（机械工程专业论文）关于降低柴油机有害排放的研究与探讨.pdf

大连交通大学t 稃硕十学位论文 摘要 本文通过对柴油机排放废气中有害物的组成成分、生成机理及影响因素的深入分 析，从柴油机的工作条件、工作特点以及自身的结构出发，系统的研究控制柴油机有害 物排放的技术措施，通过对一些技术理论的分析，研究和探讨适合降低柴油机有害物排 放的技术方法及技术手段。 一、燃烧系统的改进： 1 、直接喷射系统的改进：应用泊金斯( p e r k i n g ) 挤流口型燃烧室、四角形燃烧室 等。 2 、间接喷射式喷射式系统的改进：涡流室燃烧室等。 二、进气系统的改进：应用多气门、增压中冷技术；设置废气再循环系统等。 三、燃料喷射系统的改进： l 、高压喷射系统：直列式喷油泵、凸轮驱动单体泵、蓄压式单体泵。 2 、改进喷油器：双弹簧喷油器、泵喷嘴。 3 、电子控制喷射系统：将分配式喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统、直列式 喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统。 四、燃料的改良：燃料改质、燃油添加剂。 五、排气污染物的机外净化：催化技术、微粒机外净化方法。 关键词：柴油机；有害物；排放 摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e da n a l y s i so nt h ec o m p o s i t i o n ，p r o d u c i n gm e c h a n i s ma n dr e l a t e d c o m p l i c a t i o no ft h ei n j u r a n td i s c h a r g e db yd i e s e le n g i n e ，c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n ， w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n ds e l fc o n s t r u c t i o no fd i e s e le n g i n e ，w eh a v es y s t e m i c a l l yr e s e a r c h e d a n dd e v e l o p e dt e c h n o l o g i c a lm e t h o dt oc o n t r o lt h ei n j u r r a t d i s c h a r g e df r o md i e s e le n g i n e t h r o u g ht h e o r ya n a l y z i n gs u c ht e c h n o l o g i c a lm e t h o d s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es u i t a b l e m e a n sw h i c hi su s e dt or e d u c et h ea m o u n to fi n j u r a n t l e t e do u tb yd i e s e le n g i n e t h ei m p r o v e m e n to fc o m b u s t i o ns y s t e m i m p r o v e m e n to fd i r e c t l y - s p r a y i n gs y s t e m ：a d o p t i n gp e r k i n gc o m b u s t i o nc h a m b e rw i t h s q u e e z i n g f l o w i n gn o z z l e ，o rq u a d r a n g l ec o m b u s t i o nc h a m b e r i m p r o v e m e n to fi n d i r e c t l y - s p r a y i n gs y s t e m ：w h i r l p o o l t y p ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n ds o 0 n i m p r o v e m e n to fa i r - e n t e r i n gs y s t e m ：a d o p t i n gm u l t i v a l v e ，e n h a n c i n g - p r e s s u r ea n d m i d - c o o l i n gt e c h n o l o g y ；r e s e t t i n ge x h a u s tg a sr e c y c l i n gs y s t e m i m p r o v e m e n to ff u e l s p