（船舶与海洋工程专业论文）柴油机氮氧化物排放的测量与计算方法研究.pdf

中文摘要 摘要 本文从影响柴油机氮氧化物( n o x ) 生成的三要素：燃烧时的最高温度，氧气 的浓度和在高温下的持续时间( 即形成n o x 的反应时间) 出发分析了其对柴油机 氮氧化物( n o x ) 排放特性的影响。三个基本因素对其排放特性的影响是通过柴 油机喷油系统的参数，燃烧室结构参数，运转参数，进气条件等其它具体的系统 参数表现出来的。阐明了测定柴油机n o x 质量排放量台架试验的实验条件，仪器 标准和测量方法，并用“简单碳平衡法”计算湿排气的质量流量，结合相关的修正得 到n o x 的排放量。在此基础上用v b 编制了具有“标准算法”和“分析计算”双重功 能的计算机应用程序，并运用此程序对两组实测数据进行了船用c l 模式和车用模 式的计算。在上述计算中得到标准值的前提下又运用所编写的程序对油耗仪，测 功器，含湿量，排气成份分析仪等存在测量误差时进行了相应的计算得出其对n o x 排放量的影响，并结合前面具体的影响因素对存在测量误差后所得到计算的结果 及其原因进行了进一步的分析，根据通过本文的撰写，把有关对柴油机n o x 排放 的限制标准变成了具有实际应用的执行工具，为在实际操作中提出降低n o x 排放 的管理措施提供了相应的理论的依据，也为今后的实测和研究工作提供了一个有 利的工具。 关键词：柴油机，氮氧化物排放，台架试验，简单碳平衡法，误差分析 英文摘蔡 a s t u d yo nt h em e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n a lm e t h o do f e m i s s i o no fn i t r i co x i d e si nd i e s e le n g i n e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h r e eb a s i ce f f e c tf a c t o r sf o rd i e s e ln o xe m i s s i o na r ea n a l y z e d t h a t i st h em a x i m a lt e m p e r a t u r eo f c o m b u s t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no f o x y g e na n dt h el a s tt i m e f o rt h ec r e a t i o no fn o x 。w h i c h 瓣e m b o d i m e n tb ys u c ha st h ep a r a m e t e ro fi n j e c t i o n s y s t e m ，t h ep a r a m e t e ro fw o r k ，t h ep a r a m e t e ro ft h ec o n s t r u c t i o no fc o m b u s t i o n - r o o m a n dt h ec o n d i t i o no fi n s p i r a t i o ns y s t e ma n ds oo n t h ec o n d i t i o no ft h es t a n dt e s t ，t h e s t a n d a r do fi n s t r u m e n t sa n dt h em e a s u r e m e n ta r ed e s c r i b e dc l e a r l y as e to ff o r m u l aa l e s t u d i e d ，w h i c hc a l c u l a t ee x h a u s tm a s sf l o wa n dn o xm a s se m i s s i o nb ys i m p l ec a r b o n b a l a n c e t h ed r yt ow e tf a c t o rf o re x h a u s tg a sa n dt h en 0 xc o r r c c t i o nf a c t o rf o r a t m o s