（动力机械及工程专业论文）降低汽油机有害排放物nox的分层废气再循环的研究.pdf

摘要 日益严峻的能源和环境问题是汽车工业发展所面临的严重挑战，实现高效、 清洁燃烧是车用汽油机的发展方向。汽油机的有害排放物中，控制n o 。排放非常 重要。现有技术条件下，既可以大量降低n o 。排放，又能节省部分负荷燃油消耗 的较成熟技术是废气再循环( e g r ) 。传统进气总管e g r 的最大e g r 率受到燃烧循 环变动的限制，在大e g r 率下，油耗上升，严重时会导致c 0 和“c 排放大量增加。 分层e g r 可以减少缸内燃烧的循环变动，增加e g r 率，在进一步降低n o 。排放的 同时，可以减小部分负荷下的泵吸损失，提高燃油利用率，因而，分层e g r 是目 前进一步降低n o x 排放的重耍发展方向。 本论文主要研究分层e g r 技术，围绕废气如何分层、分层形式及分层后对混 合气形成和燃烧过程以及发动机性能的影响而展开。 研究中选用可以产生较强滚流运动的四气门产品汽油机，设计了4 套特殊的 e g r 分层结构。用废气导入管将废气引到单侧进气i q 处，利用四气门汽油机的缸 内气体滚流运动，实现废气与新鲜可燃混合气的分层。改变进气门处废气导入管 的位爱，可以实现不同的废气进气方式。 试验结果表明，e g r 进气方式对发动机性能有较大影响。部分负荷下，单侧 进气e g r 比传统进气e g r 具有更高的经济性，油耗降低4 1 。在大幅度降低n o x 排放的同时还可以使c o 和h c 排放随e g r 率增加而减少。单侧进气方式在所有工 况下的最大e g r 率都大于传统进气e g r 方式，最大e g r 率可达4 3 。相同e g r 率 下，单侧进气方式的最大爆发压力大于传统进气e g r 方式，而且单侧进气方式 e g r 不需要进行冷却。e g r 采用单侧进气方式后应将点火适当提前。 采用先进的激光测试技术和缸内气体运动可视化技术，对不同e g r 进气方 式缸内气体流动和废气浓度分布情况进行了研究。结果表明单侧进气e g r 能够 实现废气与可燃混合气的分层。该分层的规律是在进气行程初期废气分层现象明 显，废气和新鲜混合气各在气缸一侧，并维持到接近点火时刻；到压缩行程后期 废气和新鲜混合气逐渐混合，但总体上废气和新鲜混合气在气缸内是处于不均匀 分布的。随着发动机转速升高，单侧进气e g r 在缸内气体作用下形成滚流分层 越明显。根据试验得到和光学发动机上观察到的结果及废气分层规律，建立了 e g r 单侧进气废气分层的物理模型。 本研究立足于将来的实际应用，突破了传统e g r 的进气模式，在大幅降低汽 油机n o 。排放的同时，进一步提高发动机燃油经济性，兼顾发动机的综合性能。 所设计的分层e g r 迸气方式结构简单、工作可靠，为降低我国未来车用汽油机 n o 。排放提供个新的解决途径。该研究不仅从理论上而且从应用前景上都具有 叶+ 分重要的意义。 关键词：四气门汽油机，废气再循环，分层，滚流运动，n o x ，排放 a b s t r c t i ti sag r e a tc h a l l e n g ef o rt h ea u t o m o t i v e i n d u s t r yd e v e l o p m e n tt o m e e tt h e r e q u i r e m e n t f o rm o r ea n dm o r e s t r i n g e n t e n v i r o n m e n t p o l l u t i o nr e g u l a t i o n s a n d s e v e r es h o r t a g eo fp e t r o l e u m0 i l a sn o xe m i s s i o nf r o ms ie n g i n ei s o n eo fm a i n c o m p o n e n t st o f o i t n o p t i c a l - c h e m i c a ls m o k e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s t r i c tn o x e m i s s i o n s i nt h ee x i s t i n gm e t h o d s ，e g ri sr e l a t i v e l ye f f e c t i v et e c h n o l o g yn o to n l yt o r e d u c et h ee m i s s i o no fn o xb u ta l s ot os a v er u e i c o n s u m p t i o na tp a r ti o a d t h e c o n v e n t i o n a le g rd i r e c t l y e n t e r i n g i n t a k em a n i f o l di sl i m i t e db y c y c l e b v ，c y c l e v a r i a t i o na n df u r t h