r a y i n gs y s t e m h i g h p r e s s u r es p r a y i n gs y s t e m ：s t r a i g h t - r o wo i l - s p r a y i n gp u m p c a m d r i v i n gm o n o m e r p u m p ，p r e s s u r e s t o r i n g - u pm o n o m e rp u m p i m p r o v e m e n to fi n j e c t o r ：d o u b l e s p r i n gi n j e c t o r , p u m pn o z z l e e l e c t r o n i c c o n t r o l l i n gs p r a y i n gs y s t e m ：a d o p t i n ge l e c t r o n i c c o n t r o l l i n gs p r a y i n gp u m pt o i m p l e m e n tp o s i t i o n c o n t r o l o n a s s i g n i n g - t y p eo i l - - s p r a y i n gs y s t e m ； a d o p t i n g e l e c t r o n i c - c o n t r o l l i n gs p r a y i n gs y s t e m t o i m p l e m e n tp o s i t i o nc o n t r o lo ns t r a i g h t r o w o i l s p r a y i n gp u m p i m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo ff u e l ：i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ff u e la n da d d i t i v e p u r i f y i n g c o n t a m i n a t i o no u t s i d e e n g i n e ：c a t a l y z i n gt e c h n o l o g y , m o t ep u r i f y i n g t e c h n o l o g yo u t s i d ee n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；i n j u r a n t ；d i s c h a r g e 绪论 绪论 柴油机以其良好的经济性得到了越来越广泛的应用，运输车辆、农用机械和工程机 械等所用的动力装置，主要是柴油机。但是，柴油机的有害物排放是造成大气污染的重 要来源。由于数量大、使用集中，因此有害物对大气环境造成的危害十分严重。 为了保护地球环境，世界各地都在研究今后柴油机排放法规。现在国际通用的是欧 洲经济委员会制定的一系列排放标准。我国现在也在大多数领域的排放执行欧洲i i 号排 放标准。而当前及未来想要降低柴油机有害物的排放，适应环保的需要，增强产品的市 场竞争力，达到国际通用欧洲标准，必须采用相应的技术措施减少排放的污染物。 目前，关于柴油机废气有害物排放的研究，包括柴油机常用燃料及热化学，排放污 染及危害，有害排放的形成机理，有害排放的影响因素以及控制排放的一些方法。 柴油机排放污染物的净化措施主要分为机内净化措施和机外净化措施两大类。一般 把改善缸内工作过程、特别是燃烧过程的净化措施，称为机内净化措施；而将用附加装 置等办法减少排气的有害成分浓度的净化措施，称为机外净化措施。 柴油机排气中的有害排放物主要是n o x 和微粒，c o 和h c 的排放量较少，对大气污 染不会产生严重影响，而且比较容易通过燃烧系统匹配加以解决。由于柴油机排放的n o x 和微粒的生成条件有相反的倾向，例如为减少n o x 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。 减少柴油机排放的措施有： 一、采用高效低污染的柴油机燃烧室： 总体思路是如何使气流运动、喷油特性和燃烧室形状等主要因素进行最佳配合，在 提高燃油经济性或经济性降低不多的情况下，尽量降低n o x 的排放和进气烟度。 1 、挤流口式燃烧系统， 2 、多角形燃烧室， 3 、涡流预燃室燃烧系统。 二、改善进气系统： 1 、涡轮增压及空气中间冷却：采用增压和中冷技术可增加过量空气系数，降低热 负荷及排烟量，中冷后，迸气温度及燃烧温度下降，燃空比降低，减少了n o x 的排量。 2 、适当的进气涡流强度：较强的涡流，n o x 的排量增加；较弱的涡流n o x 的排量较 低，但烟度增加。 3 、完善迸气系统，改善进气状态：设计良好的进气管，利于提高充气效率，可降 低h c 和c o 的排放量；适当的进气湿度，可减少n o 的排放；改变配气正时，增加缸内 废气量，可抑制n o x 的生成。 