（动力机械及工程专业论文）车用小缸径直喷柴油机燃烧分析与排放控制.pdf

摘要 小缸径直喷多缸柴油机是国内应用较多的发动机机型，近年来发 展迅速，主要用作轻型卡车和农用运输车的配套动力。但由于此类柴 油机缸径小、转速高，要在有限的空间和极短的时间内组织好油气的 混合和燃烧才能得到理想的柴油机动力性、经济性和排放等综合性 能，因此喷油系统与进气系统、燃烧室结构尺寸的优化匹配是关键。 本文以c z a 8 0 q 直喷柴油机为样机，对达欧i 排放限值样机的十 三工况示功图进行测录，针对小缸径直喷柴油机的燃烧特点，在对已 有的示功图分析、放热规律计算分析软件进行完善的基础上，开发了 利用实测示功图进行n o x 模拟计算的软件，用以预测n o x 的生成 量。并利用该软件计算分析了燃烧过程的变化和排放物生成量之间的 对应关系，形成了以柴油机燃烧过程分析和柴油机常规性能等结合预 测柴油机排放性能的方法。并利用此方法对达欧i 限值而采用的各研 究方案的典型工况的柴油机燃烧过程和排放进行分析，找出降低柴油 机排放的主要影响因素，为c z 4 8 0 q 柴油机寻找预测机内净化进一步 降低排放的方法和措施提供依据。 本文遵循工程实用的原则，在不改变原机的配套参数和用途的情 况下，对自然吸气的c z 4 8 0 q 直喷柴油机用机内净化和机外净化结合 的方法，提出达欧i i 排放限值的改进方案。柴油机排放试验结果表 明，在保持动力性、经济性基本不变的情况下，有害排放物能够满足 欧i i 排放限值法规。 关键词：高速直喷柴油机，示功图，燃烧过程，有害排放物 s m a l ld i a m e t e rd i d i e s e le n g i n ei st h et y p ee n g i n et h a ti su s e dw i d e l yi no u r c o u n t r y i i lr e c e n ty e a r s t h et y p ee n g i n ei sd e v e l o p e dr a p i d l ya n d i sp r i m a r i l yu s e d i nl i g h tt r u c k sa n da g r i c u l v e h i e l e s b u tb e c a u s et h et y p ee n g i n eh a ss m a l lc y l i n d e r ， a n dh i g hs p e e d ，i tm u s tc o m p l e t et h eb l e n d i n go f t h ef u e la n dt h ea i ri nas h o r tt i m e a n dl i m i t e dv o l u m ei no r d e rt og e tg o o dp o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e lc o n s u m p t i o n p e r f o r m a n c e a n de m i s s i o np e r f o r m a n c e t h e r e f o r et h e m a t c h i n go ft h ef u e l 询e c t i o ns y s t e m ，i n l e ts y s t e ma n ds t r u c t u r eo fc o m b u s t i o nc h a m b e ri sk e yt o w h o l ep e r f o r m a n c e r e g a r d i n gad i e s e le n g i n ec z 4 8 0 qa st h em o d e lm a c h i n e ，t h r o u g hm e a s u r i n g 1 3 - m o d ei n d i c t o rd i a g r a m s ，a i m i n ga ti t sc h a r a c t e r i s t i co fc o m b u s t i o n , t h i sp a p e r d e v e l o p e das i m u l a t i n gc a l c u l a t i n g s o t b o v a r et op r e d i c tn o xt h r o u g hi n d i c t o r d i a g r a m sm e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n t t h i sp a p e ra p p l i e dt h i ss o f t w a r et oa n a l y z e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m b u s t i o np a r a m e t e r sa n de x h a u s te m i s s i o na n df o r m e d am e t h o dt h a ti