混合燃料內燃機PM2.5排放控制方法

張旻玥

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100191

混合燃料內燃機PM2.5排放控制方法

張旻玥

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100191

采用混合燃料控制內燃機顆粒物排放的目的是為了，降低車輛運行對大氣環境的污染，改善人類健康的生活環境，緩解傳統石化燃料資源緊張。主要闡述的內容就是探討不同內燃機代用燃料對顆粒物排放生成的機理及控制方法。

內燃機；顆粒物；控制方法

隨著我國經濟的持續快速發展和城鎮化進程的加速推進，汽車工業已成為我國國民經濟的重要支柱產業，并在經濟和社會發展中發揮著積極作用。然而，汽車保有量的快速增長也為我國的能源安全和環境保護提出了一系列問題。除了對石油資源的大量消耗以外，機動車排放也是城市污染的主要來源之一，北京城市大氣中PM2.5排放有30%左右來自于機動車尾氣。盡管電動汽車和混合動力汽車等技術在近年來已經取得一定發展，但短期內內燃機仍將是汽車的主要動力源[1-2]。而內燃機在運行時恰恰最容易產生粒徑小于2.5微米的細顆粒和粒徑小于0.1微米的超細顆粒。這些細顆粒和超細顆粒雖然在總顆粒數中所占的質量分數很低，但其所占的顆粒數目百分比卻相對較大。同時，Dockery 等最早發現PM2.5 與死亡率呈正相關關系，而PM10等相對較大的顆粒對人體健康的影響卻并不明顯[3]。由此可見，降低內燃機運行時所產生的細顆粒和超細顆粒物排放已經迫在眉睫。

1 內燃機PM2.5生成原理

柴油機由于采用擴散式燃燒，因而其較氣道噴射的汽油機在運行時更易產生顆粒物排放。在擴散燃燒過程中，柴油被以高壓噴入到氣缸內，由于油束在缸內與空氣混合的時間很短，因而未燃的柴油極易產生顆粒物排放。柴油機運行時所產生的顆粒物主要來自于燃料中的碳元素、吸附性有機化合物以及少量的硫酸鹽、硝酸鹽、灰分等。

汽油機運行時同樣會產生顆粒物排放，但因其運行時不產生明顯的黑煙，因而以往并未引起廣泛關注。特別是對于直噴汽油機而言，局部區域過濃的混合氣和未蒸發的液態油滴擴散燃燒都會引起顆粒排放增加，并且相對較低的缸內溫度也造成了微粒氧化不完全。

2 現有PM2.5控制方法及特點

通過采用HCCI、高壓共軌或調整噴油規律等技術雖然可以降低內燃機運行時所產生的顆粒物排放，但是這些技術對內燃機本體結構和電子控制單元的改動量均較大，普遍存在成本高、系統復雜和難以被在用車輛所采用的問題。

顆粒捕集器（DPF）是目前對車輛顆粒物排放最有效的處理方式。DPF通常由收集排氣微粒的濾芯和周期性的把濾芯中積存的微粒燃燒或氧化掉的再生系統組成。但是，當DPF上積聚的顆粒物過多時，顆粒捕集器的吸附作用就會被減弱。因此，顆粒物捕集器的倆大關鍵技術是過濾材料和過濾體再生技術。

氧化催化轉化器（DOC）也是降低車輛尾氣中顆粒物的手段之一。DOC以鉑（Pt）和鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，主要降低微粒排放中的SOF的含量，從而降低PM的排放。采用DOC、DPF等后處理手段是目前控制內燃機顆粒物排放的主要方法，但是由于內燃機燃料中含有的硫等雜質會破壞催化劑的性能，因此該系統長時間運行也面臨著轉化能力降低的問題。同時，DOC和DPF等系統的造價也相對昂貴。

3 混合燃料PM2.5控制方法

降低燃料中硫、乙烷及丙烷等顆粒前驅物含量，提高氧含量，并減少燃料中不飽和烴和芳烴含量均有利于降低燃料燃燒時所產生的顆粒物排放。向燃料中混合少量添加劑或與內燃機代用燃料混合，是改善內燃機顆粒物排放的有效手段之一。

氫氣是一種不含碳的燃料，且其相比汽柴油而言具有稀燃極限寬、燃燒及擴散速度快等特點。因而使用氫氣作為添加劑來提高汽柴油內燃機性能的研究在近年來得到廣泛關注。Zhao和Stone等學者[4]的研究表明，向汽油機中添加氫氣有利于減少顆粒物的生成。當摻氫分數由0%提高至10%時，汽油機運行時的顆粒物數目和質量最高可以降低95%以上。同時，摻氫對降低汽油機低負荷時顆粒物排放的作用較高負荷時更加明顯。

提高進氣中的氧濃度或向燃料中摻入含氧添加劑也有利于促進燃料的充分燃燒，進而減少顆粒物的生成。提高內燃機進氣中的氧濃度可以有效地控制內燃機顆粒物排放。同時，向燃料中添加乙二醇醚等不含碳環結構的含氧燃料也可以明顯降低內燃機顆粒物排放。

甲醇和乙醇是可以通過生物質或煤等制取的燃料。由于醇類具有更高的H/C和O/C比，因而向內燃機中加入醇類添加劑可以改善燃料的燃燒過程，從而控制顆粒物排放的產生。就甲醇而言，在高負荷條件下，向燃料中適量添加低于10%的甲醇可以降低顆粒物生成，但當甲醇添加量達到15%時，柴油機運行時的顆粒物排放會迅速升高。此外，向柴油中添加15%的乙醇可以使顆粒物排放的質量和數量分別降低。

二甲醚也是內燃機優良的代用燃料之一，且二甲醚能夠通過煤炭制取，發展二甲醚燃料內燃機符合我國“富煤、貧油”的能源格局對內燃機燃料的要求。相比汽油及醇類等液態高辛烷值燃料，二甲醚（DME）常溫下呈氣態，因而其擴散系數更高，從而使二甲醚混合燃料能夠改善混合氣的均勻性。此外，二甲醚在燃燒反應中會生成大量的CO與OH自由基，因此向燃料中摻入二甲醚能夠增強以OH自由基為基礎的活化中心反應過程，進而使燃料的燃燒速率得到有效提高。二甲醚是一種含氧燃料，因而二甲醚燃燒時能夠生成CH2O和HCO2活性自由基，從而進一步降低混合燃料內燃機PM2.5排放。

4 結論

內燃機運行時所產生的有害排放已經成為環境污染的主要來源。特別是機動車運行時產生的細顆粒物和超細顆粒物正在改變大氣環境的物理化學特征，從而帶來新的環境和健康問題。通過向汽、柴油中添加氫氣、氧氣、醇類燃料或DME燃料有利于減少內燃機運行時所產生的顆粒物排放。但是，在低負荷時過量加入醇類添加劑后，由于缸內混合氣均勻程度降低，因而顆粒物排放反而會有所增加。因此，利用醇類添加劑控制內燃機顆粒物排放應在大負荷階段采用，并注意控制醇類添加劑的使用量。

[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