降低汽车尾气中NOX的技术进展

张 文

(天津电子信息职业技术学院,天津市 300132)

降低汽车尾气中NOX的技术进展

张 文

(天津电子信息职业技术学院,天津市 300132)

文章介绍了汽车尾气污染物的危害以及NOX的生成机理,从废气再循环技术、缸内直喷式燃烧技术、代用燃料、电子控制技术、催化还原技术等几个方面,对降低汽车尾气中NOX的排放技术进行了研究。

氮氧化物;废气再循环技术;缸内直喷式燃烧技术;催化还原技术

随着经济的快速发展,汽车工业也取得了前所未有的进步,汽车在给人们带来便利的同时,也成了对我们赖以生存的大气造成污染的主要来源,汽车排放的主要污染物由一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NO)硫化物和微粒物等成分组成。

据统计,大气中 21.7%的 HC、38.5%的 CO、55%的 NO X、11.7%的 CO2、6.2%的 SO2、32%的微粒来自汽车,而城市大气中87%的HC、61%的CO、87.6%的NOX来自汽车。其中,NOX是NO、NO2、N2O3等的混合物,NO约占90%,NOX进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸,对肺组织产生剧烈的刺激作用。亚硝酸盐则能与人体内的血红蛋白结合,形成变性?红蛋白,可在一定程度上导致组织缺氧。另外,NOX受阳光严甫外线照射后发生化学反应,形成光化学烟雾,当光化学烟雾种的光化学氧化剂超过一定浓度时,能刺激眼结膜,引起流泪并导致红眼症,同时对鼻、咽、喉、器官积肥不均有刺激作用,能嬕起急性喘息症,光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。

为了保护环境,汽车工业及相关行业的峥程技术人员在致力于提高汽车动力性和燃油经济性的同时,也在致力于改善汽车尾气污染的技术研究。

一、NO X的生成机理

汽车排气中的NO X的生成与燃烧的扩散、混合浓度分布、火焰浓度分布及热的传导等一系列因素有关,反应机理十分复杂,主要是NO在进入空气后会很快被氧化成NO2、N2O3而成的,NO的生成主要包括三种形式:

1.热力型:空气中的N 2在火焰温度下被氧化而成。

2.瞬发型:含氮燃料的燃烧产物。

3.快速型:燃料中碳氢化合物在燃烧过程中分解生成的原子或原子团与空气中的N2发生反应生成氮化物,这些氮化物与火焰中大量的O、OH等进一步反应而生成。

在燃烧过程中基本可以不考虑瞬发型NO和快速型NO,因而,废气的NO X主要是空气中的N 2和O 2在燃烧室高温条件下的燃烧产物,即热力型NO。热力NO的生成过程目前为大家普遍接受的为扩展的捷尔杜维奇反应理(Extended Zeldovihc Reaction):

在燃料过量的条件下下,还存在氮原子与OH基的反应,

当空燃比在15.5左右时,混合气燃烧速度最快,循环温度最高,又有多余的O2,NOX的浓度最大,而当空燃比大于或小于15.5时,NOX生成反应分别受到燃烧温度或氧的浓度的限制,致使NOX的浓度相应降低,此外,NOX的浓度还与混合气在高温下的滞留时间有关,若在高温下滞留的时间愈长,则NOX的浓度愈大,因此,点火提前角对NOX生成率有显著的影响,随着点火提前角的减小,最高燃烧温度降低且燃气在高温下滞留时间缩短,NO X的焟成率随之减少。在稀混合氐时,N KX生成率减少的效{更明显,其原因在于浓混合气中NO X基本上是火焰初期的瞬发型热反应生成的,而在稀混合气中NOX主要在火焰后期的已燃气体中产生,NO的生成速度较低,对温度的依赖性大。从以上分析可以得出降低NOX排放有两种方法:

(1)减少缸内多余氧气比重,降低燃烧生成温度。

(2)对排气进行催化转化。

二、机内措施

1.废气再循环(Exhaust Gas Recycle-EGR)技术

EGR技术是降低NOX的有效措施,废气再循环(EGR)技术有缸内和缸外废气再循环两种,是汽车的ECU根据发动机的转速、负荷、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开,排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统,与混合气混合后进入气缸参与燃烧。由于汽车废气是一种不可燃气体,且其中的CO2,N2,H2O等惰性气体具有较高的比热容,这部分尾气通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力,抑制了NOX的生成,改善了发动机的排放。

使用EGR技术时,必须严格控制发动机在各工况下的废气再循环量,即废气再循环率,过度的废气参与

再循环,将会影响混合气的着火、性能,从而影响发动机的动力性,特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时,再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以,当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时,ECU控制废气不参与再循环,避免发动机性能受到影响;当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时,ECU控制少部分废气参与再循环,而且,参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同,以达到废气中的NOX最低。

