CN112065549A - 一种降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法 - Google Patents

一种降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，步骤一、通过缸内实时压力P随曲轴转角
Figure DDA0002681710970000011
的变化曲线及缸内实时温度T随曲轴转角
Figure DDA0002681710970000012
的变化曲线判断汽油机缸内燃烧状态，在不同时期喷入醇类含氧燃料、喷入含氧燃料二甲醚或碳酸二甲酯或通入氧离子；步骤二、判断排气过程中粒径小于2.5μm的微米级颗粒浓度进行静电吸附处理、高温氧化及颗粒捕集器捕集过滤，对微米级颗粒物中多环芳香烃进行控制；步骤三、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。通过本发明方法对发动机排气的微米级颗粒物中的多环芳香烃含量，有明显的降低效果。

Description

一种降低汽油机微米级颗粒物多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汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法。
背景技术
目前针对汽油机颗粒物，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，燃烧优化控制对于微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，对微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，无法实现对微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汽油机微米级颗粒物多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微米级颗粒物中的多环芳香烃含量，从而降低可吸入的微米级颗粒物对人体的危害。
本发明技术方案如下：一种降低汽油机微米级颗粒物多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
Figure BDA0002681710950000011
的变化曲线及缸内实时温度T随曲轴转角
Figure BDA0002681710950000012
的变化曲线判断汽油机缸内燃烧状态，燃烧处于明显燃烧期时且缸内温度超过第一温度阈值时，喷入醇类含氧燃料；燃烧处于补燃期时且缸内氧浓度不高于第一氧浓度阈值时喷入含氧燃料二甲醚或碳酸二甲酯；燃烧处于补燃期、缸内温度曲线出现拐点且缸内温度不低于第二温度阈值时通入氧离子；
步骤二、判断步骤一得到的排气中粒径小于2.5μm的微米级颗粒浓度，当微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，然后由第二颗粒捕集器和第三颗粒捕集器依次捕集过滤；
步骤三、对步骤二排气采用等离子体处理、OH自由基加热处理及活性碳吸附。
进一步地，所述缸内实时压力P随曲轴转角
Figure BDA0002681710950000021
的变化曲线脱离汽油机不燃烧情况下的缸压曲线时为明显燃烧期，所述燃烧处于明显燃烧期后缸内实时压力P的升高出现拐点时为补燃期。
进一步地，所述缸内氧浓度低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，所述步骤三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第一压降阈值，如为是则加载反向电压后直接由第三颗粒捕集器捕集过滤，如为否则再次进行静电吸附处理并判断静电吸附电压下降是否大于第二压降阈值，如为是进入判断颗粒的分形维数的步骤，如为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。
进一步地，所述第一颗粒捕集器采用蜂窝陶瓷或多孔结构，结构参数为：平均孔径22-25μm、孔隙率62-68％、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或多孔结构，结构参数为：平均孔径15-18μm、孔隙率50-56％、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或多孔结构，结构参数为：平均孔径10-12μm、孔隙率36-42％、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汽油机微米级颗粒物多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总多环芳香烃排放浓度图。
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汽油机微米级颗粒物多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
Figure BDA0002681710950000031
的变化曲线及缸内实时温度T随曲轴转角
Figure BDA0002681710950000032
的变化曲线汽油机缸内燃烧状态判断，在不同的燃烧阶段进行干预，目的主要是减少燃烧过程中形成的多环芳香烃；步骤二、判断排气过程中粒径小于2.5μm的微米级颗粒浓度对微米级颗粒物中多环芳香烃进行控制；步骤三、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。
具体的请结合图1所示，汽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
Figure BDA0002681710950000033
的变化曲线(通过缸内安装的压力传感器实现)，然后执行“步骤4”。
4.判断压力曲线
Figure BDA0002681710950000034
是否脱离纯压缩线
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.检测缸内温度，并判断缸内温度是否高于1700K：
a)如果是，则进行“步骤8”。
b)如果否，则“无操作”。
8.喷射醇类含氧燃料甲醇或乙醇，喷射量为初始燃油体积喷射量的3％，然后返回“步骤7”。
9.确定“燃烧进入/处于补燃期”，然后同时执行“步骤10”和“步骤11”。
10.等待温度曲线
Figure BDA0002681710950000035
出现拐点(达到最大之后，开始下降)后进入“步骤15”。
11.采用氧传感器检测缸内氧浓度，判断氧浓度是否高于21％
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19％
a)如果是，则进行“步骤13”；
b)如果否，则进行“步骤14”。
13.喷射含氧燃料二甲醚，喷射量为初始燃油体积喷射量的3％。
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.判断缸内温度是否低于2000K：
a)如果是，则“步骤16”。
b)如果否，则进行“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.通过氧离子发生器，通入氧离子，浓度不小于3000万/cm3。
请结合图2及图3所示，步骤二、判断排气过程中粒径小于2.5μm的微米级颗粒浓度对微米级颗粒物中多环芳香烃进行控制
1.采用“颗粒粒径谱仪1”(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2.5μm的微米级颗粒浓度是否大于1.0×102个/cm3”：
a)如果是，则通过第一流量控制阀F1，将排气引入“第一排气通路L1”，进行“步骤2”。
b)如果否，则通过第一流量控制阀F1，将排气引入“第七排气通路L7”，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B1”，第一颗粒捕集器B1采用蜂窝陶瓷或多孔结构，具体结构参数为：平均孔径22-25μm、孔隙率62-68％、壁厚7-8mil、长度直径比0.5-0.7。然后进行“步骤17”。
4.采用“静电吸附”(电场加载装置)，静电电压范围为5-100V，对排气中的微米级颗粒进行静电吸附，然后进行“步骤5”。
5.检测第一排气通路L1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，第二流量控制阀F2控制排气流向第二排气通路L2，然后进行“步骤18”。
7.第二流量控制阀F2控制排气流向第三排气通路L3，然后进行“步骤8”。
8.采用“静电吸附”(电场加载装置)，静电电压范围为200-2000V，对排气中的微米级颗粒进行静电吸附，然后进行“步骤9”。
9.检测第三排气通路L3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10％：
a)如果是，则进行“步骤10”。
b)如果否，则进行“步骤11”。
10.在静电吸附上加载反向电压，电压范围为200-2000V，此时，第三流量控制阀F3控制排气流向第四排气通路L4，然后进行“步骤12”。
11.第三流量控制阀F3控制排气流向第七排气通路L7，然后进行“步骤3”。
12.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2.0”：
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13”。
b)如果否，(直接进行捕集)进行“步骤14”。
13.第四流量控制阀F4控制排气流向第五排气通路L5，然后进行“步骤15”。
14.第四流量控制阀F4控制排气流向第六排气通路L6，然后进行“步骤16”。
15.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16”。
16.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17”。
17.排气经过第二颗粒捕集器B2，第二颗粒捕集器B2采用蜂窝陶瓷或多孔结构，具体结构参数为：平均孔径15-18μm、孔隙率50-56％、壁厚10-12mil、长度直径比0.9-1.1。然后进行“步骤18”。
18.排气经过第三颗粒捕集器B3，第三颗粒捕集器B3采用蜂窝陶瓷或多孔结构，具体结构参数为：平均孔径10-12μm、孔隙率36-42％、壁厚14-16mil、长度直径比1.3-1.5。然后进行“步骤19”。
19.排气排出。
再请结合图4及图5所示，步骤三、根据排气中的气态芳香烃浓度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多环芳香烃的控制，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300mg/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150mg/L”：
如果是，则进行“步骤3”。
如果否，则进行“步骤4”。
2.第五流量控制阀F5将排气引入第八排气通路L8，通过等离子体对排气中气态多环芳香烃进行处理，然后进行“步骤5”。
3.第五流量控制阀F5将排气引入第九排气通路L9，通过OH自由基加热处理对排气中气态多环芳香烃进行处理，然后进行“步骤5”。
4.第五流量控制阀F5将排气引入第十排气通路L10，通过活性碳吸附对排气中气态多环芳香烃进行处理，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75mg/L：
a)如果是，则进行“步骤6”。
b)如果否，则进行“步骤7”。
6.第六流量控制阀F6将排气引入返回通路L11，将排气返回到初始排气口。
7.排气排出。
以某汽油机为例，分别测量未使用任何技术措施、采用均质充量压燃(HCCI)、采用汽油机颗粒捕集器(GPF)、以及采用本发明设计的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法后，排气中微米级颗粒物中萘、菲、芘、苯并芘等总多环芳香烃平均排放的含量，结果如图6所示。汽油机采用均质充量压燃(HCCI)和颗粒捕集器(GPF)对于降低微米级颗粒物多环芳香烃物质含量有一定的作用，采用本发明设计降低微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方案后，相比于均质充量压燃(HCCI)和颗粒捕集器(GPF)，微米级颗粒物多环芳香烃物质含量又进一步下降。本发明的方案对于降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质的含量，有明显的降低效果。

