（光学工程专业论文）氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性规律的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 柴油机以其结构简单，经久耐用，较高的燃油经济性等优点成为的动力源。可以预 见在不久的将来，柴油机将得到广泛的应用。然而，柴油机排放的污染物较多，尤其是 氮氧化物和碳烟的排放，对人类的健康和生态环境构成了极大的威胁，这些污染物被认 为是城市里主要的空气污染源。本论文旨在研究一种柴油氧化添加剂乙二醇一乙酸 酯，以改善柴油机的排放性能，对能源和环保都具有较大的意义。 乙二醇一乙酸酯具有较高的含氧量，能够作为一种有效的氧化型柴油添加剂，降低 柴油机有害物质的排放。本文以正丁醇为助溶剂，研究了柴油一乙二醇一乙酸酯混合燃 料的物化性质，并在4 j b l 柴油机上，研究了燃用乙二醇一乙酸酯添加比例为2 ，3 ， 5 的柴油一乙二醇一乙酸酯混合燃料对柴油机的动力性，经济性和排放特性的影响归 律，主要结论如下： ( 1 ) 以正丁醇为助溶剂，可实现乙二醇一乙酸酯和柴油的完全互溶； ( 2 ) 发动机燃用柴油一乙二醇一乙酸酯混合燃料后，随着乙二醇一一乙酸酯掺烧比例 的增加，经济性稍有改善，当乙二醇一乙酸酯添加比例为3 时，当量燃油消耗量最大 可降低2 ； ( 3 ) 随着乙二醇一乙酸酯掺烧比例的增加，c o 排放在中小负荷工况有所增加，在大负 荷工况下有所改善； ( 4 ) 与燃用纯柴油相比，碳烟的排放下降十分明显，当添加比例为2 时，碳烟排 放可降低2 0 。 关键词：柴油；混合燃料；柴油机；柴油机性能；排放特l 生 2 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e sa r ee m p l o y e da st h em a j o rp r o p u l s i o np o w e rs o u r c eb e c a u s eo ft h e i rs i m p l e ， r i g i ds t r u c t u r ea n dh i g hf u e le c o n o m y i ti se x p e c t e dt h a td i e s e le n g h e sw i l lb ew i d e l yu s e di n t h ef o r e s e e a b l ef u t u r e h o w e v e r ，t h ep o l l u t a n t se m i t t e df r o md i e s e le n g i n e s ，i np a r t i c u l a r n i t r o g e no x i d e sa n dp a r t i c u l a t e ，w h i c ha r ed e t r i m e n t a lt ot h eh e a l t ho fl i v i n g b e i n g sa n dt h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，h a v eb e e nr e c o g n i z e d a sam a j o ra i rp o l l u t i o ns o u r c ei nm e t r o p o l i t a n a r e a s 1 1 1 ea i mo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha no x y g e n a t e da d d i t i v en a m e de t h y l e n eg l y c o l m o n o a c e t a t e ( e g m ) ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ee m i s s i o np e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e i th a s g r e a tm e a n i n gt os a v et h ep e t r o l e u mr e s o u r c ea n dt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t e g m ，w h i c hc o n t a i n sal o to fo x y g e n ，c o u l db eu s e da sa na d d i t i v e i nt h i sp a p e r , a n e x p e r i m e n t a ls t u d yi sc a r r i e d o u to na4 j b ld id i e s e le n g i n , 、t h e1 b u t a n o lw a su s e da sa n a d d i t i v e , w h i c hc a ni m p r o v et h ed i s s o l v a b i l i t yo ft h ee g mi nt h ed i e s e l t h ep h y s i c a la n d c h e m i s t r yc h a r a c t e r o ft h e e g m - d i e s e lb l e n d e d r u e lw e r es t u