e rd e c r e a s i n gn o x e m i s s i o n ，i fl a r g er a t i oo fe g rl e a d st oe n g i n e ， w h i c hw i l li n c r c a s ef u e l c o n s u m p t i o na n dc 0a n dh ce m i s s i o n s h o w e v e r ，t h e s t r a t i f i e de g rw i t hd e c r e a s i n go ft h ec y c l e - b v c y c l ev a r i a t i o na n di n c r e a s i n go ft h e r a t i oo fe g r ，n o to n l yr e d u c e st h ee m i s s i o no fn o xf u r t h e ra n dt h ep u m p i n gl o s sa t p a r t1 0 a db u ta l s oi m p r o v e st h ef u e le c o n o m v s ot h es t r a t i f i e de g ri st a k e na sa i m p o r t a n tm e a n st or e d u c et h ee m i s s i o no fn o x t h es t u d yf o c u s e so nt h e t e c h n i q u eo fs t r a t i f i e de g r ，w h i c hc o n s i s t so ft h e m e c h a n i s mo fs t r a t i f i c a t i o n ，t h ef o r i l lo fs t r a t i f i c a t i o na n dt h ei n f l u e n c eo nm i x t u r e f o r i l l ，c o m b u s t i o n p r o c e s s a n d e n g i n ep e r f o r m a n c e u n d e rt h ec o n d i t i o no f s t r a t i f i c a t i o n t h er e s e a r c hs e l e c t sa f o u r c y l i n d e rs ie n g i n ew i t hf o u rv a l v e sf o re a c hc y l i n d e r ， w h i c hp r o d u c e ss t r o n gt u m b l em o t i o na n dd e v i s e ss p e c i a ls t r a t i f i e dc o n f i g u r a t i o no f e g r n ee x h a u s tg a si sl e a d e dt os i n g l ei n t a k ep o r tb yt h eg u i d e dj e ta n da c h i e v e s s t r a t i f i c a t i o nw i t hf r e s hm i x t u r eb yu s i n gt u m b l em o t i o no ft h ee n g i n ei nt h ec y l i n d e r t h ed i f f e r e n te g rm o d e sa r er e a l i z e db y c h a n g i n gt h el o c a t i o no ft h eg u i d e di e t t h er e s u l to ft h et e s td e m o n s t r a t e st h a tt h em o d e so fe g rh a v eo b v i o u s i n f l u e n c eo n e n g i n ep e r f o r m a n c e ，a tp a r tl o a d ，t h ej e lb y t h es i d eo fi n t a k ep o r ta t t a i n s b e t t e re c o n o m yt h a nc o n v e n t i o n a lm o d ew i t ht h ef u e lc o n s u m p t i o nr e d u c t i o nb v4 1 s i m u l t a n e o u s l y , n o xa n dc oa s w e l ia sh cr e d u c e sm o s t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go f e g rr a t i o t h ew h o l ee g rr a t i o