控制柴油機(jī)排放的燃料技術(shù)與措施

喻革 龍超

摘要：柴油發(fā)動機(jī)具有高熱效率還有高扭矩等優(yōu)勢，在輪船以及車輛上都得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用的過程中也會產(chǎn)生大量的廢氣，硫化物以及氮氧化物是高污染排放的根源所在，必須要對這個問題進(jìn)行高度的重視。本文從燃料的性質(zhì)、柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化以及排氣凈化后處理這三個方面展開研究，并且提出了具體的控制廢氣排放的燃料技術(shù)與措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);排放;燃料;技術(shù);措施

中圖分類號：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0032-02

0? 引言

為了讓環(huán)境得到更好的保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，在使用柴油機(jī)的時候必須要嚴(yán)格地控制其排放水平。柴油機(jī)所排放的有害物主要是燃燒燃料的過程中生成的，就有害物的排放水平而言，不僅和發(fā)動機(jī)技術(shù)以及發(fā)動機(jī)的使用條件存在關(guān)系，和燃料之間也存在著很大的關(guān)系。因此，為了有效地降低柴油機(jī)的廢氣排放，需要對使用的燃料進(jìn)行相應(yīng)的研究，從而制定出更加有效的燃料技術(shù)與措施。

1? 優(yōu)化燃料的性質(zhì)

1.1 將CN進(jìn)行提高

通過相關(guān)的研究可以發(fā)現(xiàn)，如果CN越高的話那么碳煙的生成就會越多，這也就相當(dāng)于減少了柴油機(jī)的廢氣排放。早期所使用的柴油主要是將原油進(jìn)行分餾所得出的，里面所含的正構(gòu)烷烴比較多，由于正構(gòu)烷烴的安全性比較差，在四百度以上就會很容易出現(xiàn)熱裂解的現(xiàn)象，然后生成小分子不飽和烴，這種小分子非常容易發(fā)生環(huán)化縮聚，進(jìn)而生成碳煙母體，并且會隨著CN的升高而逐漸增多?，F(xiàn)如今石油煉制的工藝已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，柴油當(dāng)中的芳烴含量也大量地提升上來，正構(gòu)烷烴的含量出現(xiàn)了大幅度的下降，為了有效地彌補(bǔ)芳烴CN比較低的缺陷在，在一些柴油當(dāng)中還會適當(dāng)?shù)靥砑右恍〤N改進(jìn)劑，這也讓CN對柴油機(jī)廢氣排放的影響規(guī)律發(fā)生了相應(yīng)的變化。隨著人們對燃料的研究進(jìn)一步深入，也得出一些有效的結(jié)論。只要柴油機(jī)使用的燃料當(dāng)中主要成分不是正構(gòu)烷烴，那么不管在不在燃料中添加CN的改進(jìn)劑，柴油機(jī)排放的廢氣當(dāng)中的各項(xiàng)指標(biāo)都會隨著CN的升高而出現(xiàn)下降，這也說明了在生產(chǎn)柴油的時候?qū)N提高就可以有效地降低柴油機(jī)的廢氣排放量。

1.2 降低燃料表面的張力

燃料在以霧粒的狀態(tài)進(jìn)行燃燒的時候所生成的碳煙和氣態(tài)燃燒狀態(tài)下相比會多很多，這也是柴油機(jī)生成碳煙的一種主要方式。通過相關(guān)的研究可以表明，霧化油粒的直徑對碳煙的生成量存在著一定的影響，即便是柴油機(jī)表面的張力出現(xiàn)了下降，柴油機(jī)所噴射出來的霧化油粒的直徑還是會出現(xiàn)很大的降低，如果是餾分比較重或者是粘度比較大的柴油，就可以通過將其表面張力降低的方式來減少柴油機(jī)廢氣排放。另外，燃料的粘度既不能過大也不能過小，否則都會導(dǎo)致廢氣的排放出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象，就直噴式的柴油機(jī)而言，當(dāng)其粘度在0.000003-0.000009m2/s這個范圍就比較適宜，在這個范圍當(dāng)中會隨著粘度的提高而降低燃料的消耗，進(jìn)而有效地減少柴油機(jī)廢氣的排放。

1.3 降低燃料中的含硫量

在正常情況下，柴油當(dāng)中的含硫量是在0.15%到0.3%之間，當(dāng)柴油燃燒的時候大概會有98%的硫會轉(zhuǎn)化成二氧化硫，剩下的部分則為硫酸鹽顆粒，還有一部分的硫會進(jìn)一步地出現(xiàn)氧化而且還會和燃燒所產(chǎn)生的水進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而形成硫酸鹽，增加了柴油機(jī)廢氣排放中的顆粒量[1]。如果燃料當(dāng)中硫的含量從0.12%降至0.05%的時候，那么柴油機(jī)排放的廢氣當(dāng)中顆粒的量就會減少8%到10%，如果再將燃料當(dāng)中硫的含量進(jìn)行減少的話則不會對顆粒的排放量產(chǎn)生影響。

