毕业设计（论文）-重型车用柴油发动机排放控制的分析研究.doc

1 二二 一一 六六 年年 六六 月月 学校代码：学校代码：1012810128 学学 号：号：201220302023201220302023 本本科科毕毕业业论论文文 题题 目目： 重型车用柴油发动机排放控制的重型车用柴油发动机排放控制的 分析研究分析研究 学学生生姓姓名名 ： 学学 院院 ： 能能 源源 与与 动动 力力 工工 程程 学学 院院 系系 别别： 交交 通通 运运 输输 系系 专专 业业： 交交 通通 运运 输输 班班 级级： 交交 通通 运运 输输1 1 2 2 - - 1 1 指指导导教教师师 ： 内蒙古工业大学本科毕业论文 摘 要 重型车用柴油发动机在动力性、热效率、燃油经济性的优点，广泛作为中大型机 械、交通工具的动力源，在社会经济发展中扮演重要角色。但柴油机的排放性能差， 如何解决柴油机排放性能成为近年来的研究课题。 本文叙述重型车用柴油机主要排气污染物（NOX、HC、CO、PM）的生成机理、影响 因素及控制技术，介绍国内外重型车用柴油机的排放控制研究现状、排放法规；以及 柴油机主要排气物的生成机理和危害，影响柴油机排放物的主要因素：混合气质量、 供油系统的参数及结构参数、柴油机运转参数、十六烷值等；介绍柴油机采用的排气 控制技术，机内净化技术：增压技术、燃烧室设计、改善燃油品质；排气后处理技术： 微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环（EGR），从国内国外两个方 面介绍这些控制技术的发展及实际应用情况，并简要分析这些技术应用存在的问题。 关键词：增压技术、微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环（EGR） 内蒙古工业大学本科毕业论文 Abstract Heavy-duty diesel engine advantage power, thermal efficiency, fuel economy is in, widely used as medium and large machinery, vehicles, power sources, play an important role in social and economic development. But the poor performance of diesel engine emissions, how to solve the diesel emissions performance is now being studied in recent years. This paper describes the mechanism of heavy-duty diesel vehicles generate major exhaust pollutants (NOX,HC,CO,PM), influencing factors and control technology, the introduction of domestic and foreign heavy vehicles with diesel emission control research status, emissions regulations; the main diesel engine exhaust formation mechanism and hazards, the main factors affecting the diesel exhaust: mixed gas quality parameters and structure parameters of fuel supply systems, engine operating parameters, cetane number and other; introduce diesel engine emission control technology, the machine purify technology: Turbo technology, combustion chamber design, improved fuel quality; exhaust aftertreatment technology: particulate trap, selective catalytic reduction (SCR), exhaust gas recirculation (EGR), introduced from both domestic and foreign aspects