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      柴油機(jī)NOx的排放控制

      2011-08-03 11:55:30王林光劉開(kāi)敏侯曉勤周佩琴
      鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2011年1期
      關(guān)鍵詞:沖程壓縮比噴油器

      王林光,劉開(kāi)敏,侯曉勤,周佩琴

      (寧波中策動(dòng)力機(jī)電集團(tuán)有限公司,浙江寧波315032)

      柴油機(jī)因其良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠、機(jī)動(dòng)性被廣泛的應(yīng)用在船舶動(dòng)力、發(fā)電等領(lǐng)域,近年來(lái)隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,燃燒原(重)油技術(shù)的不斷成熟和航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展,柴油機(jī)所排放出來(lái)的尾氣嚴(yán)重污染了人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境,據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)稱(chēng),僅2007年遠(yuǎn)洋船就釋放了2 580萬(wàn)噸的氮氧化物,這個(gè)排放量相當(dāng)于當(dāng)時(shí)全球氮氧化物排放的30%左右,如此驚人的數(shù)據(jù)可見(jiàn)大氣污染已經(jīng)到了不可忽視的地步。當(dāng)下對(duì)于生產(chǎn)柴油機(jī)的企業(yè)來(lái)說(shuō),研究NOx排放的控制措施迫在眉睫,刻不容緩。

      1 柴油機(jī)NOx排放的危害和生成機(jī)理

      (1)NOx排放的危害

      柴油機(jī)排放的有害廢氣主要有NOx、SOx、COx、HC等,而NOx是柴油機(jī)排放產(chǎn)物中對(duì)人類(lèi)和環(huán)境危害最大的。NOx一般包括NO和NO2,NO是一種無(wú)色、無(wú)味,毒性不大,但濃度高時(shí)會(huì)使神經(jīng)中樞癱瘓和痙攣的氣體,而且它極其不穩(wěn)定,與氧氣接觸后極容易生成NO2,NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(qiáng)(毒性約是NO的5倍)的紅棕色氣體,吸入后可對(duì)人的呼吸道造成刺激和傷害,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起肺氣腫;當(dāng)濃度高于100×10-6體積濃度時(shí),會(huì)有生命危險(xiǎn)。

      另外NOx和HC在太陽(yáng)光作用下會(huì)生產(chǎn)光化學(xué)煙霧,NOx還會(huì)增加周?chē)粞醯臐舛?,而臭氧?huì)破壞植物的生長(zhǎng)、破壞紫外線(xiàn)形成的大氣層,而且還會(huì)導(dǎo)致酸雨,進(jìn)而形成硝酸鹽。

      介于以上種種危害,國(guó)際海事組織(IMO)已經(jīng)對(duì)船用柴油機(jī)制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn),目前正在實(shí)施的于2011年1月1日實(shí)行的NOx排放TierⅡ標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同類(lèi)型的柴油機(jī)有不同的計(jì)算方法,方法如表1。

      表1 NOx排放的TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)

      (2)柴油機(jī)NOx的形成機(jī)理

      迄今為止人們已經(jīng)對(duì)NOx的生產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,比較受大家認(rèn)可的是策爾多維奇機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為柴油機(jī)排放中的NO并非主要來(lái)自燃油的燃燒,而是來(lái)自氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng),它是在氧氣過(guò)剩的情況下由于燃燒時(shí)的持續(xù)高溫形成的,在膨脹和排氣時(shí)有少量的分解,排到大氣后遇氧形成NO2和其他氮氧化物。主要反應(yīng)式如下:

      柴油機(jī)燃燒過(guò)程中噴射各區(qū)均可以生成NO,其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和局部氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時(shí)間(即高溫下所占燃燒循環(huán)的時(shí)間量)等因素有關(guān)。

      從理論上來(lái)講,柴油機(jī)NOx排放的形成是無(wú)法避免的,但通過(guò)控制燃燒過(guò)程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時(shí)間等可以加以限制。

      2 柴油機(jī)NOx排放的控制措施

      柴油機(jī)的工作過(guò)程有兩種:2沖程過(guò)程和4沖程過(guò)程,本文主要針對(duì)4沖程過(guò)程來(lái)分析。4沖程柴油機(jī)的主要工作過(guò)程見(jiàn)圖1。低轉(zhuǎn)速使NOx排放量加劇,見(jiàn)圖3。