大连交通人学1 ：科硕十学位论文 三、改善供油系统： 1 、延迟喷油时间：延迟喷油时间是降低n o x 的主要措施之一，可以采用电控供油 系统，里卡多公司在直喷柴油机所做的试验表明n o x 和h c 的排放量可进一步降低。 2 、提高喷油速率：底特律柴油机公司试验表明，在延迟喷油的同时，提高喷油速 率，可同时降低n o x 、h c 和c 0 。 3 、改善喷油器结构：康明斯公司研制的p t e c o n 型喷油器等，在相同燃油经济性 的条件下，h c 及n o x 排放量较低 4 、减少喷嘴压力室容积：底特律柴油机公司试验表明压力室容积愈小，h c 排放浓 度愈低。 四、排气烟度的控制： 在柴油机燃烧室的混合气过浓区，燃油在高温缺氧下，裂解产生碳的晶体，成核后， 同时经历着表面增长、凝聚等碳烟生成以及碳烟氧化消失的过程，排入大气中的碳烟， 则是两方面综合作用的结果。 1 、改善燃料的组分及性质：柴油机掺烧部分醇或水，在燃料中加入消烟剂等。 2 、改善混合气的形成及燃烧：微机控制喷油提前角的大小，以提高喷射质量。 3 、缸内催化燃烧：燃烧室内壁镀上有催化作用的铂或金属氧化物。 第一章柴油机排放污染及生成机理 第一章柴油机排放污染及生成机理 1 1 柴油机有害排放污染及危害 1 1 1 废气成分 发动机的废气主要是n 2 、c 0 2 ，有害排放主要是指c o 、h c 和n o x ( j 恿常指n 0 2 及 n o ) 。发动机的废气成分及废气中有害排放的份额见图1 1 、1 2 、1 3 、1 4 。 图1 1 汽油机的废气成分 d i a g r a m 1 1t h e c o m p o n e n to f w a s t eg a sf r o mg a s o l i n ee n g i n e 图1 3 柴油机的废气成分 d i a g r a m1 3t h ec o m p o n e n t o f w a s t eg a sf r o md i e s e l 图1 2 汽油机废气成分中有害排放的组成 d i a g r a m1 2h a r m f u lc o m p o n e n ti nt h ew a s t e g a sf r o mg a s o l i n ee n g i n e 图1 4 柴油机废气成分中有害排放组成 d i a g r a m1 4t h eh a r m f u lc o m p o n e n ti nt h e w a s t eg a sf r o md i e s e l 汽油机的废气中，n 2 占7 2 ，c 0 2 占1 7 ，0 2 及其他占9 3 6 ；有害排放占1 6 4 。汽油机废气的有害排放中，c o 占8 5o 6 ；h c 占5 ；n o x 占8 ；其他占2 。 柴油机的废气中，n 2 ：占7 5 2 ；c 0 2 占7 1 ；0 2 及其他占1 6 8 8 ；有害排 放占0 8 2 。柴油机废气的有害排放中，c o 占3 5 4 ；h c 占8 5 4 ；n o x 占3 5 4 ；翼；他占2 0 6 6 。 由上面的图示可以看出，汽油机的废气所占的比例( 占1 6 4 ) 比柴油机大( 占0 8 2 ) ，但是由于柴油机的过量空气系数( 1 2 2 2 ) 比汽油机的过量空气系数( 0 8 1 2 ) 3 人连交通大学下学硕+ 学位论文 大，柴油机的废气总量比汽油机大。在废气的有害排放中，汽油机主要是c o ( 占8 5 ) ， 氮氧化物含量很少( 占8 ) ；而在柴油机中，c o 的含量比汽油机少( 3 4 5 ) ，但是氮氧 化物比汽油机多得多( 占；3 5 4 ) 。 1 1 2 有害排放成分的危害 1 1 2 1 c o 的危害 c o 是不完全燃烧的产物，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，人体吸人后，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，会由于缺氧会感到疲劳，引起头晕、恶心等 中毒症状，甚至导致窒息死亡。大气中各种浓度的c o 的毒害见表1 1 。 表1 1c o 对人体造成的危害 t a b l e1 - 1j e o p a r d i z i n gt oh u m a nb o d yc a u s e db yc o c o ( 1 0 击m l l ) 危害 1 0 使人慢性中毒、贫血使心脏、呼吸道疾病恶化 3 0 引起麻小或植物神经麻痹 5 0 0 移动身体时会引起呼吸急促和头痛 1 0 0 0导致死亡 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。 城市大气中的大部分c o 是汽车排放的，c o 是汽车排气中浓度较高的有害成分， c o 在大气低层停留的时i 日j 较长，累计值常常超过允许值，应特别引起注意。 1 1 2 2 h c 的危害 燃油由各种碳氢化合物形成的烃类物质组成。大部分烃类化合物对人体健康无直接 的影响。