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让柴油机不再冒黑烟

发布时间:2019-01-30 23:09:40  来源:互联网   阅读:0

让柴油机不再冒黑烟

全世界多达16亿的人口的身体健康正面临着恶劣空气质量的威胁,以至于每年有几十万人过早的死亡,更多的人患上各种急性或慢性的疾病。由于城市和工业的飞速发展,机动车辆大大增加,空气污染已经成为一个日益严重的问题。

在日常生活中经常可以看到,采用柴油发动机的城市公共汽车或者是一些大型的载重车辆,排气管冒出的往往是黑烟,尤其在车子启动的时候,喷出一股又黑又浓的烟。当这些烟尘越积越多,会对大气质量造成严重的污染。特别是排气中所含的颗粒物,对人体健康的影响受到人们关注。柴油发动机释放的黑色质颗粒物,其中可能包含像多环芳烃这样的有机物,对动物的实验表明,多环芳烃是致癌物。因此,对于柴油机排放污染的治理,尤其是排气中微粒物的去除,成为一个至关重要而又迫在眉睫的课题。

柴油车为什么会冒黑烟

与汽油车相比,柴油车具有更好的动力性能。近二十年来,随着涡轮增压技术和电子控制柴油直喷技术的进步和完善,柴油车越来越多地应用在小轿车上。

柴油车排放出来的黑烟,包括两种物质,即碳烟微粒和一些可溶性的有机物。这是由于在柴油机的工作过程中,生成了大分子的碳氢化合物,这些大分子的碳氢化合物最终将形成碳颗粒,也就是所谓的碳烟。另外,那些可溶性的碳氢有机物则来自未燃烧完全的燃油和润滑油,这些高分子的有机物在冷凝过程中吸附在碳微粒的表面,而成为柴油机排放黑烟的一部分。

与汽油机相比,柴油机的另两种有害气体,即 H C、 CO,排放量相当低,一般只有汽油机的几十分之一,柴油机的氮氧化物排放量也和汽油机相当,但柴油机微粒排放约为汽油机的30倍~80倍。因此,微粒排放是柴油机的显著特点,已成为制约其发展的最主要因素之一。

避免柴油机黑烟排放的方法

为了减少柴油车的黑烟排放,发达国家从70年代末就开始重视柴油机的微粒排放控制。经过近20年的研究,柴油机的微粒排放控制技术取得了很大的进展,其中一些技术的采用已经使柴油机微粒排放控制取得阶段性突破,如柴油电控高压喷射技术。在采用多种现代柴油机技术的情况下,微粒的质量浓度排放仅为20年前的10%。

柴油机的排气净化措施主要遵循三条途径:一是前处理,对燃料和空气预先进行处理,以改变燃料的燃烧反应过程,从而降低有害的排放量,常用的方法有在柴油中加入消烟添加剂,进气管喷水或者柴油掺水等;二是机内净化方式,对燃烧的过程本身进行改进,以减少有害气体的产生,常用的方法有推迟喷油、提高喷油速度和采用分隔式燃烧室等;三是后处理方式,即用各种除尘滤清净化装置、催化反应方法对排气进行最后的处理,可以进一步降低有害排物。

但是,柴油机颗粒物排放问题并没有一劳永逸地解决,相反,在这个领域内所面临的挑战却更加严峻。燃油的改进和机内净化技术给柴油机的微粒排放控制带来了新的课题。在采用了现代柴油机技术后,虽然柴油机的微粒总质量大幅度减少,但微粒的数量反而有所增加。这些微粒体积和质量远小于以前,但其所造成的危害却更大。

事实上,多年来人们一直在致力于从另一个角度出发解决微粒的排放问题———柴油机微粒排放后处理技术。目前,柴油机微粒捕集器是公认有效的后处理技术,它着眼于对已形成的微粒进行处理,相当于在柴油车的排气管上加一个过滤的装置,将排气中的微粒收集起来,使黑烟不能排放出来,从而达到了净化的目的。经过不断探索研究,人们发现这一技术将成为解决柴油机黑烟排放的卓有成效的手段。

采用过滤体实现黑烟净化

如何实现柴油机排放黑烟的净化,可以采用过滤体把微粒捕集下来,即所谓的柴油机微粒捕集器,它是一种有效的后处理技术,也是目前国际上最接近实用的柴油机排气微粒后处理技术。它采用耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体,将排气中的微粒截留在过滤体内,从而达到净化的目的。