sw i t ht h em o d et h a tt h ej e tl o c a t e sb yt h es i d eo fp o r t a r el a r g e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lm o d ea n dt h em a x i m u mr a t i or e a c h e st o4 3 a tt h ec o n d i t i o no fs a m ee g r r a t i o ，c y l i n d e rp r e s s u r eo ft h es i d e tm o d e i sb i g g e r t h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lm o d ea n dt h ef o r m e rd o e s n tr e q u i r ec o o l e de g r b yu s i n g t h es i d e - j e tm o d e ，e g rn e e d sa p p r o p r i a t ei g n i t i o nt i m i n g u s i n gt h ea d v a n c e d1 a s e rm e a s u r em e t h o da n dt h e v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo f i n c y l i n d e rg a sf l o w , u n d e r t h ed i f f e r e n te g rm o d e s i n v e s t i g a t e di n - c y l i n d e rg a sf l o w a n dt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h ee x h a u s tg a s t h er e s u l t ss h o wt h a ta d d i n g e g rt h r o u 曲t h es i d e j e tc a nm a k et h ee x h a u s tg a ss t r a t i f i e di nc y l i n d e rw i t hf r e s h c h a r g e t h es t r a t i f i e dp h e n o m e n o n i so b v i o u sa tt h es t a r tp o i n to ft h ei n t a k ec y c l e ，a n d t h ee x h a u s tg a sa n dt h ep r e m i x e dg a sd i s t r i b u t eo ne a c hs i d ei nc y l i n d e ro ft h ee n g i n e r e s p e c t i v e l y , w h i c ha l m o s t1 a s t st ot h ee n do fc o m p r e s s i o ns t r o k e a n d n e a rt h ee n do f t h ec o m p r e s ss t r o k e ，t h ee x h a u s tg a sm i x e sw i t ht h ef r e s hc h a r g eg r a d u a l l y , h o w e v e r , t h ed i s t r i b u t i o no ft h ee x h a u s tg a sa n dt h ef r e s hc h a r g ei sh e t e r o g e n e o u sa saw h o l e t h et u m b l i n gf l o w ss t r a t i f yo ft h es i d ej e te g r i sm o r eo b v i o u s l ya st h es p e e do ft h e e n g i n ei n c r e a s e s b a s e do nt h ee x h a u s tg a ss t r a t i f i e d r u l ea n dt h er e s u l t so b t a i n e d f r o mt h eb e n c ht e s t sa n dt h eo p t i c a le n g i n e ，b u i l d su pt h es i d e - j e t s t r a t i f i e d - e g r p h y s i c a lm o d e 一n 一 t h en e we g rm o d ei sa ne f f e c t i v em e a n st or e d u c et h en o xe m i s s i o na n d i m