李文貴

摘要：內(nèi)燃機(jī)廢氣排放是目前環(huán)境污染的主要來(lái)源;而處理內(nèi)燃機(jī)廢氣排放，降低NOx排放的難度最大?？墒莾?nèi)燃機(jī)燃料中并不含有氮元素，NOx排放主要來(lái)源于空氣中的氮?dú)庠诟邷馗邏合屡c氧氣反應(yīng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，利用純氧代替空氣實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的燃燒，可以實(shí)現(xiàn)NOx零排放;同時(shí)把燃燒后的廢氣再循環(huán)（exhaust gas recycle，簡(jiǎn)稱EGR）引入氣缸，以降低燃燒的劇烈程度，并通過(guò)控制EGR量可增壓內(nèi)燃機(jī)，進(jìn)而可以取消增壓器。

Abstract： Exhaust gas emissions from internal combustion engines are currently the main source of environmental pollution; while dealing with exhaust gas emissions from internal combustion engines， it is most difficult to reduce NOx emissions. However， the internal combustion engine fuel does not contain nitrogen， and NOx emissions mainly come from the nitrogen in the air that reacts with oxygen at high temperature and pressure. Through research， it was found that the use of pure oxygen instead of air to achieve combustion of internal combustion engines can achieve zero NOx emissions; at the same time， exhaust gas recycling （EGR） is introduced into the cylinder to reduce the severity of combustion. The internal combustion engine can be supercharged and the supercharger can be eliminated.

關(guān)鍵詞：純氧燃燒技術(shù);EGR;NOx零排放;取消增壓器實(shí)現(xiàn)增壓

Key words： pure oxygen combustion technology;EGR;NOx zero emission;cancel supercharger to achieve supercharging

1? 概述

柴油機(jī)燃燒柴油排放的污染物中，降低NOx排放的難度最大，會(huì)對(duì)柴油機(jī)綜合性能與經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。世界各國(guó)的內(nèi)燃機(jī)專家都在為降低柴油機(jī)的NOx排放費(fèi)盡心機(jī)，就連德國(guó)大眾這個(gè)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)先世界的企業(yè)都要通過(guò)特殊手段來(lái)達(dá)到技術(shù)法規(guī)的要求，說(shuō)明其難度之大。此外，在排量一定的情況下，為了提高內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，目前業(yè)內(nèi)普遍采用增壓加中冷的技術(shù)，卻使得內(nèi)燃機(jī)的制造與使用成本有所增加，并且新增了一個(gè)容易出故障的增壓器部件。

目前開展內(nèi)燃機(jī)純氧燃燒技術(shù)研究的專家不多，如：于瀟和吳志軍2010年研究的《廢氣再循環(huán)對(duì)純氧發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程影響的模擬研究》[1]，提出采用純氧作為氧化劑，并利用循環(huán)介質(zhì)回收缸內(nèi)廢熱，控制燃燒速度;田維、韓志強(qiáng)和吳學(xué)舜《一種純氧發(fā)動(dòng)機(jī)及其燃燒控制方法》[2]，提出采用純氧燃料以及75%廢氣再循環(huán)的混合氣，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能、減排、提高熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力;姚明宇、于海波和張廣才《純氧燃燒技術(shù)的工程問題及其研究進(jìn)展》[3]，總結(jié)了純氧燃燒技術(shù)工程應(yīng)用中煙氣再循環(huán)率的選擇、熱量分配與受熱面布置、污染物排放控制以及鍋爐熱力計(jì)算修正等方面的研究成果。因此，國(guó)內(nèi)罕見借助純氧助燃，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx零排放與增壓的方案設(shè)計(jì)。

由于柴油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)稀混合氣燃燒，不具有汽油機(jī)的爆燃特性，因此，用純氧做為柴油機(jī)助燃劑的可行性比在汽油機(jī)大，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。本文將重點(diǎn)探討柴油機(jī)采用純氧做助燃的方案設(shè)計(jì)。