h c 是燃烧后生成的多种碳氢化合物的总称，其中含有少量醛类( 甲醛和内烯醛) 和芳香烃( 最后组成苯丙芘) 。每种化合物的量很少，但其共同作用十分明显。甲醛、内 烯醛具有强烈气味，对鼻、眼呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等。苯丙 芘是一种致癌物质。汽车密集的城市癌症和发病率比汽车排污少的地区高得多。此外， 碳氢化合物氮氧化物发光化学反应会形成化学烟雾。 1 1 2 3 n o x 的危害 氮氧化物有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 x 。汽车排气中 排出的主要是一氧化氮和二氧化氮。 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，能使神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痊挛。 第一章柴油机排放污染及生成机理 n 0 2 是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气味，是汽车排气中恶臭物质成分之一， 被吸人肺部时，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。在强烈阳光十全发生光化学反应，形成二次污染。各种浓度的n 0 2 的危害见表1 2 各种浓度的n 0 2 的危害。 表1 2n 0 2 对人体造成的危害 t a b l e1 2j e o p a r d i z i n gt oh u m a nb o d yc a u s e db yn 0 2 n 0 2 ( x1 0 击m l l ) 危害 o 5连续卜1 2 个月，支气管患者能恶化为肺气肿 n 0 2 ( 1 0 西m l l ) 危害 1 o 闻到臭味 2 5 持续7 h 以上，植物叶子变白 5 o 闻到刺激臭味 5 0 引起咳嗽、头痛、眩晕 8 0 3 m i n 一5 m i n 就会引起胸痛 1 0 啦一1 5 0 3 0 m i n 6 0 m i n 因肺气肿而死亡 n o x 在大气中几天内就可扩散，下雨时可被溶解，其累积深度不会过高，其危害虽 不如c o 那么严重，但也不可忽视。表1 3 为n o x 对人体的影响。 表1 3 为n o x 对人体的影响 t a b l e1 3n o xa f f e c t i o no nh u m a nb o d y 浓度( 1 0 击m l l ) 影响 o 0 25 m i n 内多数人能感觉到 o 2 肺的机能减弱，肺部有紧缩感，眼睛红疼 o 2 _ 0 5 3 h 6 h 内会使视力减弱 o 5 1 01 h 内呼吸紧张、气喘病恶化 12 2 h 内出现头疼、胸闷、肺活量减少、慢性中毒 5 一l o全身疼痛、麻痹、肺气肿 1 5 2 0 小动物2 h 内死亡 5 0 人在l h 内死亡 1 1 2 4 光化学烟雾的危害 h c 和n o x 混合在一起，在强烈阳光照射下会产生一系列复杂的光化学反应，产生 大连交通人学r 学硕十学位论文 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 的深度为5 1 0 弓 以上，人在l h 内就会死亡，化合物中含有甲醛、丙稀醛、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。 1 1 2 5 硫化物的危害 在有害排放物中，还有燃油中硫分燃烧后生成的硫化物，主要是s 0 2 ，它是无色气 体，确强烈气味，有很强的腐蚀性，会刺激呼吸系统粘膜，引起喉管发炎。s 氧化后生 成s 0 2 ，s 0 2 与空气中的水发生作用会生成硫酸，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。 硫化物对催化装置也有危害，少量的s 0 2 吸附在催化剂表面会使催化剂劣化，导致 催化剂更换次数增加。 1 1 2 6 碳烟的危害 碳烟是因为排气中含有碳粒所致。碳粒是指排气中的固体及液体的凝结物。一般认 为碳烟本身无毒，但碳粒常央附有s 0 2 及其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯丙 芘等。不同直径的碳粒对人体的影响不同，如表1 4 所示。碳粒的颗粒越小，在空气中 悬浮的时间越，最小的颗粒可在空气中悬浮达一周以上，这就增加了这些颗粒与人体接 触的机会。 另外，碳烟沉淀后呈黑色，使环境的清洁度变差。 表1 4 碳烟颗粒对人体造成的危害 t a b l e1 4j e o p a r d i z i n gt oh u m a nb o d yc a u s e db yg r a n u l ei nc a r b o nm i s t 碳烟颗粒直径( 1 - tm ) 危害 2 一1 0 吸入气管后，可排出体外，对人体危害不大 2 吸人后，将在肺部沉积 吸人肺部后，导致肺气肿，还将引起肤病， o 1 旬5 变态性病、致癌，危害最大 与柴油机相比，汽油机排出的碳粒很少，只有柴油机的1 2 0 至1 5 0 1 2 生成机理 柴油机的有害排放包括c o 、h c 、n o x 和硫化物及微粒。 