第七章 低排放燃料.ppt

南昌大学机电学院 第七章低排放燃料 石油燃料性质对排放的影响石油燃料的低排放改造非石油燃料的排放特性 南昌大学机电学院 7 1石油燃料性质对排放的影响 一 汽油的影响 南昌大学机电学院 1 辛烷值的影响 2 较低的辛烷值限制了发动机的压缩比 导致燃油消耗上升 总的污染物排放量也随之增大 1 汽油的辛烷值主要是直接关系到是否发生爆燃 较低的辛烷值可能引起较强的爆燃 并增加NOx排放量 特别是在较稀混合气的情况下更加显著 7 1石油燃料性质对排放的影响 一 汽油的影响 因为汽油密度许可的相对变化量很小 所以可以认为 密度变化对于根据标准燃料调整的发动机的排放的影响忽略不计 2 汽油密度的影响 南昌大学机电学院 3 汽油挥发性的影响 汽油的馏程主要由馏出10 50 90 的温度表征 由这些参数组合且用燃油中氧含量修正的驱动性指数DI可用来表征该燃油的发动机的驱动性或相应汽车驾驶的舒适性 包括冷起动时间 加速性能 怠速运转稳定性等 图7 1表示29种燃料的试验结果 9种为全烃汽油 11种含质量分数10 的乙醇 9种含15 的MTBE 当DI增加时 所有种类燃料的驱动性的问题均增加 且当DI 560时 驱动性恶化加剧 图7 2表示DI与排气中HC排放有关 当DI 560时 HC排放明显增加 南昌大学机电学院 4 烃类组成的影响 芳烃具有很高的辛烷值 添加芳烃组分是炼油工业为使汽油达到现代车用汽油所需要的抗爆性水平所使用的一种手段 芳烃有较高的C H比 因而有较高的密度和较大的CO2排放量 芳烃燃烧温度高 从而提高了排放NOx水平 图7 3a分别表示某汽油机以中等转速中等负荷用无芳烃的烷烃汽油和含芳烃多的高级汽油运转时 NOx排放量随过量空气系数的变化 在排放峰值 两者相差20 左右 7 1石油燃料性质对排放的影响 一 汽油的影响 南昌大学机电学院 4 烃类组成的影响 图7 4为某一轻型车汽油机的NOx排放量与汽油中芳烃体积分数的关系 芳烃分子结构比烷烃稳定 所以燃烧速率较慢 在其他相同的条件下导致较高的未燃HC排放量 当从含芳烃多的高级汽油改为烷烃汽油时 HC排放量下降15 图7 3b 苯环的这种稳定性 意味着排气中含有一部分燃料中的苯 其含量与燃料中的含量成正比 其他的芳烃在汽油机中燃烧后也会产生苯 因而增加排气的毒性 南昌大学机电学院 表7 2表示不同来源的研究结果 不论发动机技术水平和状态如何 汽油中硫下降一个数量级时 HC CO NOx等均有显著的下降 硫 s 天然存在于原油中 如果在炼油过程未进行脱硫处理 汽油受污染 硫降低三效催化转化器的效率 对氧传感器也有不利影响 因而使车用汽油机排放增加 5 硫含量的影响 南昌大学机电学院 7 1石油燃料性质对排放的影响 二 柴油的影响 柴油的组成和性质对柴油机的排放有重要影响 因此各国都对柴油品质作出明确规定 表7 3列出欧洲标准柴油的某些技术指标 我国2000年开始实施的排放法规 采用了与此等价的技术要求 南昌大学机电学院 1 十六烷值的影响 7 1石油燃料性质对排放的影响 二 柴油的影响 柴油的十六烷值对柴油机燃烧的滞燃期有很大影响 如果CN较低 则滞燃期较长 初期预混燃烧的燃油量增加 初期放热率峰值和最高燃烧温度较高 因而NOx排放量较多 高CN柴油允许较多推迟喷油 这也有利于在保持燃油经济性的条件下降低NOx排放 图7 7 高CN柴油易于自燃 可降低柴油机的CO都HC排放CN下降时柴油机冷起动性能变差 