（动力机械及工程专业论文）采用egr和催化还原技术降低柴油机nox排放的试验研究.pdf

人连理t 大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的高速发展，汽车尾气对大气造成的越来越严重的污染，特别是n o 。 的危害已引起了各国政府的高度重视。作为汽车主要的动力源，柴油机n o 。的排放控制 也逐渐成为研究热点。目前，废气再循环( e g r ) 和后处理催化还原被公认为是可以应用 在柴油机上比较有效的净化n 0 。排放技术。 本文的目标是对e g r 和h c s c r 技术进行基础性的研究，并分别在直喷式柴油机 上进行了台架试验。内容主要包括： 第一部分，在柴油机新型t r 燃烧系统上进行自然吸气方式的冷却e g r 试验研究。 试验结果表明，在各负荷下e g r 率最大值为1 5 4 ：燃烧过程缸内压力的最大值和缸 内平均温度的最高值均有所降低；在额定转速下，各负荷燃烧始点基本保持不变，在多 数负荷下燃烧持续期稍有延长。这说明，在循环废气量较少的条件下，冷却e g r 对t r 系统燃烧过程的影响主要体现在热效应方面，而稀释效应的影响不太明显。排放方面， 通过e g r 和t r 燃烧系统的匹配，能够极大地改善原机n 0 。的排放，但同时排气烟度和 油耗率也有小幅度的升高。 第二部分，试制了p t r h p ( 1 堇青石和c u z s m 5 堇青石两类稀燃催化剂，结合微粒 过滤器，利用柴油机排气中的h c 作为还原剂，通过台架试验，重点考察催化剂的活性、 稳定性、起燃温度、反应温度窗等几方面性能，为今后在柴油机上的实用化提供参考依 据。试验结果表明，同c u - z s m 5 催化剂相比，贵金属类催化剂应用在柴油机净化n o 。 方面，具有较好的活性及稳定性，反应温度窗较宽，但要实现产品化仍有许多问题需要 解决。 关键词：柴油机；n 0 。排放控制；e g r ；催化；稀燃催化剂 采用e g r 和催化还原技术降低柴油机n o 。的试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f d i e s e ln o xe m i s s i o nc o n t r o lw i t he g r a i l d a f t e r t r e a n n e n t a b s t r a c t w i t ht h cd e v e l o p m e n to fg l o b a la u t o m o b i l ei n d u s t 叮，t h ep o l l u t i o nc a u s e db ya u t o m o b i l e e x h a u s th a sb e c o l l l em o r ea 1 1 dm o r es e v e r e ，e s p e c i a l l yn 0 xp o l l u t i o n d u r i n gm e s ey e a r s ，m e g o v e m m e n tr e c o g n i z et l l ep r o b l e ma n d1 e g i s l a t et o1 i m i tt h ee x h a u s te m i s s i o n a sm em a i n p o w e rs o w c eo fv e h i c l e ，t h eq u e s t i o nh o wt o 叫母n o xe m i s s i o nf o rd i e s e lh 船b e c o m eo n e o ft 1 1 eh o t s p o t s n o w ，t e c l l i l o l o g yo fe g ra i l da r e r 七m a 衄e n ta r ek n o w na st h et w oe f f e c t i v e m e m o d st op u r i 白n o xe m i s s i o nw h i c ha r ea v a i l a b l ef o rd i e s e l t l l co b j e c t i v eo ft h et h e s i si st od os o m er e s e a r c ho nt l l c 印p l i c a t i o no fe g ra n d a f t e r 峙e a t m e n t t h ef 0 1 l o w i n ga r em em 血c o n t e n t s ： t h ef i r s tp a ni sa b o u te x p c f i m e n t a l 咖d yo n 也ee f f e c t so fc o o le g rf o rt rc o m b u s t i o n s y s t e m t e s tr e s u l t ss h o wt l l a t ，t h em a x m m mo fe g r r a t ei s15 4 ；c o m p a r e dw i t ho r i g i n a l d a t a ，m em a x i m u r no fi n c y l i l l d e rp r e s s u r ea n da v