d i e d t h em o t i v ef o r c e p e r f o r m a n c e ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h eb l e n d e df u e l ，w h i c h c o n t a i n s2 ，3 ，5 e g m ，h a v eb e e ns t u d i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) w h e n1 - b u t a n o li su s e da sa d d i t i v e ，t h ee g m c o u l dd i s s o l v ei nd i e s e lo i lc o m p l e t e l y ( 2 ) w h e nt h ed i e s e le n g i n eu s e dt h eb l e n d e df u e l ，t h e e c o n o m i cp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e d al i t t l e w h e nt h ep r o p o r t i o no fe g mi s2 i tc o u l dp r o d u c ea nd e c r e a s eo f2 i nb r a k e s p e c i f i c f u e lc o n s u m p t i o nr a t e ( 3 ) w h e n t h ep r o p o r t i o no fe g mi si n c r e a s e d , c oe m i s s i o ni sal i t t l ei n c r e a s e da tl o w e rl o a d b u td e c r e a s e da th i g h e rl o a d ( 4 ) c o m p a r e dw i t ht h ed i e s e lo i l ，t h eb l e n d e df u e lc o u l dr e d u c et h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o n g r e a t l y i tc o u l dp r o d u c er e d u c t i o no f2 0 i ns o o tm a s sc o n c e n t r a t i o nw h e nt h ep r o p o r t i o no f e g m i s2 k e y w o r d s ：t h eb l e n d e df u e ld i e s e lo i l ；d i e s e le n g i n e ；d i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e ；e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s 3 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：墼盍强日期：竺! ：! 兰：! 大连理1 大二j 嫒士锣 究+ e 学链论文 大连理工大学学位论文敝权使用授投书 奉学位淦文佟者及指导教瓣完全了解“大连遴l i 太掌颈圭、博学位淦文版饭使用 规定”，同意人连理工大学保留并阳国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 叛，竞诲论文被套麓帮豢溺。本人授投大连理工大学露强将本学位论文鲶全部或部分囱 容编入有关数据库进行检索，电可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和：厂编学位论 文。 谗嚣签名 导f 露签名 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 前言 随着社会经济的飞速发展，世界能源消耗量不断增加，能源问题变得越来越突出， 同时环境也不断恶化，能源和环保日渐成为人类所面临的两大难题。发动机作为一种能 量转换的工具，是石油燃料的最主要消耗者，它的尾气排放又是造成大气环境污染的重 要原因。因此，如何节约石油燃料的消耗，降低环境的污染，己成为当今世界科技界关 注的焦点之一。 降低内燃机的比油耗、控制内燃机的排放是当前内燃机工作者的重要任务。柴油机 由于其高效、h c 和c o 排放量低的优点，应用范围已不仅局限于载重车辆，在轿车上的 应用也越来越多。因此，降低柴油机的油耗和排放具有非常重要的意义。各国科技工作 者对此作了大量研究工作，一方面节能一深入进行降低内燃机比油耗的研究，另一方面 开源一开发内燃机的代用燃料。 2 0 0 1 年4 月1 8 日，国家计委和国家质量监督检验检疫总局联合举行了新闻发布会， 宣布我国将全面推广使用乙醇汽油，并于2 0 0 4 年在部分省份开始正式应用。这标志着 乙醇作为一种内燃机的代用燃料已经成功地在汽油机 ：得到了应用。目前，如何在柴油 机上应用醇、醚、酯类等和柴油的混合燃料，国内外科技工作者作了大量的工作。 醇类、二甲醚( d m e ) 、碳酸二甲酯( d m c ) 等可再生的含氧燃料，具有大规模的生产 潜力，尽管其性能较柴油有较大区别，在柴油机上实际应用还有一定的困难，但对这些 物质作为柴油添加剂应用在柴油机上，进行了大量的研究，取得了较好的效果。