一般的,以柴油机排气在过滤体中的流向来分,过滤体的结构有三种形式:壁流式、轴向过滤式和径向过滤式,如图1所示。

壁流式结构是目前应用和研究最广泛的过滤体结构形式,如图2所示,过滤体整体呈多通道蜂窝状,然后对这些平行通道进行相间堵孔。柴油机的排气从入口进入过滤体,然后由入口通道的壁面流入出口通道,再从出口通道排出。通道壁为多孔介质材料,可为蜂窝陶瓷或者泡沫金属,柴油机的排气在通过通道壁时,微粒沉积而被捕集于壁内或壁面上。壁流式结构的过滤效率很高,通常可达到90%。过滤体的壁流式结构是目前产业应用较好的一种结构形式,国外已有该结构形式的标准化产品。

轴向过滤式的过滤体结构,柴油机排气由入口进入,沿中心轴的方向通过过滤介质,经出口排出。轴向过滤式的过滤体内部为多孔结构,有许多小孔,小孔直径一般为0.mm,每个小孔通过开口与其他小孔相连,构成许多曲折的通道。这种形式的过滤体,比壁流式结构过滤体中所用的多孔介质的微孔大许多。轴向过滤式的泡沫陶瓷过滤体是目前国内在应用和研究中最多的,由于其生产工艺简单、价格便宜,国内已经形成了较为成熟的生产工艺,具备了产品系列化的生产能力,但与国外相比,国内产品的性能有较大的差距。

径向过滤式结构一般由两个同心圆筒组成,如图3所示,中心圆筒一端密封,两个圆筒之间为过滤介质,该介质为各种材质的纤维丝编织成的毡。纤维毡围绕中心圆筒反复折叠,构成向外发散式的多摺波纹状。柴油机排气从入口进入大圆筒中,通过两个圆筒之间的过滤介质,即纤维毡之后,流入小圆筒排出。

在过滤体的结构确定的情况下,对于过滤体所用的材料,一般要求具有较高的过滤效率,以满足净化效果的要求;而且排气阻力不能过高,以免对柴油机性能产生过大的影响;还要具有适当的机械强度和耐高温性能,以承受高温排气冲击的影响。

目前所采用的过滤材料有陶瓷和金属两种。在陶瓷材料中,堇青石开发最早,使用最广,微粒捕集效率通常可达到90%,而且造价低廉。但是这种过滤材料的使用寿命相对较短。为此,改性堇青石、莫来石、硅线石、透锂长石等作为替换材料先后得到研究。另外,采用合适的材料编织成陶瓷纤维毡也是一种较好的方式,陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制,可以做成各种各样的形状,过滤效率可高达95%。但是,陶瓷纤维是一种脆性材料,生产工艺较复杂,而且容易损坏,这是它的一个缺陷。

金属在材料的强度、韧性、导热性等方面都比陶瓷好。在柴油机微粒捕集器的应用中,目前对于金属过滤体材料的研究主要集中在泡沫合金、金属丝和金属纤维毡上。

泡沫合金是一种具有三维络骨架的材料,最早用于制造碱性电池的电极。日本住友电工公司从1995年开始将这种泡沫合金用于制备微粒过滤体。最早采用泡沫镍作为过滤材料,然而镍的抗蚀性差,于是进一步选用耐热耐腐蚀的镍铬铝合金或铁铬铝合金。这种泡沫合金具有高的热导率,在高温下过滤体不会开裂与熔化。用泡沫合金制造的过滤体的捕集效率与蜂窝陶瓷过滤体相当,在柴油机启动时大约是70%,稳定运行时超过90%。目前泡沫合金的研究已取得较大进展,并成功应用于城市公交车上。

采用金属丝,成本相对较低,但是单纯金属丝过滤体的捕集效率较低,约为20%~50%。为此国内有研究者利用由于金属丝的良好导电性,在过滤体上游加电晕荷电装置,使柴油机排气微粒带上电荷,带电微粒在经过金属丝时由于静电力的作用吸附在金属丝上,从而使综合过滤效率提高到50%~70%。

与陶瓷纤维毡过滤材料类似,也可选择合适的金属纤维编织成毡,金属纤维毡具有高强度、使用寿命长、高容尘量等特点;与丝过滤材料相比,具有过滤精度高、透气性好、表面积大等优点

让柴油机不再冒黑烟

,尤其适于在高温、有腐蚀介质等恶劣条件下的使用,因此是一种很有前途的柴油机微粒过滤材料。

把收集的微粒烧掉让过滤体“再生”