p r o v e st h ef u e lc o n s u m p t i o n a tt h es a m et i m ef o rf u t u r er i s ei ns ie n g i n e s ，w h i c h h a ss i m p l yd e s i g n e da n dr e l i a b l ec o n s t r u c t i o n t h e r e f o r eb o t ht h et h e o r ya n dt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h i sr e s e a r c ha l ev e r ys i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：t h es ie n g i n eo ff o u rp o r t s ，e g r ，s t r a t i f i c a t i o n ，t u m b l ee m o t i o n ， n o x ，e m i s s 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，也不包含为获得鑫洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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 身 意。 学位论文作者虢矧塌勇签字嗍抄多年胆月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎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) 学位论文作者签名：剀嚅萄 新签轹础绷八 签字同期：d ”哆年a 月多d 日签字日期；多矿；年- 月弓口曰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 1 8 8 6 年世界上出现第一台汽油发动机汽车，2 0 世纪9 0 年代全球汽车产量 已经高达5 0 0 0 万辆，2 0 0 2 年更达到5 8 7 8 万辆o3 ，这无可争辩地成为人类创 造的奇迹之一。内燃机是现代工业文明的产物，也是现代社会发展不可缺少的 动力源。 同时内燃机消耗大量宝贵的石油资源，向大气中排出废气，造成严重环境 污染。在石油资源逐渐枯竭，环保意识日益增强的情况下，人们迫切要求提高 内燃机动力性、经济性和排放性能。为此尝试在内燃机中使用新技术和代用燃 料。内燃机从发明至今，经历了无数的改进，但其“内燃”的本质没有改变， 这是决定内燃机成为未来实用动力源的根本优越性。从目前情况来看，内燃机 仍然是2 1 世纪最实用的车用动力。3 。节能和环保的要求会进一步促进内燃机技 术的发展。 1 1 1 降低内燃机排放和提高内燃机经济性的必要性 内燃机的发展使工业革命以来的大 气污染更趋严重。其代表性的事件是1 9 5 2 年的伦敦烟雾事件，1 9 5 5 年美国洛杉矾烟 雾事件，1 9 6 1 年的同本四日市事件”3 。这 些都是世界公害史上有名的严重污染事 件，直接受害和死亡人数达数千人。 根据国家环保总局1 9 9 8 年关于中 国城市环境状况的报告，如图1 一l 所示。 中国1 4 0 个城市( 占4 3 5 ) 达到三级大 气质量标准，只有8 9 个城市( 占2 7 6 ) 中【j ! ! | 夫部分城市的居民生活“。卜气珂囊的” 境中，没肃个城市能达到数窄，“标准 图1 - 1 中国城市环境状况 能达到二级大气质量标准，没有城市能够达到一级大气质量标准。北京，天津 等15 个城市超过了以p m ，s o 。和n o 。三种污染物为指标的国家大气质量标准限 值。 国家环保总局的这份报告将汽车排放作为空气污染的主要原因。很明显， 在中国这个快速发展的国家里不能没有汽车和大型商用车。事实上，在未来五 第一章绪论 年内，中国的汽车保有量将以大约每年1 0 的速度增长。 作为汽车主要动力源的内燃机所产生的空气污染量比任何其它单一的人类 活动产生的空气污染量都多。全球因燃烧矿物而产生的c o 、h c 和n o 、的排放量， 几乎5 0 来自于内燃机。在城市中心，特别是在拥挤的街道上，车辆交通是造 成空气中c 0 含量的9 0 9 5 、n o ；的 l c 含量的8 0 9 0 以及大部分的颗粒物 的主要原因。这些有害物质给人类、动物、植物及整个自然界的生物链带来极 大危害，成为人类健康和自然资源的最大威胁。 随着世界经济发展和汽车保有量的不断增加，汽车尾气污染已经成为愈来 愈严重的问题，为了控制和减少汽车的排放污染，保护人类赖以生存的大气环 境，世界各国纷纷采取了各种措施和控制策略，相继制定了愈来愈严格的排放 法规，如图l 一2 所示5 1 。我国也颁布了相应的汽车排放法规，g b1 4 7 6 卜2 0 0 1 汽车排放污染物限值及测试方法规定：对道路车辆发动机，2 0 0 5 年起执行 欧洲i i 号排放标准；对于非道路车辆发动机，2 0 0 5 年起执行欧洲i 号排放标准。 