tc a np r e d i c tt h eh a r m f u le m i s s i o nt h r o u g ha n a l y z i n gt h e c o m b u s t i o np r o c e s sa n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i e s e le n g i n e i no r d e rt od e v e l o p t h ei n t e r i o rc l e a n i n gm e t h o dt or e d u c et h ee x h a u s te m i s s i o n , u s i n gt h ea b o v e m e t h o dt oa n a l y z et h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n de m i s s i o no ft h et y p i c a lm o d e lo f t h ed ，i 。d i e s e le n g i n et h a tc a r im e e tt h ee m i s s i o nl e g i s l a t i o ne u r oit of i n dt h e m a i nf a c t o r si n f e c t i n gt h ee m i s s i o n t h i sp a p e rf o l l o w e dt h ep r i n c i p l eo fp r a c t i c eo fe n g i n e e r i n g ，o nt h e f o u n d a t i o no fn o tc h a n g i n gt h em a t c h i n gp a r a m e t e r so fo r i g i n a lm a c h i n e ，a d o p t e d i n t e r i o ra n de x t e r i o rc l e a n i n gm e t h o d sf u rn a t u r a l l ya s p i r a t e dd i d i e s e le n g i n e c z a 8 0 q ，p u tf o r w a r dt h ep r o j e c t t h a tc a nm e e te u r oi ie m i s s i o nl e g i s l a t i o n t h e e x p e r i m e n td e c l a r e dt h a tt h ee x h a u s te m i s s i o n so ft h ec z 4 9 0 q a d i e s e lc a l lm e e t e u r oi ie m i s s i o nl e g i s l a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e l c o n s u m p t i o np e r f o r m a n c ew e 佗n o tc h a n g e db ya n dl a r g e k e y w o r d s ：h i g hs p e e dd i d i e s e le n g i n e ，i n d i c t o rd i a g r a m ，c o m b u s t i o n p r o g r e s s ，h a r m f u le x h a u s te m i s s i o n i i 独创性声明 y 1 0 1 6 1 1 - 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：三慧 日期：押4 年易月t b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名 保密口，在，年解密后适用本授权书。 不保密口 导师签名 ( 犯去 j 签字日期： 年月日签字目期：协牛年f 月巧口 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 内燃机作为一种动力装置已广泛应用于生产和生活的各个领域，在国民经济中 发挥着及其重要的作用。内燃机具有热效率高、比质量轻、移动方便等优点，但工 作时产生的有害排放物也对空气造成了严重的污染。空气污染在全世界已引起人们 的普遍重视，其中以内燃机为动力的汽车的排气污染占很大的比例。6 0 年代以 后，世界各国都相继制订了汽车排放法规，以降低汽车排气对环境日益严重的危 害，且石油资源日益紧缺，因此在保证内燃机动力性和经济性的同时，降低排放己 成为当务之急【l j 。 柴油机是内燃机中用途最广泛的一类动力机械，这是因为柴油机与汽油机相 比，具有热效率高、排放性能好、低速扭矩大以及良好的耐久性和可靠性等特点， 这使其在经济活动和国民生活中发挥着越来越重要的作用 2 1 。而直喷燃烧方式由于 油耗低、易起动，不仅大中型柴油机广泛采用，近年来小型高速柴油机也纷纷采用 直喷燃烧方式。