（动力机械及工程专业论文）柴油甲醇组合燃烧柴油机控制策略的研究与应用.pdf

摘要 节能和环保是目前内燃机所面临的两大问题，寻求清洁有效的替代燃料是 解决这两大问题的一种途径。甲醇是一种较清洁的替代燃料，不仅含氧量商、 燃烧充分、有害排放物少，以煤制取甲醇的技术以较成熟，生产成本也较低， 而且我国是一个煤资源很丰富的国家，因此，甲醇是内燃机较理想的替代燃料 之一。柴油机具有热效率高、燃料消耗率低、输出扭矩大、h c 、c o 和c 0 2 的 排放低等优点。在车用内燃机上得到越来越广泛的应用。在柴油机上燃用甲醇 能有效地降低碳烟和n o 。的排放，因此，柴油机燃用甲醇的技术得到了人们广 泛的重视。 由于甲醇的物化特性，决定了在柴油机上直接燃用甲醇存在一定困难。所 以，本文提出了柴油甲醇组合燃烧( d m c c ) 的理论，利用甲醇在部分工况、 部分替代柴油并用柴油引燃甲醇的方法来实现甲醇在柴油机上的应用，不仅有 效地降低了柴油机碳烟和n o 。的排放，而且避免了柴油机在冷启动、暖机、低 速、低负荷工况未燃h c 和醛类有害物质的排放。 根据柴油甲醇组合燃烧的理论，研究了柴油甲醇组合燃烧在自然吸气式直 喷柴油机和涡轮增压柴油机上应用的控制策略，并结合现代控制理论和电子技 术，开发和研制了柴油甲醇组合燃烧电控系统。 试验结果表明，与原机相比，在自然吸气式直喷柴油机上，柴油，甲醇组合 燃烧对柴油机碳烟排放降低幅度在5 0 以上，n o 。排放降低2 7 以上，c o 和 h c 的排放有一定的改善，当量比油耗降低7 以上。在涡轮增压式柴油机上， 柴油甲醇组合燃烧对柴油机碳烟排放降低在2 5 以上，n o 。排放降低1 0 以上， 当量比油耗降低2 8 以上。柴油甲醇组合燃烧对柴油机的动力性有所改善。另 外，含水l o 的甲醇和粗甲醇与柴油组合燃烧也能获得较好的效果。在试验过 程中，电控系统对甲醇的控制准确、稳定、可靠。 柴油甲醇组合燃烧在柴油机汽车上的实际应用表明，甲醇对柴油的替代率 能达到3 5 1 ，经济性有所改善，而汽车的加速性能得到明显提高。在3 0 g f 一3 型柴油发动机组上的实际应用表明，柴油甲醇组合燃烧和基于模糊控制方法的 电控系统，能够适应发电机负载的变化，对柴油机转速进行准确、有效的控制， 能保持发电机输出电压和频率的稳定，其波动率控制在5 范围以内。 柴油甲醇组合燃烧能够有效地降低柴油机的有害排放，在一定程度上也缓 解柴油机对石油资源的消耗，因此，对我国的节能和环保事业是十分有益的。 关键词：组合燃烧，控制策略，甲醇，柴油机，排放，应用 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e n e r g yc o n s e r v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r et w oi s s u e si nt h e i c ei n d u s t r y i ti sak e yw a yt od e v e l o pc l e a na n ds i i f f i c i e n ta l t e r n a t i o nf u e l s w i t h r e g a r dt oa l t e r n a t i o nf u e l s ，m e t h a n o li sap r o m i s i n gl i q u i de n e r g yc a r r i e rf o rc l e a n b u r n i n g f u r t h e r m o r e ，i t sc ir a t i oi sa l s ol o wa n dc o n t a i n i n go x y g e n c a u s i n g c o m p l e t ec o m b u s t i o nw i t hl i t t l es m o k ea n das i g n i f i c a n tr e d u c t i o no ft h es p e c i f i cc o ， e m i s s i o n s m e t h a n o li se f f i c i e n t l yp r o d u c e da tl o wc o s tf r o mc o a lt h a ti s v e r y a b u n d a n ti nc h i n a ，m e a n w h i l e ，d i e s e le n g i n e sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha r eh i 曲e r h e a te f f i c i e n c y , l o w e rb r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，l a r g e ro u t p u tt o r q u ea n dl e s s e x h a u s te m i s s i o n ss u c ha sh c ，c oa n dc 0 2 t h e r e f o r e ，d i e s e le n g i n e sa