而用乙 二醇一乙酸酯( e g m ) 作为燃油氧化添加剂来改善柴油机燃烧特性和排放特性的报道很 少。本研究正是针对这一点，研究在柴油机上掺烧乙二醇一乙酸酯( e g m ) ，并探索其对 柴油机性能和排放性能的影响，找出规律，以期为今后的推广应用提供一定的依据，并给 出有益的建议。 大连理工大学专业学位硕上学位论文 1 1 引言 1 1 1 课题提出的背景 1 绪论 现代工业的飞速发展，给人们带来物质便利和享受的同时也引发了一系列的社会问 题，如全世界曰益关注的环境污染问题和能源危机问题。环境问题是当今世界各国所面 临的重大问题，大气污染、水污染、噪声污染己成为世界三大公害。其中的大气污染， 己严重危害了人们的健康，甚至破坏了自然界的生态平衡，因此，防治大气污染成为当 务之急。 汽车是当今世界上应用最广泛的交通工具之一，内燃机目前是它的最有效的动力。 内燃机的热效率高( 是当今热效率最高的热力发动机) 、结构简单、比质量( 单位输出功率 的质m - ) 轻、移动方便，被广泛应用于交通运输( 陆上、内河、海上和航空) 、农业机械、 工程机械和发电动力，对人类社会的发展具有重大的影响。随着世界范围内汽车保有量 的不断增加，汽车排放对生态环境、人类健康和经济发展所造成的严重影响，己经受到 世界各国政府和人民的普遍关注。根据美国的研究报导，大气中的污染物约5 0 来自汽 车排放。最新的研究表明，汽车的排放物质达1 4 0 种之多，如碳氢化合物( h c ) 、一氧化 碳( c o ) 、二氧化碳( c o d 、氮氧化合物( n o x ) 、醚、甲醛( h c h o ) 等，其中有些是易挥发 的有机物( v o c ) 。这些易挥发的有机物与氮氧化合物( n o x ) 发生光化学反应形成地面臭 氧层( o z o n e ) ，对人体和动植物造成危害。并且，柴油机排放微粒中的多环芳烃i f a n s ) ， 如苯并芘( b e n z o ( a ) p y r e n e ) ，是致癌物质，直接威胁人的生命，所以车辆排放问题也就 成了人们不能回避的问题。如果解决得好，可获得巨大的效益，解决得不好，则需付出 昂贵的代价。以美国洛杉矶地区为例，虽然在控制空气污染方面花费了2 7 9 亿美元， 但获得了节约医药费9 4 亿美元的效益。6 0 年代，在美国、欧洲、日本，相继确立了汽 车排放法规，最著名的是美国加州大气保护局( c a r b ) 制定的车辆排放法规，经过严格 实施这一法规，已经逐步取得了净化空气的显著成绩。今后，随着人们对生态环境和健 康水平的要求日益提高，需要制定更严格的排放标准和法规，车辆制造业和燃料部门也 正在研究进一步的达标技术。 我国在解决汽车排放方面做了一些研究工作，但研究的深度和广度还远远不能适应 经济和社会迅速发展的需要。同时，我国车辆的增长速度和大气污染程度是惊人的。据 估计，我国汽车的单车排放量为发达国家的数十倍，有些排放物甚至可达数百倍。目前， 我国己成为w t o 成员国，作为支柱产业之一的汽车工业现在正面临严峻的国际竞争局 面，所以只有加紧研究改善汽车排放的新途径，并制定相应的排放法规，才能在这激烈 的竞争中占有一席之地。加之，矿物能源是一种不可再生的能源。有人估计地球上蕴藏 的天然气从现在起还可使用1 2 3 年，石油可用6 7 年，煤可用2 3 0 年，这是局限在目前 科学技术水平上的一个粗略的估计。随着世界范围内开采量的逐年增加，总会有枯竭的 一天。在发动机上除采用有效的节能措施来利用现有能源外，寻找新的代石油能源是一 种更为积极的途径。因此，如何开发和利用新的替代石油能源以减少对石油资源的过分 2 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 依赖是摆在各国学者面前的一项意义深远的研究课题。 1 1 2 改善柴油机排放的措施 由于柴油机的空燃比较大，c o 和h c 的排放相对较少，所以柴油机的排放控制， 重点是n o x 与微粒f p m l 。降低微粒排放与改善柴油机燃烧过程是完全一致的，不过n o x 排放往往与微粒排放相矛盾，这就为柴油机的排放控制造成特殊困难。 柴油机控制n o x 排放主要净化措施有两种途径：机内控制和机外净化。 机内控制措施 采取机内控制是治本之举。柴油机机内净化的核心是优化、组织燃烧过程，使燃料、 空气和燃烧室达到良好的配合，提高发动机功率，降低污染物的生成。具体措施有： 1 、进气系统的优化 对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充量系数的同时，合理组织进气涡流， 以加快混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少n o x 的生成。 n 1 进气涡流的优化 提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升 高，从而使n o x 的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少n o x 的排放，但又 势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在 o 2 2 5 范围内变化，以兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采用可变涡 流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。 ( 2 ) 增压中冷技术f r d i 涡轮增压直喷技术) 柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时， n o x 的排放量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以 前被冷却，在一定程度上可以抑制n o x 的排放。凶此，采用增压中冷技术可使柴油机 n o 。的排放降低。而且，为组织柴油机的稀薄、低温燃烧，一是减少喷油量，二是增加 进气量，而减少喷油量后柴油机的功率将会降低，因此只能通过进气增压来增加进气量， 从而实现稀薄燃烧。目前，柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛，小型柴 油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。 2 、喷油系统的优化 喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、 喷油速度、喷油规律和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃 期内形成的可燃混合气量是降低n o x 排放的有效途径，分别叙述如下： f 1 1 优化喷油定时 n o x 排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低n o x 排放，但必须合理调壤燃烧 系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放= = 升等方面的损失。为减少延 迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力，高喷油速率，缩 短滞燃期和喷油持续期，即喷油终点不延迟。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始 点，可降低n o x 的排放。 夫连理工夫学专业学位硕士学位论文 犯) 提毫躞浊压力 撼高喷油雁力可有效地改善燃料的雾化性熊，使混合气的混合质燃得以改善，燃烧 更加充分，燃烧温度上舞，n o x 摊放增加。因为提高噗油压力能改善燃烧过程，故可以 补偿出于延迟喷油造戚的油耗率上升，但这又使延迟崤油以降低n o 。排放葙矛盾。为 减少n o x 排放应该降低喷油聪力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。 f 3 ) 疆嵩喷 漓速度 当喷油提前角一寇时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，先缓后急的喷油规律可以 镬柴溱壤产生魏n o x 鞍少。掇蠢缕酒速度与楚避夔淫鞠结合亦可藏少n o 。戆撵放。努 外，喷油速度还与h c 、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合税衡以谋求各参数 的最镁傻。 f 4 1 优化喷孔结构 喷油器喷我直径和数目对紫油机排放也有明显的影响。当循环供浊量与启喷压力一 定时，减，j 、孔径会减少初鬻喷浦萋，狮镯预混合煞浇和最高燃烧温度，戳减少n o x 的 生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情撇下，增加喷孔赢径或增加孔数， 霹降稳滚整，菠善熬濑熬雾纯释努毒，困纛麓舞低n o x 靛襄 数。 3 、燃烧室的结构和参数优化 f 1 1 傀佳压绞比 柴油机压缩比控制着着火延迟期的长短。降低压缩比，有利于着火延迟，能够减少 峰值压力，可饮燃烧最高温度降低，n o x 排放减少，碳烟增加。但压缩比过低，柴油桃 难予着火。压缩眈对n o x 的影响较为爱杂，选取压缩比时应综合考虑。 ( 2 ) 燃烧室型式的优化 爨烧室型式与n o x 戆捧玻有着密貉关系。蹇喷式綮漓辊n o x 捧藏疆显巅予菲壹滚 式柴油机，这是因为非直喷式柴油机前期的燃烧发生在混合气过浓的预燃室绒涡流室 曩，盘予缺氧，n o x 豹生成受剿了搀铡，又困在主燃烧室中的燃烧开始较唆，曩是在较 低温度下进行的。对于同一类型但结构不完全相同的燃烧室，其n o x 的排量也有差异。 例如在直喷式柴油帆中，涡流最强的球型燃烧嶷最高，浅盆型燃烧室较低，缀嗣接流式 燃烧室，加速混台和加快燃烧，n o x 摊放降低。 4 、燃烧室喷水冷却技术 承爨存较蠢靛琵熟，在燃烧过程中疆熬可降低燃麓最高湛疲；水与涵混合绩入燃烧 室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低n o 。排放的同时， 还毒剥予改善燃涵经漭经窝萎 气烟度，并有终嗓静挥粼。囔东冷帮舂魏下形式：送气管 喷水；用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室；通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室；在 喷嘴的鼹个燃烧层之间填充水，著分朕喷入燃烧室。 但如何控制喷承的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还脊待于进一步研究。 5 、燃料的改进 ( 1 ) 挺裔綮油十六婉值 十六烷值在柴油机燃料参数中对n o 。排放影响最大。十六烷值较高时，其发火性 篷菇，紫涟捉点炙延遴矮绩短，锰内瀵疫与匿力簿 羲，n o x 赘t 羧夯降繇。经蠹予英稳定 矗 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 性变差，极易裂解为碳烟，使得柴油机排气烟度较高，当十六烷值从4 0 提高到5 0 时， n o 。