借助純氧實現柴油機NOx零排放與增壓

李文貴

摘要：內燃機廢氣排放是目前環境污染的主要來源;而處理內燃機廢氣排放，降低NOx排放的難度最大。可是內燃機燃料中并不含有氮元素，NOx排放主要來源于空氣中的氮氣在高溫高壓下與氧氣反應。通過研究發現，利用純氧代替空氣實現內燃機的燃燒，可以實現NOx零排放;同時把燃燒后的廢氣再循環（exhaust gas recycle，簡稱EGR）引入氣缸，以降低燃燒的劇烈程度，并通過控制EGR量可增壓內燃機，進而可以取消增壓器。

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.

關鍵詞：純氧燃燒技術;EGR;NOx零排放;取消增壓器實現增壓

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

1? 概述

柴油機燃燒柴油排放的污染物中，降低NOx排放的難度最大，會對柴油機綜合性能與經濟性造成不利影響。世界各國的內燃機專家都在為降低柴油機的NOx排放費盡心機，就連德國大眾這個內燃機技術領先世界的企業都要通過特殊手段來達到技術法規的要求，說明其難度之大。此外，在排量一定的情況下，為了提高內燃機的輸出功率，目前業內普遍采用增壓加中冷的技術，卻使得內燃機的制造與使用成本有所增加，并且新增了一個容易出故障的增壓器部件。

目前開展內燃機純氧燃燒技術研究的專家不多，如：于瀟和吳志軍2010年研究的《廢氣再循環對純氧發動機工作過程影響的模擬研究》[1]，提出采用純氧作為氧化劑，并利用循環介質回收缸內廢熱，控制燃燒速度;田維、韓志強和吳學舜《一種純氧發動機及其燃燒控制方法》[2]，提出采用純氧燃料以及75%廢氣再循環的混合氣，從而實現發動機的節能、減排、提高熱效率和發動機動力;姚明宇、于海波和張廣才《純氧燃燒技術的工程問題及其研究進展》[3]，總結了純氧燃燒技術工程應用中煙氣再循環率的選擇、熱量分配與受熱面布置、污染物排放控制以及鍋爐熱力計算修正等方面的研究成果。因此，國內罕見借助純氧助燃，實現柴油機NOx零排放與增壓的方案設計。

由于柴油機可以實現稀混合氣燃燒，不具有汽油機的爆燃特性，因此，用純氧做為柴油機助燃劑的可行性比在汽油機大，容易實現預期目標。本文將重點探討柴油機采用純氧做助燃的方案設計。

2? 總體方案設計及工作控制原理

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

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

2.1 純氧進氣系統組成

2.1.1 高壓儲氧供氧進氣系統組成

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

2.1.2 膜分離供氧進氣系統組成

膜分離供氧進氣系統為圖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、膜分離器、冷卻器、穩壓桶、純氧控制閥、旁通進氣閥、進氣壓力傳感器、氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器、進氣流量傳感器、ECU等組成。

2.2 廢氣再循環系統

由于純氧燃燒速度過快導致壓力升高率過高，故無法直接應用于內燃機，需通過再循環廢氣對燃燒過程進行控制[4]。為了使該方案的純氧燃燒系統具有穩定的燃燒特性，其配備的廢氣再循環系統有別于目前柴油機廣泛使用的EGR系統（現有EGR系統的廢氣循環量很小）。因為燃油和純氧組成的混合氣的燃燒速度極快，如果不加以控制，缸內可能出現過高的壓力升高率，不利于柴油機的工作穩定性，故需引進大比例的廢氣再循環，有效控制燃燒速度[5]。主要是因為要參與再循環的廢氣量比較大（具體比例根據不同工況需要由電控系統自動控制完成），否則，氧濃度太高會使得燃燒太快或無法穩定控制。該廢氣再循環系統由EGR閥、EGR冷卻器、相關傳感器、ECU組成。

2.3 ECU

ECU可以是單獨的電控系統，也可以是發動機電控系統、純氧供應電控系統、EGR控制電控系統的集成。

2.4 工作控制原理

2.4.1 高壓儲氧供氧進氣系統工作控制原理

①啟動工況、怠速工況。

啟動工況、怠速工況時，由于此工況的NOx排放量占比小，柴油機燃燒比較不穩定，此時由ECU控制減壓閥、節流閥關閉，EGR閥關閉，旁通進氣閥打開，這時柴油機直接用空氣助燃，與傳統的電控柴油機工作原理一樣。

②正常工作工況。

除了啟動工況、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，純氧供應系統、EGR系統開始工作，ECU控制旁通進氣閥關閉，并根據柴油機負荷、轉速不同等的要求及相關傳感器的參數控制供氧量、EGR量及噴油量，使柴油機發出不同功率。

2.4.2 膜分離供氧進氣系統工作控制原理

①啟動工況、怠速工況。

啟動工況、怠速工況時，由于此工況的NOx排放量占比小，柴油機燃燒比較不穩定，此時由ECU控制純氧控制閥、壓氣機關閉，EGR閥關閉，旁通進氣閥打開，這時柴油機直接用空氣助燃，與傳統的電控柴油機工作原理一樣。