1.4 在柴油中加入降污添加劑

碳酸二甲酯中氧氣的含量比較高，而且其沸點(diǎn)也較高，和柴油之間具有較高的互溶性，最主要的無毒。在柴油當(dāng)中添加碳酸二甲酯可以不用改造燃油系統(tǒng)就將柴油機(jī)的碳煙排放量有效地減少。與此同時，在柴油當(dāng)中添加代用燃料也可以有效地控制柴油機(jī)的廢氣排放量，將二甲醚作為柴油的代用燃料，能夠把發(fā)動機(jī)的功率提高10%到15%，還可以把發(fā)動機(jī)的熱效率提高2%到3%，進(jìn)而讓柴油機(jī)的廢氣排放達(dá)到歐Ⅲ的標(biāo)準(zhǔn)。生物燃油屬于一種替代性的燃料，將其用在柴油機(jī)上能夠有效地降低二氧化碳以及碳?xì)浠衔?，不過其價格偏高，可以在普通柴油當(dāng)中適當(dāng)?shù)負(fù)诫s一些生物柴油，這樣也能夠減少柴油機(jī)的廢氣排放。

2? 柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化

柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化其核心就是優(yōu)化燃燒的過程，讓發(fā)動機(jī)能夠混合得比較均勻，使燃料在燃燒的時候更加充分，并且工作的時候更加柔和，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減少廢氣排放的目的。

2.1 提高噴油壓力以及減小噴孔的直徑

將柴油機(jī)的噴油壓力提高以及減小噴孔的直徑能夠有效地減少顆粒當(dāng)中的碳排放量[2]。為了有效地避免高壓噴射造成氮氧化合物的增加，還得將空氣渦流運(yùn)動進(jìn)行降低，將壓縮比進(jìn)行提高以及將燃油的噴射時間進(jìn)行定時，這樣才可以更好地和高壓噴射進(jìn)行適應(yīng)，進(jìn)而減少柴油機(jī)廢氣排放中的顆粒以及氮氧化合物。將噴嘴壓力室的容積減少能夠減少廢氣中的顆粒以及碳?xì)浠衔锏呐欧?，將柴油機(jī)的燃油噴射率進(jìn)行優(yōu)化，例如應(yīng)用雙彈簧噴油器可以有效地降低顆粒以及氮氧化合物的排放。

2.2 電控高壓噴射技術(shù)

在柴油機(jī)的使用過程中應(yīng)用電子控制高壓噴射技術(shù)，可以讓柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳的噴油定時以及最佳的噴油速率，還可以連續(xù)地調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及負(fù)荷之間的關(guān)系，讓顆粒的排放量能夠降低四成以上，還可以把柴油機(jī)的排放性能進(jìn)行相應(yīng)的改善。電控高壓噴射技術(shù)主要是控制柴油機(jī)的噴油規(guī)律，還能夠結(jié)合發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)最佳的噴油。另外，對預(yù)混合燃燒以及擴(kuò)散燃燒的比例進(jìn)行控制，能夠有效地減少有害廢氣的排放，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的凈化。

2.3 可變技術(shù)以及多氣門技術(shù)

在使用柴油機(jī)的時候運(yùn)用可變技術(shù)能夠讓發(fā)動機(jī)的性能變得更加理想，還可以有效地改善不同情況下的經(jīng)濟(jì)性以及廢氣的排放?？勺兗夹g(shù)指的是對噴油定時進(jìn)行可變的控制，實(shí)現(xiàn)渦流以及增壓系統(tǒng)的可變控制，如果合理地使用可變技術(shù)可以將碳?xì)浠衔镆约邦w粒的排放量減少30%以上。通過使用多氣門技術(shù)可以在一定的程度上將進(jìn)氣門以及排氣門的總流通橫截面積擴(kuò)大，讓噴油器能夠垂直地布置在氣缸的軸線上，這樣不光將噴油器的冷卻狀況以及活塞的熱應(yīng)力改善了很多，還能實(shí)現(xiàn)噴霧均勻地在空間中分布，只有這樣才能讓流動噴霧的效果更好。

2.4 改進(jìn)燃燒系統(tǒng)以及增壓中冷技術(shù)

將燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)主要是讓燃燒室的形狀以及供油系統(tǒng)等達(dá)到最佳的匹配效果。必須要確保燃油在燃燒室當(dāng)中分布得非常均勻，而且還得保證有合適的氣體在流動，噴油的規(guī)律以及噴油定時也得非常合理。通過使用電控泵噴嘴以及電子調(diào)速器等有效的措施，不光能夠?qū)⒉裼蜋C(jī)的性能進(jìn)行改善，還能夠?qū)⒉裼蜋C(jī)的廢氣排放量減少，特別是可以減少顆粒的排放[3]。廢氣渦輪增壓能夠?qū)飧桩?dāng)中的有效壓力提高上來，還可以提高過量空氣系數(shù)以及整個循環(huán)系統(tǒng)中的平均溫度，讓柴油機(jī)的顆粒物排放量能夠減少一半左右，還可以有效地減少一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏呐欧?。運(yùn)用中冷技術(shù)可以將一氧化氮的排放量降低65%左右。因此，運(yùn)用中冷增壓技術(shù)可以有效地減少柴油機(jī)的廢氣排放量。