我国轻型车排放控制比美国、欧洲起步晚。 汽车是现代文明的标志，汽车的出现和大量使用极大地推动了人类社会向 前发展。与此同时，汽车消耗了大量的石油能源，石油资源短缺是一十一世纪 汽车工业面临的主要问题之一，合理有效地利用资源将是人类急需解决的首要 问题之一。 图1 2 轻到车排放控制进程 据统汁，截至2 0 0 2 年底，世界石油剩余探明储量为1 6 6 0 亿t ，2 0 0 2 年产 量为3 3 亿t “j ，按照目前的汽车保有量，这些石油仅够使用到2 0 5 0 年左右。1 9 9 3 年，我国就已经成为石油进口国”1 。2 0 0 2 年，我国石油消耗2 6 亿t ，其中进 口石油7 千万t ，保有量的汽车约消耗掉石油消耗，e 2 , 量的3 0 4 0 。2 0 5 0 年， 我国需进口石油4 0 亿t ，可见石油资源将影响到我国的能源安全“3 。过多地依 赖石油进口，这必将制约我国国民经济的发展。 石油燃烧的最终主要产物中含有c 0 2 ，而c 0 2 是造成地球温室效应的罪魁 2 第一章绪论 祸首- 减少石油消耗就可以减少c 0 2 的排放量，从而减缓全球气温上升的趋势。 这要求世界汽车工业进一步降低汽车的燃油耗，为此各国都提出了合理使用能 源的政策m ，。 在汽车保有量不断增加的今天，要减少或限制汽车所消耗的石油资源，就 必须通过技术进步改进汽车燃用石油的效率。因此提高汽车发动机的燃油经济 性也成为政府部门和生产厂商关注的重点。美国、日本、欧洲各国相继制定了 燃油消耗法规和计划【1 0 。美国联邦标准c 越= e ( c o r p o r a t e a v e r a 2 e f u e le 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达到3 5m i l e g a l l o n 和 2 7 5 m 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 年油耗减少 2 5 “”“4 “。德国大众汽车公司已经研制成功并批量生产百公里油耗3 l 的l u d o 轿车1 。 我国政府对汽车燃料的消耗也非常重视，早在8 0 年代就制定了j b 3 8 0 9 8 4 载货汽车燃料消耗量限值。进入新世纪后，我国即将采用更加严格的汽车燃 料利用率标准，以控制汽油消费，并确保中国能拥有较为先进的汽车制造技术 ”。新标准规定，到2 0 0 5 年时，重量为2 4 t 的运动型多用途车每1 0 0 k m 耗油 量将不得超过1 5 5 l ，到2 0 0 8 年时，每1 0 0 k i n 耗油量将不得超过1 4 l ；对于车 重为1 i 的汽车，需在2 0 0 5 年达到每l o o k m 耗油量不超过8 2 l ，2 0 0 8 年时每 1 0 0 k i n 耗油量将不得超过7 l 。 汽车内燃机所带来的环境污染和能源问题是我国城市和社会经济可持续发 展中必须解决的重大问题，因此努力促进内燃机技术水平的提高，降低汽车的 排放和油耗已经成为国内外厂商的重要课题，也是我国汽车产业发展的一个基 本出发点。 1 1 2 实现汽油机高效清洁燃烧的技术路线 汽油机问世百多年来，其技术已经得到长足进步，特别随着各国排放法规 和燃油消耗法规的逐年严格，汽油机技术更取得了飞速发展。汽油机能量利用 率和有害排放得到了大幅度改善，有害排放物已减少了9 0 以上。实现汽油机 高效清洁燃烧的措施主要有： 改善汽油品质“。提高汽油辛烷值，严格规定汽油成分。以前为保证辛烷 值而加入的四乙铅己经被禁止使用，现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。限制汽油中芳香烃和硫含量，不完全燃烧的芳 香烃对臭氧形成影响很大。推广使用“改制汽油”、新配方汽油、高清洁汽油 第一苹绪论 等。 燃油蒸发排放控制系统“。回收汽油箱和化油器浮子室的燃油蒸气，这部 分蒸气污染占汽油机h c 总排放的2 0 左右。将它们重新送入气缸燃烧，从而 减少燃油蒸气成为空气污染物的潜在危险，还可以提高发动机的燃料经济性。 优化进气道设计“。组织适当的进气运动，加大进气量，改善混合气的形 成。采用螺旋进气道、可变进气管长度、可变进气管截面积、可变进气涡流等 技术，提高发动机充气系数和迸气量，从而可有效降低发动机的有害排放。 多气门技术”。四气门或五气门设计可增大进气流通面积，提高充气系数， 减小泵吸损失；便于火花塞中心布置，缩短火焰传播距离，有效防止爆震；减 小气门质量，可以提高发动机转速和高转速时的扭矩。 可变气门机构“。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、废气再循环以及进气涡流强度， 从而改善汽油机的动力性、经济性和排放等性能。如丰田的v v t i ，本田的 v t c 和v e t c 、f e v 的电磁控制全可变气门机构等。 电控燃油喷射( e f i ) 技术”“。精确控制喷油量、喷油定时和点火定时， 改善过渡工况的混合气质量，改善各缸混合气分配不均匀程度，可以在汽油机 的排放、燃油经济性和动力性方面取得显著的效益。由于没有化油器喉口的节 流作用，可以增大充气系数。