of these control the development and practical application of technology, and a brief analysis of the problems of these technologies. Keywords: Turbo technology, particulate traps, selective catalytic reduction (SCR), Exhaust gas recirculation (EGR) 内蒙古工业大学本科毕业论文 目目 录录 第一章 绪 论 .1 1.1 重型车用柴油发动机排放控制与研究的意义及现状 .1 1.1.1 研究意义.1 1.1.2 研究现状.1 1.2 国内外柴油机排放法规 .2 1.2.1 国内柴油机排放法规 .2 1.2.2 国外柴油机排放法规 .3 1.3 主要研究内容 .5 第二章 重型车用柴油发动机排气物生成机理和危害 .6 2.1 一氧化碳（CO）.6 2.1.1 一氧化碳(CO)生成机理 .6 2.1.2 一氧化碳(CO)危害 .6 2.2 碳氢化合物(HC).6 2.3 氮氧化物（NOX）.7 2.3.1 生成机理.7 2.3.2 危害.8 2.4 颗粒物（PM） .9 2.5 硫化物 .9 第三章 影响柴油机主要有害排气物的因素 .10 3.1 混合气质量.10 3.2 供油系统的参数及结构因素.13 3.2.1.喷油提前角 .13 3.2.2. 喷油速率 .18 3.2.3.喷油器结构参数 .19 3.3.柴油机运转参数 .20 3.3.1.进气状态 .20 3.3.2.发动机转速 .24 3.3.3.进气涡流 .26 内蒙古工业大学本科毕业论文 3.4 十六烷值.27 第四章 重型车用柴油发动机排放控制技术分析 .28 4.1 机内净化技术.28 4.1.1 增压技术.28 4.1.2 燃烧室设计 .30 4.1.3 改善燃料品质.31 4.2 排气后处理技术.31 4.2.1 微粒捕集器 .31 4.2.2 选择性催化还原技术（SCR） .32 4.2.3 废气再循环(EGR).35 结 论 .38 参考文献 .39 谢 辞 .40 内蒙古工业大学本科毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 重型车用柴油发动机排放控制与研究的意义及现状 1.1.1 研究意义 近年来随着社会经济的快速发展，交通运输行业在国民经济中发挥着越来越重要 的作用。我国作为汽车生产和使用大国，汽车保有量逐年上升。柴油机作为一种动力 装置，凭借其动力性能、经济性能和维修性能好的特点被广泛应用于中重型货车甚至 是轿车上。随着柴油机技术的不断进步，柴油机车在汽车中所占的比例越来越大。 2015 年底，全国汽车保有量达到 1.72 亿辆；其中重型卡车保有量 560 万辆，占机 动车总保有量的 3.26%。如此多的汽车保有量，导致汽车排气污染物排放的总量也持续 增多。2015 年，汽车排放污染物为 2794.04 万吨，汽车主要排放物氮氧化物（NOX）、 碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、颗粒物（PM）总量为 1722.493 万吨，这些汽车 排气污染物对环境造成严重影响。 从 2012 年末开始，北方多个地区连续出现罕见的雾霾天气，严重影响人们的生活 环境，如河北、北京等地。许多人纷纷将目光转向了低碳环保的话题，如何节能减排、 控制汽车尾气带来的环境污染问题，产业如何升级带给政府和普通老百姓更深的思考。 通过本次课题研究，了解汽车尾气特别是重型车用发动机排气生成机理和危害， 研究当前国内外重型车用发动机排放控制的主流技术及发展状况，分析柴油发动机排 气控制技术的最新成果及存在的问题，探讨为解决柴油发动机在兼顾经济性、动力性 的基础上，减少排气中的 CO、HC、NOX、SO2、PM 的有害物质对环境的影响，为柴油机 能在更广泛的运载工具上作为动力源，更好的为社会经济服务。 1.1.2 研究现状 目前，随着技术的发展，柴油机的排气处理主要有三个控制方向：燃料、燃烧和 排气后处理三个方面，主要为机内净化技术和排气后处理技术。机内净化技术主要有： 电控柴油喷射系统、增压技术、燃烧室设计、改善燃料品质；排气后处理技术主要有： 氧化催化转化器、微粒捕集器、选择性催化还原技术（SCR）、废气再循环系统(EGR)。 重型车用发动机的排放控制是控制排气中的 NOX、PM、CO、HC。 2005年10月，康明斯公司采用了集成式排放控制系统IEM技术，并应用高效的SCR 系统，对污染物的控制实现了“形进气到排气”的全程控制，有效的降低了污染物的 内蒙古工业大学本科毕业论文 2 排放。