1 2 1 有害气体的生成 1 2 1 1 c o 的生成 c o 的生成主要是由于燃烧时缺氧所致，对于柴油机来说，其主要原因是局部缺氧。 6 第一章柴油机排放污染及生成机理 柴油机排放的c o 是燃料燃烧的中间产物。当燃烧继续进行时，c o 与0 2 及氧化物 再化合生成c 0 2 ；再化合时缺乏0 2 或氧化物，或燃烧温度低、滞留时间短、不能完全化 合，将产生c o 。c o 的形成与碳烟极为相似，都与有效氧含量有关，结果使柴油机中 c o 浓度的变化也大致与碳烟成比例。 柴油机在小负荷运行时，由于燃油温度低且氧化反应弱，c o 的排放量较低。当过 量空气系数超过一定界限时，不管温度是否增加，由于0 2 的浓度低和反应时间短，再化 合反应会减少，随柴油机负荷的增加，c o 的排放量增加。 怠速时，工作温度低，喷油速度慢，喷雾质量差，燃烧不完全，c o 排放高。c o 排 放在某一转速时最低，当转速增加或减少时，其排放浓度均增加。对于一定的喷油提前 角来说，只存在一个最佳转速，在此转速下，燃料燃烧完全，c o 浓度较低。 柴油机的平均过量空气系数大于l ，c o 的排放量要比汽油机小得多，只有在负荷很 大，接近冒烟界限时，才急剧增加。 1 2 1 2h c 的生成 柴油机排放中的h c 是由原始燃料分解的燃油分子，或者是由重新化合的中间化合 物，如醛、醇、酚等组成。由于柴油机是喷油压燃，燃油在燃烧室中的停留时间比汽油 机短得多，因而受冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。这是柴油机 的h c 排放较低的主要原因。 1 2 1 3 n o x 的生成 柴油机排放中的n o x 是在燃烧过程中，原子氧和氮在高温高压下化合的结果。柴 油机排放的n o x 中主要是n o 。n o 排人大气后又氧化为n 0 2 。负荷增加时，燃空比增 加，n o x 浓度也增加。而当n o x 浓度达到最大值后，再增加燃空比，n 0 x 浓度反而下 降。这是因为当燃空比随负荷增加而增加时，温度上升，n o x 的浓度上升；而达到最大 n o x 排放浓度时，即使燃空比增加，温度己不是决定因素，此时n o x 浓度取决于氧的 浓度。因此燃空比增加，氧的浓度减少，反而使n o x 的浓度下降。 试验表明，直喷式柴油机n o 浓度在中速时达到最大；预燃式柴油机在高速时n o 浓度有所升高，即柴油机的负荷、转速直接影响n 的排放量。 1 2 2 微粒的生成 所谓微粒，主要是固体颗粒，是指一切在接近大气条件下存在于燃烧废气中的分散 颗粒。按美国标准( e p a ) 定义为：在废气温度最高为5 2 摄氏度并在空气稀释的情况下， 用特伏龙涂层的过滤器收集到的废气中的物质。 内燃机排放中的微粒主要是碳( 约7 5 ) 以及沉淀下来的高沸点碳氢化合物( 裂解及 合成产物) 和硫等无机产物。微粒的直径很小，约有8 5 的小于0 3um 。 汽油机中，含铅汽油中的铅及汽油中含有的硫所生成的硫酸盐，是排放中微粒的主 大连交通火学 ：学硕十学位论文 要成分、使用含铅汽油时，排放的微粒中，有一半左右是铅。如果使用无铅汽油，且汽 油的含硫量般很低，一般认为汽油机基本上不排放微粒。 1 2 2 1 液体微粒( 白烟和蓝烟) 白烟和蓝烟都含有类似油状物质的液体微粒。 白烟含有直径为1 31 tm 左右的液体微粒，一般在寒冷季节、冷起动和怠速工况时 产生。此时气缸中的温度较低，着火不良，燃油不能完全燃烧，未燃燃油和润滑油以液 滴状排人大气形成白烟。当气缸磨损后，窜气、窜油现象增加，白烟也增多。一旦柴 油机正常运转，温度升高、白烟也随之消失。 蓝烟是燃油未燃烧或部分燃烧，以及处于热分解状态的燃油和窜人缸内而又未燃烧 的润滑油微粒，其颗粒直径比白烟的小，在0 4l am 以下。它是在柴油机尚未预热或 低负荷运转工况下，燃烧室温度较低，燃烧条件不良所产生的。 白烟和蓝烟在成分上没有什么不同，只是由于微粒直径不同，在光散射作用下产生 不同的颜色而已。在排出白烟和蓝烟的同时，有不完全燃烧的中间产物醛，因此还 伴有对眼、鼻、喉有强烈刺激性的臭味。 1 2 2 2 固体微粒( 碳烟) 柴油机排出的固体微粒主要是比重大、颗粒细微的碳粒。这些碳粒的最小单元为片 晶，片晶是约有9 0 个碳原子按六方晶系排列的碳原子团。一定数量的片晶( 一般为2 5 个，但也有高达2 0 个) 按层状堆积成多孔的微晶体，其直径为1 7 a _ 3 0 a ，碳粒子就是 由这样的片晶按方向随排列聚结而成。常见的微粒直径在5 0 a 5 0 0 a ，但也可能低至2 0 a 和高达6 0 0 0 a 。 此外有凝聚和吸附在碳粒表面的有机物。这些有机物在一定温度下能够挥发，且大 部分可以溶于有机溶剂而得到有机溶剂萃取物( 可溶性有机物) 。可溶性有机物在颗粒中 的含量变化范围很广，有的为9 一1 5 ，也有的高达9 0 ，其实际含量决定于燃油的 性质、柴油机的类型和运转工况等。