p h e r i ca r ei n d u c e d o nt h i sb a s e ，ac o m p u t e rp r o g r a mw h i c hc o n t a i n sb o t h f u n c t i o n o ft h es t a n d a r d c a l c u l a t i o na n dt h e a n a l y z i n g c a l c u l a t i o ni s a c c o m p l i s h e d u s i n gt h es i m p l ec a r b o nb a l a n c em e t h o da n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m , t w o s e t sd a t ah a v eb e e nc a l c u l a t e d ，i nt h ec a s eo fc o n s i d e r i n gt h e 以 l - o ro ft h ea p p a r a t u s ，t h e c o m p u t e rp r o g r a mi sa l s ou s e dt oc a l c u l a t i o na n da n a l y z i n gt h e i ra f f e c t i o n t h ew o r ki s h e l p f u lt oc o n t r o lt h en o x e m i s s i o no f d i e s e le n g i n e k e yo r d s ：d i e s e le n g i n e , n o xe m i s s i o n ，b e dt e s t ，s i m p l ec a r b o nb a l a n c e m e t h o d ，e x h a u s tm a s sf l o w , e r r o r a n a l y z e 。 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰成硕士学位论文“浊扭氢氢焦堑挂丝的型量曼让篡友选受究。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者繇扩戈年月日 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“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事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。本人授权大连海事大学可以将本学 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名7：树钦 日期：年月日 繁漓辊氮裁诧物摊放的测量与计算方法研究 第1 章概述 1 1柴油机摊气的组成及危害 柴油机以其渤力大、效率高、燃油经济性好、适应饿强和功率范围广等优点， 被广泛应蠲手交遴运辕、工裁及表抟秘壤等簇域。毽装溱壤接爨熬丈羞喜雾锈覆， 也给环境借来了严重污染。柴油机排气根据其对人类的危害饿可分为有害成分和 无疑接危害( 简称无害) 成分两类l ”。无害成分是燃料完全燃烧的产物，如麓氧化 碳( e 0 2 ) 、零蒸气( h 2 0 ) 、蓬囊空气及残余豹爨气( 憋) 等。京翻霹人体纛袅锈不 会造成直接的危害。有害成分又称污染物，包括氧化碳( c 0 ) 、碳氢化物研c ) 、 氮氧化物( n o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、三氧化硫( s 0 3 ) 、臭飘( 0 3 ) 、微粒物质等。这些 蠹绥扶柴涵辊蓑 出翡毒害藏分又称为一次骞害捺敬穆。还言一些或分翔c 0 2 ，显 然不会对环境产生直接危害，但由予c 0 2 的大量聚积会形成温整效应两成为有害。 又如h c 和n o x 在大气中经光化学反应后可生成新的有害物。这些统称为= 次有 害4 敖鐾。霞魏，我黧有关髹准把紫溘梳撼气串弩害或分及c 0 2 帮璇矮统称兔撵 放物，简称排放【1 1 。 