在任何工况下都能提供精确的混合气浓度，从而 可以使三元催化转换器发挥最大效率，降低排放。 缸内直接喷射( g d i ) 技术。”。利用缸内直接喷射技术，可以实现无节流 或小节流的变质调节。提高了充气系数，大大改善了部分负荷下的燃油经济性。 而且燃油在缸内雾化蒸发吸收热量，降低了缸内温度，使n o 。排放降低。另外， 过渡性能良好，冷起动h c 排放大为降低。 稀薄燃烧技术。“。采用稀薄混合气燃烧，可以使用高压缩比，使热效率提 高，在部分负荷时采用变质调节，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 魄排放明显减少，同时，燃烧产物中的氧成分有 利于h c 和c o 的氧化，使h c 和c o 的排放也减少。为了适应汽油机稀燃保证混 合气点火的需要，出现了分层燃烧技术，主要有：涡流分层燃烧系统，轴向分 层燃烧系统，滚流分层燃烧系统，如丰田d 4 汽油机”“，日本本田的轴向分层 燃烧1 ，r i 本三菱公司m v v ( m i t s u b i s h i v e r t i c a l v o r t e x ) 燃烧系统汹“州等。 废气再循环( e g r ) 技术。“。将部分废气引入气缸内再次燃烧，使进气中 的氧含量减少；废气中的c o 。、n ：、h 2 0 等具有较高的比热容，多变指数低，可 以降低最高燃烧温度；c o 。、n ：等惰性气体阻碍燃烧，使燃烧速度降低，从而抑 制了n o ，的生成。同时，e g r 能够减少泵吸损失，提高发动机的热效率，降低 第一章绪论 部分负荷的燃油消耗。 排气后处理技术”1 。采用各种机内净化措施，虽然能够大大地减少汽油机 有害排放物，但汽油机“内燃”的本质，使这些措施不能完全消除汽油机有害 排放物的生成。利用三元催化转换器可以同时降低汽油机尾气中的n o i 、h c 、 c 0 三种有害排放物。但是三元催化转换器只在理论空燃比附近很窄的范围内 转换效率最高，而且还受燃油品质、排气温度等多方面的影响。近年来，用于 稀燃发动机的催化转换器的研究己取得了很大进展。 均质压燃着火技术。”。“。点燃式预混均质燃烧，压缩比低、热效率低，易 产生n o 。和不完全燃烧产物；节气门的存在使其泵吸损失增加，能量利用率低。 扩散燃烧，存在边喷油、边混合、边燃烧的现象，使柴油机存在碳烟和n o 。排 放的最低极限。为了突破传统燃烧方式的极限，上世纪9 0 年代后丌始酝酿并 逐渐产生了新一代内燃机燃烧理论，即均质压燃着火理论，它的基本特征是： 均质、压燃、低温火焰。这是一种清洁高效的燃烧过程，但其工作范围还有待 扩展，工况转换时的稳定性还没有解决，距离实际应用有一定距离。 随着各国排放法规和油耗法规进一步严格，各种技术的深入研究也在不断 进行，力求使排放和油耗降低到更低水平。 1 2汽油机排放污染物的生成机理和控制策略 从汽油机排入大气的有害排放物根据排放途径可分为曲轴箱窜气、燃料蒸 发泄漏和燃烧废气三部分。前两部分排放物的主要成份是h c 。在不加控制情况 f ，曲轴箱窜气排放量占汽油机h c 总排放量的2 5 左右，汽油蒸发排放 量占汽油机h c 总排放量的2 0 左右。 汽油机的废气污染物主要是从废 气管排出的，即第三部分燃烧废气。 燃烧废气污染物的主要成分有如下几 种： 1 ) 大气成分氮气n 2 和剩余氧 气0 2 ； 2 ) 完全燃烧产物水蒸气h ：o 和二氧化碳c o ：； 3 ) 不完全燃烧产物一氧化碳 c o 和氢气h 。： 4 ) 未燃燃料及燃烧分解生成物 0 1 t1dl j 14 过量它气景致j 图1 3 汽油机排气污染物的 组成和过量空气系数的关系 第一章t 绪论 碳氢化合物h c ： 5 ) 燃烧的中间产物醛类等； 6 ) 氮氧化物n 0 ，： 7 ) 燃料和润滑油添加物的混合物氧化铅、碳化物、金属化合物等。 由于n z 、0 z 、h z 、c o ：等成分都是无害气体，再除去燃油中的杂质和添加剂， 汽油机排气中的污染物主要是c o 、h c 和n o ，。它们的浓度主要与过量空气系数 有关。图1 3 为一台汽油机排气中c o 、h c 和n0 【，的摩尔分数x 或体积分数1 l r 和过量空气系数九的关系。“。c 0 在富氧区浓度很低，在缺氧区增加很快。n 0 。 在过量空气系数为1 ，l 时达最大值，在富氧区和缺氧区都迅速下降。h c 在过量 空气系数为1 1 i 2 5 最少。这个规律几乎可以在每个汽油机里发现。只是其 最高值和具体的曲线各个汽油机略有所不同。 从上图可以看出，没有一个理想的过量空气系数能使汽油机的各种性能指 标都达到最佳值。在一般汽油机实际应用中，过量空气系数一般在0 9 1 1 。 1 2 1 汽油机排放污染物的生成机理 一、i l c 形成机理”“：排气中的h c 是由末燃烧的燃料烃、不完全氧化产物 以及燃烧过程中部分被分解产物所组成。它包括饱和烃、不饱和烃、含氧碳氢 化合物等许多种类的碳氢化合物，成分复杂，组成变化也很大。汽油机排气中 的h c 主要来源是室壁激冷效应、油膜和沉积物吸附、容积淬熄、充量不完 全燃烧以及二冲程的扫气过程。在车用四冲程汽油机工作正常的情况下，排气 中的h c 主要来自室壁激冷效应。 h c 排放特性：在汽油机中，当过量空气系数为1 2 左右时，未燃h c 的生 成量最少。