柴油机容易排气冒白烟 未燃烧柴油液滴组成的排气烟雾 CN对微粒排放的影响比较复杂 在不同条件下可能得出相反的结果 南昌大学机电学院 2 粘度 密度和馏程的影响 7 1石油燃料性质对排放的影响 二 柴油的影响 柴油的馏程也影响柴油机的微粒排放量 较重的馏分组成使柴油喷注雾化变差 蒸发迟缓 易形成局部过浓的混合气 产生较多的碳烟粒子 图7 8b表示一台自然吸气直喷式重型柴油机微粒排放的质量浓度与柴油的馏出点高于260度的馏分百分比的关系 由图可见 当E260 50 时 微粒排放的质量浓度急剧增加 当柴油粘度增加时 喷油时油束的雾化变差 燃烧恶化 排气烟度和碳烟排放增加 未燃HC排放量也会增加 柴油的密度较高 导致较大的微粒排放量 因为柴油密度超过柴油机标定范围会造成过度供油效应 南昌大学机电学院 3 芳烃含量的影响 7 1石油燃料性质对排放的影响 二 柴油的影响 柴油的芳烃含量直接影响其十六烷值 两者之间有逆变关系 只有添加十六烷值改善剂才能打破这种关系 芳烃是柴油中的有害组分 芳烃燃烧时冒烟倾向严重 所以当柴油中芳烃的体积分数增加时 柴油机微粒排放的质量浓度急剧增加 图7 8a 有关数据表示 柴油机的CO HC排放随柴油芳烃含量提高而增加 NOx排放受柴油芳烃含量影响较小 南昌大学机电学院 4 硫含量的影响 柴油中的硫在柴油机中燃烧后以SO2形式混在排气中 一部分SO2被氧化成SO3 SO3与水结合形成硫酸和硫酸盐 构成微粒质量的相当大一部分 图7 9表示一台排量14L的重型车用6缸涡轮增压直喷式柴油机 用硫含量不同的两种柴油在中等负荷运转时微粒排放物的组成 硫酸盐非常吸水 试验中对该柴油机导出了这样的经验式 由此式可以看出三个因素对微粒排放的相对影响 硫含量对微粒排放的贡献比芳烃含量大300倍 比90 馏出点大1000倍 南昌大学机电学院 4 硫含量的影响 图7 10为现代低排放重型车用柴油机 在柴油中S从5 10 4进一步下降时微粒排放的相对减少量 南昌大学机电学院 成熟的添加剂 消烟剂 消烟效果主要决定于阳离子 金属 类型 而阴离子影响很小 Ba的效果最好 图7 ll表示Ba基消烟剂对柴油机的排气烟度和微粒浓度的影响 可见Ba对降低烟度效果明显 但对排气微粒浓度 则先随着Ba的增加快速下降 然后又逐渐上升 这主要是由Ba的氧化物造成的 形成较多的BaSO4 使微粒排放量上升 所以现在不推荐使用消烟剂 5 添加剂的影响 南昌大学机电学院 7 2石油燃料的低排放改造 一 低排放汽油 对于低排放无铅汽油来说 表7 4 规定铅的质量浓度要从微量 13mg L 降低到0 以根治铅对健康的直接危害和对尾气净化催化剂的毒害作用 硫含量作了严格限制 因为硫也使催化剂中毒 生成灰分的各种无机杂质将被根治 以免影响排放控制系统 烯烃含量大幅度下降 以降低排气的臭氧生成活性 并减少汽油机内的沉积物 对芳烃特别是苯含量作了控制 以降低排气的毒性 汽油的密度变动范围要控制 以免发动机偏离标定供油量过大 南昌大学机电学院 汽油的挥发性作了更加合理而细致的规定 表7 5 既保证发动机良好的驱动性 又不会引起气阻 过量蒸发等运行可靠性和排放问题 低排放汽油允许用含氧掺和物 但对氧含量有一定限制 高含氧量的非石油燃料不在此列 7 2石油燃料的低排放改造 一 低排放汽油 南昌大学机电学院 二 低排放柴油 对于低排放柴油来说 表7 6 首先要提高十六烷值 十六烷值的概念 