排放可降低1 0 左右。另外使用柴油添加剂，在柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝 酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的卜六烷值，缩短着火延迟期，使得n o x 排放减 少。但使用添d 1 1 7 p j 会导致二次污染。 ( 2 ) 使用清洁燃料 采用清洁燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前，清洁燃料主要 有压缩天然气( cn g ) 、液化石油气( l p g ) 、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的混合燃 料f 乙醇柴油、水乳化柴油1 等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清 洁能源的清洁燃料。柴油机燃用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时 n o x 的排量也很低，在汽油醇已经成为产品的同时柴油掺醇技术正在发展完善。作为内 燃机清洁的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用最广的清洁燃料。但如果不采用适当措 施，柴油机排放的h c 、甲醛将成为重要的排气污染物。燃用压缩天然气( c n g ) 或液化 石油气( l p g ) ，n o x 和微粒排放可同时减少7 5 8 0 。二甲基乙醚作为最新出现的液 体燃料，其燃烧后无微粒产生且n o 。的排放亦很低。乳化油作为一种清洁燃料技术， 既可以减少燃料消耗又可以控制排放，所以对于乳化油的研究已经逐渐引起人们的重 视，进行了相当多的研究。 6 、采用四气门技术 在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由1 ：缸盖上的喷油 嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与 喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在f i 同转速下的变化，这使混合气的形成进一步优 化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了n o x 排放，但增加了成本和结构的复杂 性。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时 己达到6 个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用，国内 在这方面的研究尚未成熟。 7 、采用废气再循环技术 采用废气再循环( e g r ) 是降低n o 。排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机 上得到了较为成熟的应用。e g r 在所有负荷条件下都可以有效减少n o x 排放。将定量 废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，其主要成分是c 0 2 、h 2 0 和n z 等， 它们的热容量较高，在燃烧过程中吸收较多的热量，从而可降低燃烧最高温度，抑制或 减少n o x 的生成。 8 、电控共轨喷射系统 电控共轨喷射系统是高压燃油喷射系统的一种，2 0 世纪9 0 年代中期才开始推向市 场的一种新型的电控喷射技术，由于采用了独立的高压油泵，可提供很高的喷油压力， 最高可达2 0 0 m p a 2 2 0 m p a ，即使连接各喷油器的高压油管很短也不会出现不可控制的 异常喷射情况。该系统采用的是压力一时间计量原理，电控装置根据工况和油温、气温 等信息，由油压传感器测出压力值并输送给电控装置，所测得之压力与发动机工况所给 定的油压脉谱图f 所设的最佳压力值1 比较，电控装置给出信号控制电磁式比例控制阀 f p c 启闭，来调整高压供油泵的供油量，以改变共轨油道中的油压，使油压为最佳值。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 因此既能保证优良的动力性、经济性，又可降低排放和噪声。 机外净化措施 由于机内控制排放并不能完全起到净化效果，因此对已排出燃烧室但尚未排到大气 中的废气进行处理，采取机外控制技术显得很有必要。 尽管汽油车的排放高于柴油车，但是汽油车采用电控汽油喷射和三元催化转化器 后，可以有效地控制c o 、h c 、n o x 三种排放污染物。而柴油机由于其排气的高度氧化 氛围、较低的温度和含有大量s o ：和微粒，开发还原催化剂是一项难度很大的研究工作， 尚未达到实用阶段；另外，柴油机还有比汽油机高很多的微粒物排放，末采取控制措施 的柴油机排出的微粒物是带有催化转化器的汽油机的5 0 7 0 倍。柴油机排气后处理可 以用氧化催化转化器，以降低h c 和c o 的排放量和颗粒p m 状物质中的有机成分；用选 择性还原催化转化器在富氧条件下还原n o 。，用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗 粒状物质，静电式微粒收集器和电压捕集技术也可以收集颗粒状物质。n o x 的机外净化 主要是采用催化转化技术。 从理论上讲，可以将n o x 分解为n ：与0 2 ，但实际上这个过程相当慢，到目前为止， 该方法尚未得到实际应用。