但小型高速直喷柴油机由于缸径小、行程短、燃烧室尺寸小、转速 高，要在有限的空间和极短的时间内组织好油气混合和燃烧才能得到理想的动力 性、经济性和排放、噪声等综合性能指标。柴油机综合性能的优劣在柴油机结构设 计一定的情况下，主要取决于燃烧过程的组织，即喷油系统、进气系统与燃烧室结 构三者之间的优化匹配。本课题以常柴股份有限公司生产的c z 4 8 0 q 自然吸气式直 喷柴油机为样机。开展小缸径直喷柴油机的燃烧过程研究，通过试验并应用现代分 析技术，对小缸径直喷柴油机燃烧特性和废气排放特性关系进行分析，探讨小缸径 柴油机低排放、低油耗的优化方法。 1 2 国内外对柴油机排放的要求 1 2 1 国外对柴油机捧放的要求 随着汽车工业的发展，汽车数量越来越多，给人类带来的环境污染也越来越严 重。有资料表明，大气污染物5 0 都来自汽车排放，且主要是尾气的排放。因此， 汽车有害排放物污染问题已越来越引起世界的关注，为保护环境，各国相继制订了 排放法规，用以控制汽车污染物排放。目前，世界上实行的排放标准主要有欧洲、 江苏大学硕士学位论文 美国和日本三大体系，许多国家根据自己的国情，不同程度地采用了这些法规。相 比较而言：美国是当今世界汽车排放控制最为严格的国家，尤其是加州政府的法规 更为严格，欧洲由于对汽车排放物的控制较晚，相对美国的排放法规要宽松一些， 但目前其排放限值要求正逐步与美国接近。 表1 1 欧洲车用柴油机排放标准 排放量，g - ( k w 矗p 实施阶段实施年份 p m c o h cn o x 8 5 k w8 5 k w e u r 0 01 9 9 2 年以前 1 1 22 41 4 4 e u r o i1 9 9 2 芷4 51 18 oo 6 1o 3 6 e u r o i i1 9 9 6 年 4 o1 17 oo 1 5o 1 5 e u r o 2 0 0 1 年 2 10 6 65 00 io 1 e l 琅o 2 0 0 5 焦 1 5 0 2 5 2 0 o 0 20 0 2 表1 2欧洲十三工况测试循环 工况转速负荷加权系数 l 怠速0 0 8 3 3 2 中间转速 1 00 0 8 3中间转速2 50 。0 8 4 中间转速 5 0o 0 8 5 中阃转速 7 50 0 8 6 中间转速 1 0 0o 2 5 7 怠速 o 0 8 3 3 8 标定转速 1 0 0 0 1 0 9 标定转速 7 5o 0 2 1 0 标定转速 5 0 0 0 2 l l 标定转速 2 50 0 2 1 2 标定转速 1 0 o 0 2 1 3 怠速 o 0 8 3 3 注：在十三工况测试循环中，中间转速是指当发动机最大扭矩点转速在最高转速的 6 0 7 0 时取最大扭矩点转速，否则取最高转速的卯。 扛苏大学硕士学位论文 欧洲从1 9 8 2 年开始对车用柴油机排放进行控制，表1 1 是欧盟的车用柴油机 排放标准的变化，为此，国外开展了大量的研究工作。该法规在欧及以前限值使 用的是欧洲十三工况测试循环，如表1 2 所示【3 】【4 】。对小缸径多缸柴油机，国外多 为轿车和轻型车的配套动力。欧洲轻型车车用柴油机排放测试是进行整车底盘试 验，而由于试验条件的限制，本文采用的是发动机台架十三工况试验，但已有大量 研究表明两者之间具有一致性的对应关系。 l2 2 国内对柴油机排放的要求 我国虽然早已认识到汽车排放对大气污染的严重性，但由于受国家经济技术水 平的限制，对汽车排放的控制开始较晚。由于我国目前的城市道路和车流密度与欧 洲当时的情况相近，因此我国直接借鉴了欧洲在较早阶段所采用的排放法规。表 1 3 是我国的车用柴油机排放标准。比较表1 1 和表1 3 可以看出：a 阶段的限值 等同于欧洲在1 9 9 2 年开始实施的欧i 限值；b 阶段等同于欧洲在1 9 9 6 年开始实施 的欧限值。我国计划于2 0 0 8 年实施欧限值，2 0 1 0 年以后逐步与国际水平接 轨。根据国家标准g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量 方法规定，现阶段我国车用柴油机测功试验台架的排放测试仍采用欧洲十三工况 测试循环。 表1 3 我国的车用柴油机瑚f 放标准 t $ 放t g ( k w 矗p 实施阶段实施日期 p m c oh c n o x 8 5k w ”8 5 k w 型式认证2 0 0 0 9 14 51 i 8 00 6 l o 3 6 a 生产一致性2 0 0 1 9 14 9 1 2 39 o0 6 80 4 0 型式认证 2 0 0 3 9 14 01 i7 o0 1 50 1 5 b 生产一致性2 0 0 4 9 14 0 1 17 0 o 1 50 ，1 5 注：”指发动机标定功率 从上述国内外排放法规的发展历程来看，对汽车排放污染物的限制越来越苛 刻，为了满足愈加严格的排放法规，在保证发动机动力性，经济性的前提下，加大 其排放控制技术方面的研究具有十分重要的意义。 江苏大学硕士学位论文 1 3 车用柴油机的排放控制措施 柴油机的c o 和h c 捧放量相对于汽油机来说要少得多，但n o , 与汽油机在同一 数量级，而p m 的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此，柴油机的排放重点是 n o , 和蹦，综合国内外已有的研究资料，可以从柴油机燃料、机内净化和机终净化 三个方面入手，采取措施来降低排放。 