      圖1 4沖程柴油機(jī)工作過(guò)程

      實(shí)踐表明影響柴油機(jī)NOx排放的主要因素與高溫、高壓、過(guò)氧量、紊流、滯留時(shí)間、燃油含氮量和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等有關(guān),針對(duì)以上各因素可以采取相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)降低NOx的生成量。

      2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整

      發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整主要還是集中在對(duì)燃油噴射壓力、噴射提前角以及噴射持續(xù)時(shí)間、噴孔大小造成的紊流以及柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等方面來(lái)考慮。

      (1)優(yōu)化燃油噴射壓力

      根據(jù)實(shí)際測(cè)試可知,燃油的噴射壓力越高使得燃油的霧化效果越好,混合越均勻,燃燒更加充分,燃燒溫度也得以提高,從而NOx排放增加;過(guò)低的噴射壓力會(huì)造成燃油混合不充分造成燃油浪費(fèi),油耗上升,但NOx排放降低,考慮到經(jīng)濟(jì)性使得該方法落空。

      (2)優(yōu)化噴油正時(shí)

      NOx的排放受?chē)娪驼龝r(shí)的影響較大,燃燒可分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期,噴油正時(shí)提前使得燃油在壓縮室混合時(shí)間延長(zhǎng)(即滯燃期時(shí)間長(zhǎng)),混合更充分,進(jìn)而燃燒效果越好,NOx排放增加,若噴油正時(shí)延遲得話(huà),NOx排放會(huì)好,但燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)很差,而且煙度和微粒物會(huì)增加,鑒于燃油經(jīng)濟(jì)性和NOx排放的影響,一般在調(diào)整噴油正時(shí)時(shí)會(huì)進(jìn)行綜合考慮。

      (3)優(yōu)化噴油器噴孔

      在設(shè)計(jì)選擇噴油器的時(shí)候,一般盡可能的選擇使用孔數(shù)多、孔徑細(xì)的噴油器,這樣不僅能增加噴射范圍,而且混合效果也好,相對(duì)來(lái)說(shuō)初期噴射時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)些,但過(guò)多、過(guò)細(xì)的孔徑使得NOx排放增加,同時(shí)孔易堵塞等,一般中速柴油機(jī)選取使用5~7個(gè)孔的噴油器,另外MAN新型的噴油器(油嘴部分增加滑閥)能更好的控制噴油效果,防止噴油后出現(xiàn)滴油現(xiàn)象(圖2)。

      (4)優(yōu)化噴射時(shí)間

      噴射時(shí)間越短N(yùn)Ox生成量越少,這樣會(huì)使得噴射速度越快越好。

      (5)優(yōu)化柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速

      柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)于NOx排放起著重要的影響,過(guò)

      圖2 MAN公司的噴油器改進(jìn)

      圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)NOx排放的影響

      2.2 燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化

      NOx排放與燃燒室的局部最高燃燒溫度有著密不可分的關(guān)系,見(jiàn)圖4。

      圖4 NOx排放與燃燒室局部最高溫度的關(guān)系

      (1)優(yōu)化柴油機(jī)的壓縮比

      柴油機(jī)的壓縮比控制著著火延遲期的長(zhǎng)短。降低壓縮比,有利于著火延遲,降低最高爆壓,可使得燃燒最高溫度降低,進(jìn)而使得NOx排放降低,炭煙增加。但壓縮比過(guò)低,柴油機(jī)點(diǎn)火困難。反之,壓縮比高,則最高爆壓增大,氣缸工作惡劣,強(qiáng)度要求高,經(jīng)濟(jì)性好。壓縮比對(duì)NOx的影響較為復(fù)雜,選取壓縮比時(shí)需綜合考慮。

      (2)水化技術(shù)

      水化技術(shù)可分為3種不同的摻水方式,燃燒室直接噴水技術(shù)、加濕技術(shù)(中冷器進(jìn)氣口噴水)和燃油摻水乳化技術(shù)。

      水具有較高的比熱,在燃燒過(guò)程中吸熱可降低燃燒最高溫度,水跟油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度,從而使燃燒溫度進(jìn)一步降低,該方式在降低NOx排放的同時(shí),對(duì)燃油摻水乳化技術(shù)來(lái)說(shuō)還有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排氣煙度,并有降噪效果,但水會(huì)對(duì)氣缸壁有腐蝕作用,以上3種技術(shù)雖然都能不同程度的降低NOx排放,但現(xiàn)階段都只限于試驗(yàn)室階段,尚未推廣中。