当过量空气系数减小时，由于氧气不足，燃烧不完全，未燃h c 的生 成量增加。同时进入狭缝的混合气浓度也增加，使来燃h c 的生成量增加。另外 混合气过浓，碳氢燃料也容易发生热分解而生成各种低分子量的碳氢。当过量 空气系数增大时，未燃h c 生成的主要原因是燃烧火焰的冷却。混合气过稀，燃 烧火焰传播得不均匀且速度较慢，甚至出现失火现象，致使h c 排放上升。通常 h c 主要是在激冷区内产生的，在膨胀、排气行程中，区内的未燃烧气体从低温 壁面离开，与高温燃气混合，若氧气充足，将有一部分h c 被氧化，并且继续在 排气管中氧化。因此温度低或面容比大，都会导致h c 的浓度增加。 二、c 0 生成机理o ”：c o 是燃料在燃烧过程中的重要中间产物和不完全燃烧 产物。燃料燃烧要经过如下步骤： r h r r 魄一r c h o r c 0 一c o ( 1 一i ) 其中，r c o 自由基生成c 0 是通过热分解，或通过与0 z ，、o h 、0 、l - i 等发生 一6 第一苹绪论 反应实现。 在内燃机缸内混合气达到一定的反应温度，并在氧化剂存在的条件下，c o 将连续按链反应机理进行反应，而生成最终燃烧产物c o ：。 c 0 + 0 h * c 0 ：十h( 1 2 ) 在燃烧火焰中，通常o h 的浓度较高，因此c 0 按下式进行的氧化反应的速 度是很慢的。 c 0 + 0 2 c 0 2 + o( 1 3 ) 如果燃烧过程中局部空间和瞬时存在下列条件之一，则c o 不能继续燃烧生 成c o z 而被排出机外：1 ) 反应着的气体温度突然过低；2 ) 反应着的气体突然缺乏 氧化剂；3 ) 反应物停留在适合于反应条件的时间过短。 c o 的生成除了跟上述反应有关外，还与c o ：和h = 0 的高温离解反应有关。 c 0 2 的离解反应为：2 c 0 2 * 2 c 0 + 0 2( 1 4 ) h 2 0 的离解反应为：2 h 2 0 2 h 2 + 0 2( 1 - 5 ) 两离解反应均为吸热反应，其离解率随温度的升高而增大。其中离解产物 h 2 和c 0 2 发生反应生成c o 和h 2 0 h 2 + c 0 2 h 2 0 + c o( 1 6 ) 这就是内燃机在不缺氧的状况下仍有c 0 排出的两个原因。 c o 排放特性：汽油机中燃烧气体的最高温度可达到2 4 0 0 2 8 0 0 k ，1 5 5 0 个大气压。在这样的高温下存在着大量h 、o h 、h 0 2 、o 等自由基和中间产 物，体系中存在一个快速平衡，平衡时c o 的浓度大于1 。作功和排气行程时 气体膨胀得很快，混合气骤冷，c o 的平衡浓度迅速下降。如果随着温度下降， c o 能够维持其平衡浓度，排出的c o 的浓度可以降至很低的水平，但是受温度 下降速度的影响，c o 浓度将偏离平衡位置，排出的c o 将远高于平衡浓度。 另外，由于燃烧中火焰的传播有一个过程，从点火中一d 向四周传播，因此汽油 机中热混合气的温度不是均一的，起燃时间不同的气体微元上c o 的浓度是不 同的。一般说来，在富氧和等当量燃烧的发动机排出c o 的浓度接近平衡浓度， 而在贫氧条件下排放的c o 远高于平衡浓度，这可能与排气管处未燃烧的h c 的氧化有关。 三、n o x 生成机理。：内燃机排气中的氮氧化物( n o x ) 主要是n o ，但在 进入空气后，会很快被氧化成n 0 2 。n o x 的生成机理与c o 及h c 不同，它不 是混合气不完全燃烧的结果。它的生成与燃烧的扩散混合、浓度分布、火焰浓 度分布及热的传导等一系列因素有关，反应机理十分复杂。汽油中基本不含氮 的充分，n o x 的生成主要来源于燃烧所需的空气中n 2 与0 2 在燃烧高温作用下 所发生的热反应机理( t h e r m a ln o 反应机理) 。认为与可以很快达到平衡状态的 7 第一章绪论 燃烧反应速度相比，n o 的生成过程比较缓慢，对温度的依赖性较大，需要吸 收较多的热量，一般认为要到火焰后期才产生有关反应。其反应基本过程是： n 2 + 0 n o + n n - - 7 ) n + 0 2 e e , n o + o ( 1 8 ) n + o h o n o + h ( 1 9 ) 上述反应过程称之为生成n 0 扩大的泽尔多维奇( z e d o v i c h ) 反应机埋。 另外，在火焰初期实际上电存在早期生成的n o ，通常称之为瞬发的 n o ( p r o m p tn o ) 。在反应气体中含有较多的原子团和含氮的中间体，而且这些 含氮的中间体十分活跃，能比按泽尔多维奇机理预测的速度更快地生成附加的 n o ， n o 的排放特性：当过量空气系数在1 1 左右时，混合气速度最快，燃烧温 度最高，又有多余的0 2 ，n o 的排放浓度最大；当过量空气系数或大或小时， n o 的生成反应分别受到燃烧温度或氧浓度的限制，致使n o 浓度相应下降。 此外，n o 的浓度还与混合气在高温下的滞留时间有关，若在高温下滞留时间 愈长，则n o 的浓度愈大。 1 2 2 汽油机排放污染物的主要控制策略 一、h c 排放控制策略：能够减少缝隙容积和激冷区区域或加速已生成h c 氧化的措施都可以降低h c 排放。