1 3 1 燃料的改进 柴油中对排放影响最大的指标主要是十六烷值、芳香烃和硫含量。 柴油的十六烷值越高，着火滞燃期越短，着火质量越好；十六烷值低，着火滞 燃期变长，着火质量变差，则预混燃烧比例增加，导致发动机工作粗暴，噪声增 大，n o ，排放恶化。常规柴油的十六烷值在4 0 5 0 之间，今后的低排放柴油机要求 柴油的十六烷值在5 5 以上。 柴油中的芳香烃比其它组分的密度大，c h 比高，着火性差，燃烧过程中会产 生更多的碳烟，使柴油机的c o 、h c 和蹦的排放增加。并且芳香烃的含量与十六烷 值呈逆变关系，芳香烃含量高则十六烷值低，因而着火质量差，冷起动困难。有资 料表明，芳香烃含量每下降1 0 ，p l y 排放下降0 0 0 5 9 w ) 。啊。这是因为芳 香烃含量过高可能导致燃油喷嘴和其它关键部位形成沉积物，从而增加p m 排放。 为满足欧及以后更低排放限值，要求柴油的芳香烃体积分数在1 0 以下。 柴油中的硫含量是一个非常重要的指标，柴油中的硫一部分在尾气中以s 0 2 的 形式排入大气，还有一部分主要转化为硫酸盐，导致p m 排放增加。并且含硫量过 高还会导致排气后处理中的催化剂中毒，使催化转化器失效，因此，低排放柴油机 要求使用低含硫量的柴油。目前，国内市场上销售的柴油执行的仍为g b 2 5 2 - - 2 0 0 0 轻柴油中的规定，含硫量0 2 ，但满足欧标准限值柴油机推荐使用的柴 油含硫量0 0 5 ( 即5 0 0 p p m 以下) ，因此，在本文的试验研究中采用了符合该 标准的柴油。而欧洲即将执行的欧标准中对柴油品质的要求更高，要求含硫量在 5 0 p p m 以下，并且在不久的将来欧盟将在各成员国推广使用无硫柴油( 含硫量低于 l o p p m ) ，因此柴油的品质提高应与柴油机技术的提高同步发展。 除了改进燃油品质外，我们还可以采用代用燃料来降低捧放。目前比较有发展 前途的代用燃料有天然气( c n 6 和l n g ) 、液化石油气( l p g ) 和二甲醚( d 髓) 等。其中，d m e 作为满足未来排放法规的代用燃料显示出巨大的潜力嘲，d i d e 的十 江苏大学硬士学位论文 六烷值为5 5 6 0 ，远高于其它代用燃料，且d m e 的着火温度为2 3 5 。c ，低于柴油的 2 5 0 ，着火性能优于柴油，因此排放性能较优。 1 3 2 机内净化 所谓机内净化，就是从有害排放物的生成机理出发，在燃烧室内部对有害排放 物的生成反应予以最大限度的限制，从根本上达到减少排气污染的目的。 图1 i 给出了柴油机燃烧过程中实现低蹦和低n q 排放的示意图1 6 】。众所周 知，n o 生成的三要素是高温、富氧和高温的持续时间，而碳烟的生成是高温、缺 氧。因此，可以首先通过控制预混燃烧量降低初始燃烧温度实现降低n o i 排放，然 1，(埘 图li 实现低n o i 和低p m 并放燃烧的示意国 后保持快速燃烧和较高的燃烧温 度，缩短扩散燃烧，使整个燃烧 持续期缩短，以降低p m 摊放和 改善燃油经济性，如图1 1 ( a ) 所 示。在图1 1 ( b ) 上给出的燃空比 和火焰温度组成的区域上，一般 柴油机的燃烧区不可避免地要跨 越碳粒和n o i 生成区，因此要设 法把燃烧区域移到低n o ，和低p m 区，使所有的燃烧尽可能在稀混合气和低燃烧温度 下进行，但对于传统的柴油机而言，完全实现上述燃烧机理是不可能的。 根据上述降低排放的指导思想，主要从柴油机的喷油系统、进气系统和燃烧室 的结构等方面入手组织燃烧过程，采取各种改进设计措施，改善排放性能。 喷油系统的优化就是使燃油喷射参数( 包括喷油提前角、喷油压力、喷油速度 和喷孔结构等) 最佳化，来抑制预混燃烧以降低n o t 和隧的排放。适当延迟喷浊， 可缩短着火滞燃期，减少滞燃期内的喷油量，从而降低缸内燃烧的最高压力和湿 度，以降低n 0 。排放量，但同时扩散燃烧后延，p m 排放和油耗增加。所以，在延迟 喷油的同时必须提高喷油压力，可有效地改善燃科的雾化性能，使得燃烧更加充 分，从而降低蹦排放量。已有资料表明：国内小缸径直喷柴油机喷油压力普遍偏 低，影响了燃油的雾化和混合质量，从而限制了排放性能的改善。因此提高喷油压 力是达到欧排放限值的关键，高喷射压力的喷油系统与进气、燃烧室的优化匹配 l鼍u 江苏大学硕士学位论文 是降低柴油机排放的主要措施之一。而提高供油速率、适当减小喷芤直覆番荟使喷 油压力提高。 优化进气系统主要是在提高充气效率的同时合理组织进气涡流，以利于混合气 的形成，提高燃烧速率。对于喷油压力较低的柴油机，需要组织涡流，并且随着喷 油压力的升高、孔径的减小，最佳进气涡流比需适当减小。而涡流比减小有助于减 少初期预混燃烧的百分比，改善n o , 的排放，同时由于进气阻力也随之减小，充气 效率提高，增大进气量，从而改善燃烧，降低了p m 的排放。此外，采用增压中冷 技术也是降低柴油机排放的行之有效的措施。增压可以增大进气空气的密度，从而 增加空气供给量，用比较大的过量空气系数组织燃烧，避免了燃料的缺氧裂解，降 低p m 排放，降低燃油消耗率。