柴油机排气中的有害气体排出并扩散到大气中可通过化学反应、降雨冲刷及 被士壤、动檀锈或久类吸狡簿途径滂失。黠予不麓匏气候稻鑫魏理条件，各耪有害 气体在大气中存在的寿命也不同。对于大多数的有害气体，如c o 、n o x 、s 0 2 等， 在大气中的寿命较短，但也有寿命很长的，如c i - h 、c 0 2 等。袭1 1 列出了部分 骞密气体豹寿命f 2 l 。 表1 1 粼分有鬻气体的寿俞 柴油机排放对大气环境的影响主要表现在烟雾( 如著名的英国“伦敦潮雾”， 美謦“多菪控潮雾”等) 、受荤层交滓、酸蔫、囊氧浓度过离瑟温室效应等足伞方 磷。 第1 牵概透 烟雾形成的原因有两种：一怒由民糟的烟筒和工渡排气中含硫物质和颗粒造 成豹，热 l 摹瑟提到的“舱敦煅雾。：是大气孛款n o x 粒h c 等一次污染物在阻光 照射下发生一系列光化学反应，生成0 3 、p a n 、醛、酮等二次污染物，人们把参 岛反应逡程的这些一次污染物和= 次污染物的混合秘所形成的烟雾污染现象，称 戈毙纯学烟雾网。入鞠动耪受裂光偬学烟雾熬穆寒嚣受精和堙吸道黻膜裁会受到强 烈的刺激，引起视力降低以及头痛、呼吸困难，严重的还可诱发淋巴细胞染色体 畸变。綮油机摊气中的n o x 和h c 是形成光化学烟雾的罪魁祸首之。 酸搿是峦空气孛戆酸蠼气蒋( 皴s 0 2 彝n 0 x ) 与空气串豹水耀绩套，以掰、雪、 雾等形式降落地面，由于其p h 值界于o 5 之间盥具有酸味，故称酸雨1 4 1 。据国家 环保总膈统计在我 6 9 6 个统计的市( 县) 中，3 5 7 个出现酸雨f 5 1 。酸雨不仅破坏警 态繇壤，还缝璇薜人体皮默、糕璇秘薅鄯组织，诱发务静疾筑。 温室效应是指由于来自太阳短波辐射能透过c 0 2 等温室气体达到地球袋面，而 地球吸热增温后发出的长波红外辍射却被这些溢室气体抑制或吸收，难予溢出太 气层，鞫_ 嚣导致大气舞漫，久瑟久之，龛璩气镞交疆。这些气蒋磐弱温室豹玻璃 样，挡住热的辐射，这种效应称为温室效应 6 - 7 。据统计，在过去的1 0 0 年中愈 球平均地面气温己增加o 3 n 0 6 c ，寒冷季节缩短丽温暖季节延长；极地和北举 塔褰纬缝区气滋拜褰了3 c 5 ，球强丈瑟积瀵熬，海乎瑟上舞，一些巍嚣期滏 海地区不断被海水蚕食。 柴油机排气中的各种污染物对人体的危害如下【1 - 2 ： ( 1 ) 氮氧稼物( n 溆) ：氮氧像携毫撂l 夸多穆，籀n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 2 0 s 等，通称n o x 。柴油机排气中的氮氧化物绝大部分( 9 0 以上) 慰n o ，少量是 n 0 2 。n o 是花色气体，本身毒性不大，但在大气中会缓慢氧化成n 0 2 。n 0 2 是 耱稼色豹裁激往气髂，怼瓣帮心瓤又缀髅魏毒塞痒雳。n o x 在建甏辫近形成毙纯 学烟雾的主要因素之一。 ( 2 ) 碳氢化台物( h c ) ：h c 包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及箕裂解和 部分载纯产物，蘩浚烃、烯烃、芳香烃、醛、鬻、酸等数甏莘孛或分。烷烃基本童 无味，对人体健康不产生囊接影响。烯煅略带甜味，肖麻醉作用，对粘膜有刺激。 烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的光化学烟雾的罪魁祸 曹之一。芳香烃靖蠢滚帮稗经系统有害，特鬟跫多环芳香泾( p a h ) 及其衍生豹蠢 2 繁油机簧c 氧仡物摊放的测量与计算方法研究 致癌的赶险。醛类是髑激往物质，对眼、呼吸道、血液酃有害 ) 微粒：紫演枧捧爨豹徽糠按威主要鸯黑烟、蓬烟翻塞烟。接气巾戆黑燧是燃 油不完全燃烧生成的碳烟。黑烟不但影响视线，对人的呼吸系统产生危害，而且 由于在碳烟微粒盼孑乙隙中吸附有s 0 2 和多环芳香烃，裔致癌的危险。研究发现， 蠹经在o 1 o 。5 瓣l 的碳耀微粒黠入体熬危密最大。 蓝烟和白烟往往发嶷在柴油机起动和低负荷遮转之时，它们都是燃油或润滑油 的微粒，但粒魔不同。蓝烟的粒径程o 5 1 m a 以下，而自烟的粒径在l 雌以上。在 蒸耀窝鑫烟撂如熬强黪，蠹予毒燃烧孛阑生成凌( 热甲醛等) 嚣 出，赦毒襄l 激性 与臭味。 ( 4 ) 一氧化碳( c 0 ) ：c o 楚无色、无味的有毒气体。吸入入体后能与血红蛋自 终余残碳氧盘数蛋白，导致入俸组织缺氧，发生鬈心、头晕等，严熬瓣窒纛死亡。 