CN1189652C - 一种降低柴油发动机尾气排放的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种降低柴油发动机尾排的方法是由发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供能量；通入空气，产生电弧使高温裂解区产生高温，将空气和柴油按比例进入高温裂解区，使柴油重整变成富含氢气的气体；将柴油与富含氢气的气体按比例混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾排。本发明具降低尾气排放，尤其对NOx的降低效果尤为显著(NOx含量从2000ppm降至20ppm)，使尾气排放达到国家排放标准，体积小，转化率高，响应时间短，节约能源的优点。

Description

一种降低柴油发动机尾气排放的方法及其装置
所属领域
本发明属于一种降低柴油发动机尾气排放的方法，具体地说涉及一种能使部分通入柴油发动机汽车的大分子燃油裂解成为富氢气体(H2和CO)从而降低汽车尾气有害物质排放的方法及其专用等离子体柴油裂解装置。
背景技术
随着社会的发展，各国城市空气污染问题的日益突出，空气污染对人类健康和地球生态环境已造成了很大的威胁，从而导致了公众和各国政府对空气污染的认识和重视。80年代在欧洲的许多大城市，交通源的排放已成为城市空气污染的主要来源。在美国，这一问题暴露的远比欧洲突出，近年来我国机动车保有量呈每7～8年翻一番的趋势，机动车主要集中于大中型城市，使得我国一些大城市的空气污染问题日益突出。由于单车污染物排放因子(单辆机动车行驶单位里程排放的污染物量)很高，我国大型城市机动车污染物排放总量已经超过发达国家类似规模的城市；同时由于城市交通和人口集中度高，机动车污染物排放密度和造成的污染浓度则比发达国家高出几倍，在城市空气污染中的分担率正在逐步增加；另外，由于机动车尾气排放高度低，在行人、自行车与汽车混行的交通方式中，这些废气排放直接危害的人口众多，造成局部地区的机动车污染问题非常严重。汽车尾气作为一种重要的大气污染源，已经成为环境治理的重大课题之一。
柴油机由于具有良好的动力性和经济性，HC和CO排放量低等优点，应用范围不仅局限于载重车辆，在轿车上的应用也越来越多。由于柴油是扩散燃烧，其扩散混合在很短的时间内进行，燃料在很短的时间内燃烧，使得局部燃烧温度过高，因而现阶段柴油机排放的重点是NOx，HC和CO也是柴油发动机的主要排放物。为了实现柴油车所有污染物排放达到最少的效果，需使燃料喷射、燃空混合和燃烧过程在操作条件范围内达到最优化，在现有的技术水平下，这种优化很难实现。
大多数发动机制造厂通过改进柴油发动机的设计减少NOx的排放，在这种情况下，氮氧化合物的排放降低50％～70％，但这样的改进影响了发动机的制造成本、燃料经济性、功率和扭矩输出、冷启动和可见烟度；由于柴油机在是在稀燃条件下进行的，普通的三效催化剂不能净化NOx的排放，利用尾气中未燃尽HC作为还原剂的NOx净化催化剂，获得20％的净化效率，但是尾气中的水分影响催化剂的活性，柴油中的硫分对催化剂也有中毒作用，还原型催化剂要求尾气中有较高的HC浓度，这样会导致油耗增加和HC排放上升；废气再循环(EGR)是一种降低尾排的简单方法，它可以降低燃烧过程中的工质温度，有效控制NOx的生成，降低NOx的排放，但随着EGR率的增加，发动机的燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和耗油率增加，功率下降，由于它实际上降低了过量空气系数，还会对完善、及时的燃烧产生不利影响；柴油机电喷系统主要是实现控制的准确性和快速性，对NOx的降低效果不显著，而且成本高，使用和维修保养的要求也很高。
作为一种无污染洁净燃料的氢气，是未来可持续利用的能源，因此氢气的制备和利用近年来一直是各国研究的重点，同时对氢燃料的关注也会一直持续到使该能源的利用渗透到降低人类社会废气污染排放的每一环节。氢作为代用燃料通入发动机，可使柴油机在很稀的空燃比条件下燃烧。装有等离子体发生装置的发动机起燃产物既无其他炭氢燃料燃烧所产生的HC、CO和炭烟等，也无近来被认为是造成地球环境恶化(温室效应)主要成分之一的CO2，其唯一有害排放物是NOx。但氢燃烧后水的生成使发动机内燃烧温度降低，NOx的排放也相应减少。目前氢燃料的使用有三方面的技术问题尚未解决好：1)氢的储存，因为相同发热量的氢与汽油重量比为0.37，而气态氢在室温下的体积却是液态汽油的3000倍；2)氢的密度低，用进气道通入氢的方法容易引起进气道回火；3)氢生产的成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、操作简单的降低柴油发动机尾气排放的方法及其使柴油裂解产生富氢气体的车载等离子体柴油裂解装置。
本发明降低柴油发动机尾气排放的方法包括如下步骤：
1)发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供电压为12-17V、电流为20-150A的能量，经过二次电源转换，变换电压为100V；