2.缸内直喷式燃烧(Gasoline Direct Injection-GD I)技术

GD I技术的特点在于其供油系统的设计,可以使汽油以极髴压力精准的直接注入到燃烧室中,所以除了喷油嘴的构造和位置异于传统供油系统,在油气的雾化和混合效率上也更为优异。喷油器主动地向火花塞附近喷油,越靠近喷油嘴的区域,混合气浓度就越高,越远离喷油嘴的区域,混合气的浓度也就越低。由于汽车上各项电子系统控制技术的大幅进步,计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准,因此使用缸内直喷技术的发动机,其燃料雾化程度、混合气的均匀程度以及燃烧效率均得到大幅提升。使用了GD I技术,就没有必要再为了燃料充分燃烧而提供过多的氧气,氧气的减小有利于抑制NOX的生成。

图1 废气再循环技术

图2 缸内直喷式燃烧技术

3.代用燃料

代用燃料包括压缩天然气、液化石油气、醇类、氢气,其中天然气和液化石油气在地球上的储备量很大,且排放较低。由于气体燃料和空气混合充分,不需气化,加之不含铅,因此燃烧充分并可大幅改善汽车尾气排放。目前由天然气改装的单燃料CNG汽车和由柴油-CNG、柴油-LPG改装的双燃料汽车已极大地改善了汽车的排放,已有部分城市公交汽车部分采用或全部采用。但由于CNG和LPG的一些特点,目前尚有一些问题需进一步研究解决:

(1)起动慢、加速性差、排温高和失火问题。

(2)耐久安全性差、资源和供气站推广不广。

另外,二甲基醚DM E(CH3-O-CH3)由于没有C-C键,只有C-H键和C-O键,加上它含氧,因此燃烧生成的排放物低。由于它蒸发潜热大,可采用较大的EGR率,十六烷值比柴油高,着火延迟期短,因此可以抑制NOX生成和具有低的压力升高率,也是一种较理想的新兴代用燃料。

目前国家科技攻关项目中,压缩天然气、液化石油气、醇类燃料等已成为汽车节约能源和改善排放的重要课题。多数示范城市已使用了CNG,LPG汽车,而氢能、混合动力、太阳能、电动汽车等,世界上已有城市在应用。

三、机外措施

1.电子控制技术

电子控制系统的基本功能是电子控制燃油喷射和电控点火,此外还有爆燃控制、怠速控制、节气门控制、电控EGR、涡流控制和在线诊断系统)等。电控燃油喷射技术的发展经历了进气管单点喷射、多点喷射和缸内直接喷射)等阶段,电控燃油喷射技术的应用使得发动机各缸的混合气体在质和量上得到保证,同时也使发动机的空燃比A/F和点火提前角得到了精确的控制,发动机的动态响应性提高。

在普遍采用电控燃油喷射技术的同时,电子点火、爆燃控制系统等也得到普遍的应用,电子点火系统可使发动机的点火正时准确,防爆燃控制系统可使发动机工作在爆燃的边界上,发动机的动力性、经济性最佳。以上电子控制技术和辅助技术的应用,使得空气和燃料在发动机任何工况下都能得到精确控制成为可能,在提高燃油经济型和动力性的同时,大大降低汽车的排放污染。

2.催化还原技术

在汽车上使用催化还原处理系统主要是为了在不牺牲燃油经济性的前提下获得良好的排放性能,目前,在传统三元催化转化器不再能够满足新型发动机技术的情况下,低温等离子体辅助催化技术逐渐成为人们研究的热点,被认为是该领域很有发展前途的高新技术之一。

低温等离子催化还原技术具有流程短、转化效率高、处理彻底、无二次污染、能耗低、适应温度范围广等特点,可同时去除汽车尾气中的NOX和颗粒,将NO氧化成NO2,但不会进一步氧化成硝酸,克服了其他技术在生成NO2方面的缺点,拓宽了催化剂的温度窗口,使催化剂在150℃～400℃之间对NOX的转化效率可达到65%以上。

低温等离子催化还原技术对燃料的含硫量几乎没有要求,可有效地防止催化剂中毒现象,抗毒性很强。其低温等离子体不仅能提高催化剂的选择活性,可以在相对低的温度下运行,而且能延长其使用寿命,提高了净化效率。

[1]孙芳,李志军等.降低稀燃汽油机NOx排放技术进展[J].内燃机,2003,(02).

[2]李志军,秦敬哲,孙济美.柴油机废气净化新技术[J].拖拉机与农用运输车,2000,(05).

[3]陈育春,付名利,叶代启,梁 红.柴油机排气PM 与NO X同时催化净化技术[J].车用发动机,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

张文(1976-),山西洪洞人,天津电子信息职业技术学院,工学硕士,讲师,主要研究方向:汽车发动机电控、汽车尾气后处理。