2? 總體方案設(shè)計(jì)及工作控制原理

總體方案由三大部分組成，分別為：供氧系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)（ECU）組成。

總體方案實(shí)施有2種方案可供選擇，分別為：高壓儲(chǔ)氧供氧系統(tǒng)和膜分離供氧系統(tǒng)。其總體方案圖如圖1和圖2所示。

2.1 純氧進(jìn)氣系統(tǒng)組成

2.1.1 高壓儲(chǔ)氧供氧進(jìn)氣系統(tǒng)組成

高壓儲(chǔ)氧供氧進(jìn)氣系統(tǒng)為圖1中去掉排氣壓力傳感器、EGR閥、EGR冷卻器、背壓閥等部件后，主要由高壓儲(chǔ)氧罐、減壓閥、節(jié)流閥、供氧壓力傳感器、旁通進(jìn)氣閥、進(jìn)氣壓力傳感器、氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器、進(jìn)氣流量傳感器、ECU等組成。

2.1.2 膜分離供氧進(jìn)氣系統(tǒng)組成

膜分離供氧進(jìn)氣系統(tǒng)為圖2中去掉排氣壓力傳感器、EGR閥、EGR冷卻器、背壓閥等部件后[1]，主要由壓氣機(jī)、膜分離器、冷卻器、穩(wěn)壓桶、純氧控制閥、旁通進(jìn)氣閥、進(jìn)氣壓力傳感器、氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器、進(jìn)氣流量傳感器、ECU等組成。

2.2 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

由于純氧燃燒速度過(guò)快導(dǎo)致壓力升高率過(guò)高，故無(wú)法直接應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)，需通過(guò)再循環(huán)廢氣對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行控制[4]。為了使該方案的純氧燃燒系統(tǒng)具有穩(wěn)定的燃燒特性，其配備的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)有別于目前柴油機(jī)廣泛使用的EGR系統(tǒng)（現(xiàn)有EGR系統(tǒng)的廢氣循環(huán)量很?。?。因?yàn)槿加秃图冄踅M成的混合氣的燃燒速度極快，如果不加以控制，缸內(nèi)可能出現(xiàn)過(guò)高的壓力升高率，不利于柴油機(jī)的工作穩(wěn)定性，故需引進(jìn)大比例的廢氣再循環(huán)，有效控制燃燒速度[5]。主要是因?yàn)橐獏⑴c再循環(huán)的廢氣量比較大（具體比例根據(jù)不同工況需要由電控系統(tǒng)自動(dòng)控制完成），否則，氧濃度太高會(huì)使得燃燒太快或無(wú)法穩(wěn)定控制。該廢氣再循環(huán)系統(tǒng)由EGR閥、EGR冷卻器、相關(guān)傳感器、ECU組成。

2.3 ECU

ECU可以是單獨(dú)的電控系統(tǒng)，也可以是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、純氧供應(yīng)電控系統(tǒng)、EGR控制電控系統(tǒng)的集成。

2.4 工作控制原理

2.4.1 高壓儲(chǔ)氧供氧進(jìn)氣系統(tǒng)工作控制原理

①啟動(dòng)工況、怠速工況。

啟動(dòng)工況、怠速工況時(shí)，由于此工況的NOx排放量占比小，柴油機(jī)燃燒比較不穩(wěn)定，此時(shí)由ECU控制減壓閥、節(jié)流閥關(guān)閉，EGR閥關(guān)閉，旁通進(jìn)氣閥打開，這時(shí)柴油機(jī)直接用空氣助燃，與傳統(tǒng)的電控柴油機(jī)工作原理一樣。

②正常工作工況。

除了啟動(dòng)工況、怠速工況外的工作狀況本文稱為正常工作工況。正常工作工況時(shí)，純氧供應(yīng)系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)開始工作，ECU控制旁通進(jìn)氣閥關(guān)閉，并根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速不同等的要求及相關(guān)傳感器的參數(shù)控制供氧量、EGR量及噴油量，使柴油機(jī)發(fā)出不同功率。