十六烷值是指柴油在规定试验发动机上测得有关柴油压缩着火性的一个相对性参数 十六烷指数概念 十六烷指数是指燃料固有的十六烷 是由被测燃料特性计算得出 十六烷值反映十六烷值改善剂的影响 为避免添加剂的剂量过多 应尽量减小十六烷值与十六烷指数之间的差值 南昌大学机电学院 缩小低排放柴油的密度变化范围 以保证燃油质量供给的稳定性 低排放柴油的重要特征是不惜工本降低柴油中的硫含量 这是因为硫使柴油机排气微粒中的硫酸盐成正比地增加 且高硫柴油不能应用氧化型催化剂降低微粒排放和富氧降NOx 柴油中的芳烃可增加柴油机的微粒和NOx排放 并使排气中毒性大的多环芳烃含量增加 所以 低排放柴油严格限制芳烃 二 低排放柴油 南昌大学机电学院 7 3非石油燃料的排放特性 动因1 根据已探明的世界石油蕴藏量和目前的石油消耗量 估计石油最多满足人类今后100年的需求 预计最晚到21世纪中期 石油的代用燃料将在内燃机燃料中扮演重要角色 动因2 减轻环境污染 因为有些代用燃料可排放较少的大气污染物 有些燃料能改善大气中的碳循环 较有前途的内燃机代用燃料有氢 天然气 植物油 醇类 甲醇 乙醇等 醚类 甲基叔丁基醚MTBE 二甲醚DME等 等 这些燃料或者以很小比例加入汽油或柴油中 或者以很大比例用于经过必要改造的点燃式或压燃式内燃机中 促进应用代用燃料的动因 南昌大学机电学院 一 汽油和柴油的掺水燃烧 7 3非石油燃料的排放特性 汽油掺水曾有效地用于航空活塞式内燃机 其目的是防止它全负荷运转时发生爆燃 缓解汽油辛烷值与发动机压缩比之间的矛盾 对现代车用汽油机来说 对汽油掺水的热情已经冷却1 车用汽油辛烷值的提高以及电控防爆燃系统的采用 2 汽油掺水能大幅度降低汽油机的NOx排放 但也可能导致CO和HC排放增加 3 使用麻烦以及机件的锈蚀等 汽油掺水 柴油掺水是能同时降低柴油机的微粒排放量和NOx排放量的少有手段之一 而其他各种手段大多产生互相相反的结果 所以对柴油掺水的研究工作几十年来一直没有中断 柴油掺水 南昌大学机电学院 一 汽油和柴油的掺水燃烧 已经提出三种不同的掺水方法 1 把水掺入柴油形成乳化液 可借助少量乳化助溶剂或者采用在机机械乳化法 2 直接把水喷入气缸 3 把水以雾状加入进气空气中 柴油机上的试验结果表明 含柴油70 的乳化油在标定工况的NOx排放量比纯柴油的低约25 含柴油55 的乳化油NOx排放量比柴油的低约37 5 图7 12 用乳化油时 HC和CO排放都有所上升 不是柴油机的主要排放问题 根据含水高低不同 柴油机在标定工况的排气烟度下降 微粒排放质量浓度下降 用乳化柴油时柴油机热效率相对纯柴油运转时提高 柴油掺水 南昌大学机电学院 图7 13为另 组试验数据 用的是由少量表面活性乳化剂配制成的含水乳化柴油 表明在含水量适当时 既能降低柴油机的排气烟度 又能降低燃油消耗率 1 水延长滞燃期 增加在预混合火焰中燃烧的燃油比例 因而减少在扩散火焰中生成碳烟量 2 乳化柴油雾化后可形成油包水的微滴 中心部分水的微爆作用改善了混合气形成的均匀性 促进碳烟生成的减少 一 汽油和柴油的掺水燃烧 7 3非石油燃料的排放特性 NOx排放减少的原因 柴油机燃烧室中的水降低了火焰温度 因而减少NOx排放 碳烟排放减少的原因 1 引起CO和HC排放增加 2 柴油掺水技术使用上比较麻烦 柴油掺水技术尚未广泛应用的原因 柴油掺水 南昌大学机电学院 二 天然气和液化石油气 7 3非石油燃料的排放特性 天然气是以甲烷为主的气体燃料 