e r a g et e m p e r a t i l r ea l l 出o pal i t t l e i n o m i i l a le n g i n es p e e d ，s t a no fc o m b u s t i o n ( s o c ) d o e s n tc h a n g ei na 1 1k i n d so fl o a db u t t h e d u m t i o np e r i o do f c o m b u s t i o nl o o k s1 0 n g e ri nm a l l yw 口r k i n gc o n d i 舶n s i tm e a n s ，i f t h em 骶s o fr e c i r c u l a t i o ne x h a u s ti sl o w ，m em a i nr m c t i o no fe g rw h i c hh a si n n u e n c eo nc o m b u s t i o n p r o c e s si sh e a te f 诧c t a b o u te m i s s i o nc o n 由吣l ，m a t c h e dw i mt rc o m b u s t i o ns y s t e m ，c o o l e g rc o u l dp “母n 0 xe m i s s i o n s ，b u to nn l eo m e rh a l l d ，p ma n d 矗l e lm a s sr a t ew i l li n c r c a s e a l i m e t h es e c o n dp a r ti sa b o u te x p e r i m e n t a ls t u d yo nt l l ee f r e c t so f1 e a nn o xc 删y s tf o rd i e s e l e m i s s i o nc o n 0 1 i nt 1 1 et h e s i s ，c o m b i n e dw i md p f ，p 七瓜h 伊da n dc u z s m 5c a t a l v s t sa r e p r 印a r e d t h er e d u c e ra r eh cm i x t u r e sw h i c ha r eg i v e no u t 丘d mt h ee n g i n e t h eo b j e c t i v eo f t l l et c s ti st o g a i nu n d e r 曲吼d i n gt 1 1 ep e r f o n l l a n c ea _ b o u tc a t a l y s ta v i d i t y ，s t a b i l i t y ，l o w e s t c a 伽y s t i ct e m p e r a t u r ea 1 1 d 廿l e 姗g eo fe f 诧c t i v ec a 协l y s t i ct e m p e m t u r e ，e t c t e s tr e s u l t ss h o w t h a t ，c o m p a r e dw i t l lc u - z s m - 5 ，n o b l em e n t a lc a t a l y s t sh a v eb e n e ra v i d i 够，s t a b i l i t ya i l d l e r a n g e0 fe f 传c t i v ec 削y s t i ct e r n p e r a t u r el o o k sw i d e r h o w e v e r ，i ti sn o te a s yt oa p p l ym e p t 门地p dc a t a l y s t i cc o n v e n e rf o r 血ed i e s e le m i s s i o na i l dr c m a i l l sm a l l yp r o b l e m st os o l v e k q 唧o r d ：d i e s e i ：n o xe m i s s i o nc o n t r o l ；e g r ；c a t a l y s e ；l e a nn o xc a t a l y s t 采用e g r 和催化还原技术刚氐柴油机n 0 x 排放的试验研究 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：f 塑查塑! 日期：型：! ：12 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 臼蛐 猫 幺年上月丑日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 汽车发明已有1 0 0 多年的历史，它对人类社会的发展进步起到了巨大的作用。世界 性的大规模城市化进程使得许多城市严重依赖于汽车【l 】。在世界范围内，汽车正逐步成 为运输旅客和货物的主要交通工具，内燃机作为汽车的主要动力源受到了最广泛的关 注。这其中，汽油仍是内燃机主导的燃料。 1 8 8 2 年德国工程师r u d o l fd i e s e l 提出了柴油机工作原理，1 8 9 6 年制成了第一台四 冲程柴油机。