2.4.2 膜分離供氧進(jìn)氣系統(tǒng)工作控制原理

①啟動(dòng)工況、怠速工況。

啟動(dòng)工況、怠速工況時(shí)，由于此工況的NOx排放量占比小，柴油機(jī)燃燒比較不穩(wěn)定，此時(shí)由ECU控制純氧控制閥、壓氣機(jī)關(guān)閉，EGR閥關(guān)閉，旁通進(jìn)氣閥打開，這時(shí)柴油機(jī)直接用空氣助燃，與傳統(tǒng)的電控柴油機(jī)工作原理一樣。

②正常工作工況。

正常工作工況時(shí)，純氧供應(yīng)系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)開始工作，ECU控制旁通進(jìn)氣閥關(guān)閉，純氧控制閥打開、壓氣機(jī)工作，并根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速不同等的要求及相關(guān)傳感器的參數(shù)控制供氧量、EGR量及噴油量，使柴油機(jī)發(fā)出不同功率。

2.4.3 無(wú)純氧供應(yīng)時(shí)控制原理

因故無(wú)法供應(yīng)純氧時(shí)，ECU根據(jù)相關(guān)傳感器參數(shù)，關(guān)閉純氧供應(yīng)相關(guān)閥門（含壓氣機(jī)），開啟旁通進(jìn)氣閥、EGR閥，直接由空氣助燃，并根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速不同等的要求及相關(guān)傳感器的參數(shù)控制EGR量及噴油量，使柴油機(jī)發(fā)出不同功率并達(dá)到最優(yōu)的排放。此時(shí)柴油機(jī)提示相關(guān)故障代碼提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充純氧或進(jìn)行維修。

3? 燃燒特性分析

柴油機(jī)石油燃料的主要成份為碳和氫，以及少量的硫、氧等雜質(zhì)。一般的碳?xì)浠衔?，總的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

碳?xì)浠衔镏懈鞒煞萑紵瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

碳完全燃燒：

碳不完全燃燒：

氫燃燒：

硫燃燒：

甲烷燃燒：

以上反應(yīng)方程式中的熱值均為273K時(shí)的熱值。

假定1kg燃料中含碳、氫、氧、硫的質(zhì)量成分分別為C、H、O、S（kg），則完全燃燒所需的理論氧氣的物質(zhì)的量為：

按氧氣質(zhì)量計(jì)為：

按氧氣標(biāo)準(zhǔn)體積（Tn=273K，Pn=9.81×10-4Pa）計(jì)，則為：

一般石油燃料，可認(rèn)為S≈0，O≈0。柴油的平均成份為C=0.875kg，H=0.125kg，可用C16H34近似表示。根據(jù)式（9）和式（10），柴油完全燃燒所需的理論氧氣量為：3.33kg氧氣/kg燃料或2.33m3氧氣/kg燃料。

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著混合氣形成方式和工作情況的不同，燃燒1kg燃料所消耗的實(shí)際氧氣量L，可能大于、小于或等于燃料完全燃燒所需的理論氧氣量■。充入氣缸內(nèi)的實(shí)際氧氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料完全燃燒所需的理論氧氣量的比值在此借用過(guò)量空氣系數(shù)的概念稱之為過(guò)量氧氣系數(shù)，也用α表示

α數(shù)值的多少，根據(jù)柴油機(jī)工況及環(huán)境條件的不同而采用不同的值，與傳統(tǒng)柴油機(jī)一樣，也是由預(yù)先寫入ECU內(nèi)的程序控制的。

4? 存在問題及可行性

整個(gè)方案實(shí)施最大的技術(shù)難點(diǎn)是供氧的問題及進(jìn)氣量中氧濃度的控制問題，以及廢氣與氧氣混合后對(duì)燃料燃燒的影響問題。