但由于空气被压缩后，温度升高，会导致n o , 排放增 加，因此同时增加中间冷却器冷却进气，则可抑制n 0 。排放。除了上述措施外，还 可以采用多气门技术，目前应用最广的主要是4 气门( 2 进气门2 排气门) 技术， 主要优点如下：能增加发动机的充气量，提高功率2 0 左右：有利于喷油器垂直 布置于气缸，使油嘴中心靠近燃烧室中心，使活塞顶燃烧室形成均匀气流，优化进 气涡流和油雾的分布，实现最佳的空气利用率，从而改善性能，降低排放。 增压中冷和4 气门机构是国外降低柴油机排放的主要措施之一，但是采用增压 中冷技术后，柴油机功率增大，并且与非增压柴油机相比，柴油机的安装尺寸变 大，因此其配套和用途势必要作变动；而采用4 气门机构则需重新对缸盖进行布 置，生产条件也需改动。这些都是我们需要考虑的问题，在进一步降低排放时，这 些措施是必要的，但是在达欧i i 限值的柴油机上是否采用还需要视具体情况而定。 燃烧室部分包括压缩比的选择、燃烧室的形状、燃烧室的尺寸和燃烧室的位置 布置，燃烧室的形状和尺寸布置又与空气运动和喷油特性有关，因此燃烧系统的优 劣关键是燃烧室、喷油系统和进气系统三者的匹配。燃烧室是油气混合的空间，在 有限的时间内，充分利用燃烧室的每一分空间，发挥气体流动特性，保证燃油及时 完善的燃烧是燃烧室设计的准则。目前，在柴油机直喷化不断向小缸径发展的过程 中，根据燃油喷射特性和燃油喷射着壁后的流态，组织气体的流动，加强微涡流， 使之在混合气形成和燃烧过程中形成所需的气流特性。为此，发展了数种新的燃烧 系统，以适应小缸径柴油机的燃烧特性。目前，可以采用缩口型燃烧室及对燃烧室 尺寸进行合理优化来组织燃烧，改善排放性能。 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 机外净化 所谓机外净化，就是对内燃机尾气中的有害成分再次进行净化韵措施。由于柴 油机机内燃烧等技术已经达到了很高的水平，仅依靠机内净化很难达到欧i 及以后 的更加严格的排放法规；但有时考虑到生产成本和组织生产的可行佳等问题，为了 达到欧i i 标准，也会在机内净化的基础上，采用机外净化装置，在国内外均有这样 的例子。机外净化是达到更严格排放限值的重要措施，这主要是因为：柴油机n o , 和p m 的生成条件互相矛盾，最终研究表明：当排放物的限值越来越低时这种矛盾 显得更为突出；此外，对于蹦而言机内净化虽然降低了排放总质量，但同时也减 小了它的尺寸，邵跚越来越细小，对人体的危害却并未减少。因此，要满足越来 越严格的柴油机排放法规，需将发动机技术和后处理技术等措施结合起来，互相配 合使用。目前，关于柴油机的后处理技术的研究集中在氧化催化器e e n o ，技术和 微粒捕集器三方面。 1 3 3 1 氧化催化器 柴油机氧化催化器主要用来氧化柴油机尾气中的h c 和c 0 ，并且还能氧化掉嗍 中的一部分可溶性有机物s o f ，但同时也将尾气中的部分s 0 2 氧化成硫酸盐川嘲。所 以对于含硫量较高的柴油来说，使用氧化催化器将导致蹦排放中的硫酸盐比例增 大，这样就降低了氧化s o f 的效果，甚至使p m 的排放增加。j o h n s o n m a t t h e y 公司 研究出两种方法可以抑制硫酸盐的生成，同时维持对h c 和c o 的高活性。一是将 p t 1 2 0 3 催化剂在1 0 5 0 c 的高温下煅烧6 小时以改变铂晶粒的尺寸，将铂晶粒从 1 5 n m 变化到4 0 h m 。二是通过改变催化剂贵金属成分【刀。此外，燃料中的硫还会引 起催化剂中毒。所以使用商硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果和降低催化 器的寿命。因此，对于氧化催化器而言，采用低硫柴油是保证其能长期有效使用的 关键。 氧化催化器的载体主要有陶瓷单体和不锈钢金属两种，降低有害排放物的效果 主要取决于所能达到的催化剂涂层技术，催化剂主要是铂、铑、钯等贵金属。 但不利的一面是催化器存在熟老化和催化剂中毒的闯题，国外研究表明当尾气 温度长期处于6 5 0 i ：以上，易引起催化器热老化，但柴油机在正常工作条件下，尾 气温度几乎不可能达到6 5 0 c ，所以热老化的问题不存在。易引起催化器中毒的物 江苏大学硕士学位论文 质有硫、磷、锌、铅和砷等，磷常被作为添加剂加到柴油机的润滑油里。研究证 实，若润滑油泄漏到尾气管，可以在几小时内让催化器中毒。 氧化催化器在国内外的柴油机上应用较多，其技术也趋于成熟，目前的难点在 于如何选取可抑制硫酸盐生成的催化剂。 1 3 3 2d e n o x 技术 目前比较流行的d e n o ，技术主要有：稀n o , 、选择性催化还原( s c r ) ，n o , 吸附催 化器( n a c ) 以及等离子体技术等。 稀n o ，技术指用h c 作为还原剂来减少n o , 排放，根据h c 的来源分为被动稀n o , 技术和主动稀n 0 ，技术。被动稀n o 。技术是利用废气中的h c 作为还原剂，而主动稀 n 0 , 技术是通过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的h c 。但由于还原n o ，的过程 是在富氧的条件下进行，所以稀n o , 技术的关键是提高h e n 0 。