內(nèi)燃機(jī)尾氣NOx排放控制及噴水技術(shù)研究*

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 林金英

內(nèi)燃機(jī)尾氣NOx排放控制及噴水技術(shù)研究*

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 林金英

節(jié)能減排已是現(xiàn)代文明社會(huì)的一種共識(shí)。該文介紹了內(nèi)燃機(jī)尾氣NOx排放控制及缸內(nèi)噴水新技術(shù)，對(duì)包括尾氣余熱回收、降低缸內(nèi)高溫、解決內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能減排有一定的指導(dǎo)意義。

內(nèi)燃機(jī)尾氣 NOx排放控制 噴水技術(shù)

1 廢氣排放

內(nèi)燃機(jī)廢氣排放主要包括氮?dú)?、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和顆粒物等。

氮氧化物(NOx)是一種致癌物質(zhì)，是城市霧霾和酸雨(可使土壤酸化)的主要原因。一氧化碳(CO)形成的主要原因是不完全燃燒和二氧化碳的分離，高濃度CO有劇毒。顆粒物(PM)是無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物的混合物。其中超過(guò)一半的顆粒物是煙塵（無(wú)機(jī)碳顆粒），明顯的特征是煙。二氧化碳本身無(wú)毒,但它會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，從而改變地球的大氣層結(jié)構(gòu)。氧化硫氣味對(duì)人體有刺激作用，也是酸雨的主要原因之一，地下水酸化已經(jīng)在有些地方出現(xiàn),導(dǎo)致飲用水供應(yīng)系統(tǒng)的金屬腐蝕，被溶解的金屬對(duì)人體健康帶來(lái)傷害。如果燃料硫含量為3%，每噸燃料燃燒生成SOx大約64kg；如果使用燃料硫含量為1%，每噸燃料燃燒生成SOx降到21kg左右。歐盟為了控制空氣污染，要求所有船只在歐盟港口燃燒燃料最大硫含量為0.2%，這將迫使船舶燃燒低硫燃料。

2 NOx排放控制

NOx 生成的影響因素：燃燒溫度、燃燒時(shí)間及燃油與空氣的預(yù)混合程度。要控制NOx的排放，可以從其生成機(jī)理和性質(zhì)兩方面進(jìn)行分析，一般分為機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)和機(jī)外排氣凈化技術(shù)[1]。方法有燃油乳化、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、廢氣再循環(huán)EGR 、選擇性催化還原法SCR、噴水技術(shù)等。

燃油乳化是液體乳劑通過(guò)噴油器注入使氮氧化物排量顯著減少。受到發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的影響，通常1%的水可以減少1%的氮氧化物排放量。

發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化，在燃燒過(guò)程中改善燃燒室結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(氣門正時(shí)、燃油噴射和渦輪增壓等) 來(lái)減少氮氧化物排放。另外，智能控制技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的燃油控制模式及柴油機(jī)的管理模式，利用智能控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)噴油時(shí)間準(zhǔn)確控制、噴油壓力和噴油量的精準(zhǔn)控制，從而大大提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并且減少了NOx排放。

廢氣再循環(huán)（EGR）是一種改變進(jìn)氣降低NOx排放的方法，基本原理是采用一部分廢氣經(jīng)過(guò)處理再引回進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合。由于減少了燃燒區(qū)內(nèi)的氧濃度，燃燒和爆炸過(guò)程中，NO的生成反應(yīng)速度是與氧的濃度的平方根成正比，因此，NO的生成反應(yīng)速度降低，廢氣中的NOx濃度也相應(yīng)下降[2]。由于廢氣中的水和二氧化碳有較高的熱容，使最高的燃燒溫度降低，反過(guò)來(lái)，限制氮氧化物的形成。EGR技術(shù)是一種降低NOx排放非常有效的方法，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，但發(fā)動(dòng)機(jī)只能燃燒清潔燃料，如低硫、低灰分以及酒精等。如果燃燒高硫燃料會(huì)導(dǎo)致渦輪增壓器,中間冷卻器和掃氣管道的腐蝕。

選擇性催化還原法（SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如NH3）“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。

3 內(nèi)燃機(jī)噴水技術(shù)

3.1 燃燒室溫度對(duì)NOx形成的影響

為了降低燃燒時(shí)的溫度，一般采用加濕和直接噴水兩種方法。圖1為某內(nèi)燃機(jī)測(cè)試的溫度對(duì)NOx的實(shí)驗(yàn)曲線，可以看出，燃燒室溫度是NOx形成的主要因素。

圖1 燃燒室溫度與NOX形成之間的關(guān)系

3.2 瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)噴水技術(shù)

加濕降低燃燒溫度方法。飽和空氣參與燃燒，采用燃燒空氣飽和系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CASS），如圖2所示。加濕法測(cè)量曲線如圖3所示。

圖2 加濕降低燃燒溫度方法

圖3 加濕法測(cè)量曲線

直噴法降低燃燒溫度方法，采用雙噴嘴，如圖4所示。直噴法測(cè)量曲線如圖5所示。

圖4 直噴法降低燃燒溫度方法

圖5 直噴法測(cè)量曲線

3.3 寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)噴水技術(shù)

3.3.1 進(jìn)氣道噴水方法

圖6為寶馬汽車水噴射系統(tǒng)(WIS)。進(jìn)氣道中增加了一款水噴射器。該噴射器先將水霧化并噴射到進(jìn)氣道與空氣進(jìn)行預(yù)混合。汽油直噴系統(tǒng)配合增加燃燒效率?？傮w節(jié)油效果可達(dá)到世界輕型車輛測(cè)試循環(huán)WLTC高速公路工況下13%及普通駕駛工況下4%。

