混合燃料内燃机PM2.5排放控制方法

张旻玥

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100191

混合燃料内燃机PM2.5排放控制方法

张旻玥

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100191

采用混合燃料控制内燃机颗粒物排放的目的是为了，降低车辆运行对大气环境的污染，改善人类健康的生活环境，缓解传统石化燃料资源紧张。主要阐述的内容就是探讨不同内燃机代用燃料对颗粒物排放生成的机理及控制方法。

内燃机；颗粒物；控制方法

随着我国经济的持续快速发展和城镇化进程的加速推进，汽车工业已成为我国国民经济的重要支柱产业，并在经济和社会发展中发挥着积极作用。然而，汽车保有量的快速增长也为我国的能源安全和环境保护提出了一系列问题。除了对石油资源的大量消耗以外，机动车排放也是城市污染的主要来源之一，北京城市大气中PM2.5排放有30%左右来自于机动车尾气。尽管电动汽车和混合动力汽车等技术在近年来已经取得一定发展，但短期内内燃机仍将是汽车的主要动力源[1-2]。而内燃机在运行时恰恰最容易产生粒径小于2.5微米的细颗粒和粒径小于0.1微米的超细颗粒。这些细颗粒和超细颗粒虽然在总颗粒数中所占的质量分数很低，但其所占的颗粒数目百分比却相对较大。同时，Dockery 等最早发现PM2.5 与死亡率呈正相关关系，而PM10等相对较大的颗粒对人体健康的影响却并不明显[3]。由此可见，降低内燃机运行时所产生的细颗粒和超细颗粒物排放已经迫在眉睫。

1 内燃机PM2.5生成原理

柴油机由于采用扩散式燃烧，因而其较气道喷射的汽油机在运行时更易产生颗粒物排放。在扩散燃烧过程中，柴油被以高压喷入到气缸内，由于油束在缸内与空气混合的时间很短，因而未燃的柴油极易产生颗粒物排放。柴油机运行时所产生的颗粒物主要来自于燃料中的碳元素、吸附性有机化合物以及少量的硫酸盐、硝酸盐、灰分等。

汽油机运行时同样会产生颗粒物排放，但因其运行时不产生明显的黑烟，因而以往并未引起广泛关注。特别是对于直喷汽油机而言，局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩散燃烧都会引起颗粒排放增加，并且相对较低的缸内温度也造成了微粒氧化不完全。

2 现有PM2.5控制方法及特点

通过采用HCCI、高压共轨或调整喷油规律等技术虽然可以降低内燃机运行时所产生的颗粒物排放，但是这些技术对内燃机本体结构和电子控制单元的改动量均较大，普遍存在成本高、系统复杂和难以被在用车辆所采用的问题。

颗粒捕集器（DPF）是目前对车辆颗粒物排放最有效的处理方式。DPF通常由收集排气微粒的滤芯和周期性的把滤芯中积存的微粒燃烧或氧化掉的再生系统组成。但是，当DPF上积聚的颗粒物过多时，颗粒捕集器的吸附作用就会被减弱。因此，颗粒物捕集器的俩大关键技术是过滤材料和过滤体再生技术。

氧化催化转化器（DOC）也是降低车辆尾气中颗粒物的手段之一。DOC以铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的SOF的含量，从而降低PM的排放。采用DOC、DPF等后处理手段是目前控制内燃机颗粒物排放的主要方法，但是由于内燃机燃料中含有的硫等杂质会破坏催化剂的性能，因此该系统长时间运行也面临着转化能力降低的问题。同时，DOC和DPF等系统的造价也相对昂贵。

3 混合燃料PM2.5控制方法

降低燃料中硫、乙烷及丙烷等颗粒前驱物含量，提高氧含量，并减少燃料中不饱和烃和芳烃含量均有利于降低燃料燃烧时所产生的颗粒物排放。向燃料中混合少量添加剂或与内燃机代用燃料混合，是改善内燃机颗粒物排放的有效手段之一。

氢气是一种不含碳的燃料，且其相比汽柴油而言具有稀燃极限宽、燃烧及扩散速度快等特点。因而使用氢气作为添加剂来提高汽柴油内燃机性能的研究在近年来得到广泛关注。Zhao和Stone等学者[4]的研究表明，向汽油机中添加氢气有利于减少颗粒物的生成。当掺氢分数由0%提高至10%时，汽油机运行时的颗粒物数目和质量最高可以降低95%以上。同时，掺氢对降低汽油机低负荷时颗粒物排放的作用较高负荷时更加明显。

提高进气中的氧浓度或向燃料中掺入含氧添加剂也有利于促进燃料的充分燃烧，进而减少颗粒物的生成。提高内燃机进气中的氧浓度可以有效地控制内燃机颗粒物排放。同时，向燃料中添加乙二醇醚等不含碳环结构的含氧燃料也可以明显降低内燃机颗粒物排放。

甲醇和乙醇是可以通过生物质或煤等制取的燃料。由于醇类具有更高的H/C和O/C比，因而向内燃机中加入醇类添加剂可以改善燃料的燃烧过程，从而控制颗粒物排放的产生。就甲醇而言，在高负荷条件下，向燃料中适量添加低于10%的甲醇可以降低颗粒物生成，但当甲醇添加量达到15%时，柴油机运行时的颗粒物排放会迅速升高。此外，向柴油中添加15%的乙醇可以使颗粒物排放的质量和数量分别降低。

二甲醚也是内燃机优良的代用燃料之一，且二甲醚能够通过煤炭制取，发展二甲醚燃料内燃机符合我国“富煤、贫油”的能源格局对内燃机燃料的要求。相比汽油及醇类等液态高辛烷值燃料，二甲醚（DME）常温下呈气态，因而其扩散系数更高，从而使二甲醚混合燃料能够改善混合气的均匀性。此外，二甲醚在燃烧反应中会生成大量的CO与OH自由基，因此向燃料中掺入二甲醚能够增强以OH自由基为基础的活化中心反应过程，进而使燃料的燃烧速率得到有效提高。二甲醚是一种含氧燃料，因而二甲醚燃烧时能够生成CH2O和HCO2活性自由基，从而进一步降低混合燃料内燃机PM2.5排放。

4 结论

内燃机运行时所产生的有害排放已经成为环境污染的主要来源。特别是机动车运行时产生的细颗粒物和超细颗粒物正在改变大气环境的物理化学特征，从而带来新的环境和健康问题。通过向汽、柴油中添加氢气、氧气、醇类燃料或DME燃料有利于减少内燃机运行时所产生的颗粒物排放。但是，在低负荷时过量加入醇类添加剂后，由于缸内混合气均匀程度降低，因而颗粒物排放反而会有所增加。因此，利用醇类添加剂控制内燃机颗粒物排放应在大负荷阶段采用，并注意控制醇类添加剂的使用量。

[1]National Research Council of the National Academies，Review of the Research Program of the U.S. DRIVE Partnership: 4th Report，Washington: National Academy of Sciences，2013.

[2]Tanaka N. Transport，Energy and CO2. Paris: International Energy Agency，2009.

[3]Dockery D W，Pope A，Xu X，et al．An association between air pollution and mortality in six US cities．New England Journal of Medicine，1993；329：1753-1759．

[4]Zhao H，Stone R，Zhou L. Analysis of the particulate emissions and combustion performance of a direct injection spark ignition engine using hydrogen and gasoline mixtures. Int J Hydrogen Energy 2010;35:4676-86.

TK4

A

1674-6708（2015）143-0085-01