      2.3 采用廢氣再循環(huán)技術(shù)

      采用廢氣再循環(huán)(EGR)是降低NOx排放的一項(xiàng)極為有效的措施,目前在汽車(chē)上得到了較為成熟的運(yùn)用。EGR在所有負(fù)荷條件下都可以有效的減少NOx排放。定量廢氣引入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中,再循環(huán)到燃燒室內(nèi),有利于點(diǎn)火延遲,增加了參與反應(yīng)物的熱容量以及CO2、H2O等惰性氣體對(duì)氧氣的稀釋作用,從而降低最高燃燒溫度,減少NOx的生成,大約60%~70%的NOx在高負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生,此時(shí)采用合適的廢氣再循環(huán)對(duì)于減少NOx是很有效的。廢氣再循環(huán)率為15%時(shí),NOx排放可以減少50%以上,而廢氣再循環(huán)率為25%時(shí),NOx可減少80%以上,但隨著廢氣再循環(huán)率的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度變慢,燃燒穩(wěn)定性變差,HC和油耗增加,功率下降。若采用"熱EGR"還可以同時(shí)減少HC和PM的排放,并不會(huì)增加油耗,在中、低負(fù)荷時(shí)凈化效果更佳。由于EGR氣門(mén)的升程信號(hào)會(huì)因氣門(mén)座積炭而不能正確反應(yīng)EGR量,其相應(yīng)速度較慢,所以廢氣再循環(huán)量更應(yīng)通過(guò)進(jìn)氣流量和EGR氣門(mén)的升程信號(hào)相結(jié)合來(lái)反應(yīng)。EGR裝置見(jiàn)圖5。

      圖5 廢氣再循環(huán)裝置示意圖

      2.4 選擇性催化還原系統(tǒng)

      選擇性催化還原系統(tǒng)(圖6)目前主要是將柴油機(jī)所排放的廢氣通過(guò)與尿素(NH3)混合,然后一起被送到催化劑反應(yīng)腔進(jìn)行還原反應(yīng),從而將有害氣體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)中和掉。該方法能更大程度上減少NOx的排放,試驗(yàn)表明一次還原反應(yīng)大約能夠還原85%~95%的NOx排放量,其配比量對(duì)于40%尿素溶液來(lái)說(shuō),其消耗量大約是20~25g/kWh。但其缺點(diǎn)是尿素容腔太大,而且對(duì)于不同的柴油機(jī)在不同的工況下需要記錄不同的數(shù)據(jù),從而被輸送到芯片中進(jìn)行備案以達(dá)到配比的目的,再者就是排氣背壓可能因裝了這么一個(gè)裝置后背壓有過(guò)大情況。

      圖6 選擇性催化還原系統(tǒng)

      3 結(jié)束語(yǔ)

      本文所介紹的各種減少NOx排放的措施,都不同程度上存在一定的局限性,在減少NOx排放的同時(shí)有可能導(dǎo)致柴油機(jī)在動(dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性的下降,對(duì)其他排放物,比如顆粒、HC、CO、CO2等反而會(huì)增加,要進(jìn)一步減少NOx排放,從根本上還得從柴油機(jī)的燃燒過(guò)程著手,比如目前日本使用的可變?nèi)加屯馆喖瓤紤]到了燃油經(jīng)濟(jì)性,又能很大程度上改善NOx排放,今后研究柴油機(jī)NOx產(chǎn)生機(jī)理以及改善燃燒方式仍將是一個(gè)重點(diǎn)。

      [1]郭國(guó)勝.柴油汽車(chē)排放控制技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī),2006,(2):33-36.

      [2]郭猛超,姜大海,王 琛 ,李幸丹.柴油機(jī)排放控制技術(shù)發(fā)展綜述[J].內(nèi)燃機(jī),2008,(1):7-10.

      [3]楊 輝,郭寶圣.增壓柴油機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī),2008,(5):32-34.

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