2)给等离子发生装置通入流量为0.1m3/h～0.3m3/h的空气，使等离子发生装置产生电弧，并使等离子发生装置裂解区温度为1200K～1500K；
3)将空气和柴油按重量比为3-8∶1的比例进入等离子发生装置裂解区，使流量始终保持发动机用油量的1/4-1/3的柴油重整变成富含氢气的气体；
4)将柴油与富含氢气的气体按重量比4-35∶1混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾气排放。
为了完成本发明设计了专用等离子体柴油裂解装置。
本发明的等离子体柴油裂解装置是由阴极、阳极、空气进口、柴油和空气混合物进口和裂解出的富氢气体出口组成，其特征在于阴极与陶瓷以螺纹连接，陶瓷用螺栓固定于阳极之上，空气进口位于阳极之上部，冷却水进水口，出水口位于空气进口之下，柴油和空气混合物进口位于阳极中部，并且一端位于高温裂解区域，阳极之下部有裂解出的富氢气体出口。
工作时，柴油和空气由进样口进入等离子裂解炉，在裂解区域阴阳两极高温条件下，发生全部或部分电离成为密度相等的离子和电子，由于化学性质不稳定，这部分等离子态的物质会进一步发生复合反应，形成富含H2和CO的气体。
本发明具有如下优点：
1)大量CO和H2的存在使发动机在较低温度下充分燃烧，不产生有害煤烟，降低尾气排放，尤其对NOx的降低效果尤为显著(NOx含量从2000ppm降至20ppm)，使尾气排放达到国家排放标准；
2)等离子体柴油裂解装置体积小，可沿用原发动机，不像液化气、储氢燃料车辆，除需加带笨重钢瓶外，还需对发动机做大的改造；
3)转化率高，响应时间短(小于1秒)；
4)在具有原发动机安全性和动力的情况下，可节约能源，如果有水参与反应，可节油10-20％以上；
5)可适用于各种碳氢化合物燃料，比如甲醇、柴油、重油(原油)以及天然气等；
附图说明
本发明结合附图通过实施例进一步说明如下。
图1是本发明的等离子体柴油裂解装置结构示意图。
具体实施方式
对比例：实验所用发动机是BN4115Q型柴油发动机，没有废气涡轮增压和废气再循环装置，发动机运转时不加负荷。发动机在不加任何裂解装置及控制系统时不同转速下的排放，用一台FLUX4005型号的尾气测试仪进行测量分析，原车排放结果载入表一：
                             表一
转速(r/min)                       组成
  CO(％)   CO2(％)   HC(ppm)   NOx(ppm)
  900   1.63   10.3   218   213
  1200   1.59   11.5   193   225
  1500   1.52   11.8   176   300
  1800   0.92   12.1   154   348
  2100   0.74   12.3   136   440
  2500   0.33   12.4   121   567
实施例1
如图所示1是由钨制成的阴极，阳极为其炉体本身的管状部分7(材料可采用不锈钢或铜)，本实验所用为铜阳极，电极间由绝缘的陶瓷8隔开，阴极1与陶瓷8以螺纹连接，陶瓷8用螺栓固定于阳极7之上；接通电源，由空气进口2进入的空气可使两极之间产生电弧放电，等离子弧通过电极间的缝隙产生，在裂解炉的主体部分形成高温裂解区域。裂解炉主体内腔装有冷却管，作为反应的热交换器，用于冷却裂解产物并预热空气和柴油，冷却水由进水口3进入，出水口6排出。柴油和空气的混合物由进口4进入高温裂解区域；裂解出的富氢气体由出口5通入发动机。因为水冷和电极的旋转，电极的腐蚀很小。
发动机的蓄电池给等离子体发生装置提供电压为100V不变，调整电流为30A，高温裂解区域温度为1200K，进入发生装置的纯空气流量为0.1m3/h，空气和柴油混和物比例为3∶1，通入发动机的柴油与裂解气比例为5∶1，用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表二：
                              表二
转速(r/min)                         组成
    CO(％)     CO2(％)   HC(ppm)     NOx(ppm)
  900     0.24     11.8   114     108
  1200     0.22     11.2   94     85
  1500     0.14     10.5   80     94
  1800     0.11     7.3   72     76
  2100     0.07     4.3   83     64
  2500     0.08     5.4   64     53
实施例2
