一种降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法
技术领域
本发明涉及一种降低车辆颗粒物排放的方法，特别是涉及一种降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法。
背景技术
目前针对柴油机颗粒物，从燃烧控制和排气后处理两个方面，分别提出了如低温燃烧(LTC)和颗粒捕集器(DPF)等降低颗粒物排放的方法。新型燃烧方式(如LTC)通过优化燃烧过程的方法，能够避开颗粒物大量生成的温度和当量比区域，实现颗粒物排放的大幅下降。但是，一方面，新型燃烧方式存在工况范围狭窄的问题，另一方面，燃烧优化控制对于纳米级颗粒物排放的降低效果有限。颗粒捕集器(DPF)对颗粒物排放的捕集效率能够达到90％左右，可以有效地降低颗粒物排放。但是，颗粒捕集器在使用过程中存在一些问题，如捕集颗粒达到一定量时，排气背压升高，捕集效率下降、捕集器需要再生等。此外，对纳米级颗粒物的捕集效率取决于捕集器的捕集原理、结构、材料等因素，无法实现对纳米级颗粒物的高效捕集。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法，降低燃烧不容易控制、以及后处理装置不容易捕集的纳米级颗粒物中的单环芳香烃含量，从而降低可吸入的纳米级颗粒物对人体的危害。
本发明技术方案如下：一种降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法，包括以下步骤：
步骤一、通过缸内实时压力P随曲轴转角
步骤二、对排气采用等离子体处理、OH自由基加热处理及活性碳吸附；
步骤三、判断步骤二得到的排气中粒径小于100nm的纳米级颗粒浓度，当纳米级颗粒浓度超过第一颗粒浓度阈值时，对排气进行静电吸附处理，否则由第一颗粒捕集器捕集、第二颗粒捕集器和第三颗粒捕集器依次捕集过滤；对静电吸附处理后的排气再判断颗粒的分形维数，当分形维数超过第一阈值时，对排气喷入雾化后的甲醇和二甲醚含氧混合燃料再进行高温氧化，否则直接进行高温氧化；最后由第三颗粒捕集器捕集过滤。
进一步地，所述缸内实时压力P随曲轴转角
进一步地，所述缸内氧浓度不高于第一氧浓度阈值且高于第二氧浓度阈值时，喷入含氧燃料乙醇或正丁醇，所述缸内氧浓度不高于第二氧浓度阈值时，喷入含氧燃料碳酸二甲酯，所述第一氧浓度阈值大于所述第二氧浓度阈值。
进一步地，所述步骤二包括根据发动机排气中的气态芳香烃浓度，当气态芳香烃浓度大于第一芳香烃浓度阈值时，对排气进行等离子体处理；当气态芳香烃浓不大于第一芳香烃浓度阈值但大于第二芳香烃浓度阈值时，对排气进行OH自由基加热处理；当气态芳香烃浓不大于第二芳香烃浓度阈值时，对排气进行活性碳吸附；对排气进行处理后当气态芳香烃浓度大于第三芳香烃浓度阈值时重新进行步骤二，所述第一芳香烃浓度阈值大于第二芳香烃浓度阈值，所述第二芳香烃浓度阈值大于第三芳香烃浓度阈值。
进一步地，所述对排气进行静电吸附处理后判断静电吸附电压下降是否大于压降阈值，如为是则加载反向电压后进入判断颗粒的分形维数的步骤，如为否则依次通过第二颗粒捕集器和第三颗粒捕集器捕集过滤。
进一步地，所述第一颗粒捕集器采用蜂窝陶瓷，结构参数为：平均孔径22-25μm、孔隙率72-76％、壁厚7-8mil、长度直径比0.5-0.7；所述第二颗粒捕集器采用蜂窝陶瓷，结构参数为：平均孔径15-18μm、孔隙率65-68％、壁厚10-12mil、长度直径比0.9-1.1；所述第三颗粒捕集器采用蜂窝陶瓷，结构参数为：平均孔径10-12μm、孔隙率58-62％、壁厚14-16mil、长度直径比1.3-1.5。
