内燃机尾气NOx排放控制及喷水技术研究*

2017-01-12福建船政交通职业学院林金英

海峡科学 2016年12期

关键词：冲程内燃机氮氧化物

福建船政交通职业学院林金英

福建船政交通职业学院林金英

节能减排已是现代文明社会的一种共识。该文介绍了内燃机尾气NOx排放控制及缸内喷水新技术，对包括尾气余热回收、降低缸内高温、解决内燃机的节能减排有一定的指导意义。

内燃机尾气 NOx排放控制喷水技术

1 废气排放

内燃机废气排放主要包括氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等。

氮氧化物(NOx)是一种致癌物质，是城市雾霾和酸雨(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烧和二氧化碳的分离，高浓度CO有剧毒。颗粒物(PM)是无机和有机化合物的混合物。其中超过一半的颗粒物是烟尘（无机碳颗粒），明显的特征是烟。二氧化碳本身无毒,但它会导致温室效应，从而改变地球的大气层结构。氧化硫气味对人体有刺激作用，也是酸雨的主要原因之一，地下水酸化已经在有些地方出现,导致饮用水供应系统的金属腐蚀，被溶解的金属对人体健康带来伤害。如果燃料硫含量为3%，每吨燃料燃烧生成SOx大约64kg；如果使用燃料硫含量为1%，每吨燃料燃烧生成SOx降到21kg左右。欧盟为了控制空气污染，要求所有船只在欧盟港口燃烧燃料最大硫含量为0.2%，这将迫使船舶燃烧低硫燃料。

2 NOx排放控制

NOx 生成的影响因素：燃烧温度、燃烧时间及燃油与空气的预混合程度。要控制NOx的排放，可以从其生成机理和性质两方面进行分析，一般分为机内燃烧控制技术和机外排气净化技术[1]。方法有燃油乳化、发动机优化、废气再循环EGR 、选择性催化还原法SCR、喷水技术等。

燃油乳化是液体乳剂通过喷油器注入使氮氧化物排量显著减少。受到发动机型号的影响，通常1%的水可以减少1%的氮氧化物排放量。

发动机优化，在燃烧过程中改善燃烧室结构，以及优化发动机参数(气门正时、燃油喷射和涡轮增压等) 来减少氮氧化物排放。另外，智能控制技术的应用改变了传统的燃油控制模式及柴油机的管理模式，利用智能控制技术可以实现喷油时间准确控制、喷油压力和喷油量的精准控制，从而大大提高柴油机的动力性和经济性，并且减少了NOx排放。

废气再循环（EGR）是一种改变进气降低NOx排放的方法，基本原理是采用一部分废气经过处理再引回进气管，与新鲜空气混合。由于减少了燃烧区内的氧浓度，燃烧和爆炸过程中，NO的生成反应速度是与氧的浓度的平方根成正比，因此，NO的生成反应速度降低，废气中的NOx浓度也相应下降[2]。由于废气中的水和二氧化碳有较高的热容，使最高的燃烧温度降低，反过来，限制氮氧化物的形成。EGR技术是一种降低NOx排放非常有效的方法，不影响发动机的功率输出，但发动机只能燃烧清洁燃料，如低硫、低灰分以及酒精等。如果燃烧高硫燃料会导致涡轮增压器,中间冷却器和扫气管道的腐蚀。

选择性催化还原法（SCR）是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如NH3）“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。

3 内燃机喷水技术

3.1 燃烧室温度对NOx形成的影响

为了降低燃烧时的温度，一般采用加湿和直接喷水两种方法。图1为某内燃机测试的温度对NOx的实验曲线，可以看出，燃烧室温度是NOx形成的主要因素。

图1 燃烧室温度与NOX形成之间的关系

3.2 瓦锡兰发动机喷水技术

加湿降低燃烧温度方法。饱和空气参与燃烧，采用燃烧空气饱和系统（简称CASS），如图2所示。加湿法测量曲线如图3所示。

图2 加湿降低燃烧温度方法

图3 加湿法测量曲线

直喷法降低燃烧温度方法，采用双喷嘴，如图4所示。直喷法测量曲线如图5所示。

图4 直喷法降低燃烧温度方法

图5 直喷法测量曲线

3.3 宝马发动机喷水技术

3.3.1 进气道喷水方法

图6为宝马汽车水喷射系统(WIS)。进气道中增加了一款水喷射器。该喷射器先将水雾化并喷射到进气道与空气进行预混合。汽油直喷系统配合增加燃烧效率。总体节油效果可达到世界轻型车辆测试循环WLTC高速公路工况下13%及普通驾驶工况下4%。