此后，柴油机技术得以全面的发展， 应用领域越来越广泛。大量研究成 果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、 最节能的机型。柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域， 尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“柴油化”趋势业已形成。在美国、 日本以及欧洲1 0 0 的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，9 0 的商用车及3 3 的轿 车为柴油车。在美国，9 0 的商用车为柴油车。在日本，3 8 的商用车为柴油车，9 2 的 轿车为柴油车。据专家预测，在今后2 0 年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用 动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃 料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。可见，柴油机仍将在国民经济中发挥 越来越重要的作用。 但在缓解能源问题的同时，随着汽车工业的不断发展，环境的污染问题又逐渐受到 了人们的重视。据统计，2 0 0 3 年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量是 1 9 9 5 年相应污染物排放总量的2 5 1 、2 0 5 和3 o l 倍吐事实上，汽车所产生的空气污 染量比任何其它单一的人类活动产生的空气污染量都多。全球因燃烧矿物燃料而产生的 一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的排放量，几乎5 0 来自于汽油机和柴油机。 对此，世界各国制定越来越严格的排放法规，对汽车排放控制技术提出了越来越高 的要求。而我国虽然也意识到在这方面问题，但因为起步比较晚，基础也相对较差，各 方面技术和国外相比还有很大的差距。比如在排放法规方面，中国落后于欧洲将近1 0 年，目前想要实现从欧i i 到欧i i i 、欧i v 的跨越还面临不少困难。因此，作为内燃机 科研工作者，我们有必要也有义务为我国的汽车工业尽一份力，努力钻研科学知识，以 提高我国内燃机技术的国际竞争力，争取早日使我国内燃机发展水平同国际接轨。 采用e g r 和催化还原技术降低柴油机n o 。的试验研究 1 2 柴油机排放物的危害与来源 柴油机排气中的有害成分主要包括：有氮氧化物( n 0 。) 、一氧化碳( c 0 ) 、碳氢 化合物( h c ) 、硫化物和颗粒物( p m ) 等。 1 2 1n 0 。的污染危害及来源 氮氧化物的种类很多，通常包括一氧化二氮( n 2 0 ) 、一氧化氮( n 0 ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、 三氧化二氮( n 2 0 3 ) 、四氧化二氮0 4 ) 和五氧化二氮( n 2 0 5 ) 等。生产环境中及汽车发动 机排气中常以几种氮氧化物的混合气体形式存在，总称为n o 。 n 2 0 是无色气体，几乎全部来自天然源，主要来自土壤中的细菌作用以及高空中 n 2 和o 、0 3 之间的化学反应，在常温下n 2 0 在化学性质上是惰性的并不被当作种空 气污染物。n 2 0 3 、n 2 。4 、n 2 0 s 在大气中的浓度非常低，因此也不认为是空气污染物。 造成空气污染的氮氧化物主要是n 0 和n 0 2 ，它们大部分来源于矿物燃料的燃烧过程以 及生产和使用硫酸的工厂排出的废气：还有氮肥厂、有机中间体厂、黑色及有色金属冶 炼厂等。 n o 是一种无色无味气体，稍溶于水，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造 成中枢神经轻度障碍。n o 可被氧化成n 0 2 。n 0 2 是一种棕红色强生理刺激性的有毒气 体，是引起急性呼吸道疾病的主要物质，在含量( 体积分数) 为( o 0 6 3 o 0 8 3 ) 1 0 4 下，持续6 个月，儿童的支气管炎发病率就会增加，含量为o 1 1 0 。6 时即可嗅到，1 1 0 。l o 6 就会感到恶臭，其对人体健康的影响见表1 1 【2 】。 表1 1 不同的n 0 2 对人体健康的影响 t a b 1 1s i d ee f f 酏t f b m n 0 2f o r h e a l t h n o 。除了直接对人体和生物有害外，在强烈阳光照射下，还可同h c 进行一系列复 杂的光化学反应，产生臭氧和各种化合物。臭氧( 0 3 ) 具有很强的氧化性和毒性，如果空 气中0 3 浓度为5 1 0 5 以上，人在l 小时内就会死亡。各类化合物中含有甲醛、丙烯醛、 大连理工人学硕士学位论文 硫酸等，这些化合物会产生毒性较大的浅蓝色烟雾，即光化学烟雾。光化学烟雾会阻碍 视线，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌：使植物枯萎，并会使受应力的橡胶件开裂。 n o 。主要来源是汽车的排放，以1 9 9 7 年东京的n o 。