r ei n c r e a s i n g w i d e l ye m p l o y e di nv a r i o u sf i e l d s t o d a y , p r i m a r ya t t e n t i o nh a sb e e ni n c r e a s i n g l y f o c u s e do nf u e l e dm e t h a n 0 1d i e s e le n g i n et e c h n o l o g y t h i sp a d e rd e s c r i b e s e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dd i e s e l m e t h a n o l c o m p o u n d c o m b u s t i o nm o d ew h i c h s h f f i c i e n t l yd e c r e a s e ss m o k ea n dn o xs i m u l t a n e o u s l y t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fm e t h a n o la r ed e t e r m i n e dt oh a v eal i t t l e d i f f i c u l t yi nt h ed i e s e le n g i n ed i r e c t l yf u e l e dm e t h a n 0 1 t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o nf d m c c ) t h e o r yw h i c hi sc o m p o s e do ft w o s t a g e s o ft h ec o m b u s t i o no c c u r r i n gi nd i e s e l e n g i n e t h e o n e s t a g ea d o p t s c o n v e n t i o n a ld i f f u s i o nc o m b u s t i o nm o d eu s i n gd i e s e jf u e lo n l ya tl o wl o a d s t a r t i n g a sw e l la sw a r m i n gu pp e r i o d s ，a n dt h eo t h e ro n eu t i l i z e sq u a s i h c c i ( h o m o g e n o u s c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) m o d e ，w h i c hi sc o m p l e t e db yp r e m i x e dm e t h a n o l f o r m e di ni n t a k em a n i f o l di g n i t e db yd i e s e lf u e la to t h e rr e g i m e s f u l l yu s i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fa l e o h o l ，d m c cu s e do nd i e s e le n g i n e sc a nn o to n l ys i m u l t a n e o u s l y r e d u c et 1 1 es o o ta n dn i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o n sf r o mt h ee n g i n e s b u ta l s oa v o i d t h ea c e t a l d e h y d ea n du n b u m e dh y d r o c a r b o ne m i s s i o n so ft h ed i e s e le n g i n eb u r n i n g m e t h a n o la tl o w1 0 a d b a s e do nd i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o nt h e o r y ，a u t h o ri n v e s t i g a t e d d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o nm o d ec o n t r o la l g o r i t h mi nan a t u r a l l y a s p i r a t e de n g i n e a n da t u r b o c h a r g e de n g i n e r e s p e c t i v e l y a n d d e v e l o p e d d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n