可溶性有机物的成分包含有多环芳香族碳氢化合物、 部分氧化物和未燃烧的燃料。还含有不可溶的有机物( 如乙醚和乙烷) 无机物成分( 含碳黑 和磨损物质) 。 碳烟是柴油机的一种有代表性的排放物，它是限制柴油机最大输出功率和排气污染 物的重要因素。 碳烟的生成条件是高温和缺氧。柴油机尽管总体l 是富氧燃烧，但燃料和空气的混 合极均匀而导致局部缺氧，最易形成碳烟。 碳烟的生成机理的论述主要有三种：( 1 ) 燃料分子以脱氧的形式发生分解生成碳微粒 而凝集固体碳；( 2 ) 认为火焰在最初有些燃料分子聚合成大的分子或油滴，它们起脱氧反 应而变成碳粒子；( 3 ) 认为在高温火焰下，能产生部分分解及脱氧反应的一些中间生成物， 8 第一章柴油机排放污染及生成机理 而这些中间产物边聚合边进一步脱氧，逐渐变成固体碳粒。 2 4 3 硫磺颗粒 柴油中的硫，在燃烧后生成硫酸盐或其他硫酸化合物，如硫酸氨，沉淀下来，或与 磨损物、添加剂生成的金属盐，也可能沉淀在碳粒上。l l 含硫1 5 的柴油，燃烧后最 多能生成2 6 9 的s 0 2 ( 气态) 和l o g 的硫酸盐加水( 颗粒状) 。 1 2 3 臭味的生成 排气中的臭味由多种成分组成。除0 2 和n 0 2 而外，主要就是不完全燃烧产物。柴油 机特有的排气味道的主要成分是h c 。排气臭味有两种：一种是由几种芳香族碳氢化合 物如烷基苯、烷基萘所引起的煤油味；另一种是由部分氧化的碳氢化合物造成的焦油味。 此外，s 0 2 也有臭味。 臭味的强度与转速没有明显的关系，随负荷的增加而增强。最有希望减少排气臭味 的措施是降低柴油机的h c 排放。 本章小结 本章简要论述柴油机排放的有害气体的组成、危害及其生成机理，并着重介绍了柴 油机有害物排放与柴油机一些参数的关系。通过以上论述，为探求影响柴油机有害物排 放因素找到可靠的、现实的理论依据。 9 大连交通入学一i ：稃硕十学仿论文 第二章柴油机排放法规 柴油机排放法规能够限制柴油机各种污染物的排放，促进柴油机的不断改进。我国 已经实施的g b n 2 6 7 8 7 对运输、船用柴油机的排放限制规定：当平均有效压力大于0 3 m p , 燃油消耗率小于2 1 4 9 ( k w h ) 时，氮氧化物限制在2 9 9 ( k w h ) ；在燃油消耗率等于 2 1 4 - 2 6 8 9 ( k w h ) 时，氮氧化物限制在2 5 1 4 ( k w h ) ：在燃油消耗率大于2 6 8 9 ( k w h ) 时， 氮氧化物限制为1 l g ( k w h ) 而根据1 9 9 9 年1 2 月3 1 日实施的国际海事组织中有关船舶 造成大气污染的新规则中的规定，对船舶主机排放限制更为苛刻。一些经济发达的国家 对柴油机排放的限制更为苛刻，处罚也尤为严厉。 2 1u i c 颁布的废气排放极限值 对于铁路内燃机车和内燃动车，u i c ( 国际铁路联盟) 对其成员铁路颁布了推荐的废气 排放极限值。u i c 标准的排放限值适用于新购置的柴油机，也就是适用于新造的机车、 动车和新更换的柴油机。自2 0 0 3 年1 月1 日起，u i c 标准i i 级排放限值对于各成员铁 路具有约束力，但没有法律效力。u i c 各种标准的排放限值的发展情况列于表2 1 ： 表2 1u i c 铁路柴油机废气排放限值标准随时间的发展 t a b l e2 - 1c r i t e r i o na m e n d m e n ta b o u tt h el i m i t e da m o u n to f e x h a u s te m i s s i o nf r o mr a i l w a yd i e s e l 起始执c o h c n o x 颗粒 标准号柴油机功率烟度 行年分( g k w h )( g k w h )( g k w h ) ( g k w h ) u l c - o r e至1 9 8 2 全部柴油机 1 2 0 4 0 2 4 01 6 2 5 u i c o r e 至1 9 9 3全部柴油机 8 o 2 42 0 o1 6 2 5 u l c o r e 自1 9 9 3全部柴油机 4 01 61 6 01 6 2 5 u i c - o r e 自1 9 9 7全部柴油机 3 oo 81 2 o1 6 2 5 5 6 0 9 5 u l c i i自2 0 0 3 n 10 0 0 r m i n 3 00 8 0 2 5 5 6 0 9 9 n 1 3 0 k w3 54 00 2 机车2 0 0 7 5 6 0 k w3 5 0 56 00 2 机车 2 0 0 9 5 6 0 k w 3 50 47 4 0 2 动车 2 0 1 2 1 3 0 k w3 50 1 92 。o0 0 2 5 机车2 0 1 2 1 3 0 k w3 54 00 0 2 5 新柴油机投入运用时适用于表中所列的排放限值。对于柴油机型式试验，必须提前一 年达到规定的排放值。 与u i c 标准排放限值相比，e g 9 7 6 8 标准的排放限值更广泛、更严格。