因n o x 的氧化产物为固态，这对车用柴油机不适合。对于 车用柴油机n o x 的排放只能采用还原方法除去。 1 、非选择催化还原( n s c r ) n s c r 技术是将还原剂( 如氨气、尿素、h c ) 喷入排气管中，在催化转换器的 作用下与废气中的n o x 进行反应。由于废气中含氧量较高，还原剂很容易直接被氧化， 故消耗量极大。 2 、选择催化还原( s c r l s c r 的原理与n s c r 相似，也是将n h 3 加入到高温废气中与n o x 发生反应生成n 2 和h ：o ，只是催化剂配方不同。在车用柴油机上该技术比较具有应用价值。 1 1 3 本课题的意义 世界汽车产业的发展，对日益增大的石油能源的消耗，将促使世界从能源短缺很快 走向能源枯竭。汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应，成为世界全人类的公害。 人类社会和汽车产业的可持续发展，受到极大的威胁，发展汽车新能源、开发汽车新动 力，成为世界汽车产业面临十分紧迫的任务。随着世界经济的发展，对石油的依赖程度 也在不断加大，到加世纪7 0 年代，发生了能源危机，引发了世界各国对石油燃料汽车 前途的担忧。现在，全人类正面临着严峻的石油能源形势，对日益增大的石油能源的需 求，受到地球有限石油储量的制约。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的 进步和人口的增长，全世界的能量消耗在今后二十年至少增加一倍。根据美国油气杂 志的评估，截至2 0 0 4 年1 月，全球石油估算探明储量约为1 7 3 4 亿吨。按照2 0 0 3 年 世界石油的需求状况，石油仅够用4 0 5 0 年时间。 再从环境保护的角度来看，汽车的排放物的数量是与燃油的消耗呈正相关关系，燃 油内燃机车辆在大量消耗石油资源的同时又污染了环境，所排放的碳、氮、硫的氧化物 尊志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 及其他有害排放物己成为城市空气的丰要污染源。预测今后3 0 年中，世界汽车保有量 将从目前的7 亿辆左右增加到近1 0 亿辆。汽车排放造成的大气污染和温室效应气体二二 氧化碳，成为世界人类面临的亟须解决的公害问题。从保护地球环境的要求出发，如何 改变汽车能源以消耗汽油和柴油为主的方式，日益受到社会关注。 近几年来，我国汽车需求也在激增。据统计，2 0 0 1 年中国汽车产量2 3 4 万辆，全 球排名第八位；2 0 0 2 年汽车产最3 2 5 万辆，突破3 0 0 万辆，全球排名上升至第五位。 2 0 0 3 年中国汽车产是达到4 4 4 万辆，销量达到4 3 9 万辆，产销量双双首次突破4 0 0 万 辆，使中国成为全球汽车生产第四大国，中国汽车市场规模持续扩大。从汽车保有量及 其增长率来看，中国汽车保有量从1 9 9 3 年8 1 7 万辆上升到2 0 0 3 年2 4 9 2 万辆，同期中 国汽车保有量年平均增长率为1 1 9 ，而1 9 9 0 到2 0 0 0 年，世界汽车保有量年平均增长 率为2 1 4 。 上述统计数据分析表明，1 9 9 0 年以来，我国汽车产量及其保有量的增长速度都快 于世界汽车业的增长速度，世界汽车工、世处于相对平缓发展期，而中国汽车工业正处于 高速发展的时期。 随着国内汽车的增长，汽车能源消耗和尾气排放，造成能源需求和环境保护面临的 压力也越来越大。受排放的制约，以京都议定书为标志，能源消耗中的碳素排放不仅仅 是一个科学技术名词，而且成为政治和经济的焦点。我国从1 9 9 4 年起成为石油纯进口 国，我国石油对外依存度从1 9 9 5 年的7 6 增加到2 0 0 0 年的3 3 8 。2 0 0 2 年中国进口 7 0 0 0 万吨原油，2 0 0 3 年中阁进口9 1 0 0 万吨原油，比2 0 0 2 年增长3 0 。我国是石油消 耗大国，1 3 至1 陀石油依靠进口，今后几年石油进口将继续快速增长，预计2 0 1 0 年后， 将超过1 5 亿吨，相当于科威特一年的总产量。到2 0 2 0 年，中国石油消费量预计要达 到4 5 亿吨左右，那个时候，我国石油对外依存度将达到6 0 。 从我国环境状况看，目前我国大中城市空气污染已严重影响人民的身心健康和社会 的可持续发展。根据国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。 如果进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业，必将给我国能源安全和环境保护造成巨 大压力。 现在人i l 已经认识到汽车产业发展的外部环境对宏观经济的影响和对汽车产业发 展的制约作用。已经感受到资源的约束作用，如汽车产业对城市道路和停车场用地构成 的巨大压力；对石油进口的压力，已成为影响经济安全和国家安全的重大因素。中国正 处于“和平崛起”中，不能不考虑对世界石油资源和石油市场可能的冲击。在一些大城 市，汽车尾气污染、噪声污染、汽车对行人和其他交通工具的影响都到了必须正视的地 步。所有这一切都直接影响着汽车产业的发展和现代化h 标的实现，我们的现代化必须 是绿色的、必须是可持续发展的。 在柴油机排气有害物中，n o 。和颗粒物( p m l 是我们要降低的重点。通过优化和改 进燃烧过程，从根本上避免生成n o 。的条件，特别是避免产生气缸内高温，以减少或 抑制n o 。的生成。如：优化喷油系统、优化燃烧室结构参数、采用增压中冷技术、采 用废气再循环、采用乳化油和稀薄燃烧技术等。还有在排气系统中转化气缸内生成的 n o 。