Claims (6)

1.一种降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过缸内实时压力P随曲轴转角
Figure FDA0002681710940000011
的变化曲线及缸内实时温度T随曲轴转角
Figure FDA0002681710940000012
的变化曲线判断汽油机缸内燃烧状态，燃烧处于明显燃烧期时且缸内温度超过第一温度阈值时，喷入醇类含氧燃料；燃烧处于补燃期时且缸内氧浓度不高于第一氧浓度阈值时喷入含氧燃料二甲醚或碳酸二甲酯；燃烧处于补燃期、缸内温度曲线出现拐点且缸内温度不低于第二温度阈值时通入氧离子；
步骤二、判断步骤一得到的排气中粒径小于2.5μm的微米级颗粒浓度，当微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，然后由第二颗粒捕集器和第三颗粒捕集器依次捕集过滤；
步骤三、对步骤二排气采用等离子体处理、OH自由基加热处理及活性碳吸附。
2.根据权利要求1所述的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，所述缸内实时压力P随曲轴转角
Figure FDA0002681710940000013
的变化曲线脱离汽油机不燃烧情况下的缸压曲线时为明显燃烧期，所述燃烧处于明显燃烧期后缸内实时压力P的升高出现拐点时为补燃期。
3.根据权利要求1所述的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，所述缸内氧浓度低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。
4.根据权利要求1所述的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，所述步骤三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。
5.根据权利要求1所述的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，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第一压降阈值，如为是则加载反向电压后直接由第三颗粒捕集器捕集过滤，如为否则再次进行静电吸附处理并判断静电吸附电压下降是否大于第二压降阈值，如为是进入判断颗粒的分形维数的步骤，如为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。
6.根据权利要求1所述的降低汽油机微米级颗粒物多环芳香烃物质含量的方法，其特征在于，所述第一颗粒捕集器采用蜂窝陶瓷或多孔结构，结构参数为：平均孔径22-25μm、孔隙率62-68％、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或多孔结构，结构参数为：平均孔径15-18μm、孔隙率50-56％、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或多孔结构，结构参数为：平均孔径10-12μm、孔隙率36-42％、壁厚14-16mil、长度直径比1.3-1.5。
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