为例( 见表1 2 ) ，汽车达到总 排放的6 4 【3 1 。 表1 21 9 9 7 年东京n 0 。的主要来源 t a b 1 2m a i nr e 鹤o nf o r n o xi nt o k y o1 9 9 7 来源汽油，液化石油气汽车柴油车船舶、飞机施工生活 排出量( t y “) 1 24 0 02 92 0 096 0 099 0 034 5 0 百分比“) 1 94 51 51 55 1 2 2 其他污染物的危害 ( 1 ) 未燃碳氢化合物( h c ) 柴油机内的部分燃油以及进入燃烧室的少量润滑油，没有燃烧或者燃烧不完全时， 就以h c 的形式排出，它主要由碳、氢原子构成的数百种化合物的统称，包括烷烃、烯 烃、环烷烃、芳烃、醛、酮等。烷烃基本上无味，对于它在空气中可能存在的浓度，没 有发现对人体健康有什么直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代 谢转化会转变成对基因有毒的环氧衍生物。芳烃带有芳香味，却有危险的毒性。苯在较 高的浓度下可能引起白血病，有损肝脏和中枢神经的作用。多环芳烃( p a h ) 及其衍生物 有致癌作用。醛类是刺激性物质，其毒性随分子质量的减小而增大，且因出现双键而增 强。来自内燃机排放的醛类主要是甲醛、乙醛和丙烯醛。他们都刺激眼粘膜、喉和支气 管，对血液有毒性，可能还有遗传毒性和致癌活性【4 】。 如前所述，在阳光的照射下，h c 可以和n 0 。反应，生成地面附近的臭氧，这是形 成光化学烟雾的主要成分。 f 2 1 一氧化碳( c 0 ) c o 也是燃油不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。c o 与血液中 血红蛋白的亲和力是与氧的亲和力的3 0 0 倍，人体吸入后，会在血液中取代氧而形成牢 固的血红蛋白，影响氧气输送。人体吸入c o 后，会由于缺氧而感到疲劳，引起头晕、 恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡。c o 的另一种危害是促使n o 向n 0 2 转化，使光 化学烟雾增加。 ( 3 ) 微粒( p m ) 微粒( 也称“颗粒”) ，英文简写为p m ，通常被定义为，稀释到5 1 7 以下的柴 油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质”矧。柴油 采用e g r 和催化还原技术降低柴油机n q 的试验研究 机排放的微粒成分比较复杂，既有固相的，也有液相的，主要包括：固态的未燃碳颗粒 的聚合物、可溶性有机物( s o f ) 和无机盐类。可溶性有机物主要是未燃的h c ，一部 分吸附在碳颗粒的表面，另一部分呈现蒸气态单独存在，可以利用有机溶剂将其萃取出 来，所以称之为可溶性有机物。可溶性有机物组成十分复杂，有近百种成分，其中有烷 系列和多环芳香烃系列【_ 7 。踟。未燃有机成分的7 8 来自未燃的润滑油。无机盐成分则主要 是因为柴油中的硫成分产生的硫化物【* 1 0 】。 柴油机出于燃烧时油气混合地不均匀，决定了其微粒排放是汽油机微粒排放的几十 倍甚至上百倍，所以，一般认为微粒排放是柴油机所特有的。柴油机排气微粒的粒度很 小，大部分粒径在o 0 l 1 u m 之间。这么细小的颗粒进入肺部以后，会在肺部形成沉积， 对肺构成损害。动物实验表明，柴油机排气微粒对动物有一定的致癌性，但对人的致癌 性目前还只有有限的证据】。此外，在柴油车较多的城市中，柴油机排放的微粒可使室 内光线受严重折射，使天空变暗，可见度最多可下降2 0 左右。 ( 4 ) 二氧化碳( c 0 2 ) 即使燃烧过程进行得非常理想，也会生成c 0 2 。c 0 2 本身对人体无害，但作为主要 的温室气体，其导致地球变暖和全球气候变化的影响正受到越来越多的关注。1 9 9 7 年 1 2 月，在e j i l 本东京，5 5 个国家签署了京都议定书，对削减温室气体排放，制定了 明确的计划。对发达国家制定了明确的削减c 0 2 排放的指标，发展中国家采取的是自愿 削减c 0 2 排放的原则。京都议定书的签署标志着人类启动了大规模控制c 0 2 排放的 进程。目前主要工业化国家和c 0 2 排放大国已经开始采取降低c 0 2 排放的措施。由于 c 0 2 排放是含碳燃料燃烧的必然产物，所以对汽车产业界来说，降低c 0 2 排放就是要求 降低汽车的油耗。 ( 5 ) 其它 由于柴油中含有硫成分，所以燃油燃烧后还生成少量硫化物，主要是s 0 2 。它是无 色气体，有强烈气味，有很强的腐蚀性，会刺激呼吸系统粘膜，引起喉管发炎。此外， s 0 2 氧化成s 0 3 ，s 0 3 与空气中的水发生作用生成硫酸，随雨雪降落形成酸雨、酸雾， 腐蚀建筑物、车身，造成土壤酸化，破坏农作物与森林，影响自然界的生态平衡。 1 3 柴油机排放控制标准 从上世纪6 0 年代以来，全球范围内由于汽车尾气引起的空气污染日趋严重，在工 业发达、交通稠密的国家更是如此，许多国家纷纷通过制定机动车排放法规来为克服这 一问题作出努力。美国是第一个颁布汽车排放法规的国家，随后世界其他国家相继出台 了相关的法规。如今，世界已经形成了以美国、日本和欧洲为代表的三大排放法规体系。 一4 一 大连理t 大学硕士学位论文 我国1 9 8 1 年开始制定标准，两年后发布了国家汽车排放标准g b 3 8 4 2 3 8 4 7 8 3 。 