3? 排氣凈化后處理

3.1 顆粒過濾以及再生技術(shù)

就目前來看，控制柴油機(jī)顆粒排放的一種有效方法就是使用DPF（顆粒過濾）技術(shù)，這樣能夠有效地降低顆粒物的排放數(shù)量以及排放質(zhì)量。在應(yīng)用DPF技術(shù)的時候主要需要關(guān)注兩個方面，首先需要注重開發(fā)出排氣阻力低以及過濾效率較高的濾體材料，其次就是過濾體的再生技術(shù)?，F(xiàn)階段對過濾體材料的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟，不過在對再生技術(shù)進(jìn)行研究這方面卻有著一定的滯后性[4]。就再生而言，可以將其劃分為被動再生以及主動再生。被動再生也被稱之為催化再生，主要是通過添加鍶以及鐵等金屬有機(jī)物將顆粒物的氧化活化能有效地降低，讓顆粒物的再生溫度能夠大幅降低。在正常的情況下，過濾體的溫度都是比較低的，這也讓消除大多數(shù)的硫酸鹽以及可溶性有機(jī)物顆粒的可能性大大提升了上來。由此可見，帶有催化劑的過濾系統(tǒng)和沒有催化劑的過濾系統(tǒng)相比，其過濾的效率要高很多。主動再生指的是外加能量的一種再生方式，通常包括電加熱再生以及逆向噴氣再生、微波再生等再生方式。不管是主動再生還是被動再生，都得將再生的策略進(jìn)行優(yōu)化控制，假如沒有控制好的話，就很可能讓載體的溫度變得過高，這會讓顆粒過濾器的使用壽命減少很多。

3.2 加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器

在柴油機(jī)上加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器屬于一種有效的措施，能夠?qū)⒉裼蜋C(jī)排放出來的可燃?xì)怏w以及可溶性有機(jī)物進(jìn)行凈化[5]。在加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器的時候通常是利用鉑以及鈀等貴重的金屬來當(dāng)中催化劑，能夠?qū)⑻細(xì)浠衔镆约耙谎趸嫉呐欧帕繙p少一半左右，還能夠?qū)㈩w粒的排放量減少60%左右，對于多環(huán)芳烴以及硝基多環(huán)芳烴的排放數(shù)量也可以有效地減少。

3.3 非過濾技術(shù)

針對非過濾技術(shù)，當(dāng)前主要是采用靜電式微粒收集器來收集柴油機(jī)排放的氣體。在柴油機(jī)所排放的氣體中有75%左右的顆粒都帶電，而且每個帶電的微粒都帶有一到五個的基本電荷。借助附加強(qiáng)電場來吸附帶電的碳煙微粒可以取得較好的效果，不過附加設(shè)備的體積較大，而且結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，還不適合進(jìn)行大范圍的推廣。

3.4 NOX控制技術(shù)

就目前來看降低NOX（氮氧化合物）排放的有效措施主要有三個方面，分別是DeNOX催化器、SCR催化系統(tǒng)還有NOX吸附轉(zhuǎn)化器。這三種技術(shù)都對硫非常敏感，所以需要使用低硫燃料或者是采用相應(yīng)的脫硫措施。對于DeNOX催化器而言，主要是利用金屬離子沸石以及釩鉬所制成的催化劑來達(dá)到降低氮氧化合物的分解溫度，這樣能夠讓其分解成氮?dú)膺€有氧氣。而SCR催化系統(tǒng)則是又通過在排氣當(dāng)中添加尿素以及氨水等具有還原性的物質(zhì)，進(jìn)而將氮氧化合物還原成氮?dú)膺€有水[6]。NOX吸附轉(zhuǎn)化器的原理是把氮氧化合物的轉(zhuǎn)化成二氧化氮并且儲存，然后再通過添加還原劑將其進(jìn)行還原。NOX吸附轉(zhuǎn)化器通常是應(yīng)用在比較稀薄的燃燒過程當(dāng)中，它的效率能夠高達(dá)90%，不過對硫也非常敏感，所以在使用的時候都會加裝相應(yīng)的硫捕集器來提升使用的效果。

4? 結(jié)語

在使用柴油機(jī)的過程中難免會產(chǎn)生相應(yīng)的廢氣，在廢氣當(dāng)中存在一些有害的氣體，對大氣造成了嚴(yán)重的污染。為了實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)廢氣排放的有效控制，需要從燃料、柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化以及排氣后處理這三個方面著手。只有將燃料的成分與排氣的凈化控制進(jìn)行結(jié)合才能夠有效地降低廢氣的排放量，從而降低對環(huán)境的污染程度，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

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