例如，对于 内燃动车的n o x 和h c 的总和，自2 0 0 6 年起达到4 0 9 k w h ，以替代目前的6 6 9 k w h 。自 2 0 1 2 年起，将达到2 0 9 k w h 。同样，颗粒物质排放限值也面临新的挑战，要降到0 0 2 5 9 k w h 。 2 3 国内排放法规 我国目前的排放法规主要是针对汽车等小型发动机，而对于铁路机车用还没有专门 的法规，只对各有害排放的极限值做了简单的规定，如表2 3 所示： 大连交通大学_ 稃硕十学位论文 表2 3机车及船舶主机等柴油机排放限值 t a b l e2 3e x h a u s te m i s s i o nl i m i tt od i e s e lo nt r a i na n ds h i p 在试验! j = 况下柴 比排放量 排放指数 油机平均有效压 标定功率时的燃油消耗率 力p e ( k p a ) 【g ( k w h ) 】 【g ( k w h ) 】( g k g 燃料) c o n o x c o n o x 3 0 05 01 2 0 g e 一 2 1 4 1 02 9 2 1 4 g e 一 2 2 6 l o 1 5 2 2 6 g 卜 2 3 8 1 02 1 2 3 8 g 。一 2 5 2 1 01 7 2 5 2 g 心 2 6 8 1 01 4 2 6 8 笱警r 。、j u r o i 、 、 l ， 行、f l 乎0 2 k i f r ) 印欠 承。一期望值 坝 一 ll l 图5 6 喷油系统改进对柴油机排放的影响 d i a g r a m5 6t h ea f f e c t i o no ne x h a u s te m i s s i o nf r o m d i e s e lw i t ht h ei m p r o v e m e n to fo i l - s p r a y i n gs y s t e m 曰 、 1 2 0 m ，l p h r r取 1 6 0 m p 4、 乏、 过譬窄气景致 图5 7 高压喷射降低碳烟的效果 高压喷射技术对喷油系统提出了十分苛刻的要求，要求整个系统有极高的强度、刚 度和密封性，目前广泛应用的油泵一油管一喷油嘴系统，由于高压油管物理特性的限制， 能达到的喷油压力一般不超过1 0 0 m p a 。 泵一喷嘴系统取消了高压油管，将喷油泵和喷油嘴做成一体，图5 8 。由于取消了高 压油管，最高喷油压力可达到1 8 0 m p a ，并且缩短了喷油持续时间，提高了怠速和小负 荷喷油量的稳定性，再加上电子控制，使喷油控制更加灵活。但使用该系统时，柴油机 的气缸盖要承受很大应力，对缸盖和缸套的刚度要求很高；高压油泵和凸轮离曲轴较远， 对传动系的刚度要求也很高；这些都限制了泵喷嘴系统喷油压力的进一步提高。同时， 电控泵喷嘴对电磁阀的要求也很高，其开闭速度和承受的压力都很高( 分别为汽油喷射 的电磁阀的1 0 2 0 倍和3 0 旺5 0 0 倍) 。泵一喷嘴占用缸盖的空间较大，增加了缸盖及整 机的高度，给气门布置，特别是4 气门的布置带来定困难。 3 l 大连交通大学t 程硕十学位论文 。 里，5 。8 泵：篓塾多构+ ，一。 。 图5 9 用单体泵的车- 1 田i j j 蝼。油1 2 4 , 加u 5 l - 凸轮；2 - 柱塞；3 气缸盖；4 喷油嘴；5 - 电磁阀 ；逸u r e ；：；嘉i ：函w i t hm o n o m e rp u m p f i g u r e5 8s p r a y i n g s t r u c t u r eo f t h ep ump。 1 c a m2 p l u n g e r3 c o v e r4 o i l - s p r a y i n gn o z z l e5 e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e 使用短油管单体泵是传统直列柱塞泵与泵喷嘴系统之间的良好折中。如图5 9 所 示，每个气缸配有一个喷油泵，由接近曲轴的公共凸轮轴驱动。由于高压管路较短( 包 括喷油嘴在内只有2 5 0 m m ) ，加上对缸盖和缸套的刚度要求没有泵一喷嘴系统高，传动 机构也比较紧凑，最高喷油压力可达成1 3 0 m p a 1 7 0 m p a 。 目前开发的i o o m p a 以上的高压喷射装置有直列是喷射泵、凸轮驱动单体泵和蓄压 式( 含油压驱动式) 单体泵三大类。各种不同类型高压喷射泵的制造厂家和存在的问题 见表5 1 。 第五章燃油喷射系统的改进及典型应用 表5 1 不同类型高压喷射泵的制造厂家和存在的问题 t a b l e5 1t h ee x i s t i n gp r o b l e mo f t h ed i f f e r e n th i g h p r e s s u r eo i l - s p r a y i n gp u m p f r o me a c hm a m u f a c t u r e r s 喷射装置 制造厂家存在问题 直列式喷d k k c ，p l s 7 3 ( 日本柴油机)喷射管能耐之高压有限制 射泵n d ，n e _ s ( 日本电装)低速侧之升压困难 c m 一毡) 氍蟹声 控翻喷油搴一( d 瘁低驱动转矩一 标准化 图6 1 4 共轨系统的概念图 f i g u r e6 14s k e t c hm a po fr a i l s h a r i n gs y s t e m 6 4 2 工作过程 图6 1 5 所示是r 本电装公司6 缸发动机的e c d u 2 共轨式电控喷油系统的简图。 