到了二十世纪末期，鉴于欧洲汽车排放法规比较简单，可操作性强，因此国家决定 等效采用欧洲排放法规作为中国的汽车排放法规。同时，考虑到国情的特殊性，自行规 定了实施同程，第一阶段相当于欧i 标准，第二阶段相当于欧i i 标准。根据车型和车 重的不同，排放标准也不尽相同，限于篇幅，此处只给出轻型和重型车用柴油机的排放 限值【l + ”j ，如表1 3 和1 4 。 表1 3 欧盟轻型车排放限值单位：眺m t a b 1 3e m i s s i o ni i m i t sf b r1 i 出_ d u t yi ne u u n i t ：g 以( m 欧i i 欧i i i欧i v 测试循环 e c e + e u d cm v e gm v e gm v e g p m0 0 80 0 8o 0 50 0 2 5 n o 。 o 5 60 5 7o 5 00 2 5 h c h c + n o 。 o 70 7 l0 5 6o 3 0 c o1 01 0 60 6 4o 5 0 表1 4 欧盟重型车排放限值 单位：趴k w h ) t a b 1 4e m i s s i o nl i m i t sf b rh e a v y - d u t yi ne u u n t t ：g ，( k w 也) 欧i i欧i i i欧i v 测试循环r 4 9 e s c ，e l re t ce s c e l re t ce s c ，e l re t c p mo 1 5o 1 40 2 2o 1 00 1 6o 0 20 0 3 n o 。 7 07 27 3 35 05 03 53 5 t h c o1 00 9 4l1 9o 6 6o 4 6 n m h c 管 o 7 80 5 5 c h 1 61 1 c o4 02 9 97 9 12 15 4 51 54 0 烟度m “ 0 80 5 注：总碳氢排放 非甲烷碳氢排放 甲烷排放，仅对气体燃料发动机 逐步严格的排放法规，给汽车和发动机制造商提出了巨大的挑战和新的发展机遇， 甚至激发了各大公司在研发方面的潜能。例如，8 0 年代初，美国制定了当时最严格的排 放法规，使汽车制造商感到不管如何改进化油器也不可能达标。后来，内燃机工作者经 过不懈的努力，同时另辟蹊径，最后，新的电子控制燃油喷射技术应运而生。9 0 年代初， 汽车排放标准进一步提高，但并没有难倒汽车制造商，随后第二代多点燃油喷射技术被 采用e g r 和催化还原技术降低柴油机n q 的试验研究 开发出来，并且配备催化转化器。近几年，内燃机工作者正致力于汽油机缸内直喷、柴 油机h c c i 、混合动力、代用燃料等技术的研究中，从而满足不断严格的汽车环保节能 的要求。 1 。4 柴油机n 0 。排放控制的研究概况 14 1n 0 。的生成机理 柴油机排放的n o x 主要是n 0 和n 0 2 ，其中n o 居多。而n o 主要是由空气中的氮 ( n 2 ) 在高温中燃烧的产物。有关n o 的生成机理，主要阐述成因如下。 前苏联科学家泽尔多维奇( z e l d o v i c h ) 研究认为，在柴油机气缸内的高温、高压和供 氧情况下，n 0 的生成按三个链式反应机理进行1 1 4 】，即 d 2 2 0 ( 1 1 ) 0 + | 2 ”0 + ( 1 2 ) j v + 0 2h v 0 + 0 ( 1 _ 3 ) n 2 分子的分解比0 2 分予的分解要困难得多。因此，链的引发反应是氧分子在高温 下分解为氧原子，继而产生直链反应。所以，n o 的生成是由原子状态的o 切断n 2 分 子间的键开始的。 拉伏耶( l a v o i e ) 等人研究了泽尔多维奇的反应机理后认为：n o 的反应机理除了按泽 式反应进行以外，还存在下列的反应机理f 14 ： + d 日f d + 日( 1 - 4 ) 上述反应式中n 均来源于反应式( 1 2 ) 中。而( 1 2 ) 中n 的生成速度强烈依赖于温 度。因此，柴油机燃烧过程中n o 的生成率在很大程度上取决于火焰温度。后来，有科 学家总结出了n o 生成率的经验公式。 j 导【刎= ( 6 1 0 “r5 ) e x p ( 一6 9 0 9 0 r ) 【o r5 【2 】。 m o l ( c m 3 s ) ( 1 5 ) “l 由( 1 ，5 ) 式可以看出，氧的浓度对n o 。的生成率也有相当大的影响。除此之外，化 学反应需要时间，氮和氧在高温中滞留的时间是n o 。生成率的又一重要因素。 综上所述，高温、富氧和氧与氮在高温下滞留时间，是决定柴油机燃烧过程中n 0 。 浓度生成率大小的三要素。这里需补充一点，由于柴油机燃烧过程中，氮的含量始终是 足够的，因此不存在氮的浓度对n 0 。生成率的影响问题。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 2n 0 。排放的控制技术 柴油机特有的燃烧方式决定了排放的n 0 。和微粒颗粒的生成条件有相反的倾向 【1 0 ，例如为减少n o 。排放要降低燃烧温度，但燃烧温度的降低会使油耗增加，功率输 出降低，更会造成微粒排放量增加。因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对 n 0 。生成量的影响：同样，在研究减少n 0 。