IEM还带有一个全自动的车载排放诊断系统，驾驶员可以通过驾驶室的仪表对 SCR系统的运行情况进行直观的了解，以便及时对SCR系统进行加注尿素等保养。在车 用发动机领域，康明斯11.916L系列发动机装备高压共轨燃油系统、冷却式废气再循 环（CEGR）、SCR技术，排放性能可达到美国联邦环保署的EPA 2010标准。 格伦德福斯托普索尿素SCR系统：这种SCR系统可提高发动机的燃油经济性,减少 PM、NOX、HC的排放量,这种SCR系统能够有效地降低柴油发动机主要排气的排放量，减 少油耗、提高发动机动力性能1。 国内在车用发动机增压技术的领域起步较晚，特别是在重型车用发动机领域的增 压采用的是引进技术并自主消化生产的发展方式。如无锡动力工程有限公司的 WD360TAD100 型废气涡轮增压柴油机，这款发动机平均有效压力可达 2227Kpa,功率为 1000KW1100KW。康明斯发动机有限公司发展了满足众多气缸数目、数量繁多的变形涡 轮增压器，可在发动机功率为 70KW-1200kw 的柴油机车上应用。 在重型卡车领域,盖瑞特T04涡轮增压器占有重要地位，上世纪70年代涡轮增压技 术逐渐在重型卡车发动机上应用。随着技术的发展，如今美国盖瑞特公司、德国KKK公 司研制质量更轻、性能更加优异的增压器,使增压器质量进一步减轻成为可能。增压器 的关键部件宜采用最新的冶金材料。性能较好的金属涡轮增压器的出现，使重型卡车、 摩托车的动力性得到了提升,随着新材料的出现，陶瓷涡轮增压器将是涡轮增压器的发 展方向2。 2003 年 11 月 4 日，日本日野汽车公司推出大型载货车“日野 Profia”系列，采 用组合式废气再循环（EGR），柴油机排气中的 NOX、PM 等可降低 90%。在车用发动机 领域，康明依靠强大的技术实力和研发资源的独到优势能，同时满足欧美两大排放体 系。2002 年，康明斯推出冷却式废气再循环技术（CEGR）并将其引用到发动机上，其 排放性能达到了美国联邦环保署实施的 EPA 2004 重型卡车排放标准。2003 年年末，康 明斯众多发动机排气控制大多使用冷却式废气再循环（CEGR）加颗粒捕集器（DPF）的 策略，其排放指标达到 EPA 2007 标准，康明斯 11.916L 系列发动机装备高压共轨燃 油系统、冷却式废气再循环（CEGR）、SCR 技术，排放性能可达到美国联邦环保署实施 的 EPA 2010 标准。 内蒙古工业大学本科毕业论文 3 1.2 国内外柴油机排放法规 1.2.1 国内柴油机排放法规 近年来，我国经济的快速发展，重型车用柴油机在经济建设中发挥着越来越重要 的作用，随着国内汽车保有量的急剧增加，汽车排气已经成位环境污染的主要来源， 严重影响着人们的生活环境。我国也开始制定了相应的汽车排放法规，交通运输部从 2000年起开始实施国I的重型车重柴油排放法规，到2012年先后实施了从国I到国V的排 放法规。国内柴油机排放法规如表1-1所示3。 表1-1 国内柴油机排放法规 PM(g/k wh) 实施时间标准 CO g/k wh NOX g/k wh HC g/k wh8585 盐度 （m-1） 2000.9-2004.8国I4.58.01.10.610.36none 2003.9-2008.7国4.07.01.10.15none 2007.7-2010.12国2.55.00.660.10-0.130.8 2010.1-2012.12国1.53.50.460.020.5 2012.1-国V1.52.00.460.020.5 1.2.2 国外柴油机排放法规 1.2.2.1 欧洲重型车用柴油机排放法规 欧洲从 20 世纪 80 年代开始,发布了 Euro0 重型车用柴油机排放标准，当时对 PM 和烟雾没有要求。直到 EuroIII 标准的发布，才开始对 PM 和烟雾的限制。从 1992- 2012 年,相继出台了 Euro、V、VI 标准。欧洲重型车用柴油机各个时间 段的排放法规如表 1-2 所示3。 