推迟点火可以减少h c 排放，主要原因是排气 温度上升，使h c 在排气行程及排气管中的氧化加强。增大工作容积，加长活塞 行程，减小压缩比，都能减小f v ，从而减少h c 排放。减小排气门的早开角， 延长h c 在气缸内的氧化时间，或提高排气温度，使 l c 在排气管内继续氧化， 也能使h c 排放减少。 二、c 0 排放控制策略：改善混合气的混合和燃烧质量的措施都可以降低 c 0 的排放量。降低燃烧室的f v 比，减小燃烧室激冷区，选用较高的行程缸 径比，增大单缸排量，减少气缸数目等都可有效降低c o 排放。此外，进气预热， 空气喷射，采用排气热反应器或催化转化器，使排气发生高温氧化；精确控制 混合气浓度，恰当选用点火正时，采用电控燃油喷射系统等，也是降低c o 的有 效措施。 三、n o 排放控制策略：能够降低气缸内燃烧最高温度、减少气缸内的氧 浓度、缩短n 。与o ：反应持续时间的措施都能够降低n o 排放。采用废气再循环 ( e g r ) 、推迟点火正时、加浓或稀释混合气、h c c i 燃烧方式、还原式催化转换 器等方法可以减少n 0 排放。但推迟点火和加浓混合气使油耗增加，稀薄燃烧使 常规三元催化转换器不能正常工作，h c c i 目前还难以实用，还原式催化转换器 一8 一 第一章绪论 对混合气浓度要求较严且寿命有限。目前，在降低n o x 排放方面，e g r 技术已 经在发动机上得到较为广泛的应用。 1 3 汽油机废气再循环技术 n o x 是造成城市光化学烟雾的罪魁祸首，新的排放法规要求进一步严格 n o x 排放，废气再循环技术是降低n o x 排放的有效实用手段。城市中的小汽车 大部分工作在中小负荷下，此时正是e g r 的工作范围。合理控制e g r 率能够 扩大汽油机均质压燃着火的区域”1 。因此废气再循环是满足未来更严格排放法 规的必要措施”，因而愈来愈受到人们的重视。 1 3 1e g r 工作原理及特点 废气再循环( e g r ，e x h a u s tg a sr e c i r c u t a t i o n ) 是将发动机排出的废气的 一部分再送回进气管，和新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧。一方面减 少排气中n o x 向大气排放量，另一方面废气的加入使进气中氧含量减少，燃烧 反应的速度减慢，燃烧温度下降，从而降低n o x 的排放量。采用e g r 技术后， 可以使n o x 达到很低的排放水平，因而是控制n o x 排放的主要措施。 e g r 分为内部e g r 和外部e g r 。内部e g r 是通过改变进气门的开启角 度和排气门的关闭角度增加气缸内的残余废气量。它要求采用能够实现任意可 变气门正时的机构。内部e g r 可以根据发动机工况实时控制废气的残余量，控 制精度高。但内部e g r 的控制机构复杂。外部e g r 是指把排出的废气通过带 控制阀的管路再引入到进气系统中，与新鲜混合气一起进入气缸。其工作原理 如图1 4 所示。外部e g r 一般应用于部 分负荷。因为满负荷时，e g r 会减少新鲜 进气量而影响扭矩和功率：在怠速时，e g r 会导致火焰传播困难而影响运转稳定性。 在部分负荷时，e g r 量应随着发动机负荷 的增加而增加到允许的限度。 国内外的研究证明。“删“：e g r 对燃 烧过程最重要的影响是增加了工质的比热 容，稀释了进气中的氧含量，减慢了燃烧 c o m 图l 一4 废气再循环系统 柱蕾 速度，降低了燃烧最高温度，从而降低了n o x 浓度。汽油机气缸中的进气总量 随着e g r 率的增加而增加，汽油机e g r 能够减少部分负荷下的泵吸损失，提 高汽油机经济性。由于再循环废气的加入，使得发动机气缸中混合气的形成、 第一章绪论 燃烧和排放发生了变化，因而对发动机的性能产生了各种影响。 e g r 的特点在于适当增加进气歧管的压力，增大充气量，从而减少了发动 机部分负荷时的泵吸损失；较低的燃烧温度，减少了冷却及散热损失，从而可 提高发动机的热效率，降低燃油消耗。但对于同前已经应用的进气总管e g r 方法，随着e g r 比率的增加，会减缓燃烧速率，增加燃烧持续期，并影响燃烧 的完善程度及其稳定性。过高的e g r 率还会导致油耗、c o 与h c 浓度上升。 研究确认，燃烧循环变动是造成燃油经济性恶化的主要原因”“。 鉴于内部e g r 和外部进气总管e g r 所存在的问题，研究开发新的e g r 方式以减少燃烧循环变动，提高e g r 率势在必行。 1 3 2e g r 的研究现状 六十年代，美国、日本、西欧等国家不断严格的排放法规，直接促进了对 低污染车用发动机和对排气净化措施的研究。e g r 技术在国外首先应用于汽油 机，最初只是机械式纯气动式且不带冷却循环，后来发展了带冷却循环的e g r ， 再后来与电控技术相结合，转而开发出带闭环控制的气电式或电磁式e g r 系 统。如今e g r 在国外的汽油车上己得到广泛应用“”。 目前e g r 研究的重点是改善e g r 的控制方法，优化e g r 与发动机的匹配， 提高e g r 率，减少大e g r 率下的循环变动。为此，不同控制方式e g r