排放率的控制技术的同时，也必须兼顾微粒 排放量、燃油消耗率及输出功率等问题，如此发展的控制技术才有实用价值。 现有的柴油机n 0 。排放控制技术措旌通常可以分为机内措施与机外措施。 ( 1 1 机内措施 柴油机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，改善混合气形成，达到燃烧充分、 工作柔和、启动可靠、排放尽可能减少的要求。目前国内外研究比较多的机内净化措施 主要包括： 推迟喷油【 在柴油机上通过推迟喷油可以有效地抑制n o 。的排放，且方法简单易行。随喷油提 前角的推迟。n 0 ；显著降低，但同时燃油消耗率和碳烟排放恶化。这主要是因为：第一， 使燃烧过程避开上止点进行，燃烧等容度下降，因而温度下降。第二，越接近上止点喷 油，缸内空气温度越高，燃油一旦喷入缸内便很快蒸发混合并着火，即着火落后期可以缩 短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。 但是，过分推迟喷油，n o x 反而上升。这主要是由于着火落后期的过分延长，使燃 烧初期的放热速率反而大幅度上升。因此，推迟喷油提前角对降低n o ；的效果是有限的， 过分推迟往往会牺牲燃油经济性和微粒排放特性。一般推迟喷油都与其他加速燃烧的措 施相结合使用，例如高压喷射或加强缸内气体运动。 合理的喷油规律 对直喷式柴油机来说，喷油规律对燃烧过程的进展有重大的影响。为了实现低排放 柴油机的优化放热率，理想的喷油规律应该是，初期缓慢一中期急速一后期快断。有的文 献将其描述为“靴形喷射”。具体地说，初期喷油速率不要过高，以抑制在滞燃期内形 成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以达到降低燃烧温度、抑制n 0 。生成及降低噪 声的目的；中期应急速喷油，即采用高喷油压力和高喷油速率以加速扩散燃烧速度，防 止微粒排放和热效率的恶化；后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使 雾化质量变差，导致燃烧不完全。 要想实现这种喷油规律，常规的机械喷油系统，特别是要获得与主喷射分开的预喷 射是很困难的。而采用电磁阀控制喷油的电控喷油系统，可以使喷油规律更加柔性化。 采用b g r 和催化还原技术降低柴油机n q 的试验研究 此外，还可以通过改变燃油喷射系统，如采取预喷射、二次喷射、多次喷射、可变喷油 正时等措施降低最高燃烧温度和控制放热规律以降低n 0 。的排放【1 4 】【1 6 l 。 合理组织进气涡流【“j 高速直喷式柴油机可以通过组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进 行。涡流比的大小对柴油机性能和排放有很大影响。例如，直喷式形燃烧室柴油机在喷 油定时一定的情况下，当涡流加强时，由于改善了混合，是燃烧时间缩短，反应速度加 快，缸内温度升高，n o 。增加，而c 0 和烟度则减少。目前国内外柴油机发展趋势是，提 高喷油压力，降低涡流强度，以减少进气的压力损失，匹配多气门小孔径喷油器来获得 良好的混合气。 优化增压器与柴油机的匹配 对柴油机的进气进行增压中冷会带来两方面的效果，即进气密度增大和进气温度降 低。这样，一方面由于进气量充足，燃烧过程更为完善，另一方面由于中冷后发动机的 平均温度有所下降，相对散热损失减少，同时发动机的相对机械损失也减少，因此发动 机的燃油消耗率有所降低。同时采用中冷技术，可使柴油机的最高燃烧温度t ：得到有 效控制，n o x 排放显著降低。经验表明，增压及增压中冷技术已成为提高柴油机性能的 一种有效手段，为了稳定达到欧i 排放法规的要求，重型车用柴油机应安装废气涡轮增 压器，而为了稳定达到欧i i 排放法规的要求，一般应安装带中冷的增压系统。 采用可调喷嘴涡轮增压器( v n t ) ，通过转动涡轮的喷嘴叶片，可调节发动机的进气 量和进气压力，因而可以使柴油机与增压器在全工况范围内获得良好的匹配，可较为全 面地改善发动机的排放与经济性，并可改善柴油机的加速性，提高低速扭矩。 废气再循环 废气再循环( e g r ，即e x h u a s tg a sr e c i r c l l l a t i o n ) 技术是通过将排放出的部分废气重 新引入进气通道中，减少了进气充量中的含氧量，同时增加进气充量的热容量，进而降 低燃烧最高温度t z ，最终可以减少n o 。的排放。目前，该方法已被证明是用来降低柴 油机n o 。排放最简单而有效的措施【1 8 _ 1 9 1 。关于这一方面内容，后文将作以详细分析。 新的燃烧方式 要想在以扩散燃烧为主的传统柴油机上降低废气排放始终存在一个难题：无法同时 有效降低n 0 。和p m 排放。因为n o 。的生成条件是高温、富氧和高温持续时间三者的 同时存在，而碳烟微粒在局部高温贫氧区生成。有时，为减少n 0 。排放而采取的导致燃 烧温度降低的措施，往往会减少碳烟的氧化，从而导致碳烟排放恶化。因此，人们开始 尝试一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式：依靠预混合燃烧形成的均匀混 大连理工大学硕士学位论文 合气和低温燃烧形成较低的缸内温度来同时降低碳烟和n o 。排放。这种燃烧方式就是均 质压燃式燃烧方式( h c c i ，即h o m o g e n e o u sc h 盯g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 。 