通过各种废气净化处理装置，把n o 。转化成无害排放物，i f i 就是后处理技术。 7 大连理工大学专业学位硕士学位论文 降低n o x 与降低p m 所要采取的措施往往是相互矛盾的。而且这些措施还可能与提高 柴油机的动力性与经济性相互矛盾。例如，为了抑制燃气高温产生n o x ，最先采用的 方法是推迟喷油始点，使燃烧相应滞后，由于燃气最高温度降低了，所以n o x 生成量 减少。但是，单纯推迟燃烧却使经济性恶化、排温升高，同时烟度和颗粒也增加。为了 减低p m 而采用高压喷射燃油，则又会招致噪声增大。p m 中的主要成份是碳烟，大量 试验和以前的经验表明降低碳烟的措施会引起n o x 排放升高，对燃油经济性也有一定 的影响。 迄今为止，人们已开发了多种降低车辆尾气有害排放物的技术，如使用磁化装置、 红外线装置、改造内燃机结构等等。这对尚未出厂的新车来说是行之有效的方法。但对 己到用户手中的车辆，要改变其发动机结构会增加额外负担，最好的方法是在不改动它 的原有设备装置前提下，控制其尾气有害排放物( 这对使用了一定年限的车辆尤为重要， 因为它的尾气中有害物含量远远高于新车1 。由于燃油添加剂可改变燃油的某些性质， 使之有利于改善燃烧，以达到降低内燃机尾气有害物排放与节能的目的，又才i 用增加装 置或改变内燃机结构，因此被认为是一种最简捷的措施，近年来逐渐被广泛应用。如果 在使用燃油添加剂的同时，再配以尾气净化器，可使车辆尾气得到最大程度的净化，以 满足新型环保要求的需要。因此燃油添加剂的应用既有明显的经济效益，也有不可估量 的社会效益。 燃油添加剂的种类很多，根据使用目的主要可分为两大类。( 1 ) 节油型添加剂：主 要目的是为了提高发动机的效率，降低油耗。f 2 1 减少环境污染型添加剂：主要目的是 为了降低发动机尾气中的c o 、h c 、n o x 的排放量，减小发动机尾气造成的大气污染。 大量的试验结果证明，含氧燃料在排放特性上比传统的内燃机燃料有很多优势，对含氧 燃料的研究在解决内燃机的广泛应用与石油资源日益枯竭、环境污染日益严重的矛盾上 有深远的意义。 1 2 柴油燃料氧化剂研究的现状”3 国外早己对燃油添加氧化剂进行研究，开发的产品也较多。我国的一些科研院所从 7 0 年代对燃油添加剂也开始了研究，有些产品己用于实际生产中。在不改变内燃机供 油系统的前提下使用掺混液态含氧燃料的研究获得了许多研究成果。如黄佐华、卢红兵 等人进行了柴油机燃用柴油甲醇混合燃料的燃烧和排放特性的研究。黄佐华等人在直 喷柴油机上开展了燃用柴油，碳酸二甲酯( d m c ) 的燃烧和排放特性的研究。m a t t i 等人 研究了柴油掺混二甲氧基甲烷( d m m ) 添加剂对降低柴油机颗粒物排放的影响。任毅 等人进行了柴油机燃用柴油- 甲氧基甲烷混合燃料的燃烧特性的研究。上述工作为发 动机燃用含氧燃料，改善燃烧过程和降低排放提供了有益的方法和技术途径。 1 3 本课题的研究内容 本文以试验为基础，理论为指导，主要包括如下内容，进行以下几个方面的工作： 1 、研究柴油与乙二醇一乙酸酯、正丁醇之间的溶解性，配制完全互溶的柴油+ 氧 化剂； 8 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 2 、对柒涵+ 乙二醇乙酸蘸+ 正丁黪溜台漱餐 迸孬浆涵税蘩梳试验，研究菜油辊懋 用柴油、不同配比的混合燃料时的燃烧特性，并分别测泶其排放水平，比较两者在不同 王提下款经济燕窝有害气 本捧救特淫； 3 、对理论和试验结论进行总结，对课题的发展提出建议。 9 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 柴油一氧化剂含氧燃料的基本理论 2 1 乙二醇一乙酸酯的理化性质 通过系统地分析一些氧化剂的物理性质，化学性质，稳定性，实用性，可靠性，毒 性，经济性和改善对空气的污染的可能性这些大量的性质后发现，乙二醇一乙酸酯 ( e t h y l e n eg l y c o lm o n o a c e t a t e ，e g m ) 被最为看好。其示性式或结构式为 c h 3 c o o c h 2 c h 2 0 h ，分子式为c 4 h 8 0 3 ，其相对分子质量为1 0 4 1 0 。 表1乙二醇一乙酸酯的物性参数 ! ! ! ! ! ! 里! ! 望! ! 望! ! 旦! ! ! 堂! ! ! ! 塾! ! ! 望! g ! ! ! 竺! 里! ! 竺! ! 壁! ! ! 名称数值单位 沸点( 1 0 1 3 k p a 、 密度f 1 5 、 相对密度( 2 0 。c 4 ) 折射率( 1 8 ) 介电常数( 3 0 。c 、 偶极矩( 3 0 。c 、 闪点( 开口) 十六烷值 运动粘度( 4 0 。c ) 热值 含碳量 含氢量 馏出温度 k g l 1 0 。”c m c s t c a l g w t w t r i b p ) ( 加v 0 1 ) ( 2 0 v 0 1 ) ( 5 0 v 0 1 ) f 9 0 v 0 1 ) ( 9 5v 0 1 ) 兰! ! ：! 生坐! ! 坐) e g m 由c 、h 、0 三种元素组成。这种化学物质可以通过两种方法得到：将乙二 醇和乙酸或者乙酸酐放在一起加热。将乙烯基氧化物通过热的含有钠盐或硫酸的乙酸 中。这种化合物一般用作硝化纤维、醋酸纤维素、樟脑和化妆品的溶剂。 e g m 作为添加剂加入到燃油中能加强氧化反应，特别是在柴油机气缸中高压的反 映条件下。出现这种现象的原因是乙二醇一乙酸酯中含有高达4 6 1 的氧，这就必然导 1 0 g9强5 星|m加抛吡似蛳似一一一一一一 单志强：氧化型柴油添加剂对柴油机排放特性影响规律的研究 致p m 、有毒气体、以及黑烟这些排放物的显著减少。