该系统由高压油泵、共轨供油室、喷油器及控制上述部件的e c d 电子控制装置和传感 器群所组成。共轨供油室的燃油压力是由输油量控制阀( p c v ) 控制的，用设在共轨供 4 5 大连交通大学 ：拌硕十学位论文 油室内的压力传感器来检测燃油压力。该压力应与根据发动机转速和负荷而设定的最佳 值一致，通过反馈方式进行控制。共轨供油室内的燃油压力通过喷油器喷嘴侧油路和油 压活塞旌加在针阀背后。喷射量和喷射期是通过三通电磁阀( t w v ) 的开关来控制的。 当t w v 通电时，喷嘴背后的燃油从泄油处流出，利用喷嘴前端的高压所形成的喷嘴开 启压力使针阀开启，喷射开始。当t 、w 断电时，针阀背后再次被施加高压，使针阀落 座，喷油结束。所以，通过电子控制装置的输出信号来改变t w v 的通电时间和通电期， 就可以控制燃油喷射量和喷射期。另外在t w v 和喷嘴背压室之问，在释放背压的方向 设有一个单向节流孔通过其节流作用来抑制初始喷射，实现“靴形喷射率模式。 奠油量控锗曩油时问控翻三遁电鬣一( 1 w x 0奠油量控锗三曩电蠢一 图6 1 5 早期的e c d u 2 共轨系统 f i g u r e6 15e a r l ye c d - u 2r a i l - s h a r i n gs y s t e m 图6 1 6 为三通阀电控喷油器的工作过程。t w v 实际上是由同一轴线上的内阀和外 阀两个阀体精密配合而成的，分别形成内外两个阀座通道，通过开关操作，可以选择性 的开启两个阀座中的任意一个。在切断螺线管电流的情况下，外阀压向下方，外阀阀座 关闭，共轨供油室内的高压燃油经内阀阀座施加在针阀后背上，因而喷嘴关闭。当开始 接通t w v 螺线管电流时，磁力将外阀吸上，外阀阀座被打开( 内阀阀座关闭) ，结果， 喷嘴背压室中的高压燃油经单向节流阀缓慢流出，喷嘴针阀就缓慢上升，开始产生逐步 增加的喷射( “靴形 喷射) ，当进一步向螺线管通电时，喷嘴就达到全升程，达到最 佳喷射状态。此时如果切断t w v 的电流，则外阀再度下行，内阀开启，此时单向节流 孔不起阻尼作用，共轨供油室的高压燃油一下子就进入喷嘴背压室加压，使喷嘴立即关 闭，急速终止喷射。t w v 具有极高的灵敏度，例如在1 2 0m p a 的喷射压力下，可以在 不到0 5 m s 的时间内实现阀的开关因而即使是极微小的喷射量，也可以进行准确控制。 第六章应用电控燃油喷射系统及典型应用 喷油器的启闭由油嘴顶部液压控制室内的油压来决定。此油压的大小取决于共轨中 的压力和三通电磁阀( t w v ) 启闭的共同作用。当三通电磁阀通电时，控制室中的高压 燃油流出，喷油器针阀因压力室内的油压作用而上升，喷油开始；当三通电磁阀断电时， 高压油供到活塞顶部控制室，液压活塞下行，针阀落座，喷油停止。因此，三通电磁阀 开启的时刻( 接通始点) 控制喷油定时，而三通电磁阀的开启持续时间则控制喷油量的 大小。节流孔径的大小可以影响控制室内的泄压速率，从而控制了针阀上升的速度，使 初始的喷油速率改变，达到降低n o x 排放的目的。 度 鏖 向节 死 翻活毫 喷 喷i | 串渐进式 。1。1 急建切 三角形喷射)上升 ：7 i 新唆骨 - - - - - 7 l ，i 一 图6 1 6 喷油器的工作过程 f i g u r e6 16t h ew o r k i n gp r o c e s so fi n j e c t o r 6 4 3 优点及对排放的影响 共轨喷油系统是通过控制一个油泵控制阀和每缸的一个三通阀的启闭时刻和开启 持续期来喷油压力和针阀丌启时间，实现循环喷油量、喷油定时、喷油速率的柔性控制， 调节的自由度大，控制的精度高。电控共轨喷油系统与传统喷油系统相比有很多优点： ( 1 ) 自由调节喷油压力( 共轨压力) ：即喷油压力柔性可调，且可实现高压喷射。 对于不同工况均可采用最佳喷射压力。利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，从 而调节喷油泵的供油量、控制共轨压力。此外，还可以根据发动机的转速、喷油量的大 小与设定了的最佳值( 指令值) 始终一致的进行反馈。由于喷油压力不随转速改变，解 决了传统喷油系统( 泵一喷嘴系统) 因低速时喷油压力下降而导致低速烟度大的缺陷。 共轨系统内的燃油压力与发动机的转速无关，即喷射压力对转速没有依存性，而是由独 立的共轨系统来完成。该系统结构紧凑，刚度大可实现较高的喷射压力( 1 2 0 m p a - 一1 7 0 m p a ) ，加之可独立在柔性控制喷油定时和喷油量，可同时将n o x 排放和微粒控制在较 小范围。 4 7 大连交通大学l ：稃硕十学位论文 ( 2