是相对清洁的能源 由于甲烷H C原子比高 燃烧时排放CO2相对较少 作为气体燃料 与空气易于实现均匀混合 这对于实现低排放的冷起动十分有利天然气燃烧速率比汽油低 加上点燃式发动机燃用天然气时动力指标下降 导致NOx排放下降 但是 由于天然气不易燃烧 其THC排放高于汽油 不过其中主要是甲烷 而非甲烷碳氢 NMHC 反而较少 使用天然气时CO的循环排放比用汽油时下降60 以上 图7 14a NOx的循环排放下降80 以上 图7 14b THC的循环排放虽略有增加 但能导致产生臭氧的NMHC却减少了70 以上 图7 14c 南昌大学机电学院 二 天然气和液化石油气 7 3非石油燃料的排放特性 作为移动式动力装置的燃料 天然气的主要缺点是能量密度低 不容易携带 根据携带方式不同 天然气在汽车内燃机上的应用可分为两类 一是用压缩天然气 CNG 即将天然气加压到20 30MPa 灌入高压气瓶 二是用液化天然气 LNG 即将天然气在沸点 162 以下低温冷藏 不管哪一种方式 附加成本都很高 天然气在汽车内燃机上的应用 南昌大学机电学院 二 天然气和液化石油气 7 3非石油燃料的排放特性 为了使天然气发动机使用中燃料供应的可靠 天然气汽车发动机大多用可转换燃料的两用燃料方案 即发动机既可燃用天然气 也可以燃用汽油 天然气在汽车内燃机上的应用改进方式 改进后原汽油机基本结构和参数不能改动 由于充量系数下降和燃烧迟缓 汽油改为天然气后会使发动机功率下降15 25 采用的补偿损失 通过提高压缩比 天然气辛烷值很高 来补偿一些损失 但考虑到还要用汽油的可能而很难实现 图7 l5表示发动机压缩比对发动机用汽油 CNG和LPG时动力性的对比 改进方式的缺陷 南昌大学机电学院 二 天然气和液化石油气 7 3非石油燃料的排放特性 天然气由于十六烷值低 不宜直接用于压燃式发动机 柴油机改燃天然气时经常从压燃式改为点燃式 动力性和燃料经济性很好 但结构改动较大 且不再可以回到使用柴油 为了保持发动机燃料的灵活性 柴油机应用天然气时多采用喷射少量柴油引燃天然气的双燃料方案 这种方案的优点是排气烟度低 微粒排放少 缺点是要维持两套燃料供给系统使结构复杂 燃料供给的控制比较困难 小负荷时 可能使天然气与空气的混合比超出可燃稀限 造成未燃HC大量排放 大负荷时 又可能使天然气与空气的混合气在柴油机的高压缩比下发生爆燃 天然气在柴油机上的应用 总之 天然气发动机缺乏机动性 虽然在排放方面有一定优点 但总体上不可能与汽油机和柴油机竞争 在现阶段 这种动力只适用于局部产气地区和局部行业 例如市内出租汽车行业 南昌大学机电学院 另一种气体燃料是液化石油气 LPG 其成分是丙烷和丁烷各占一半左右 由于它是石油开采 提炼以及天然气加工的副产品 总量不多 它的性质介于天然气与汽油之间 所以作为内燃机的燃料 其效果可以预测 优点1 与天然气相比 LPG的最大优点是不需要高压储气瓶 只要加压到0 5 1 0MPa就可液化 其储罐轻巧且便宜得多 比起汽油箱来还显得笨重 优点2 LPG发动机的排放比汽油发动机好 但不如天然气发动机 缺点 LPG用于车用发动机要符合严格的标准会相应增加成本 二 天然气和液化石油气 7 3非石油燃料的排放特性 液化石油气 LPG 南昌大学机电学院 三 醇类燃料及其衍生物 作为内燃机代用燃料的醇类主要有甲醇和乙醇两种 它们的理化与热工性能参数与汽油比较接近 表7 7 从汽油机改造成醇类燃料发动机没有很大困难 