的比率。 汽车上常用的是尿素s c r 技术，有资料表明，经过优化后的s e r 系统，无论是 在瞬态工况还是稳态工况下都具有很好的排放性能，能达到欧的排放法规标准。 其基本的化学反应方程为尿素水解： ( n h 2 ) 2 c o + 玛0 _ c 0 2 + 2 n h 3 然后，n o , 转换： 4 n o + 4 n h 3 + d 2 专4 n 2 + 6 嘎d 6 n 0 2 + 8 n h a 一7 2 + 1 2 h 2 0 n a t 2 技术就是指用能吸附n o 。的催化剂在富氧的条件下对n o 。进行吸附反应， 在缺氧的条件下进行再生。通过对吸附和再生过程的适当搭配，n a c 技术在稳态工 况下可以将9 0 左右的n o 。还原，但是要在瞬态工况下获得很好的性能则需要增加 复杂的控制系统，有待进一步研究 9 1 1 1 0 1 【1 。 等离子技术往往与催化剂技术联合使用，用等离子技术来提高催化还原反应 的效率。但由于等离子技术机理十分复杂，现在还不是很清楚，需要进一步研究。 1 3 3 3 微粒捕集器 柴油机微粒捕集器是柴油机微粒排放后处理的主要方式，由收集排气微粒的滤 芯和各类周期性的把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统两部分组成。 微粒捕集器的关键技术是过滤材料和过滤体的再生。对过滤材料的要求是：高 的微粒过滤效率、低的排气流动阻力和较高的机械强度，其中过滤效率和流动阻力 一8 一 江苏大学硕士学位论文 互相矛盾，因此选择材料时需综合考虑。目前能满足要求的过滤材料有以下两种： 金属丝网和陶瓷。其中陶瓷更受欢迎，因为它们在单位容积内能给出最大的过滤面 积，能承受高温，坚固，寿命长并且价格相对不爿1 1 】。 此外，已有研究姆低温等离子体技术应用在微粒捕捉上，其主要依据是柴油机 排气微粒中有7 0 8 0 是带电的【1 2 】。等离子体静电捕捉微粒装置的流动阻力 小，对发动机性能影响小，且捕捉效率较高。但是这种技术需要的设备体积庞大， 结构复杂，成本较高，因此还需进一步研究。 1 4 本课题的背景、意义和研究内容 小缸径柴油机近年来在国内发展迅速，它们是国产农用运输车、轻型卡车的主 要配套动力，各生产企业和研究所已进行了许多开发研究工作，国内在上世纪9 0 年代初始，已开发引进了8 0 9 3 m 缸径的小缸径多缸柴油机，有多个品种。9 0 年 代末，批量生产中也已采用直喷燃烧系统，燃烧过程组织多以动力性、经济性为优 化目标。近年来已着力采取措施降低排放和噪声以满足国家强制标准的限值要求， 目前车用小缸径直喷柴油机已达欧i 排放标准，正在向欧标准努力。国外小缸径 多缸柴油机多用于轿车，7 0 年代初起采用涡流室式柴油机，直到1 9 8 9 年，奥迪公 司推出用于轿车的第一台直喷式柴油机，随后这类柴油机得到迅速发展。例如，目 前德国生产的1 4 l 2 ，o l 排量的小轿车中，柴油机轿车占6 1 ，而法国轿车中柴 油机的比例高达8 8 【1 3 l i l 4 1 ，且排放指标部分已达到欧限值水平。从世界范围来 看，汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。国内对此也开展了大量的研究工 作，但小缸径柴油机由于气缸排量小，转速高，油气混合和燃烧的空间和时间受到 了很大的限制，比中大缸径的柴油机组织燃烧要困难得多；此外小缸径柴油机由于 缸径小，喷孔至燃烧室壁的距离短，燃油更易喷到燃烧室壁面上而形成油膜，导致 雾化和燃烧不良。我国在2 0 0 3 年9 月开始对车用柴油机进行欧限值的型式认 证，而在2 0 0 2 年本项目选题初始，国内小缸径机型都还在着力开展欧i 限值的一 致性生产产品的验证，刚开始着手满足欧i i 限值的柴油机的开发，因此，该选题具 有很大的实用价值和研究意义。 本课题结合常柴股份有限公司的c z 4 8 0 q 自然吸气式柴油机开展工作，对小缸 径直喷式柴油机燃烧特性和废气排放特性关系进行研究，能在一定程度上保持直喷 式柴油机的动力性和经济性，改善其排放性能。 江苏大学硬士学位论文 本课题研究的主要内容包括： 1 、对已经开发的燃烧计算软件【1 5 】进行完善，分析柴油机原机十三工况示功图 的燃烧过程变化，建立小缸径高速柴油机燃烧过程与排放物生成量的对应关系，探 索进一步降低小缸径直喷柴油机排放的研究方法和改进方案； 2 、根据n 0 。的生成机理，利用示功图的实测压力，编写n o 。生成量的模拟计算 程序，分析柴油机的排放特性，并用实机排放试验结果验证模拟计算的正确性； 3 、在达到欧i 排放的试验研究中，对已有的各种方案的典型工况示功图进行 测录，并用相关软件分析燃烧过程，计算燃烧过程参数和有害排放物生成量，找出 影响排放的主要因素，为迸一步降低排放提供依据： 4 、在保证柴油机动力性、经济性基本不变的前提下，从机内净化和机外净化 着手，提出改进方案，并探讨达到欧排放法规限值的措施。 江苏大学硬士学位论文 第2 章柴油机有害排放物的生成机理 及n o i 浓度的模拟计算 2 1 柴油机有害排放物的危害性 柴油机有害排放物的种类极其复杂，依其对人类的危害性，通常可分为一般排 放物和有害排放物两大类。