gm o d e mc o n t r o lt h e o r y a n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h en a t u r a l l ya s p i r a t e de n g i n e ，s o o ta n d n i t r o g e n o x i d e se m i s s i o n sa n de q u i v a l e n tb r a k e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n c o n s i d e r a b l yl o w e rc o m p a r e dt ot h eo n e su n d e rn o r m a le n g i n e ，d e c r e a s i n gb ym o r e t h a n5 0 ，2 7 a n d7 ，r e s p e c t i v e l y ，c a r b o nm o n o x i d e ( c o ) a n dh y d r o c a r b o n ( h e ) h a v eas m a l li m p r o v e m e n t i nt h et u r b o c h a r g e de n g i n e ，s o o ta n dn i t r o g e no x i d e s e m i s s i o n sa n de q u i v a l e n tb r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nc o n s i d e r a b l yl o w e r c o m p a r e dt om e o n e su n d e rn o r m a le n g i n e ，d e c r e a s i n gb ym o r et h a n2 5 ，1 0 a n d 2 8 r e s p e c t i v e l y t h ee n g i n e sp o w e rp e r f o r m a n c ei ss t r o n g e r t h a nt h a tu n d e r n o r m a le n g i n e i na d d i t i o n ，e n g i n e sp o w e r e dm e t h a n o lc o n t a i n i n g10 w a t e ra n d c r u d em e t l l a n o lh a v eg r e a te f f e c t si np e r f o r m a n c e i nt h et e s tp r o c e s s ，e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e ds y s t e mi sv e r a c i t y , s t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y i i d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o np r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h eu r b a nv e h i c l e a l s os h o w st h a t ，m e t h a n o lc a na l t e r n a t ed i e s e lu pt o3 5 1 ，i m p r o v i n gf u e le c o n o m y a n dv e h i c l ea c c e l e r a t i o n n l ea p p l i c a t i o nt ot h e3 0 g f 一3m o d eg e n e r a t i n gs e td i e s e le n g i n es h o w st h a t b a s e d o nf u z z yt h e o r y , e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mc a na d a p tg e n e r a t i n gs e tl o a dc h a n g et o a c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l yc o n t r o le n g i n es p e e da n dm a i n t a i ng e n e r a t i n gs e to u t p u t v o l t a g ea n df r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n - - f l u c t u a t er a t ew i t h i n5 