度也就越低。由于汽車上各項電子系統(tǒng)控制技術(shù)的大幅進(jìn)步,計算機(jī)對于進(jìn)氣量與噴油時機(jī)的判讀與控制也愈加精準(zhǔn),因此使用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機(jī),其燃料霧化程度、混合氣的均勻程度以及燃燒效率均得到大幅提升。使用了GD I技術(shù),就沒有必要再為了燃料充分燃燒而提供過多的氧氣,氧氣的減小有利于抑制NOX的生成。

圖1 廢氣再循環(huán)技術(shù)

圖2 缸內(nèi)直噴式燃燒技術(shù)

3.代用燃料

代用燃料包括壓縮天然氣、液化石油氣、醇類、氫氣,其中天然氣和液化石油氣在地球上的儲備量很大,且排放較低。由于氣體燃料和空氣混合充分,不需氣化,加之不含鉛,因此燃燒充分并可大幅改善汽車尾氣排放。目前由天然氣改裝的單燃料CNG汽車和由柴油-CNG、柴油-LPG改裝的雙燃料汽車已極大地改善了汽車的排放,已有部分城市公交汽車部分采用或全部采用。但由于CNG和LPG的一些特點,目前尚有一些問題需進(jìn)一步研究解決:

(1)起動慢、加速性差、排溫高和失火問題。

(2)耐久安全性差、資源和供氣站推廣不廣。

另外,二甲基醚DM E(CH3-O-CH3)由于沒有C-C鍵,只有C-H鍵和C-O鍵,加上它含氧,因此燃燒生成的排放物低。由于它蒸發(fā)潛熱大,可采用較大的EGR率,十六烷值比柴油高,著火延遲期短,因此可以抑制NOX生成和具有低的壓力升高率,也是一種較理想的新興代用燃料。

目前國家科技攻關(guān)項目中,壓縮天然氣、液化石油氣、醇類燃料等已成為汽車節(jié)約能源和改善排放的重要課題。多數(shù)示范城市已使用了CNG,LPG汽車,而氫能、混合動力、太陽能、電動汽車等,世界上已有城市在應(yīng)用。

三、機(jī)外措施

1.電子控制技術(shù)

電子控制系統(tǒng)的基本功能是電子控制燃油噴射和電控點火,此外還有爆燃控制、怠速控制、節(jié)氣門控制、電控EGR、渦流控制和在線診斷系統(tǒng))等。電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了進(jìn)氣管單點噴射、多點噴射和缸內(nèi)直接噴射)等階段,電控燃油噴射技術(shù)的應(yīng)用使得發(fā)動機(jī)各缸的混合氣體在質(zhì)和量上得到保證,同時也使發(fā)動機(jī)的空燃比A/F和點火提前角得到了精確的控制,發(fā)動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性提高。

在普遍采用電控燃油噴射技術(shù)的同時,電子點火、爆燃控制系統(tǒng)等也得到普遍的應(yīng)用,電子點火系統(tǒng)可使發(fā)動機(jī)的點火正時準(zhǔn)確,防爆燃控制系統(tǒng)可使發(fā)動機(jī)工作在爆燃的邊界上,發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性最佳。以上電子控制技術(shù)和輔助技術(shù)的應(yīng)用,使得空氣和燃料在發(fā)動機(jī)任何工況下都能得到精確控制成為可能,在提高燃油經(jīng)濟(jì)型和動力性的同時,大大降低汽車的排放污染。

2.催化還原技術(shù)

在汽車上使用催化還原處理系統(tǒng)主要是為了在不犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下獲得良好的排放性能,目前,在傳統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器不再能夠滿足新型發(fā)動機(jī)技術(shù)的情況下,低溫等離子體輔助催化技術(shù)逐漸成為人們研究的熱點,被認(rèn)為是該領(lǐng)域很有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。

低溫等離子催化還原技術(shù)具有流程短、轉(zhuǎn)化效率高、處理徹底、無二次污染、能耗低、適應(yīng)溫度范圍廣等特點,可同時去除汽車尾氣中的NOX和顆粒,將NO氧化成NO2,但不會進(jìn)一步氧化成硝酸,克服了其他技術(shù)在生成NO2方面的缺點,拓寬了催化劑的溫度窗口,使催化劑在150℃～400℃之間對NOX的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到65%以上。

低溫等離子催化還原技術(shù)對燃料的含硫量幾乎沒有要求,可有效地防止催化劑中毒現(xiàn)象,抗毒性很強(qiáng)。其低溫等離子體不僅能提高催化劑的選擇活性,可以在相對低的溫度下運(yùn)行,而且能延長其使用壽命,提高了凈化效率。

[1]孫芳,李志軍等.降低稀燃汽油機(jī)NOx排放技術(shù)進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī),2003,(02).

[2]李志軍,秦敬哲,孫濟(jì)美.柴油機(jī)廢氣凈化新技術(shù)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2000,(05).

[3]陳育春,付名利,葉代啟,梁 紅.柴油機(jī)排氣PM 與NO X同時催化凈化技術(shù)[J].車用發(fā)動機(jī),2005,(02).

The Technological Developm ent of Reducing NOx in Autom obile Exhaust

ZHANG W en
(Tianjin Electronic Information Vocational Technology College,Tianjin 300132 China)

This essay introduces the bad effect of automobile exhaust and the formation mechanism and researches on the exhausts recycle technology,direct injection combustion cham ber technology,fuel substitute,electronic control technology,and catalytic reduction technology.

ox nitride;the exhausts recycle technology;direct injection combustion chamber technology;catalytic reduction technology

TK407

A

1673-582X(2011)08-0026-04

2011-01-14

張文(1976-),山西洪洞人,天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,工學(xué)碩士,講師,主要研究方向:汽車發(fā)動機(jī)電控、汽車尾氣后處理。