一般排放物是燃料在空气中完全燃烧后的产物，基本成 分是c ( h 、水蒸气h ：0 、过量空气和残余的n ：，这些气体对人体和生物不会造成直接 危害。有害排放物包括有害气体排放和微粒p m 排放物两类，属于燃料的不完全燃 烧产物和一些有害的氧化物。其中气体有害排放物包括c 0 、n 0 ，、h c ；微粒p m 排放 主要是由碳烟d s 、可溶性有机物s o f 和硫酸盐组成。这些有害排放物均在不周程 度上具有毒性，会对人体i 动植物等构成威胁f l 6 】f 1 7 】。 ( 1 ) 一氧化碳c o ：是发动机不完全燃烧的产物，吸入人体容易和血红蛋白结 合将导致体内缺氧，从而引起窒息；此外，还会使人慢性中毒，造成中枢神经受 损、记忆力衰退等现象。 ( 2 ) 氮氧化合物n o , ：是燃料在发动机内高温燃烧丽形成的氮的各种氧化物的 总称。排气中绝大多数为n o ，属轻度刺激性气体，高浓度时能造成中枢神经系统 障碍。n o 在大气中还可以被臭氧氧化为赤褐色带刺激性、具有毒性的n o , ，吸入人 体后会造成血液的输氧能力下降，对心、肝、肾等也有影响。此外，n 0 。也是形成 光化学烟雾的物质之一。 ( 3 ) 碳氢化合物h c ：包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和 部分氧化产物。人体吸入较多的h c 气体会破坏造血机能，造成神经衰弱并降低肺 对传染病的抵抗力。h c 气体中甲烷是无毒的，醛是有毒的，它对眼、呼吸器官和 皮肤有强烈的刺激作用。此外，芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃 及其衍生物有致癌作用。h c 的另一大危害是它与n o 在紫外线作用下，经过光化学 反应产生一种毒性很大的光化学烟雾。 ( 4 ) 颗粒p m ：是柴油机的主要有害排放物之一，呈悬浮状，其中2 5 l o 朋 的碳烟d s 吸入人体气管后可以排出，对人体健康影响较小；小于2 5 9 m 的d s 由 于其直径小能长期悬浮于大气中，容易被吸入人体在肺和气管内沉积起来，危害健 康。此外，蹦中含有苯并芘( b a p ) 的硝化物和含氧衍化物，是直接的致癌物质。 一1 1 江苏大学硕士学位论文 2 2 柴油机有害捧放物的生成机理 柴油机有害排放物主要包括c o 、n o 、h c 和p m ，它们在不同程度上具有毒性， 会对人体和生物构成威胁，为了降低这些有害排放物，我们需要对它们在燃烧室内 的生成机理进行分析，寻找减少有害排放物生成的方法和措施。 2 2 1c o 的生成机理 c o 的生成机理较为简单，是烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一， l e v i s 提出了一种反应机理，他认为c o 是由下列自由基和氧分子反应的结果，可 由下式表示： c h 3 0 + 0 2 寸c o + h 2 0 + o h 在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 将继续按链反 应机理进行反应，生成最终产物c 倪。 o h + c o j c d 2 + 日 在燃烧室中，柴油喷射后形成不同油气混合气浓度的区域。生成c o 的部位主 要是富油区、稀燃熄火区和火焰猝熄区。其中富油区主要存在于：喷注核部位、喷 注尾部、燃油的后滴和异常喷射区、燃烧室壁面上积存过多的油膜，以及因涡流过 强使相邻两喷注前峰部位的重叠区等。这些富油区由于严重缺氧使c 0 不能充分燃 烧，特别是在全负荷或超负荷工作时更为严重，是的主要排放源。因此，c o 的 生成反应主要取决于氧浓度。 稀燃熄火区或火焰猝熄区存在于喷注火焰区之外，这些区域由于混合气过稀， 化学反应不稳定，使生成的c o 不能继续燃烧而中断，或因火焰遇到低温或者冷壁 而中断反应。活塞顶隙内、活塞火力岸部位的周隙内、喷注前锋的下风区、边缘稀 熄区，以及低负荷或空负荷时气缸壁的近壁区等稀熄区，也是c o 排放的重要来 源。此外，气流运动过强，以至吹熄火焰，使燃烧突然中断，也是c o 排放增加的 原因之- - 1 1 钔。 但小缸径柴油机相对于汽油机而言，柴油机燃烧室中的燃油主要是以过量空气 系数大于l 的烯燃方式进行的，与汽油机摺比供氧量较为充足，因此c o 的排放量 比汽油机要小很多。 江苏大学硕士学位论文 2 2 2n 0 x 的生成机理 n o 。是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括n o 、n 0 2 、n 2 0 4 、n 2 0 、 n 2 0 3 和n 2 0 5 等，其中以n o 的量占多数，n 0 2 次之，其余的含量很少。n 0 2 是部 分n o 与剩余的氧气反应后生成的。 通常情况下，在燃烧中生成的n o , 主要有几种途径：其一高温途径，即在已燃 区产生的n o ，称为热n 0 或者z e l d o v i c h - n o ：其二瞬发途径，即在火焰区产生的 n 0 ，称为瞬发n o 或者f e n i m o r e - n o ；其三燃料氮途径，在n o , 生成量中所占比例较 小。 