表1-2 欧洲重型车用柴油机排放法规 标准实施时间 CO g/k wh NOX g/k wh HC g/k wh PM g/k wh Smoke (m-1) Euro 01988-1993.1012.315.82.6nonenone Euro I1992.10-1996.104.99.01.230.4none Euro II1995.10-2001.104.07.01.10.15none Euro III2.15.00.660.10.8 Euro III-EEV 2000.10-2006.10 1.52.00.250.020.15 Euro IV1.53.50.460.010.5 Euro IV-EEV 2005.10-2009.10 1.52.00.250.020.15 Euro V2008.10-2012.121.52.00.460.020.5 内蒙古工业大学本科毕业论文 4 Euro V-EEV1.52.00.250.020.15 Euro VI2012.12-1.50.40.130.01TBD 注：1Euro IEuro VI 起始时间为认证开始时间，至所有产品满足新标准有一年过渡期； 2EEV：Enhanced Environment Friendly Vehicle(环境友好车辆)，为推荐标准； 3Euro VI：NH3泄漏不大于10plan。 1.2.2.2 美国车用柴油机排放法规 美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA1988- 2010 柴油机排放标准如表 1-3 所示3。 表 1-3 EPA 1988-2003 年份HC g/hphCO g/hphPM g/hph 1988-19891.315.50.60 19901.315.50.60 1991-19931.315.50.25 1994-19971.315.50.10 1998-20031.315.50.10 美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA2004- 2006 柴油机排放标准如表 1-4 所示3。 表1-4 EPA 2004-2006 NMHC NOX+NMHC g/hph CO g/hphPM g/hph N/A(方案1）2.415.50.10 0.5（方案2）2.515.50.10 烟度加速烟度超负荷烟度最大烟度 %201550 美国国家环境保护局（US Enviromental Protection Agency）发布的 EPA2007- 2010 柴油机排放标准如表 1-5 所示3。 表1-5 EPA2007-2010 年份 排放类型排放限值 2007200820092010 NOX g/hph0.2050%50%50%100% NMHC g/hph0.1450%50%50%100% CO g/hph15.5100% PM g/hph0.01100% 甲醛 g/hph0.01100% 内蒙古工业大学本科毕业论文 5 1.2.2.3 日本排放法规 日本从 1963 年开始关注汽车对环境的影响,到 1986 年，出现对汽车排放物 HC、CO 的排放标准，而对 NOX、PM 排放限值的规定直到 1990 年才有，日本各类汽车的排放允 许值如表 1-6 所示4。 表 1-6 日本柴油机排放法规 乘用车乘用车轻型车中型车重型车 汽车分类 整备质量 1.265t 整备质量 1.265t GVW1. 7t 1.7tGVW 2.t GVW 2. 5t 试验工况 单位 10.15 g /km 10.15 g /km 10.15 g /km 10.15 g /km 柴油 13 工 况 g /km NOX 限值年份 限值 1990/1997 0.50/0.40 1992/1998 0.60/0.08 1993/1997 0.60/0.40 1993/97-98 1.30/0.70 1994/97-98 注/4.50 HC 限值年份 限值 1986 0.40 1986 0.40 1988 0.40 1993 0.04 1994 2.90 CO 限值年份 限值 1986 2.10 1986 2.10 1988 2.10 1993 2.10 1994 7.4 PM 限值年份 限值 1994/97-98 0.20/0.08 1994/97-98 0.20/0.08 1993/1997 0.20/0.08 1993/97-98 0.25/0.09 1994/97-99 0.70/0.25 注:直喷式柴油机 NOX限值为 6.00,预燃室式柴油机 NOX限值为 5.00 1.3 主要研究内容 目前，随着技术的发展，柴油机的排气处理呈现多样化，如采用选择性催化还原 技术（SCR）、废气再循环系统，改善发动机构造也能降低排气，如采用增压技术、燃 烧室的设计等等。 本文主要从柴油机构造开始，分析影响柴油发动机排气污染物的因素，使用图表 方式，简洁明了的分析主要影响排放物的因素。主要从以下几个方面叙述重型车用发 动机的排放物控制，首先是重型车用发动机的基本知识，排放物生成机理和危害以及 国内外柴油机的排放法规；从机内净化技术、排气后处理技术进行介绍目前国内外重 型车用发动机排气控制技术的发展状况，具体排气控制技术如增压技术、燃烧室设计、 改善燃料品质、氧化催化转化器、颗粒捕集器、选择性催化还原技术、废气再循环系 统（EGR）等，并对这些技术的应用进行了举例。 