d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o nc a l le f f e c t i v e l yd e c r e a s ed i e s e le n g i n e s h a r m f u le m i s s i o n s ，i nac e r t a i ne x t e n t r e l i e v ef o s s i lo i lc o n s u r n p t i o n t h e r e f o r e ，i ti s g r e a tb e n e f i c i a lt oo u rn a t i o n a le n e r g ys a v ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：c o m p o u n dc o m b u s t i o n ， c o n t r o la l g o r i t h m ，m e t h a n o l ，d i e s e l e m i s s i o n ，a p p l i c a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得苤鎏盘鲎或其他教育机构的学位或证二岛两使用过的材料。与我一同j 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多名灸厶签字日期：矿矽年争月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盔盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权 墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储始炽 导师躲锄厂 签字日期：沙步年中月日 签字日期旗舴汐7 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 概述 十八世纪蒸汽机的发明奠定了科学技术发展的基础，而十九世纪内燃机的产 生在人类历史上第一次真正显示了科学技术理论研究、技术发明对生产力的直接 的、有意识的推动作用，体现了科学技术作为生产力的重要性，从此，科学技术 技术开始成为现实的生产力，而且在生产中所起的作用越来越大“1 。内燃机工业 水平的高低是衡量一个国家科技发达程度的重要标志之一，在国民经济建设、国 防建设中占有重要地位，与人民生活质量有着密切联系。它的应用面很广，科技 含量很高，是各种机动车辆、船舶、飞机以及各种工程机械、农业机械等的必备 动力，在一个国家产品中的产量和拥有量十分巨大，已成为整个社会共事的财富。 内燃机产品是一个较为综台性的产品，它的质量好坏不仅取决于该产品的设计和 制造水平，而且也取决于钢铁、石油化工、电器、电子控制等产品的水平。因此， 一个国家内燃机工业的发展会极大地推动交通运输、航空航天、机械制造、石油 化工、材料、电工电子技术等方面的发展“1 。 科学技术推动了内燃机技术的发展，内燃机技术的发展和广泛应用又促进着 科学技术不断地提高。内燃机技术经过近两百年的发展和应用己处于十分成熟的 地步，而内燃机技术与电子技术的结合使这项技术更加完善。 1 1 1 内燃机发展对环境的影响 随着一个国家国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对自身的生 存环境要求越来越高。内燃机促进了生产力发展，生产力的发展增强了人类利用 和改造自然的能力，使工业化生产不断扩大，人类的生活不断丰富，然而，与此 同时人类赖以生存的自然环境也遭到日益严重地破坏，尤其在工业发达的国家和 地区，环境污染的事件不断发生，直接威胁到了人们的生命和安全。“。例如，1 8 7 3 年到1 9 5 2 年的“伦敦烟雾事件”，使整个城市持续被二氧化硫和煤尘等所形成的 浓烟覆盖，造成了上万人死亡；1 9 6 1 年的“四日市哮喘事件”，由于石油冶炼和 工业燃油产生的二氧化硫和粉尘对大气的污染，造成上千人得哮喘病，数十人死 亡；1 9 4 3 后不断发生的“洛杉矾光化学烟雾事件”，仅1 9 5 5 年就造成约4 0 0 死 亡，成千上万人得了红眼、流泪、喉痛、胸闷和呼吸困难等疾病，同时造成大片 树木和农作物遭到严重破坏，后来证实光化学烟雾来自氮氧化物和碳氢化合物经 光化学反应而生成臭氧等二次污染物造成的“1 。然而，内燃机正是二氧化硫、氮 氧化合物和碳氢化合物的主要提供者。 由于内燃机的广泛应用，从内燃机排出的大量有害物质是直接造成对环境污 第一章绪论 染的主要因素之一。因此，降低内燃机有害物质排放，以改善人类赖以生存的环 境是目前内燃机急需解决的问题之一。为降低内燃机对环境的污染? 各国也相继 采取各种措施，制定出越来越严格的限制内燃机排放的法规。我国也颁布了相应 的汽车排放法规，g b1 4 7 6 1 2 0 0 1 汽车排放污染物限值和测试方法中规定， 道路车辆发动机，2 0 0 5 年起执行欧洲i i 号排放标准；非道路发动机，2 0 0 5 年起 执行欧洲i 号排放标准n ，。 1 1 2 内燃机发展对能源的影响 能源是经济发展和社会文明的物质基础。