②正常工作工況。

正常工作工況時，純氧供應系統、EGR系統開始工作，ECU控制旁通進氣閥關閉，純氧控制閥打開、壓氣機工作，并根據柴油機負荷、轉速不同等的要求及相關傳感器的參數控制供氧量、EGR量及噴油量，使柴油機發出不同功率。

2.4.3 無純氧供應時控制原理

因故無法供應純氧時，ECU根據相關傳感器參數，關閉純氧供應相關閥門（含壓氣機），開啟旁通進氣閥、EGR閥，直接由空氣助燃，并根據柴油機負荷、轉速不同等的要求及相關傳感器的參數控制EGR量及噴油量，使柴油機發出不同功率并達到最優的排放。此時柴油機提示相關故障代碼提醒用戶及時補充純氧或進行維修。

3? 燃燒特性分析

柴油機石油燃料的主要成份為碳和氫，以及少量的硫、氧等雜質。一般的碳氫化合物，總的化學反應方程式如下：

碳氫化合物中各成份燃燒化學反應方程式如下：

碳完全燃燒：

碳不完全燃燒：

氫燃燒：

硫燃燒：

甲烷燃燒：

以上反應方程式中的熱值均為273K時的熱值。

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

按氧氣質量計為：

按氧氣標準體積（Tn=273K，Pn=9.81×10-4Pa）計，則為：

一般石油燃料，可認為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。

柴油機運轉時，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■。充入氣缸內的實際氧氣質量與進入氣缸內的燃料完全燃燒所需的理論氧氣量的比值在此借用過量空氣系數的概念稱之為過量氧氣系數，也用α表示

α數值的多少，根據柴油機工況及環境條件的不同而采用不同的值，與傳統柴油機一樣，也是由預先寫入ECU內的程序控制的。

4? 存在問題及可行性

整個方案實施最大的技術難點是供氧的問題及進氣量中氧濃度的控制問題，以及廢氣與氧氣混合后對燃料燃燒的影響問題。

4.1 供氧問題

由于目前技術條件下仍無法直接快速地把空氣中的氮氣分離，因此采用液態氧的供氧方式是目前可行的辦法。

4.2 廢氣再循環問題

為解決此問題，可先通過一定的理論計算，預測出柴油機各實際工作工況為了滿足柴油機性能所需的廢氣循環量，再經過實機驗證，最終確定各種工況條件下的廢氣循環量并寫入ECU內的程序中。

4.3 電控系統

此系統的電控部分與目前傳統柴油機的電控系統相差無幾，僅增加了一些供氧方面的電控傳感器與執行器。

4.4 廢氣與氧氣混合后對燃燒的影響

這部分的問題值得認真研究與分析，引入廢氣就是要抑制純氧助燃混合氣燃燒過快的問題，但具體引入多少比例的廢氣，要根據柴油機不同的比功率、燃油耗、環境條件、燃燒的穩定性等做出相應的調整。

5? 方案實施后的優勢

①該方案在柴油機上實施后基本可以實現發動機零NOx排放，HC、CO、CO2的排放也將有所下降。

②目前的柴油機均采用增壓中冷技術，目的是在同樣的氣缸容積情況下，提高進氣壓力，增加進氣量，降低廢氣排放、提高升功率、降低比質量，但采用增壓中冷技術后，必須增加工藝復雜的增壓器及中冷器，由于增壓器工作時轉速130，000～150，000轉/分左右，并且與高溫廢氣直接接觸，所以，增壓器的設計及制造技術難度大，故障率也比較高。如果采用純氧助燃技術，并且通過控制EGR循環量進而控制柴油機進氣量中氧氣的含量，就可以達到類似從自然吸氣到增壓中冷機型的升功率指標而不需要目前的增壓器系統。

6? 結論

通過該方案的實施，將獲得以下結果：

①除了啟動工況、怠速工況及無法供應純氧外，可以實現柴油機零NOx排放。

②通過調整廢氣再循環量，繼而可調整進入氣缸中氧氣的濃度，可以達到增壓中冷柴油機的升功率指標而不需要目前的增壓器及中冷器系統。

③由于正常工作工況時使用純氧做助燃劑而沒有了NOx排放，因此在控制柴油機的噴油提前角等參數時可以按照最優的燃油經濟性來調整，而排氣后處理也可大大簡化;柴油機的綜合使用成本可以大大下降。

④柴油機的制造成本或將有所下降。

參考文獻：

[1]于瀟，吳志軍.廢氣再循環對純氧發動機工作過程影響的模擬研究[C].中國工程熱物理學會（燃燒學），2010.

[2]西華大學.一種純氧發動機及其燃燒控制方法：中國成都（90），[201310597744.1].2014.02.12.

[3]姚明宇，于海波，張廣才，等.純氧燃燒技術的工程問題及其研究進展[C]//中國電機工程學會年會，2010：2112-2115.

[4]于瀟，吳志軍.廢氣再循環對純氧發動機工作過程影響的模擬研究[C].中國工程熱物理學會燃燒學學術會議論文摘要，2010：194.

[5]于瀟，付樂中，吳志軍.帶有廢氣再循環的純氧發動機熱效率模擬優化研究[C].中國工程熱物理學會（燃燒學）.杭州，2011.