内蒙古工业大学本科毕业论文 6 第二章 重型车用柴油发动机排气物生成机理和危害 2.1 一氧化碳（CO） 2.1.1 一氧化碳(CO)生成机理 柴油机排气中的 CO 生成的因素有： （1）燃空比 CO 排放量随着燃空比的增加，逐渐降低，在增加到某一个值时，CO 排放量达到 最优值，当超过这个值后，随着燃空比的增加，CO 排放量反而上升； （2）发动机运行工况 发动机在大负荷、上坡或室外温度较高的条件下，发动机运行工况较差，氧气含 量降低，气缸内混合气不能完全进行燃烧，导致排气中的 CO 浓度上升； （3）发动机转速 在一定转速范围内，CO 排放量随转速升高而降低，但超过某一定值时，CO 排放 量随发动机转速升高而升高，在低转速下，发动机空气流量较低，涡流强度过小，混 合气质量较差导致燃烧不充分，CO 排放量增加。随着发动机转速增加，发动机空气流 量升高，使得每缸每循环的充量系数增加，增加氧气浓度，是燃料充分燃烧，减少排 气中 CO 的浓度。 2.1.2 一氧化碳(CO)危害 一氧化碳（CO）被吸入人体后，进入肺部且进入血液循环，一氧化碳破坏正常的 血红蛋白和氧气结合的过程，把氧气挤出来，让其与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白， 而碳氧血红蛋白分解非常慢，在血管中运动时，携带氧气能力太差，导致组织缺氧， 产生中毒现象。 2.2 碳氢化合物(HC) 柴油机排气中的 HC 是因为喷入气缸内的燃油压缩不充分，喷入的燃油和周围的空 气形不成均匀的混合气而被压缩燃烧，导致不完全燃烧而产生 HC。 柴油机排气中的 HC 浓度影响因素有： （1）喷油提前角 发动机在高转速如 2600r/min 且转速一定时，CO 排放随着喷油提前角的减小而减 少，喷油角减小到某一个值时，HC 排放量达到最优值，但随着喷油提前角的继续减小， 内蒙古工业大学本科毕业论文 7 排气中的 HC 排放反而会上升；在怠速情况下，喷油提前角对排气中的 HC 浓度影响不 大； （2）喷油器压力室容积 喷油器容积逐渐增大，HC 排放体呈明显上升趋势。这是因为喷油结束以后，喷油 器压力室中由于压差吸油从而充满了燃料，随着柴油机压缩做功行程时的燃料燃烧和 膨胀作用，使这部分燃料被燃烧和膨胀过程带来的高温所加热和汽化并被送入燃烧室 内，由于混合和燃烧速度的缓慢，让这部分的燃料不容易被氧化和燃烧，从而导致大 量 HC 的形成。 （3）进气温度 在燃空比为 55:1 等高燃空比下，随着进气温度的升高，排气中的 HC 浓度逐渐降 低； （4）柴油机转速 柴油机的转速对 HC 的排放影响不大，随着发动机转速的变化，排期中的 HC 排放 量呈现平缓趋势，总体变化不大。 2.3 氮氧化物（NOX） 2.3.1 生成机理 柴油机排气中的的氮氧化物（NOX）包括二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)。 燃料中的氮氧化物经分解，可生成 HCN、NH3等中间产物，随后可生成 NO。 引起 NOX生成的因素有柴油品质、进气湿度、进气温度、喷油特性、燃空比等。 燃烧过程中 NOX的生成有 3 种方式，根据生成机理的不同分别称为燃料型 NOX、 热力型 NOX、以及激发型 NOX。 （1）燃料型 NOX 燃料型 NOX的生成取决于柴油的含氮质量分数，柴油含氮质量分数小，则燃料型 NOX的生成就少。石油、重油的含氮质量分数如表 2-1 所示。 表 2-1 石油、重油的含氮质量分数 燃料种类含氮质量分数（%）燃料种类含氮质量分数（%） 波斯湾石油0.090.22柴油0.0020.03 C 重油0.10.4煤油0.00010.0005 A 重油0.050.1煤炭0.23.4 从表 2-1 中可以看出，柴油的含氮质量分数比 C 重油、A 重油要低。 内蒙古工业大学本科毕业论文 8 一般车用柴油发动机所用的柴油含氮质量分数都很低，因此，在柴油发动机中基 本可以不考虑燃料型 NOX对排气的影响。 （2）热力型 NOX 热力型 NOX的生成反应式如下： O+N2NO+N （2-1） N+O2NO+O （2-2） N+OHH+NO （2-3） 从上面的反应式可以看出，部分氧气（O2）在高温条件下发生裂解分成 O 原子， 并与氮气（N2）发生反应，生成氮原子（N）和一氧化氮（NO），接着氮原子（N） 被氧化成一氧化氮（NO）和氧原子（O），氮原子又和 OH 反应再次生成 NO，从而 导致 NO 含量的上升，这些反应都是在高于 1900K 高温下进行的，且都是吸热过程。 （3）激发型 NOX 大量的实验表明，在混合气浓度较高的地区，NOX的生成量要远高于普通混合气 浓度的区域，这是因为在混合气浓度较高的地方，氧浓度的不足，燃料不能完全燃烧， 从而导致 NOX生成量的增多。 激发型 NOX的生成过程如下： CH+N2HCN+N （2-4） C+N2CN+N （2-5） CH2+N2HCN+NH （2-6） CH2+N2H2CN+N （2-7） C2+N22CN （2-8） HCN+OHCN+H2O （2-9） HCN+ONCO+H （2-10） CN+O2CO+N （2-11） N+OHNO+H （2-12） N+O2NO+O （2-13） N2和柴油中的碳氢化合物发生反应，分解成 N、CN、HCN，N、CN、HCN 又与 高温条件下 O2分解的 O、OH 等发生反应生成 NO。 2.3.2 危害 NO 是一种无色无味的轻微有毒气体，容易被氧化成 NO2，而 NO2是一种刺激性 较强的有毒气体，人长时间在含有低浓度的 NO2环境中，鼻子会闻到臭味气体，10min 内蒙古工业大学本科毕业论文 9 内感觉眼睛、鼻子、呼吸道受到刺激而难受，而 NO2含量达到 5080（体积分数/10- 6）时，数分钟内，人会感到呼吸困难，感觉到胸闷、恶心，在 100150 时，半个小时 到一个小时时间内，人会因为吸入过多 NO2，而出现因废气肿出现死亡，在 NO2体积 分数达到 250 时，人很快就会死亡，可见 NO2对人体的伤害还是非常大的。 氮氧化物的过多排放，还对植物的生长造成影响，可减少农作物的产量，在一些 工业密布的地区，出现光化学污染状况，对环境造成严重影响。 2.4 颗粒物（PM） 柴油机排气中的颗粒物（PM）主要由干炭烟、可溶性有机成分、硫酸盐组成，其 中干炭烟质量分数为 40%50%，可溶性有机成分占 35%45%，硫酸盐占 5%10%。 柴油机排放的颗粒主要由柴油品质、燃烧性能所决定。在高温、缺氧环境下，混 合气质量恶劣可导致燃烧不充分，致使烃类物质在高温环境下裂解，发生聚合而产生 颗粒。 颗粒中的可溶性有机成分绝大数是诱导致癌物质。柴油机排气中直径在 2.5m 左 右的颗粒，对人体和大气环境影响最大，这种颗粒漂浮在周围空气中，人吸入以后， 会导致呼吸道受损，产生呼吸道炎症等疾病，严重影响人们的健康。 2.5 硫化物 柴油机排气中的硫化物，特别是硫化氢（H2S）有毒气体,人吸入过多硫化氢，会 导致中枢神经受损。长时间吸入硫化氢还会对人健康产生后遗症，此外硫化物中的二 氧化硫（SO2）气体排放到空气中还会形成酸雨，严重危害庄家农作物，对人类的生产 生活造成很大影响。 表 2-2 所示为不同浓度 H2S 对人体健康的影响5。 表 2-2 不同浓度 H2S 对人体健康的影响 影响浓度/mg.m-3接触时间/h 嗅觉受损 眼睛刺激 气眼结膜炎 嗅觉丧失 轻微症状发展到全身，直至死亡 全身症状 1 小时候死亡 0.00070.2 1622 75150 225300 7501050 1350 1 0.030.25 1 0.5 内蒙古工业大学本科毕业论文 10 死亡22500.250.5 11 第三章 影响柴油机主要有害排气物的因素 3.1 混合气质量 混合气燃空比(Air-fuel ratio A/F)的变化对柴油机主要排放物 NOX、CO、HC 的 影响如下： （1）对 NOX的影响 柴油发动机排气中的 NOX的生成主要有以下几个因素：一是由于气缸内氧气的含量； 二是柴油燃烧后气缸能达到的最高温度；三是柴油燃烧的生成物在气缸中存留长短等 综合因素造成的。柴油机在小燃空的情况下，气缸内混合气拥有的氧气量充足，燃料 燃烧比较充分，使得排气中 NOX含量比较低。当燃空比增加时，燃烧室内的温度升高， 混合气温度也随之上升，消耗了气缸内的氧含量，结果混合气中的氧含量减少，从而 使 NOX的生成减少。 表 3-1 所示为混合气燃空比 A/F 对 NOX排放的影响，将横坐标为燃空比，纵坐标 为 NOX体积分数/10-6作图，如图 3-1 所示。 根据图 3-1 对三种不同柴油机构造的混合气空燃比对 NOX排放的影响进行分析。 表 3-1 混合气 A/F 对 NOX排放的影响 发动机类型涡流室式直喷式预燃室式 A/FNOX/10-6NOX/10-6NOX/10-6 0.01200100100 0.015460200160 0.02600360240 0.025600500300 0.03590640380 0.035570790400 0.04512900420 0.045410980420 0.05380970 0.055300960 内蒙古工业大学本科毕业论文 12 图 3-1 混合气燃空比对 NOX排放的影响 由图 3-1 可见，在混合气空燃比很低时，燃空比在 0.010.015 这段范围内，预燃 室式柴油机和直喷式柴油机排气中的 NOX的体积分数明显低于涡流室式柴油机。