在当前世界五大常规能源石油、煤 炭、天然气、水力和核能中，目前人类对石油的利用和开发仍是高踞榜首，而消 耗量最大的仍然是内燃机工业。由于对石油资源的大量开采和消耗，已造成了全 球性的能源危机。据统计，截至2 0 0 2 年底世界石油储量为1 6 6 6 亿吨，2 0 0 2 年 世界石油产量为3 3 亿吨“1 ，按照目前对石油的消耗量，石油资源仅能使用到2 0 5 0 年左右。我国是一个石油资源相对贫乏的国家，1 9 9 3 年已成为石油进口国，2 0 0 2 年我国石油消耗量为2 6 亿吨，其中石油净进口量8 1 3 0 万吨，对外依存度达 3 2 8 ，而且对外依存度将逐年提高，2 0 0 4 年中国石油进口已超过l 亿吨，在石 油消费总量上，中国如今已经成为了仅排在美国之后的全球第二大国”1 。可见石 油资源已影响到我国的能源安全”3 ，过多地依赖石油进口，必将制约我国国民经 济的发展。 为减少和限制对石油资源的消耗，各国相继制定了燃油消耗法规和计划”1 。 美国联邦标准c a f e ( c o r p o r a t e a v e r a g e f u e l e c o n o m y ) 规定2 0 1 0 年轻型轿车和 卡车的燃油消耗分别要达到3 5m i l e g a l l o n 和2 7 5m i l e g a l l o n 。日本规定，2 0 0 0 年型轿车比1 9 9 0 年型轿车油耗要节省8 5 ，商用车在2 0 0 3 年要比1 9 9 0 年节油 4 6 。欧洲汽车协会要求2 0 0 5 年油耗要比1 9 9 5 年减少1 5 。德国汽车协会 规定2 0 0 5 年油耗要比1 9 9 0 年减少2 5 。”“”1 。我国早在8 0 年代就已经制定了 j b 3 8 0 9 - - 8 4 载货汽车燃料消耗量限值标准，2 0 0 5 年将采取更加严格的汽车 燃料利用率标准，新标准规定：2 0 0 5 年，重量为2 4t 的运动型多用途车辆每1 0 0 k m 耗油量不超过1 5 5l ，到2 0 0 8 年，每1 0 0k m 耗油量不超过1 4l ：对于重量 为1t 的汽车，2 0 0 5 年每1 0 0k m 耗油量不超过8 2l ，到2 0 0 8 年，每1 0 0 k m 耗 油量不超过7l “。因此，节能是我国长期能源战略安全和可持续发展的基本国 策，是保证我国经济长期稳定发展的前提条件。2 0 0 4 年秋天，温家宝总理主持 讨论通过的能源中长期发展规划纲要( 2 0 0 4 2 0 2 0 年) ( 草案) 中，第一条 就提出了“坚持把节约能源放在首位，实行全面、严格的节约能源制度和措施， 显著提高能源利用效率”“”“。 石油危机将严重影响内燃机的发展和广泛应用，减少和限制内燃机对石油资 第一章绪论 源的消耗，并不能从根本上解决内燃机的燃料问题，而寻找替代燃料则是解决这 一问题的关键。目前，各种替代燃料在内燃机上应用得到了广泛而深入的研究， 如天然气、液化石油气和醇类燃料等已在内燃机上得到一定范围的应用。 中国虽然石油资源匮乏，但煤炭资源比较丰富。据国土资源部2 0 0 4 年6 月 发布的一份统计报告称，截至2 0 0 2 年底，我国已探明煤的剩余可采储量折合为 7 1 4 0 亿吨标煤，按照2 0 5 0 年全国能源总需求3 0 4 0 亿吨标煤的预测计算，至 少可用1 2 5 年“”。因此，从国家的能源安全考虑必须发展煤基代用燃料。目前， 我国用煤炭直接液化为甲醇、二甲醚等产品的技术已十分成熟，生产成本也较低， 而且煤制甲醇、二甲醚和甲醇制氢都是较清洁的内燃机可替代性燃料，在环境保 护上有很明显的优势。因此，未来煤炭将是我国石油可靠的替代品。 所以，内燃机在推动科技革命和创造入类现代文明的同时，也给人类的生存 和可持续发展带来极大的挑战。节能和环保是内燃机自身面临的最主要课题。 1 1 3 内燃机的有害排放物 内燃机的燃料( 汽油和柴油) 主要是由碳、氢、氧元素组成的，完全燃烧的 产物主要是c 0 2 、h 2 0 、0 2 和n 2 。但是，内燃机燃料中往往含有其它有害杂质 和添加剂，而且由于内燃机的工况复杂，燃料燃烧总是不完全的，因此，会排放 出很多有害物质。汽油机的主要有害摊放物是c o 、h c 和n o 。柴油机排放的 c o 、c 0 2 和h c 相对要少于汽油机，其主要有害排放物是n o x 和微粒，其中碳 烟是微粒的主要组成部分。另外，还有二氧化硫、臭氧、铅化物和醛类等有害排 放物。 氧化碳( c o ) 是无色无味的气体，它和人体内的血红蛋白的结合能力是 氧气的2 4 0 倍，当空气中的c o 含量超过o 1 时，会导致人体中毒，当7 5 的 血红蛋白丧失输氧能力时，就会导致人体窒息“。 碳氢化合物( h c ) 是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧 化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本无味，有 麻醉作用，对人的口鼻粘膜有刺激：烯烃略有甜味，有麻醉作用，部分烯烃对人 的口彝粘膜有刺激，是造成烟雾的因素之一；芳香烃有特殊气味，对人的神经系 统有害，带存多环的芳香烃被怀疑有致癌作用。”。 氮氧化合物( n o 。) 主要包括n o 和n 0 2 ，内燃机排放的氮氧化合物绝大多 数是n o ，少量的是n 0 2 。