图6 宝马汽车水喷射系统

具体的工作示意图如图7所示，该系统当发动机处于高负荷状态（High Engine Load）下被触发，由水泵（Water Pump）将水箱（Water Tank）中的水输送到水喷射器（Water Injector valve）喷射入进气道随后进入气缸，降低气缸中油气混合器的温度，从而提高燃烧效率。该工作模式被称为喷水助力（Water Boost）模式。

该水喷射系统据统计每几百公里仅消耗近百毫升的水，因此一个紧凑的水箱及几千公里加注一次的频率就可满足使用要求。另外采用空调系统中产生的凝结水珠、积少成多、一滴也不放过地利用在水喷射技术之中，从空调系统中收集冷凝水，汇总在一个特制的水箱中，通过过滤之后利用。

图7 宝马水喷射系统工作示意图

宝马汽车水喷射系统的优点主要有：（1）为充气过程提供冷却。类似于对进入气缸的空气降温。（2）可以有效防止爆震的发生。（3）可以提高发动机的压缩率，从而让发动机产生更大的扭矩。（4）能够简单而且高效地降低油耗。特别是高负荷和低转速工况。（5）避免燃油的加浓喷射和降低排气温度，特别是高负荷和高转速工况。（6）由于燃烧室温度降低，减少NOx的形成。

3.3.2 燃烧室直喷方法

目前，宝马公司所公开的缸内喷水技术，喷入的不是水，而是用废气制造的高温高压水蒸气；不是与汽油混合喷入（汽油通常在进气和压缩冲程喷入气缸），而是在做功冲程开始时才喷入。在混合气燃烧已经开始时，通过向缸内喷水（蒸气），在燃烧室顶部制造一个水蒸气隔热层，可以起到以下作用：

（1）因水蒸气温度低于燃烧室顶部，属吸热膨胀做功，热效率会高于动力涡轮的设计，这将增加扭矩10%以上，即发动机热效率提高10%以上；

（2）燃烧室顶部是热损失的关键位置。水蒸气隔热层将使热损失大幅下降，使发动机热效率增加10%以上；

（3）燃烧室顶部不会再出现500度以上的高温区域，混合气不会被高温提前加热，不易发生爆震，压缩比可提高1.5～2，热效率将提升4.5%～6%。

3.4 内燃机排气冲程喷水节能减排技术

图8为柴油机排气冲程喷水实验平台示意图。柴油机排气冲程喷水减排技术方案的主要特点是：在排气冲程中，喷射到活塞顶部的水受热，产生大量的水蒸气，把燃烧室中的尾气挤出，停留在燃烧室中的水蒸气参与下个循环的燃烧，达到减排节能的目的[3]。

采用新购买的一台风冷柴油机，缸套钻孔并安装电控喷嘴，可完成排气冲程定时喷水，其中喷水量的多少、喷水水压的大小、喷水持续时间等可调整，并可检测烟度、CO、CO2、O2、NO等浓度。

图8 柴油机排气冲程喷水实验平台示意图

4缸电控系统本身并不具备喷水功能，加装的电控系统根据多个传感器的数据综合作用来控制喷水时刻和喷射量，喷射控制系统通过控制软件实现对4缸电控系统内置控制器的输入传感器信号的模拟，从而实现对喷水时刻及喷水量的精确控制。试验前通过系统控制器中的自动标定程序，分别改变各个传感器的模拟输入值，检测喷水时刻和喷射量的变化，并将数据进行处理，获得喷水时刻和喷水量的数据表，保存在控制器中，试验时通过在显示屏中直接输入喷射时刻和喷射量，系统控制器自动查询数据表，获得传感器的模拟数据，从而改变4缸电控喷射系统输入参数，实现喷射时刻和喷射量的直接控制。