本发明所提供的技术方案的优点在于：通过对燃烧过程中含氧燃料的喷入控制及对排气阶段的排气先进行等离子体处理、OH自由基加热处理及活性碳吸附然后进行静电吸附，高温氧化处理，最后由颗粒捕集器捕集，联合控制的方法明显降低了柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质的含量。
附图说明
图1为本发明方法步骤一流程示意图。
图2为本发明方法步骤二流程示意图。
图3为本发明方法步骤二的排气路径示意图。
图4为本发明方法步骤三流程示意图。
图5为本发明方法步骤三的排气路径示意图。。
图6为本发明及对比实施方式的苯排放浓度图。
图7为本发明及对比实施方式的甲苯排放浓度图。
图8为本发明及对比实施方式的乙苯排放浓度图。
图9为本发明及对比实施方式的二甲苯排放浓度图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
本实施例具体的降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法主要包括三个步骤：步骤一、通过缸内实时压力P随曲轴转角
具体的请结合图1所示，柴油机不燃烧情况下的缸压曲线(纯压缩线)为已知参数，步骤一包括以下步骤：
1.检测是否喷油
a)如果是，则执行“步骤2”。
b)如果否，则“无操作”。
2.记录喷油量，然后行“步骤3”。
3.记录缸内实时压力P随曲轴转角
4.判断压力曲线
a)如果是，则执行“步骤5”，并记录此时缸内压力P1。
b)如果否，则确定燃烧处于滞燃期，返回“步骤3”。
5.确定“燃烧进入/处于速燃期”，然后同时执行“步骤6”和“步骤7”。
6.等待压力曲线出现拐点(达到最大值后，开始下降)后进入“步骤9”。
7.检测缸内压力升高率
a)如果是，则进行“步骤8”。
b)如果否，则“无操作”。
8.设置EGR率在原有基础上增加5％(比如原来EGR率是10％，增加后就是15％)(速燃期内直接干预，采用EGR降低燃烧速度)，然后返回“步骤7”。
9.确定“燃烧进入/处于缓燃期”，然后同时执行“步骤10”和“步骤11”。
10.等待温度曲线
11.采用氧传感器检测缸内氧浓度，判断氧浓度是否高于19％
a)如果是，则“无操作”；
b)如果否，则进行“步骤12”。
12.判断氧浓度是否高于17％
a)如果是，则进行“步骤13”；
b)如果否，则进行“步骤14”。
13.喷射含氧燃料乙醇或正丁醇，喷射量为初始燃油体积喷射量的10％。
14.喷射含氧燃料碳酸二甲酯，喷射量为初始燃油体积喷射量的5％。
15.确定“燃烧进入/处于补燃期”，然后同时执行“步骤16”和“步骤17”。
16.等待缸内压力小于P1后表示“燃烧过程结束”，结束步骤一过程。
17.判断缸内温度是否低于2000K：
a)如果是，则“无操作”(温度过低，单环芳烃无法氧化)。
b)如果否，则进行“步骤18”。
18.喷射含氧燃料乙醇或正丁醇，喷射量为初始燃油体积喷射量的3％。
请结合图2及图3所示，步骤二、根据排气中的气态芳香烃浓对排气采用等离子体处理、OH自由基加热处理及活性碳吸附达到对排气过程中气态单环芳香烃的控制，具体包括以下步骤：
1.采用色谱质谱联用的方法，检测排气中的气态芳香烃浓度m，判断浓度m是否大于500mg/L：
a)如果是，则进行“步骤2”。
b)如果否，则“判断浓度m是否大于300mg/L”：
如果是，则进行“步骤3”。
如果否，则进行“步骤4”。
2.“第一流量控制阀1”将排气引入“第一排气通路2”，通过等离子体对排气中气态单环芳香烃进行处理，然后进行“步骤5”。
3.“第一流量控制阀1”将排气引入“第二排气通路3”，通过OH自由基加热处理对排气中气态单环芳香烃进行处理，然后进行“步骤5”。
4.“第一流量控制阀1”将排气引入“第三排气通路4”，通过活性碳吸附对排气中气态单环芳香烃进行处理，然后进行“步骤5”。
5.检测并判断气态芳香烃浓度m是否大于150mg/L：
a)如果是，则进行“步骤6”。
b)如果否，则进行“步骤7”。