甲醇和乙醇都是含氧燃料 因此CO和碳烟生成倾向小 燃烧不冒烟 同时作为液体燃料 使用上很方便 醇类燃料在汽油机上的应用 南昌大学机电学院 甲醇是目前公认的很有前途的内燃机代用燃料之一 它可以从植物 煤炭和天然气加工合成 以天然气为原料生产甲醇 是目前使用得最广泛 最经济的生产方法 甲醇辛烷值很高 是点燃式内燃机的优异燃料 点燃式甲醇机压缩比可以比汽油机高 相应可节约能耗10 左右 点燃式甲醇机由于燃料含氧 排放较少的CO和HC HC中以甲醇为主 甲醇汽化潜热大 导致工质温度低 NOx排放少 缺点 甲醇机甲醛HCHO排放多 图7 16 需要用催化剂加以氧化 以减轻刺激性气味 甲醇燃料在汽油机上的应用 7 3非石油燃料的排放特性 三 醇类燃料及其衍生物 南昌大学机电学院 三 醇类燃料及其衍生物 7 3非石油燃料的排放特性 甲醇的十六烷值很低 很难直接用于压燃式发动机 为了保证直喷式甲醇压燃机发火可靠 可采用下列辅助手段 第一是在燃料喷嘴附近安装一个电热塞或火花塞 第二是喷射少量柴油引燃甲醇 甲醇在压燃式发动机上的应用 图7 17是在主喷射前10 一15 CA 喷射5 一10 左右 按发热量计 柴油时燃用甲醇的试验结果 突出的是用甲醇的压燃式发动机烟度为零 同时NOx排放比柴油机降低2 3左右 实现了低排放的运转 第三是采用着火添加剂 如乙基或环己基亚硝酸酯或硝酸酯 将它们添加到甲醇中可提高其十六烷值 从而改善其着火性能 如能使醇类与柴油混合 也能改善醇基燃料的着火性能 而不需对现有的柴油机作过多的改造 但柴油与醇类一般不能很好混合 为此可以添加高级醇 芳烃及其他相应添加剂作为助溶剂 南昌大学机电学院 三 醇类燃料及其衍生物 7 3非石油燃料的排放特性 利用催化剂 使甲醇产生改质反应 改质反应约在300度温度进行 是一个吸热反应 因而使改质气的低热值比原甲醇大20 左右 可利用内燃机的排气作为改质反应热源 可使系统的热效率得到提高 改质甲醇具有很好的燃烧特性 抗爆性能和排放性能都很好 利用催化剂使甲醇产生改质反应的应用 1 甲醇沸点较低 导致蒸发排放较高 并要采取措施防止发动机高温运转时的气阻现象 2 甲醇易吸水 吸水后对某些金属和橡胶有腐蚀和老化作用 需采取专门相应措施 3 甲醇与润滑油较难混合 甲醇机的润滑系统要采取措施 以防润滑不良 4 由于甲醇与汽油之间的特殊互溶性质 两者之间接近等量的互溶最为困难 所以 或者用M15 体积分数 以下的低醇汽油 或者用M85以上的高醇混合燃料 应用甲醇的注意事项 南昌大学机电学院 三 醇类燃料及其衍生物 7 3非石油燃料的排放特性 优点 由甲醇缩合而成 其具有很高的十六烷值 适于作压燃式内燃机的燃料 它同甲醇一样 分子中没有C C键 而且有一个氧原子 它挥发性好 与空气形成可燃混合气速率高 最近几年的试验研究已经证明 二甲醚压燃式发动机确实可以实现低排放的燃烧 烟度等于零 微粒比排放量为0 05g kW h 左右 在这种条件 可允许采用大比例的EGR降低NOx排放 由于二甲醚容易自燃 CO和HC排放大幅度降低 缺点 1 DME粘度只有柴油的1 20左右 润滑性差 供油部件容易磨损和泄漏 低压油路易发生气阻 总之其燃料供给系统需要重新开发 2 在短期内要推广二甲醚是很难想象的 因为二甲醚的生产 储存 销售 使用是一个极其复杂的系统 其综合影响尚待仔细研究 甲基叔丁基醚 MTBE 以甲醇为主要原料制成 用于无铅汽油中提高辛烷值 二甲醚 DME 南