在柴油机微粒捕集器的工作过程中,随着过滤体内微粒的不断积累,堵塞了气体的流程,会引起柴油机排气阻力增加,导致柴油机功率下降、油耗上升和排放增多。所以,必须适时的清除过滤体内积存的微粒,使过滤体的排气阻力恢复到原来的水平,即过滤体的“再生”。

柴油机微粒捕集器的再生普遍采用热再生的方法,就是让过滤体内的微粒升温,使微粒着火燃烧而实现再生,燃烧再生法是至今最广泛研究和开发中的再生方式,由于实现手段的不同,主要有以下几种典型的再生方式。

首先是电加热器再生方式,用电加热器加热已捕集微粒的过滤体,并供给必要的氧气,过滤体内的微粒将着火燃烧。随着火焰的传播,过滤体内部捕集的碳烟微粒将逐渐烧掉。美国 D onaldson公司开发了中型和大型发动机用的全自动电加热器式双过滤器系统。1991年,应用这一系统的公共汽车约400辆在纽约投入运行。日本三菱汽车公司研制的捕集器装置也采用此种电加热再生系统,1996年度已有30辆公共汽车装上该过滤器系统。我国也开展了电加热再生技术的一些研究。

也可以用喷油助燃方法烧掉捕集的微粒、使过滤器再生,意大利 I VECO公司开发了双过滤器的喷油助燃再生系统,已在1000多辆城市公共汽车上安装使用。

还有微波加热再生过滤器系统,微波再生是利用微波独有的选择加热及体积加热特性,在过滤体内部形成空间分布的热源,对沉积在过滤体上的碳烟微粒进行加热,使微粒吸热、着火燃烧,从而实现过滤器再生。我国“九五”期间开发的“柴油机排气微粒过滤体微波再生装置”,可用于城市公交车、载重车上。

另外,在过滤体上负载催化剂,可降低碳烟微粒起燃温度,使在发动机的高温排气期间实现过滤器自行再生,这种过滤器称为催化过滤器。

中国是一个发展中的人口大国,在发展的同时如何有效地保护和改善现有的生存环境是一个严肃而又永恒的话题。目前世界上大气质量最差的10个城市中,中国占了3个。据一个世界银行支持的调查表明,我国主要大城市的大气污染物中有50%以上来自汽车的尾气排放。由此可见开展汽车排气污染控制与净化研究对于改善我国的大气质量具有重要的意义。

通过特性好,排气阻力小,过滤效率高,耐高温,机械性能强的高性能微粒捕集器是进一步发展的方向。在今后相当长的一段时间内,壁流式堇青石蜂窝陶瓷微粒捕集器仍将是柴油车应用的主流,但更高的要求必将鼓励高性能的替代材料出现,如镍铬铝泡沫合金,以及有色金属纤维毡等过滤材料越来越受到广泛的重视。在过滤材料机械性能进一步提高的基础上,喷油助燃再生,电加热再生技术的应用时机将更加成熟。我国的微波再生技术已经有了良好的基础,在完善的基础上可以推广,形成商业技术。

柴油车后处理技术是满足未来排放法规的重要手段,微粒过滤器和再生系统将率先应用到柴油机中。将来可能会出现一种四效的柴油机排气后处理系统,在过滤微粒物的同时,既能氧化排气中的碳氢化合物和一氧化碳,又能对氮氧化物进行还原。这些技术随着新标准的实施、配套技术水平的提高,势必获得广泛的使用。

1998年美国加州空气资源局( C ARB)将柴油排气颗粒物视为一种有毒空气污染物质,将其列为一种致癌物。柴油车排放的微粒悬浮物,能引起呼吸道病、哮喘和癌症等对人体健康危害极大的疾病。美国环保局1999年10月发表的报告中称:烟雾和颗粒物是美国国内15000人早死,100万人呼吸道疾病、40万人患气喘病,数千件严重气喘病(特别是小儿气喘病)的主要原因。

我国采用欧洲经济委员会( E CE)汽车技术法规体系来制定我国的排放标准。1999年,国家技术监督局批准发布了柴油车排放标准,在实施了柴油汽车排放标准后,我国的排气污染物的控制水平与欧洲相比,在2000年实施的或第一阶段与欧洲1992~1995年的控制水平相同;在2005年实施的第二阶段与欧洲1995~2000年的控制水平相同。

《科技》第4版

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