但随着 燃空比的继续增加，涡流室式柴油机排气中的 NOX体积分数呈现先上升，然后逐渐降低 现象，在燃空比为 0.02 时达到最大值。而直喷式柴油机排气中的 NOX随着燃空比的增 大而持续上升；对于涡流室式柴油机，随着燃空比的增加，NOX体积分数增加不是很高， 因在考虑发动机运转工况，材料等方面，尽量降低混合气的燃空比，以减少排气中的 NOX，减少对环境的污染。 （2）对 CO 的影响 柴油发动机是压缩行程接近终了时将燃油喷入气缸内，在做工行程混合气达到燃 料燃点燃烧推动活塞做功从而输出动力。在混合气被压缩至燃料燃点燃烧时，燃料中 的碳会先生成 CO，在有氧气充足、温度合适等条件下，CO 可与氧气反应生成 CO2。 柴油机的喷射方式无论是直接喷射式或是间接喷射式，柴油机在小负载时喷入气 缸内的柴油较少，在压缩至燃料燃烧过程中，缸内混合气体温度不是很高，CO 由于氧 化强度的低而被氧化成 CO2的强度大大下降，使得排气中的 CO 含量升高。继续增大 燃空比，燃料燃烧后缸内温度迅速上升，氧化强度的增强，CO 进一步被氧化成 CO2， 减少了 CO2含量，降低排气中 CO 含量。 表 3-2 所示为混合气燃空比对CO排放的影响，将横坐标为燃空比，纵坐标为CO 体积分数/10-6作图，如图 3-2 所示。 从图 3-2 可以看出，燃空比增大到某一范围时，此时排气中的 CO 浓度达到最低， 如图中燃空比为 0.03 时，直喷式、涡流室式、预燃室式柴油机排气中的 CO 体积分数 都达到最低值。当燃空比继续增大，由于缸内氧气浓度变低以及喷油后期喷入气缸油 量的增多，氧化反应的时间变短，使得柴油机排气中 CO 浓度变浓。 内蒙古工业大学本科毕业论文 13 表 3-2 混合气燃空比对 CO 排放影响 柴油机涡流室式直喷式预燃室式 A/FCO/10-6CO/10-6CO/10-6 0.010.1490.0850.055 0.0150.12490.0750.05 0.020.0990.060.0445 0.0250.0820.050.0385 0.030.0760.0490.0376 0.0350.080.0550.04 0.040.090.0650.046 0.0450.10.0750.0535 0.050.1250.10.075 0.0550.095 0.125 图 3-2 混合气燃空比对 CO 排放的影响 （3）对 HC 的影响 柴油发动机在怠速或小负荷工况下，排气中的 HC 浓度的增加是来自气缸内燃料稀 薄区的火焰外围燃烧不充分造成的。此外燃油分子向气缸内燃料稀薄区的空气扩散， 因为燃油分子的浓度非常低，使得 HC 消失反应更低了，造成了 HC 排放量增多。 采用涡轮增压技术的柴油机，由于加压致缸内压力升高，使得混合气涡流增强， 在一定范围涡流强度内，HC 反应更容易进行，燃料燃烧更充分，燃烧温度比不采用增 压机柴油机的更高些，HC 排放量比不采用增压技术的发动机更少。 表 3-3 所示为混合气燃空比对 HC 排放的影响，将横坐标为燃空比，纵坐标为 HC 体积分数/10-6作图，如图 3-3 所示。 内蒙古工业大学本科毕业论文 14 如图 3-3 所示，无论是直喷式柴油机还是非直喷式柴油机，随着燃空比的增加， 排气中的 HC 含量都出现下降趋势。非直喷式柴油机随着燃空比增加到 0.035 以后，排 气中的 HC 含量变化区域平缓，而直喷式柴油机随着燃空比的增加，排气中的 HC 含量 下降明显，对于直喷式柴油机采用增加燃空比的方法对于减少排气中的 HC 含量效果显 著。 表 3-3 HC 排放量随燃空比变化 发动机类型直喷非直喷 燃空比HC 体积分数HC 体积分数 0.013678.571285.71 0.01253285.71821.43 0.0153000642.86 0.022428.57428.57 0.0252074.43250 0.031714.29142.86 0.0351357.1471.43 0.041142.8635.71 0.045100042.86 0.05821.4342.86 图 3-3 混合气燃空比对 HC 排放的影响 内蒙古工业大学本科毕业论文 15 3.2 供油系统的参数及结构因素 3.2.1.喷油提前角 柴油机排气中的 NOX、HC 与喷油提前角有较大关系。喷油提前角太大，此时喷入 气缸内的燃料温度和压力都比较低，使得发动机的滞燃期时间变长，喷油器喷油嘴正 对的地区燃料浓度升高，导致混合气浓度上升，燃烧不完全，排气中的 NOX含量增多。 