4.1 供氧問題

由于目前技術(shù)條件下仍無(wú)法直接快速地把空氣中的氮?dú)夥蛛x，因此采用液態(tài)氧的供氧方式是目前可行的辦法。

4.2 廢氣再循環(huán)問題

為解決此問題，可先通過(guò)一定的理論計(jì)算，預(yù)測(cè)出柴油機(jī)各實(shí)際工作工況為了滿足柴油機(jī)性能所需的廢氣循環(huán)量，再經(jīng)過(guò)實(shí)機(jī)驗(yàn)證，最終確定各種工況條件下的廢氣循環(huán)量并寫入ECU內(nèi)的程序中。

4.3 電控系統(tǒng)

此系統(tǒng)的電控部分與目前傳統(tǒng)柴油機(jī)的電控系統(tǒng)相差無(wú)幾，僅增加了一些供氧方面的電控傳感器與執(zhí)行器。

4.4 廢氣與氧氣混合后對(duì)燃燒的影響

這部分的問題值得認(rèn)真研究與分析，引入廢氣就是要抑制純氧助燃混合氣燃燒過(guò)快的問題，但具體引入多少比例的廢氣，要根據(jù)柴油機(jī)不同的比功率、燃油耗、環(huán)境條件、燃燒的穩(wěn)定性等做出相應(yīng)的調(diào)整。

5? 方案實(shí)施后的優(yōu)勢(shì)

①該方案在柴油機(jī)上實(shí)施后基本可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零NOx排放，HC、CO、CO2的排放也將有所下降。

②目前的柴油機(jī)均采用增壓中冷技術(shù)，目的是在同樣的氣缸容積情況下，提高進(jìn)氣壓力，增加進(jìn)氣量，降低廢氣排放、提高升功率、降低比質(zhì)量，但采用增壓中冷技術(shù)后，必須增加工藝復(fù)雜的增壓器及中冷器，由于增壓器工作時(shí)轉(zhuǎn)速130，000～150，000轉(zhuǎn)/分左右，并且與高溫廢氣直接接觸，所以，增壓器的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)難度大，故障率也比較高。如果采用純氧助燃技術(shù)，并且通過(guò)控制EGR循環(huán)量進(jìn)而控制柴油機(jī)進(jìn)氣量中氧氣的含量，就可以達(dá)到類似從自然吸氣到增壓中冷機(jī)型的升功率指標(biāo)而不需要目前的增壓器系統(tǒng)。

6? 結(jié)論

通過(guò)該方案的實(shí)施，將獲得以下結(jié)果：

①除了啟動(dòng)工況、怠速工況及無(wú)法供應(yīng)純氧外，可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)零NOx排放。

②通過(guò)調(diào)整廢氣再循環(huán)量，繼而可調(diào)整進(jìn)入氣缸中氧氣的濃度，可以達(dá)到增壓中冷柴油機(jī)的升功率指標(biāo)而不需要目前的增壓器及中冷器系統(tǒng)。

③由于正常工作工況時(shí)使用純氧做助燃劑而沒有了NOx排放，因此在控制柴油機(jī)的噴油提前角等參數(shù)時(shí)可以按照最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性來(lái)調(diào)整，而排氣后處理也可大大簡(jiǎn)化;柴油機(jī)的綜合使用成本可以大大下降。

④柴油機(jī)的制造成本或?qū)⒂兴陆怠?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]于瀟，吳志軍.廢氣再循環(huán)對(duì)純氧發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程影響的模擬研究[C].中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)（燃燒學(xué)），2010.

[2]西華大學(xué).一種純氧發(fā)動(dòng)機(jī)及其燃燒控制方法：中國(guó)成都（90），[201310597744.1].2014.02.12.

[3]姚明宇，于海波，張廣才，等.純氧燃燒技術(shù)的工程問題及其研究進(jìn)展[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2010：2112-2115.

[4]于瀟，吳志軍.廢氣再循環(huán)對(duì)純氧發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程影響的模擬研究[C].中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要，2010：194.

[5]于瀟，付樂中，吳志軍.帶有廢氣再循環(huán)的純氧發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率模擬優(yōu)化研究[C].中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)（燃燒學(xué)）.杭州，2011.