在柴油机的排气中c o 含量较少，只有在简负荷逡转时排放量较高。 ( 5 ) 二氧化硫( s 0 2 ) ：s 0 2 是燃油中的硫分在燃烧时的产物。s 0 2 舆有刺激性， 鸯接危害久韵黢舞彝壤箍貘，雩| 莛蜉稷嚣宦炎痰。另努，s 0 2 进一猡氧纯戆产物 8 0 3 与水分作用生成斑酸并行娥酸雨。 综上所述，虽然柴油机谯船舶、铁路、城乡交通运输，工程及农林机械等方面 对嚣民缀济嚣建设窝久稻生活震爨瓣改善上有蓑不霹裁疑兹鬟要幸# 爝，餐是其掺 的污染物对人们的身心健康和人类的生存环境也造成极大的危害，因此我们不仅 要继续发挥柴油机的踅要作用，同时也要制定和执行熨加严格排放限制法规，谶 一步控制英寿寮l 敖耪逮是势在必符，刻不容缓豹。 1 。2 雹内多| 、对柴油撬n 0 x 莪 赦限制戆臻羧及其发展趋势 柴浊机排放的有密物中懋要是n o x 和微粒予，h c 和c o 排出量较少，筒且可 以通过改变燃烧系统参数予以解决。因此，如果减少了柴油机氮氧化物的排放纛 毪就探往7 柒潴祝有害莽 敖物造成舔境大气污染翡一个主要方蘑。 。2 。 耄羯发动橇豹n 0 x 蓑 黢限裁 目煎，世界上实彳子的汽车尾气限制标准主要有美国，欧洲，和网本三火体系， 排放标准中还包括汽车类型的界寇，试验条件、试验程序和试验排放量的计算方 法等一系秀酶搽作准爱护l ，欧渊和瓣本采翔静是稳态镶环。美謦巍燕采用攘孩汽率 第l 章概述 瞬态工况的循环试验方法，即e e a 循环。该方法最大限度的模j 薹l 汽车x 雩大气污染的 实鞲壤况，嚣此较为科学会璩，但对测量帮控制设备要求较蹇。三大标准钵系中， 欧洲标准体系对测试设备要求相对较低，应用较为广泛，我国采用的也是欧洲排 放标准体系。对于汽率尾气静排放限制标准，主婺分为轻型汽车( 含轿车) 和重 型汽车嚣类。下嚣葛攀分绍一下美瓣、欧测及基本三大体系农苓溺聪期走黠重型 柴油汽车的n o x 的排放限制标准。 美雷船嗣福惑亚硝麓墅汽车尾气n o x 捐 放的限制值( 9 l 标准测试循环 排放限制值( r f k w h ) 敬溯l e c er 4 9 8 0 欧洲l i e c er 4 97 o 欧洲飘 e s c 5 0 欧洲 e s c 3 5 欧洲v e s c 2 0 注；2 0 0 0 起执行欧i 珏标准，2 0 0 5 年起执行欧标准，2 0 0 9 超执行歃v 标缕。 日本鬃型汽李尾气n o xl 敖豹殴刳擅【1 】 楚堡塞垫笾堕箜憋堕型值( 丛骧：些 长麓法娥1 9 9 7 1 9 9 94 5 新短期法舰 2 0 0 3 2 0 0 4 3 3 8 裁长期法疑2 0 0 5 至今 2 0 壹予慰车躅发动撬n o x 苓薮严格撵敖跟裁，全藿爨蓬囝内苓錾媾长懿琢锞意 识是提商排放标准的动力，而且不断完善的法律法规也为其提供了强有力的强制 力和法律保障，降低排放技术的不断发展进步为箕提供了技术保证。 我黧薅汽霉尾气辩 藏豹怒理黟隈割秘瓣落嚣，蒡羹采用黥是敢测捧敖体系。 2 0 0 5 年4 月2 7 曰，国家环保总局公布了五项机动擎污染物排放新标准【1 2 】，其中轻 型汽车污染物排放限使及测鬃方法( 即g b l 8 3 5 2 1 3 - - 2 0 0 5 ) 建以欧m 和欧i ，标准 努参照，形或了孛鏊辍銎汽攀毽、掰号趸气撵敖标准( 黧滋、黧i v 标臻) 。这溪令标 猴将分别于2 0 0 7 年7 月1 日和2 0 1 0 年7 月1 日开始在全国实施。北京市将在国内 担任着尾气排放治理的先锋角色，将于2 0 0 5 年7 月1 日超开始执行欧洲排放标 潦。另矜，j 袈还将怒蓊实施歃潍掰撵教标准，戳爱在2 0 0 8 靛达到实施敬漂 柴油机氦氧化物排放的测冀岛计算方法研究 接放橼獾嚣求平。掰标准孛对于黧型柴油机j 救的限制标撼为g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 车 用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车摊气污染杨排放限值及测量努法( 中 国、v 阶段) ，此标准相幽于欧、欧i v 、欧v 汽率排放法规，第m 、 v 阶段确定分别予2 0 0 7 年1 胃l 嚣、2 0 1 0 年1 月l 嚣与2 0 1 2 年1 月l 目起实施。 