n o 是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能 生成n 0 2 ，但高浓度的n o 对血液有毒性作用，能使中枢神经瘫痪及痉挛，在空 气中n o 含量超过1 5 1 0 6 时，它会和血红蛋白结合，若超过2 0 1 0 。6 时，会影 响人的肺功能。n 0 2 是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气味，是汽车排气中恶 第一章绪论 臭物质成分之一，被吸入肺部时，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有刺激 作用，严重时会引起肺气肿。另外，n 0 2 是地面附近大气中形成臭氧的主要因素 之一，也是形成酸雨的主要物质“”。 微粒的主要成分是碳及其吸附的有机物质。汽油机排放的微粒较少，主要 是燃用有铅汽油后生成的铅化物微粒，铅对人体十分有害，进入人体血液后，可 通过血液分布到软组织和骨骼中，导致造血功能衰退、肝功能障碍，容易引起贫 血，铅对消化系统和神经系统也有损害作用。柴油机排放的微粒较多，其主要成 分是碳烟，碳烟本身无毒，但这种细小的颗粒物在自然界中会形成飘尘或扬尘， 进入人体肺部，会造成肺组织损伤。另外，碳烟常夹附有s 0 2 及其它碳氢化合物 ( 如致癌的多环芳香烃( p h a ) 、苯丙芘等) ，也会对人体造成伤害。碳烟中所含 有的镉、镍、铊、铜、氟等元素对动植物有一定破坏作用“”。 二氧化硫( s 0 2 ) 是无色气体，有强烈刺激气味，和水结合后形成亚硫酸， 对人的口鼻粘膜有强烈的刺激性，若与灰尘一起，则危害更大。s 0 2 也是导致酸 雨的主要原因。 醛类有害物质主要包括甲醛、乙醛、丙醛和丙烯醛等，大多数醛类有刺激性 气味和麻醉作用，对人的呼吸系统和眼睛有害。醛还会在大气中发生光化学作用， 产生光化学烟雾。 臭氧( 0 3 ) 是含有n o 。和烃类的废气经过光化学反应形成的，0 3 是刺激性 很强的气体，它刺激人的眼睛和呼吸道，空气中含有0 1 x 1 0 4 的臭氧时，会使人 明显感到呼吸困难，它比s 0 2 和n 0 2 更有害。臭氧也影响植物的光合作用，是 导致森林病窖的主要因素之一。 二氧化碳( c 0 2 ) 是无色气体，略有酸味，无毒。二氧化碳过去并不人为是 一种有害气体，但是，目前的研究表明，二氧化碳能吸收红外线辐射，随着太气 中二氧化碳含量的增加，吸收地面的红外线辐射也增多，导致地面辐射散失到宇 宙空间的热量减少，从而导致大气温度上升，形成日益严重的“温室效应”，影 响到全球气候的变化“”。 1 2 内燃机有害排放物的控制 对于目前燃用汽油或柴油的内燃机，降低有害排放物控制的措施包括内净化 技术和机外净化技术两种。 1 2 1 内燃机的机内净化技术 机内净化主要是改进内燃机的结构设计，采取理想的控制和改善燃油的品质 第章绪论 等方面，主要包括应用电控技术、改善燃料品质、多气门顶置凸轮配气技术、涡 轮增压和中冷技术、高压共轨技术、可变气门技术、稀薄燃烧技术、废气再循环 技术、均质压燃技术( h c c i ) 以及改善燃油品质和优化燃烧室结构等，这些技 术在改善内燃机有害排放物方面起到一定效果。 电控技术是实现内燃机性能最优化的必要手段，利用电控技术对汽油机进行 燃油喷射和点火的控制，对柴油机喷油量、喷油时刻、喷油速率和喷油压力的控 制，大大改善了发动机各工况的混合气质量和在气缸内的燃烧状况，提高了发动 机在全工况范围内的工作性能，有效地降低了有害排放物的生成。 燃料的品质与内燃机的燃烧过程和排放有很大的关系。目前，为保证汽油辛 烷值而加入的四乙铅已经被禁止使用，现在用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁 醚( m t b e ) 等来提高汽油的辛烷值。限制汽油中芳香烃，可减少不完全燃烧的芳香 烃对臭氧形成的影响；减少汽油的硫含量，以减少排气中硫化物的生成等等。对 柴油来说，减小柴油中c h 比和c o 比，可减少碳烟的生成。柴油中的含硫量 对柴油机的微粒排放有重要的影响，英国的一项研究表明，使用含硫量为1 0 p p m 的清洁柴油，可以减少微粒排放约2 5 3 0 “”。当柴油机使用无硫和芳香烃含 量少的柴油时，现代直喷式涡轮增压柴油机微粒的排放比使用欧洲标准燃油时减 少约3 0 。世界许多国家的汽油、柴油中的硫含量将分别下降到0 0 0 4 和0 0 0 3 以下，而由于我国石化部门加氢脱硫能力低，致使我国燃油的硫含量居商不下。 目前国内大部分地区使用的柴油的含硫量为o 0 5 ，北京、上海等少数城市使用 的特供柴油含硫量也不过o 0 3 5 ”“。因此，为了进一步降低柴油机碳烟排放， 必须严格限制柴油中的含硫量。 多气门顶置凸轮配气技术在高速汽油机或柴油机每个气缸上采取两个以上 的气门和顶置凸轮轴布置，可增大进气流通面积，提高充气系数，减少泵吸损失， 增大气门机构的刚性，减少气门质量和降低配气机构噪声，同时，对于汽油机还 便于火花塞的中，i i , 布置，缩短火焰传播距离，有效防止爆震”。 涡轮增压和中冷技术在车用内燃机领域的应用日益广大，通过涡轮增压器和 中冷器提高进气密度，促进了燃料的氧化反应，可全面改善内燃机的效率和降低 n o 。