气缸内的混合气在压缩到燃料燃点后着火自燃，燃料被迅速燃烧，此时缸内的温度和 压力都迅速上升，喷入气缸内的其他油束 NOX的生成量也增多。 美国康明斯 Cummins 公司做过的一个实验，发动机参数如下：缸径 140mm、活塞行 程 152mm，在转速 1300r/min、进气温度 60、满载条件下进行了与 NOX生成的实验， 表 3-4 为 NOX生成与喷油提前角的关系，图 3-4 所示为其曲线图。 表 3-4 NOX生成与喷油提前角的关系 喷油提前角测量值 NOX体积分数计算值 NOX体积分数 2418001700 221533.331500 201277.331250.33 181083.331083.33 16966.67916.67 14800753.3 12677.77600 10500466.67 图 3-4 NOX生成与喷油提前角的关系图 内蒙古工业大学本科毕业论文 16 分析数据可得出一下结论，排气中的 NOX含量的测量侧虽然与计算值存在误差，但 也说明了，排气中的 NOX的含量与发动机喷油提前角的关系：喷油提前角的减小，使得 NOX体积分数逐渐减小。原因是：1，燃料燃烧过程在活塞位于上止点之外进行，NOX体 积分数呈现一次函数形状随喷油提前角减小而减少；2，活塞越接近上止点时，此时气 缸内空气被压缩得越厉害，温度升高，这样在这个时候喷入燃油，燃油一经喷入缸内 立即被高温空气蒸发并与空气混合变成混合气并着火燃烧，燃料燃烧充分，缩短燃烧 时间从而抑制了 NOX的生成。 表 3-5 为直喷式柴油机喷油时间对黑烟排放的影响，图 3-5 为为其曲线图。 从图中我们可以看出活塞位于上止点后，直喷式柴油机黑烟的排放量在-15 时最低， 随着喷油时间的推迟，排气中的黑烟含量越来越高。 表 3-5 直喷式柴油机喷油时间对黑烟排放的影响 喷油时间 NOX/g/(kwh) 黑烟排放g/(kwh) 燃油消耗率 g/(kwh) -20 -15110.019190 -106.50.2193 -53.90.022200 02.90.025213 53.90.027224 10110.3240 15 图 3-5 直喷式柴油机喷油时间对黑烟排放的影响 图 3-6 为喷油时间对 NOX排放的影响图。 内蒙古工业大学本科毕业论文 17 喷油时间对直喷式柴油机 NOX排放体积分数在 0 之前，喷油时间的延长让 NOX排放 持续降低，在 0 处达到最优值，在大于 0 以后，NOX排放体积分数随着喷油时间的推迟 而急剧增加，可见，在一定范围内，尽可能的推迟喷油时间是直喷式柴油机控制 NOX排 放的一项措施，也是一种有效控制排气污染的方法。 图 3-6 喷油时间对 NOX排放的影响图。 通过调节喷油时间来控制排气中的 NOX排放量虽然效果比较明显，但也带来了油耗 上的问题。如图 3-7 所示为直喷式柴油机随着喷油时间对燃油消耗率的影响图。 从图中可以看出，直喷式柴油机随着喷油时间的推迟，直喷式柴油机的燃油消耗 率就出现急剧增加的情况，由于喷油时间的推迟，柴油机在负荷或在恶劣工况下运行 时，气缸内燃油燃烧带来的动力不足，使得驾驶员继续加大油门，这时喷入气缸内的 燃油增多，而燃油得不到及时燃烧或燃烧不充分带来动力的不足，继而排气中的 NOX排 放量持续增多。 内蒙古工业大学本科毕业论文 18 图 3-7 直喷式柴油机随着喷油时间对燃油消耗率的影响 图 3-8 所示为柴油机在空转状态下，不同的喷油提前角对柴油机 HC 排放的影响图。 选取 800r/min、1800r/min、2600r/min 三种不同转速条件下测量喷油提前角对 HC 排 放的影响，如表 3-8。 表 3-6 喷油提前角对 HC 的排放影响 喷油提前角 1800r/min HC 体积分数 800r/min HC 体积分数 2600r/min HC 体积分数 225001333.33 21527.781166.67 20694.44555.561000 18638.89611.11833.33 16611.11583.33836.11 15622.22622.22848.33 13638.89972 12583.33636.89989.22 10638.89634.891138.89 8722.22650.321638.89 7833.33666.672000 61000678.64 41833.33680 32000 图 3-8 不同转速下喷油提前角对柴油机 HC 排放的影响 内蒙古工业大学本科毕业论文 19 从图中我们可以看出，2600r/min 的 HC 排放体积远远高于 1800r/min、800r/min 的排放体积分数，喷油提前角对转速为 800r/min 时 HC 排放影响不大；在高转速状态 下，如 1800r/min