此外，乙二醇一乙酸酯组成简单， 不含硫、钠、钾这些金属的化合物，这就可以避免在燃烧过程中产生造成空气污染的硫 氧化物和有毒的金属性的化合物。乙二醇一乙酸酯是双极性的，- - o h 的极性是它能够 与水和乙醇较易混合，非极性的- - c h 3 则与苯易混合。c 4 h 8 0 3 是易燃，低毒性，微带 水果香味的液体。它可用作柴油的氧化添加剂，而对柴油机不做任何更改。然而，用乙 二醇一乙酸酯作为燃油氧化添加剂来改善柴油机运行情况和排放性的报道很少。 影响乙二醇一乙酸酯作为柴油机燃料氧化剂的物理化学性质主要包括以下几个方 面： 1 、热值。柴油机要求燃料的热值较高，热值太低将会增大燃料箱的体积并且要加 大每循环供油量，还可能会对喷油系统提出更高要求。 乙二醇一乙酸酯与柴油相比在质量低热值方面相差悬殊，乙二醇一乙酸酯的低热值 只有柴油的6 1 2 ，所以柴油中加入乙二醇一乙酸酯后其氧化燃料的低热值呈线性下 降。也就是说，如果在柴油机卜燃用柴油代用燃料，其油耗率必然会比单纯燃用柴油时 高，几乎失去了直观可比性。因而人们引进了“能耗率”这一概念( 单位m j ( k 砷) ， 它是折合到相同低热值时的油耗率，从而排除了由于质量低热值的差别而影响乙二醇一 乙酸酯柴油燃烧效率的可比性。在本文中燃油消耗率采用与柴油热值相当的当量燃油消 耗率计。 乙二醇一乙酸酯体积低热值与柴油相比要小得多。冈此，在柴油机上燃用乙二醇一 乙酸酯柴油氧化燃料时，要达到同样的柴油机功率，必须采取一定的措施，如加大油泵 柱塞直径、增多喷孔数日或增大喷孔直径等方法，以允许有更大的体积流量通过，如对 于喷油嘴来说，最好采用较大的量孔或较多的孔数，但在乙二醇一乙酸酯含量不是很多 的情况下，影响不明显。 在理论混合气热值方面，乙二醇一乙酸酯与柴油差别不大。因为柴油机每工作循环 发出的功是以每工作循环气缸内( 体积一定) 理论混合气热值转化而来的，所以它的这 一特性很重要。也就是说，只要每循环多加燃料，柴油机仍然可以发出与燃用柴油时同 样大、甚至更大的功率。 2 、氧含量。含氧燃料的过量空气系数降低，对发动机的进气系统要求降低，这对 改善发动机的尾气排放性能，特别是柴油机的碳烟排放性能具有良好的作用。乙二醇一 乙酸酯中含有4 6 1 的氧，当进气和供油量不变时，柴油巾掺烧的乙二醇一乙酸酯愈多， 则其氧化燃料的过量空气系数就愈大，这也决定了它是一种潜在的清洁燃料。 3 、十六烷值。十六烷值影响柴油的着火性能，柴油的十六烷值越高，其压 缩着火性能越好。乙二醇一乙酸酯的r 六烷值远远低于柴油的十六烷值。因此，在不添 加十六烷值改进剂的条件下，氧化燃料的乙二醇一乙酸酯含量不宜过高，否则将引起使 用氧化燃料的发动机燃烧性能下降。 4 、亲水性。乙二醇一乙酸酯与水、柴油以及其它醇类( 主要是高碳醇) 之问的溶解 特性与乙二醇一乙酸酯作为柴油机部分代用燃料的实用性能有密切的关系，而且乙二醇 一乙酸酯、柴油和水三类物质之问的互溶特性问题对于保证乙二醇一乙酸酯在柴油机中 的燃用，并提高其燃烧性能和排放性能有很大的意义。 大连理 ：大学专业学位硕士学位论文 乙二醇一乙馥酶分子中甄含有擎基( 一c 瓣由，又含有羟蘩( 0 ) 。所蔽，乙二醇 乙酸酯既有亲烃油( 柴油、汽油、煤油等) 的特性，又有亲水的特性。 5 、旗疫。羲瘦楚表薤流抟兹滚动阻力糕辘懿参数。燃灞瓣粘瘦霹发动辍懿影响建 双方面的，粘度大，润滑性能好，但流动阻力增大；粘度小，则流动性能好，但发动机 运动鼹传豹摩擦磨损性能会瑟化。乙二醇一一乙酸醮的糙度，l 、予柴油，若媛于 擘柴油机的 代用燃料时，必须采取一系列附加措施。乙：二醇一己酸酯的粘度低于普通柴油的粘魔， 这对于喷射方式供燃料的内燃机的燃烧室是有利的，其破碎和雾化的程度会好于柴油。 6 、润淆浚。燃漓的润滑性主要与其秸度有关。发动梳佼爝润滑性能茇豹燃料，将 会引起燃料供给系统运动部件的摩擦磨损增加。柴油己+ 二醇一乙酸酗氯化燃料的润滑性 裁鞍綮滂豹麓。叁予乏二醇一乙酸舔懿掺入鬣较抵，对氧讫燃辩兹滤潜性影穗不大。 7 、密度。燃油的密度悬其组成与性能的外在反映。它影响燃料的点火性能、动力 牲、经滚牲、低涅起动洼毙以及摊烟倾向。一般谌，离密度熬燃涵其鸯较强的雄烟额疯。 乙二醇一乙酸酯的密度高于普通柴油的密度，可能是制约乙二醇一乙酸酯作为柴油机燃 料的艨因之一+ 。 8 、闪点。燃料的闪点将对熬料的存储、运输黻爱使霭安全性其有较大的影响。闪 点高的燃料使用安全性好。己二醇一乙酸酯的闪点为1 0 2 c ，大大高于柴油的闪点，较 柒、渣霄新提麓。 9 、硫含赞。柴油中的硫元素是引起催化剂中毒以及碳烟、颗粒排放的熏要原因之 一，陵迎，我翻隶望紫涵中熬硫含曩越甄越妊。稷显然，宝予乙二黪一乙酸鹣中不会硫 元素，因此，柴油乙二醇一乙酸酯氧化燃料的硫含照明显降低，且乙二醇一矗酸酯含量 越赢，氧化燃料中的巯含量将越低，对改善柴油机的颗粒排放具有积极的作耀。 2 。2 柴油一氧化剂氯化燃料的特性分橱 1 、冷凝点 冷凝点足国骣上公建的、评价柴油蛆燃料油低滠性能的指标。对于柴油纛二醇一已 酸酯裁化燃料，由于忍二醇乙酸酪的凝点低，因而氧化燃料的冷凝点并不会因为乙二 醇一如酸酯的掺入而升高，而会保持较好的低温使用性能。阏而乙二醇一乙酸酯的添加 院衡舞不会影响至i 氧纯燃科静冷凝点。 2 、氧化燃料的粘度 旗菠是鬟壁滚钵凌部瘁擦阻力大，、兹只发，是流体羝藏赘韬 乍惩懿一秘戆力。瀑发 对燃油粘度的影响很大，温度升高时，液体燃料分子的震动加剧，削弱了分子间的束缚 力，增加了浚动性，糙发困聪。f 终。液搭燃料约粒度隧涅度变纯关系熊l 湿热线1 是燃料、 特别是代用燃料重要的