已有研究表明f 1 9 1 ：高温、富氧和氧与氮在高温中的滞留时间长是柴油机燃烧过 程中n o , 生成率大小的三要素。因此，在降低n o 。排放时，主要从降低燃烧温度、 减少含氧量和缩短高温下滞留时间三方面着手，因为只要n o ，生成三要素中三者缺 一就能抑制n o i 生成。 对柴油机而言，预混燃烧速率很快，又发生在上止点附近，使这帮分燃气有最 长的焰后反应时闯和较高的燃气温度，对n o 的生成极为有利。如果参与预混燃烧 的燃料量增加，气缸内最高燃烧温度也随之增加，这不仅使预混燃烧期内的n o 增 加，而且造成扩散燃烧前期n o 的生成量也增加。在扩散燃烧后期，放热率已相对 较小，且活塞下行已燃气体膨胀，导致燃气温度大大降低，加上焰后反应时间短， 因此该时期生成的n 0 不多。综上所述，控制预混燃烧比例是降低n 0 ，的关键。 2 2 3h c 的生成机理 柴油机排气中的h c 化合物一般是指由氢火焰离子化检测器所测得的总h c ，以 碳数计的百万分之一浓度表示。h c 的成因主要包括：混合气局部浓度和瞬时浓度 过浓和过稀：气缸或燃烧室内局部温度和瞬时温度过低等【1 8 1 。 1 ) 混合气过浓：由于柴油机的燃烧是不均匀的异相燃烧，所以即使过量空气 系数相当大，混合气的局部过浓和瞬时过浓仍然存在，特别是喷注的尾部和核心部 位经常是以雾化不良和混合气过浓的形式存在。小缸径柴油机由于缸径小，喷注贯 穿率过大，其前锋燃油堆积于燃烧室壁面上而来不及与空气完善混合时，会导致燃 油局部过浓。 此外，压力室中的燃油喷雾后滴也是h c 重要的生成源。所谓压力室，是指多 孔喷嘴针阀座面以下，连接喷孔的喷嘴端部的小容积，几种常见压力室油嘴结构如 江苏大学硬士学位论文 图2 1 所示。压力室容积中的燃油量不是以高压喷射方式进入燃烧室，而是在主喷 射结束以后，针阀落座关闭，此时压力室中还有燃油，由于燃烧使喷嘴加热，引起 眵咿眵 “b ) f c 无压力室客积喷油嘴小压力室容积喷油嘴标准喷油嘴 图2 1 喷油嘴结构 压力室内积存的燃油受热膨胀、汽 化而排至燃烧室内，即喷雾后滴。由 于后滴燃油雾化不好，不能很好燃 烧，部分以h c 形式排出，且这部分 h c 排出量主要取决于喷雾后滴的燃 油量占循环供油量的多少以及燃油 后滴中未燃烧部分的多少n 卿。所以对于小缸径柴油机选用小压力室或无压力室喷油 嘴可有效降低h c 排放量。 2 ) 混合气过稀：一般来说，柴油机的实际过量空气系数远超过理论过量空气 系数，在部分负荷或者空负荷时更大。比如在活塞的顶隙区，相邻两喷注之间衔接 不到的区域等，燃油未经燃烧即排出而形成h c 排放。 3 ) 混合气过冷或者骤冷：一般出现在靠近气缸壁或燃烧室其他壁面附近的混 合气中，在发动机部分负荷、空负荷或者冷起动过程中尤其难以避免。 2 2 4p g 的生成机理 柴油机的微粒p m 是由碳烟( 起始的固体碳球的直径为0 0 1 0 0 8 # 小，由它们 组成固体质点并凝聚h c 化合物生成0 0 5 1 o a m 的固体碳s o l ) 、可溶性有机物 s o f 以及可溶于水的硫酸盐三部分组成 【6 1 【2 0 】。其中碳烟是固相排放物，s o f 和硫 酸盐是液相排放物，如图2 2 所示。 碳烟主要是由于柴油机在高压燃烧 条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢 而形成的以碳为主的固态微粒。在燃烧 过程中，特别是扩散燃烧中生成的碳烟 糠t ( s 0 4 ) 图2 2 集油机蹦的组成 并不是全部被排出机外，而是相当大的部分在燃烧的后续期中被氧化。在实际的燃 烧过程中，碳烟的形成过程和部分氧化过程几乎是同时连续进行的。碳烟生成的根 本条件是缺氧、高温和高压，只要改变或者转移这三个条件就可降低碳烟排放。 江苏大学硬士学位论文 s o f 的产生是由部分基本的碳烟粒子以聚集的方式形成链状结构物，链状结构 物的表面积非常大，呈多孔性，具有类似活性炭的作用，能够吸附来自燃油和机油 中的未燃h c 物质，这些未燃h c 物质就是最终排出的雕中s o f 的来源之一；s o f 的另一个来源是独立存在、没有被吸附在链状结构物上的液态未燃h c 物质。所有 的这些p m 如不能在燃烧过程中完全氧化掉，则最终会排入大气。 燃油中的含硫量对硫酸盐的生成量的多少有重要影响，燃油中的硫化物燃烧 后，一部分以气态硫的氧化物形式排出，另一部分以硫酸盐的颗粒形式存在于排气 颗粒中。因此，含硫量越高，生成的硫酸盐就越多。 降低蹦排放的措施主要从下面三个方面入手： 1 ) 减少碳烟：主要依靠合理组织扩散燃烧，如优化气缸内空气运动、优化燃烧 室形状、提高喷油压力、减少燃油着壁量、优化喷油提前角和喷油规律等机内净化 以促进燃烧，缩短燃烧持续期，减少后燃，以降低碳烟排放，或采用微粒捕集器； 2 ) 减少s o f ：s o f 的主要来源是燃油和机油，因此可通过合理组织燃烧减少未 燃h c 以及减少机泊的消耗来减少s o f 生成量，或采用氧化催化器等后处理措施； 3 ) 减少硫酸盐：采用低硫柴油。 2 3 以实测示功图为基础的n 0 x 浓度的模拟计算 随着测试技术的不断发展，人们对内燃机燃烧过程的研究越来越深入细致，对 燃烧机理也有了更深的认识，再通过计算机将实验研究、理论分析和数值计算融为 一体，建立了柴油机燃