和微粒的排放，而且c o 和h c 的排放也会降低。目前，在高效率涡轮增压 和中冷系统、可调涡轮增压系统和电控涡轮增压系统正在进行广泛的研究”。但 采用涡轮增压和中冷技术势必增加发动机的成本，并且在空间要求严格的车辆上 其安装位置会受到一定的限制。 高压共轨技术“”是目前最有发展前途的柴油机供油系统之一。高压菸轨技 术不再采用传统高压油泵脉动供油原理，而是通过高压供用管道，或共轨蓄压式 第一章绪论 或液力增压式形成高压，采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程， 在整个柴油机运行范围内喷油压力基本保持一致，喷射有较大灵活性，且可以预 喷和多次喷射。共轨燃油喷射系统的燃油喷射压力不受发动机转速的影响，在低 转速下也可以实现高压喷射，在循环喷油量一定的条件下可以使用很小的喷孔直 径，有利于减少微粒排放；便于控制喷油时刻和喷油量，实现分次喷射和先导喷 射，达到控制燃烧放热规律、改善燃油经济性、降低n o 。排放和燃烧噪声的目 的。然而高压共轨系统在低速、部分负荷时，喷油泵消耗的功增加，会引起燃油 消耗率增加。此外，能实现超商压喷射的供油系统如单体泵( e u p ) 、泵喷嘴( e u i ) 系统目前的喷射压力可达2 0 0 m p a ，可以有效地控制微粒和n o x 的生成，但这些 新型燃油系统在柴油机上应用时，原柴油机改动大，价格高，对燃油的品质要求 高，并且关键技术国外企业对我国进行封锁”1 。 可变气门技术”通过气门正时可变( v v t ) 和气门升程可变( v e t c ) ，改 变汽油机各种运转状态下的换气过程、充气量、废气再循环和进气涡流强度，从 而改善汽油机的动力性、经济性和排放等性能。 稀薄燃烧技术0 2 1 采用稀薄混合气燃烧，可以使用高压缩比，使热效率提高， 在部分负荷采用变质调节，减小节流损失，从而改善燃油经济性。稀混合气燃烧 使燃烧温度降低，n 0 、的排放明显减少，同时，燃烧产物中的氧成分有利于h c 和c o 的氧化，从而使h c 和c o 的排放降低。”1 ”1 。 废气再循环技术( e g r ) 是降低柴油机n o 。排放最有效的措施之一。e g r 技术将部分废气导入气缸内再次燃烧，使进气中的氧的含量相对减少，并通过废 气中c o ：、n 。、h 2 0 等具有较高的比热容，多变指数低，能降低最高燃烧温度，且 废气中c 0 ：、n ：等惰性气体阻碍燃烧，使燃烧速度降低，从而抑止了n 0 x 的生成。 e g r 技术在国外的低排放发动机上得到了广泛的应用，但在国内柴油机废气蒋 循环方面所做的研究工作只处于起步阶段。”。 均质压燃技术( h c c i ) 。”“”是上世纪9 0 年代产生的一种新的内燃机燃烧 理论，是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式，这是一种清洁高效的燃烧 过程。它的特征是均质、压燃、低温火焰，燃烧过程中不会形成局部高温，从而 能减少n o x 的生成，也能减少碳烟的排放，并能提高柴油机的循环热效率。”“。 h c c i 发动机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下，低负荷工况时，满足 预混合条件和实现h c c i 燃烧比较容易；但是在高负荷工况下，由于喷油量增加， 喷油持续期变长，同时缸内温度和压力升高导致着火延迟期缩短，往往造成在喷 射结束之前，混合物就已经着火，导致燃油无法充分混合，使n 0 x 和碳烟排放增 第一章绪论 加，并且同时伴有粗暴的敲缸现象。如何控制燃烧进程成为h c c i 燃烧面临的首 要问题。控制h c c i 燃烧进程的实质是控制燃烧的化学反应速率，这是一个非常 复杂和综合的过程，目前大部分h c c i 的研究还只是停留在实验室阶段，唯有日 产“m k ( 调协动力) ”系统现已商品化m h ”1 。 1 2 2 内燃机的机外净化技术 机外净化主要是采用各种装置降低己生成的有害排放物。目前在汽油机上 使用的机外净化装置有二次空气供给装置、热反应器、氧化催化转换器、三效催 化转换器和n o 。吸附催化转换器等三效催化转换器应用的最为普遍，该净化 装置能同时降低n o 。、h c 和c o 三种有害排放物，但只有在汽油机工作在理论 空燃比附近时这三种有害排放物的净化效率最高，且三元催化转换剂受燃油品 质、排气温度等多方面的影响。降低柴油机排放的后处理措施主要有氧化催化转 化转换器、选择性催化转换器、n o 。吸藏型催化转换器、微粒捕捉再生等技术。 氧化催化转换器可以氧化微粒中的可溶性有机物( s o f ) 和排气中的h c 与c o ， 但不能氧化微粒中的碳烟，降低柴油机微粒的能力是有限的。选择性催化转换器 “7 “4 ”m 1 ，采用氨、氨水或尿素作为还原剂，可以降低柴油机排气中9 5 以上的 n o ；，但成本商、转换器和尿素罐的安装空间受限。此外，选择催化还原剂只在 一个相当狭小的温度范围内有较高的n o 。转化率，因此，选择催化系统有待于 完善。n o x 吸藏型催化转换器“川“，燃油经济性较好，但催化剂要求排气温 度在2 6 0 3 8 0 之间才能使n o 。转化率超过7 0 ，而且在稀燃的条件下排气中的 s 0 2 被氧化为s 0 3 并以硫酸盐的形式沉积在吸附材料上，这些硫酸盐比硝酸盐更 稳定，污染n o x 吸附剂，因此有必要使用无硫燃料。