圖6 寶馬汽車水噴射系統(tǒng)

具體的工作示意圖如圖7所示，該系統(tǒng)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷狀態(tài)（High Engine Load）下被觸發(fā)，由水泵（Water Pump）將水箱（Water Tank）中的水輸送到水噴射器（Water Injector valve）噴射入進(jìn)氣道隨后進(jìn)入氣缸，降低氣缸中油氣混合器的溫度，從而提高燃燒效率。該工作模式被稱為噴水助力（Water Boost）模式。

該水噴射系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計(jì)每幾百公里僅消耗近百毫升的水，因此一個(gè)緊湊的水箱及幾千公里加注一次的頻率就可滿足使用要求。另外采用空調(diào)系統(tǒng)中產(chǎn)生的凝結(jié)水珠、積少成多、一滴也不放過(guò)地利用在水噴射技術(shù)之中，從空調(diào)系統(tǒng)中收集冷凝水，匯總在一個(gè)特制的水箱中，通過(guò)過(guò)濾之后利用。

圖7 寶馬水噴射系統(tǒng)工作示意圖

寶馬汽車水噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）為充氣過(guò)程提供冷卻。類似于對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣降溫。（2）可以有效防止爆震的發(fā)生。（3）可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮率，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的扭矩。（4）能夠簡(jiǎn)單而且高效地降低油耗。特別是高負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速工況。（5）避免燃油的加濃噴射和降低排氣溫度，特別是高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況。（6）由于燃燒室溫度降低，減少NOx的形成。

3.3.2 燃燒室直噴方法

目前，寶馬公司所公開(kāi)的缸內(nèi)噴水技術(shù)，噴入的不是水，而是用廢氣制造的高溫高壓水蒸氣；不是與汽油混合噴入（汽油通常在進(jìn)氣和壓縮沖程噴入氣缸），而是在做功沖程開(kāi)始時(shí)才噴入。在混合氣燃燒已經(jīng)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)向缸內(nèi)噴水（蒸氣），在燃燒室頂部制造一個(gè)水蒸氣隔熱層，可以起到以下作用：

（1）因水蒸氣溫度低于燃燒室頂部，屬吸熱膨脹做功，熱效率會(huì)高于動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)，這將增加扭矩10%以上，即發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高10%以上；

（2）燃燒室頂部是熱損失的關(guān)鍵位置。水蒸氣隔熱層將使熱損失大幅下降，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率增加10%以上；

（3）燃燒室頂部不會(huì)再出現(xiàn)500度以上的高溫區(qū)域，混合氣不會(huì)被高溫提前加熱，不易發(fā)生爆震，壓縮比可提高1.5～2，熱效率將提升4.5%～6%。

3.4 內(nèi)燃機(jī)排氣沖程噴水節(jié)能減排技術(shù)

圖8為柴油機(jī)排氣沖程噴水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。柴油機(jī)排氣沖程噴水減排技術(shù)方案的主要特點(diǎn)是：在排氣沖程中，噴射到活塞頂部的水受熱，產(chǎn)生大量的水蒸氣，把燃燒室中的尾氣擠出，停留在燃燒室中的水蒸氣參與下個(gè)循環(huán)的燃燒，達(dá)到減排節(jié)能的目的[3]。

采用新購(gòu)買的一臺(tái)風(fēng)冷柴油機(jī)，缸套鉆孔并安裝電控噴嘴，可完成排氣沖程定時(shí)噴水，其中噴水量的多少、噴水水壓的大小、噴水持續(xù)時(shí)間等可調(diào)整，并可檢測(cè)煙度、CO、CO2、O2、NO等濃度。

圖8 柴油機(jī)排氣沖程噴水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

4缸電控系統(tǒng)本身并不具備噴水功能，加裝的電控系統(tǒng)根據(jù)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)綜合作用來(lái)控制噴水時(shí)刻和噴射量，噴射控制系統(tǒng)通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)4缸電控系統(tǒng)內(nèi)置控制器的輸入傳感器信號(hào)的模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴水時(shí)刻及噴水量的精確控制。試驗(yàn)前通過(guò)系統(tǒng)控制器中的自動(dòng)標(biāo)定程序，分別改變各個(gè)傳感器的模擬輸入值，檢測(cè)噴水時(shí)刻和噴射量的變化，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得噴水時(shí)刻和噴水量的數(shù)據(jù)表，保存在控制器中，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)在顯示屏中直接輸入噴射時(shí)刻和噴射量，系統(tǒng)控制器自動(dòng)查詢數(shù)據(jù)表，獲得傳感器的模擬數(shù)據(jù)，從而改變4缸電控噴射系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)噴射時(shí)刻和噴射量的直接控制。

4 結(jié)語(yǔ)

缸內(nèi)噴水技術(shù)是一種包括尾氣余熱回收、對(duì)燃燒室頂部絕熱減少熱損失、降低缸內(nèi)高溫部位以提高壓縮比等一系列技術(shù)的組合，它能夠解決內(nèi)燃機(jī)熱效率低、燃燒室熱損失大、尾氣氮氧化物含量高等一系列問(wèn)題，有較廣闊的研究發(fā)展空間。

[1] 龐海龍,鄧成林,姚廣濤.船用柴油機(jī)有害物排放控制技術(shù)[J].船舶工程, 2011(1):21-32.

[2] 李江華,董勝先.船舶柴油機(jī)NOx排放控制的技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)2009(7):32-34.

[3] 陳清彬,詹志剛,林金英.船舶柴油機(jī)減排新技術(shù)方案研究[J].船舶工程, 2011(4):44-48.

福建省交通運(yùn)輸廳科技發(fā)展項(xiàng)目（編號(hào)：201331）。