1 9 9 5 年，丰田汽车公司新开发的u n i b u s ( u n i f o 玎nb u l k yc o m b u s t i o ns y s t e m ) 燃烧 系统，使用中空锥形喷嘴，力求在燃烧室内形成一种油束贯穿距离小、喷雾范围大、油 粒细而均匀的燃油喷雾，且为了限制喷雾贯穿，在喷油嘴前端设置了碰撞部，使喷油持 续期限制在一定值，以实现燃油快速分散1 2 0 j 。 1 9 9 6 年，日产汽车公司提出m k ( m o d u l a t e d n e 垃c s ) 燃烧系统，其技术手段是， 大幅度推迟喷油时间并采用高e g r 率的废气再循环【”2 2 1 。e g r 在这里不但是控制燃烧 速度和燃烧温度以抑制n o 。产生的对策，而且是控制着火落后期长短的手段。为了弥补 燃烧过缓过长、热效率低以及h c 和s o f 排放恶化的后果，又采用优化燃烧室、提高进 气涡流、减低冷却损失和改进缸内混合气流动等方法作以改进。 进气道喷水 水具有较高的比热，在燃烧过程中吸收热，可降低燃烧最高温度。在排放试验中， 尤其是在高负荷工况，通过喷水可改善排放性能。在自然吸气柴油机在e c er 4 91 3 工 况试验中，高负荷工况向进气道喷水，可使n o 。下降3 0 ，而且颗粒排放性能并不恶化 【1 6 】。但如何控制喷水的时机、数量及喷嘴的腐蚀和防冻等问题还有待于进一步研究。 改善燃料品质 对于低排放柴油来说，首先要提高十六烷值。这里要区别十六烷值和十六烷指数两 个概念。十六烷值是指柴油在规定发动机上测得的有关柴油压缩着火性的一个相对性参 数：而十六烷值指数是指燃料固有的十六烷，由被测燃料特性计算得出。固有十六烷和 加入十六烷改善剂后的十六烷对柴油机的影响不同，为了避免添加剂的剂量过多，应尽 量减少十六烷值与十六烷指数之间的差值。 低排放柴油的标志性特征是降低柴油中的硫含量，这是因为硫使柴油机排气微粒中 的硫酸盐成正比的增加，这会对后处理技术降低n o x 增加了很多的困难【2 “。此外，柴 油中的芳烃也会增加柴油机的p m 和n o x 排放，并使排气中毒性大的多环芳烃的含量增 加。目前，欧i i i 之后的排放标准已经在进一步对废气含量进行限值的同时，相应地对 燃油品质也制定了单独的附加标准。 有研究表明，向柴油之中加入添加剂，如借助乳化剂往柴油中添加醇，都有助于降 低n o x 排放。 此外，还可以通过优化发动机冷却、进气道预喷燃油等技术措施来降低n 0 。的排放 但与其它机内净化措施相比，净化效果并不明显。 采用e g r 和催化还原技术刚氐柴油机n q 的试验研究 ( 2 ) 机外措施 机外措施可以有效地降低机内排放控制的难度，为解决n o 。及其它有害物排放提供 了很大的余地，已成为满足更严格排放规范的最重要的排放控制措施之一。目前，国内 外学者应用在降低柴油机n o 。排放的机外后处理技术研究主要有：吸附型催化还原法、 等离子体辅助催化还原法、选择性非催化还原法、非选择性催化还原法和选择性催化还 原法。 吸附性催化还原( n s r ，即n o 。s t o r a g e r e d u c t i o n ) 目前该系统已应用于稀燃和直喷式汽油机。n 0 ；捕集器会在稀混合气工况下将n o x 储存在催化器中，待捕集器未达到吸附极限以前，将汽油机短暂地进入浓混合气状态， 使排气中产生足够的还原剂( 如h c 、c 0 ) ，从而在催化剂的作用下把n 0 。转化成n 2 1 2 5 。”j 。 采用共轨喷油系统的柴油机可以通过在膨胀过程中向缸内后喷燃油提供吸附催化器再 生所需要的还原剂。不过该系统催化剂的耐硫性仍是一个值得研究的问题。 等离子体辅助催化还原( p l 船m a - c a t a l y s t ) 采用低温等离子体和合适的催化剂相结合，是降低柴油机n 0 。排放研究的另一个热 点【2 7 。2 8 】。其净化机理是：首先在常压下产生低温等离子体，利用等离子体中含有大量的 高能电子、激发态粒子、原予氧( 0 ) 以及由此产生的氧化性极强的自由基( h o 、h 0 2 ) 臭氧( 0 3 ) 等活性物种把n o 和h c 氧化为n 0 2 和部分氧化的高选择性含氧c h 类还原 剂，然后再在催化剂作用下促使新产生的高选择性活性物种还原n 0 2 ，生成无害的n 2 。 低温等离子体与催化剂结合，可以增强催化剂的选择性，大大减少了副产物的产生，对 柴油机排气的n o 。和微粒有很好的净化效果；此外，对燃料的含硫量几乎没有要求，而 且反应可在相对低的温度下进行。 目前低温等离子体催化反应装置的主要形式是两段式，即低温等离子体发生器与催 化剂前后相接的结构，低温等离子体发生器采用介质阻挡放电形式，催化剂为球状颗粒载 体，负载贵金属、c u o 、v 2 0 5 以及分子筛c u z s m 一5 等不同系列的催化活性组分。但是， 该技术面临的问题是，等离子体技术净化气体有害物的机理研究未形成理论体系，使其应 用缺乏理论保障。此外电源性能、与反应器的匹配以及催化剂工艺等问题均有待进一步 研究。 选择性非催化还原( s n c r ，即l e c t i v en o n c a t a l ”i cr e d u c t i o n ) 该技术在发电厂中得到了广泛应用，其基本原理是，在高温排气中加入还原剂，和 n o 。