微粒捕捉再生系统，是降 低柴油机微粒排放的重要手段之一，但必须定期地清除微粒捕捉器以保证柴油机 的动力性能和经济性。连续捕捉再生系统排气背压较低，可以减少燃油消耗量的 增加，而且连续再生捕捉可以使微粒排放减少到1 3 个量级，但对柴油含硫量 的要求非常严格。 1 3 柴油机发展面临的问题 与汽油机相比，柴油机的压缩比高、燃烧系统传热和节流损失小、充气效 率高。而且在整个燃烧过程中燃烧较稀的混合气。因此柴油机具有更高的热效率 和更好的燃油经济性，能源消耗为汽油机的4 5 6 0 ，其二氧化碳( c 0 2 ) 的 排放量比汽油机大约低3 0 3 5 ，柴油机的c o 和h c 的排放低于带有三效催 化转换器和过量空气系数调节系统的现代汽油机，环境效益十分显著m m ”。在美 第一章绪论 国，7 0 的交通工具采用的是柴油动力，欧洲的这一比例更高。近年来，我国车 用柴油机发展迅速，2 0 0 2 车用柴油机增长了5 0 。在我国的汽车市场中，从1 9 9 9 年到2 0 0 1 年，载货车中的柴油车比例以每年7 的速度增长，2 0 0 1 年已占全部 载货车的7 5 8 ”。因此，柴油机在车用内燃机上得到越来越广泛的应用，已成为 当今世界车用动力发展的潮流。 但是，柴油机在使用过程中排出大量微粒( p m ) 和n o 。有害物质，对环境 造成了严重污染，其中碳烟是微粒的主要成分，因此，碳烟和n o 。是制约柴油 机发展的两大因素。 1 3 1 碳烟的形成 碳烟是柴油机微粒( p m ) 的主要成分，其形成条件是高温和缺氧。由于柴 油机混合气极不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部缺氧却导致了碳烟的生成。 一般碳烟形成的过程是“：燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部 分乙烯和聚乙烯；乙烯和聚乙烯在不断脱氯后，聚合成以碳为主的，直径为2 n m 左右的碳烟核心：气体中的烃在这个碳烟核心的表面凝聚，以及碳烟碳烟核心之 间的凝聚，使得碳烟核心的表面增大，成为直径为2 0 3 0 n m 左右的碳烟基元。 至此，碳烟的质量已基本确定。最后碳烟基元堆积成直径li tm 以下的微粒。 碳烟的形成数璧随着过量空气系数的降低而增加；温度对碳烟形成数量的影 响，则在1 6 0 0 1 7 0 0 k 之间达到最大值；压力对碳烟形成的温度和过量空气系 数条件影响很小，但对碳烟形成的数量影响很大，随着压力的增加，碳烟形成的 数量也增加。 1 3 2n o 。的形成 氮氧化物( n o 。) 包括n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 2 0 5 、n 2 0 4 、n 0 3 ，统称 为n o 。n o ，的生成条件是高温、富氧及高温持续时间。内燃机排放物的n o 。 主要是n o ，但在进入空气后，会很快被氧化成n 0 2 。n o 的主要来源是参与燃 烧的空气中的氮。其中生成n o 的化学机理是泽尔多维奇( z e l d o v i t c h ) 反应机 理。在化学当量混合比( m a = 1 ) 附近。导致生成和消失n o 的主要反应为： 0 2 2 0 ( 卜3 ) n 2 + o 曲n o + n ( 1 4 ) n + 0 2 营n o 十o ( 卜5 ) n + o h n o + h ( 卜6 ) 由于n 0 的生成反应比燃烧反应慢，所以只有很少一部分n o 产生于很薄 ( “o i m m ) 的火焰反应带中。大部分n 0 在离开火焰的燃气中生成。n o 的生成强 第一章绪论 烈地依赖温度，氧浓度的提高也使n 0 生成量增加“”。 柴油机要满足未来的欧洲号排放标准并且保证良好的经济性，必须要借助 于先进的柴油机控制技术和高度成熟的废气后处理技术。目前，降低碳烟和n o x 的措施主要有推迟喷油提前角、增压中冷技术、高压共轨技术、改进燃料的性质、 废气后处理技术、废气再循环技术和新概念燃烧理论一均质混合气压燃着火等。 但是，最理想的措施是使用清洁、高效的替代燃料。目前，醇类燃料、二甲醚等 在柴油机上都得到了应用，不仅能有效地降低柴油机的有害排放物，而且能缓解 柴油机对石油资源的消耗。 1 4 可替代石油的清洁燃料在内燃机上应用 上述措施虽然能从不同的方面和不同的程度降低内燃机的有害物质的排放 和减少对燃料的消耗，但却不能从根本上同时解决内燃机对环境污染和对石油资 源消耗的问题。所以。内燃机技术要想产生重大的突破，必须寻找清洁、有效的 替代燃料，以从根本上解决内燃机的能源可持续发展以及带来的污染问题。 1 4 1 可替代石油的清洁燃料在内燃机上应用的要求 目前，可替代石油的清洁燃料要能够在内燃机上得到有效的应用，并能商品 化，需要满足下面的要求“0 1 ： 1 ) 资源丰富，价格适宜。在目前汽油、柴油供应还充裕的情况下，清洁燃 料在内燃机上应用的综合经济效益，能与汽油、柴油竞争。 2 ) 有害物质的排放能够满足日益严格的排放法规的要求。 3 ) 能够满足内燃机动力性的要求。 4 ) 能量密度高，储运方便，毒性和安全防火方面能够被人们接受。 5 ) 加注方便，加注站投资规模和成本可行，