6.“第二流量控制阀5”将排气引入“返回通路6”，将排气返回到初始排气口。
7.排气继续排出。
请结合图4及图5所示，步骤三、判断排气过程中粒径小于100nm的纳米级颗粒浓度对纳米级颗粒物中单环芳香烃进行控制
1.采用“颗粒粒径谱仪7”(粒径检测范围5nm～10μm)，检测排气中颗粒物的粒径浓度分布情况，判断“粒径小于100nm的纳米级颗粒浓度是否大于1.0×106个/cm3”：
a)如果是，则通过第三流量控制阀8，将排气引入“第四排气通路9”，进行“步骤2”。
b)如果否，则通过第三流量控制阀8，将排气引入“第九排气通路10”，进行“步骤3”。
2.颗粒加载电荷。排气通过“颗粒物静电加载装置”(荷电装置)，对排气中的颗粒物加载电荷。(由于不同粒径颗粒物的质量不同，能够加载的电荷大小也不同。颗粒物的粒径越大，加载的电荷较多。)然后进行“步骤4”。
3.排气经过“第一颗粒捕集器11”，第一颗粒捕集器11采用蜂窝陶瓷，具体结构参数为：平均孔径22-25μm、孔隙率72-76％、壁厚7-8mil、长度直径比0.5-0.7。然后进行“步骤9”。
4.采用“静电吸附”(电场加载装置)，静电电压范围为5-100V，对排气中的纳米级颗粒进行静电吸附，然后进行“步骤5”。
5.检测第四排气通路9中的实际电压，与静电吸附(电场加载装置)电压相比，判断电压下降幅度是否大于15％：
a)如果是，则进行“步骤6”。
b)如果否，则进行“步骤7”。
6.在静电吸附上加载反向电压，电压范围为5-100V，此时，第四流量控制阀12控制排气流向第五排气通路13，然后进行“步骤8”。
7.第四流量控制阀12控制排气流向第六排气通路14，然后进行“步骤9”。
8.采用“X射线散射”的检测方法，检测排气颗粒物的散射强度，通过散射强度计算得到颗粒的分形维数，判断“分形维数是否大于2.5”：
a)如果是，(说明表面不规则程度高，容易吸附PAH，需要接着进行氧化)进行“步骤10”。
b)如果否，(直接进行捕集)进行“步骤11”。
9.排气经过“第二颗粒捕集器15”，第二颗粒捕集器15采用蜂窝陶瓷，具体结构参数为：平均孔径15-18μm、孔隙率65-68％、壁厚10-12mil、长度直径比0.9-1.1。然后进行“步骤14”。
10.第五流量控制阀16控制排气流向第七排气通路17，然后进行“步骤12”。
11.第五流量控制阀16控制排气流向第八排气通路18，然后进行“步骤13”。
12.在尾气中喷入雾化后的甲醇和二甲醚含氧混合燃料，然后进行“步骤13”。
13.采用电加热的方法，对尾气加热到500℃，对排气颗粒物进行“高温氧化”，然后进行“步骤14”。
14.排气经过“第三颗粒捕集器19”，第三颗粒捕集器19采用蜂窝陶瓷，具体结构参数为：平均孔径10-12μm、孔隙率58-62％、壁厚14-16mil、长度直径比1.3-1.5。然后进行“步骤15”。
15.排气排出。
以某柴油机为例，分别测量未使用任何技术措施、采用低温燃烧(LTC)、采用颗粒捕集器(DPF)、以及采用本发明设计的降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方法后，排气中纳米级颗粒物中苯、甲苯、乙苯、二甲苯等单环芳香烃的含量，结果如图6-9所示。柴油机采用低温燃烧(LTC)和颗粒捕集器(DPF)对于降低纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量有一定的作用，采用本发明设计降低纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量的方案后，相比于低温燃烧(LTC)和颗粒捕集器(DPF)，纳米级颗粒物单环芳香烃物质含量又进一步下降。本发明的方案对于降低柴油机纳米级颗粒物单环芳香烃物质的含量，有明显的降低效果。