发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供电压为100V，调整电流为50A，高温裂解区域温度为1300K，进入发生装置的纯空气流量为0.18m3/h，空气和柴油混和物比例为4∶1，通入发动机的柴油与裂解气比例为9∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表三：
                           表三
转速(r/min)                     组成
    CO(％)   CO2(％) HC(ppm)   NOx(ppm)
  900     0.23   10.5 89   97
  1200     0.19   9.4 86   85
  1500     0.20   9.7 73   76
  1800     0.15   8.9 66   64
  2100     0.10   7.8 52   52
  2500     0.06   6.3 40   43
实施例3
发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供电压为100V调整电流为80A，高温裂解区域温度为1400K，进入发生装置的纯空气流量为0.23m3/h，空气和柴油混和物比例为6∶1，通入发动机的柴油与裂解气比例为15∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表四：
                            表四
转速(r/min)                      组成
    CO(％)   CO2(％)   HC(ppm)     NOx(ppm)
  900     0.14   8.4   85     64
  1200     0.16   7.6   78     55
  1500     0.12   7.4   63     57
  1800     0.07   6.5   54     46
  2100     0.04   6.6   45     39
  2500     0.08   5.3   48     34
实施例4
发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供电压为100V，调整电流为120A，高温裂解区域温度为1500K，进入发生装置的纯空气流量为0.3m3/h，空气和柴油混和物比例为8∶1，通入发动机的柴油与裂解气比例为24∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表五：
                            表五
转速(r/min)                        组成
    CO(％)     CO2(％)   HC(ppm)     NOx(ppm)
  900     0.09     7.5   58     43
  1200     0.07     6.9   46     38
  1500     0.07     7.1   35     33
  1800     0.04     6.2   26     27
  2100     0.02     6.3   14     21
  2500     0.03     6.2   13     18

Claims (2)

1.一种降低柴油发动机尾气排放的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)发动机的蓄电池给等离子体柴油裂解装置提供电压为12-17V、电流为20-150A的能量，经过二次电源转换，变换电压为100V；
2)给等离子发生装置通入流量为0.1m3/h～0.3m3/h的空气，使等离子发生装置产生电弧，并使等离子发生装置裂解区温度为1200K～1500K；
3)将空气和柴油按重量比为3-8∶1的比例进入等离子发生装置裂解区，使流量始终保持发动机用油量的1/4-1/3的柴油重整变成富含氢气的气体；
4)将柴油与富含氢气的气体按重量比4-35∶1混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾气排放。
2.一种实现如权利要求1所述降低柴油发动机尾气排放的方法的专用等离子体柴油裂解装置，它是由阴极(1)、阳极(7)、空气进口(2)、柴油和空气混合物进口(4)和裂解出的富氢气体出口(5)组成，其特征在于阴极(1)与陶瓷(8)以螺纹连接，陶瓷(8)用螺栓固定于阳极(7)之上，空气进口(2)位于阳极(7)之上部，冷却水进水口(3)，出水口(6)位于空气进口(2)之下，柴油和空气混合物进口(4)位于阳极(7)中部，并且一端位于高温裂解区域，阳极(7)之下部有裂解出的富氢气体出口(5)。
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