，反应后，生成n 2 和h 2 0 。还原剂通常是n h 3 ，近年来也开始使用( n h 2 ) 2 c o 、 h h 4 h c 0 3 。这种方法的优点是节省了昂贵的催化转化器，但反应只能在一定的温度区间 ( 11 0 0 1 4 0 0 k ) 进行。若温度过低，反应不能进行；温度过高，n h 3 被氧化成n o x 。因 1 0 大连理工大学硕士学位论文 此，如果在柴油机上使用，首先需要在排气管处额外安装加热装置，而且需要实现温度 控制，此外，还要考虑n h 3 喷射装置的安装，系统极其复杂，基本不适合在车用发动机 上使用。 非选择性催化还原( n s c r ，即n o s e l e c t i v ec a t a l ”i cr e d u c t i o n ) n s c r 的主要原理是，在排气中加入还原剂( 氨或h c 等) ，然后在催化剂的作用 下对排气中的n o 。进行还原。由于柴油机排气中含氧量很高，而且所用催化剂没有选择 性( 比如三效催化剂) ，这使得n o 。还原反应所需的还原剂直接和氧气反应，但单纯靠额 外添加还原剂来维持反应的正常进行，外加还原剂的消耗量会很大。因此，这种方法基 本被淘汰。 选择性催化还原( s c r ，即s e l e c t i v eca _ f a l y t i cf e d u c t i o n ) 在许多文献中，也把选择性还原催化转化器称为降n o 。( d e - n o x ) 催化转化器或稀混 合气降氮氧化物( 1 e a i l - n o 。) 催化转化器。该方法的原理与n s c r 相似，只是催化剂的配 方不同。选择性催化还原转化器的催化作用具有很强的选择性。n o 。的还原反应在选择 性催化还原转化器中被加速，还原剂的氧化反应则受到抑制。可用于这种还原反应的还 原剂主要有氨( 氨水) 、尿素或h c 。 有文献表明，采用以n h 3 为还原剂的选择性催化还原是n o 。转换效率最高的技术， 可达6 0 9 0 1 2 ”。而且使用该技术不会导致柴油机颗粒排放的增加。同时，所使用的催 化剂有较高的耐硫性。试验所用催化剂主要是一些金属氧化物，如v 2 0 5 、t i 0 2 和w 0 3 ， 最佳反应温度在2 5 0 5 0 0 【3 0 】。这项技术所面临的主要问题是：目前缺乏添加尿素的基 础设施；需要o b d 系统控制尿素溶液的喷射，防止n h 3 的泄漏：另外该反应还有可能 产生较高的n 2 0 排放，而n 2 0 是温室气体，所以如果控制不当的话还会产生二次污染。 同时，系统体积较大，结构较为复杂，因此产品化仍然比较困难。 本文主要研究以h c 为还原剂的s c r ，这方面内容将在后文作以重点讨论。 此外，采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少n o 。的排放。碳素纤维具有催化 活性，能促进废气中的n o 与c 或h c 进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使n o 。 排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化 效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。 1 5 课题的引出 如何有效降低n o 。排放是柴油机有害排放物控制的难点和重点。目前，国际上在控 制柴油机n o 。排放技术方面有两个发展趋势，一个是废气再循环，一个是后处理，即催 采用e g r 和催化还原技术降低柴油机n q 的试验研究 化转化技术。本课题就是针对这两种不同方向的排放控制手段分别进行基础性的试验研 究，为以后实用化提供参考性的依据。 第一部分内容是关于废气再循环对柴油机t r 燃烧系统影响的试验研究。 本课题是国家重点基础研究发展规划资助项目( 2 0 0 1 c b 2 0 9 2 0 2 ) 的一部分，主要进行 了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 通过理论分析，根据现有的试验条件，建立试验测试系统。 ( 2 ) 通过示功图和放热率图，研究冷却e g r 对新型柴油机( t r ) 燃烧系统的燃烧 过程影响，包括燃烧始点、燃烧持续期、缸内压力、缸内温度等参数。这为优化t r 燃 烧系统的结构参数和性能提供了依据。 ( 3 ) e g r 对新型柴油机( t r ) 燃烧系统排放性能和燃油经济性的影响，这其中包括 n o 。、p m 、b 等参数。 第二部分内容是关于稀燃n 0 。催化剂应用于柴油机的试验研究。 稀燃条件下n o 。的催化净化是当今催化剂领域的研究热点之一。稀燃发动机排气的 显著特点是废气中含有大量的氧气。而传统的三效催化剂只能在极窄的空燃比范围内工 作，因此在柴油机n o ，催化还原中完全不能发挥作用，必须专门开发能在排气富氧条件 下工作的n o 。催化剂。通过努力，大连理工大学内燃机研究所与南开大学和南京某公司 合作，尝试开发了针对稀燃发动机的n 0 。催化转化装置。 先前稀燃n 0 ；催化剂性能方面研究仍停留在模拟气体阶段，还有部分内燃机工作者 将其应用在稀燃汽油机上并进行了研究，但在柴油机方面的试验性研究很少。本文借鉴 前人在稀燃汽油机上的试验经验，试制了p t 瓜m ? d 堇青石和c u - z s m 5 堇青