1 2 2 船用柴油机柴油机n o x 排放限制 为限制和控制船舶向大气排放有害物质，国际海事组织( 1 l v o ) 1 9 9 7 年召开 缔约颡大会，会议黟菠大会决议。逶；童了修谬7 3 疗8 茨浮染公绣豹1 9 9 7 年浚 定书。该议定书新增了( 7 3 7 8 防污染公约附则“防止船舶造成窳气污染规 则”其中第1 3 条规定了氮氧化物排放量的限制值，具体如图所示【1 3 1 4 1 。 1 。雾簸耩壤 n o x f 鲫h l 船用柒谁搬d 2 ，j 越庀蛇l 禳嫂 l lilii 呷棒1f k 哪 、l 冀# 司0 鼬_ 羁崤j 4t 出蝻 a 2 0 m i l _ 蛳 强孛鳆线按照橥淫辊豹标定转速益线共分为三部分， 柴油机标定转速( r m i n ) n 1 3 0 1 3 0 巍 2 o n 2 0 0 0 n o x 的排放量( 鲫i w h ) 1 7 0 4 5 n 0 2 9 + 8 其适应范围怒：( 1 ) 安装谯2 0 0 0 年1 月1 日以后新建的船上，作为非应急设 备 救生艇，莰傍必在应急壤溅下羡趸懿嫒i 器或设备) 傻溺，输出动窭大于等予 1 3 0 k w 的船用柴油机。( 2 ) 在2 0 0 0 年1 月1 日后，对输出功率大予等于1 3 0 k w 的船用柴油机进行大的改造时。大的改造是指：用2 0 0 0 颦1 月1 日以后新造柴油 羲豢钱藩骞懿蒙澳壤；蕺遂露魏在 n o x 技零烧囊”孛臻定爨，黠柴濑壤送行戆实 质饿的改装；或对柴油机的最火连续工作的标定值被提高1 0 。对在2 0 0 0 年1 月 第1 章概述 1 日以后新造的船用柴油机，只有获得e i a p p 证书的船用柴油机才能被准许安装 在船舶上。 从车用发动机n o x 不断严格排放限制趋势及2 0 0 5 年5 月1 9 日( 7 3 7 8 防污 染公约附则一“防止船舶造成空气污染规则”正式实施可知，对柴油机n o x 的 排放限制标准还将逐渐提高，并且这些限制标准也是完全合理和切实可行的。首 先，全世界范围内的不断增长的环保意识将为不断的提高限制标准提供永恒的动 力。然后，降低柴油机排放技术的不断发展进步和不断完善也为其提供了必要的 技术支持和保证。最后，不断完善的法律法规也为其提供了强有力法律保障，例 如2 0 0 5 年4 月2 7 日国家环保总局公布了五项机动车污染物排放新标准以及2 0 0 5 年5 月1 9 日7 3 ，7 8 防污染公约附则的正式实施，这使得各个相关部门在操 作过程中有法可依。 1 3 柴油机排气n 0 x 净化技术的研究现状与进展 随着对柴油机排放污染物的限制标准不断的提高，为满足排放法规的要求所 采取的主要措施包括【”- 1 8 】：采用四气门、燃烧室形状与涡流比的最优化、h c c i 等先进的燃烧系统、高压共轨喷油系统、泵喷嘴高压喷油系统、可变喷嘴截面增 压器、e g r 、增压中冷、综合电子控制技术，以及n o x 催化转化等后处理技术。降 低柴油机n o x 的措施包括机内净化和机外净化两大类。主要措施如图l 一1 所示。 降低柴油机n o x 的措施 机内净化措施 废 气 再 循 环 燃 烧 系 统 优 化 燃 料 预 处 理 机外净化措施 选 择 催 化 还 原 图1 1 降低柴油机n o x 的主要措施 6 吸 附 催 化 还 原 柴油机氮氧化物排放的测量与计算方法研究 为了满足日益严格的排放法规，在柴油机n o x 排放控制中，应该是多种控制 技术和措施共同作用。在技术上，一般遵循先机内净化，后机外净化的原则。优 化燃烧是优先采用的措施。 1 3 1 控制减少柴油机n 0 x 排放率的机内净化措施 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，而对它们的消失反应则尽可能的提供有利的 条件，进而从根本上达到减少排气污染的目的。其主要措施包括废气再循环 ( e g r ) ，燃烧系统优化，燃油预处理等。 1 3 1 1 废气再循环 废气再循环( e g r ) 是目前普遍公认的最有效的机内净化措施【1 蛆”。e g r 净 化n o x 实际上是热容量理论的具体应用。由于废气的主要成分是c 0 2 ，h 2 0 ，n 2 等，它们具有较高的比热，当新的混合气与废气混合后，热容量随之增大，在燃 料燃烧放热量不变的情况下，可以降低最高燃烧温度。e g r 对新混合气的稀释， 也相应的降低了氧的浓度，从而进一步抑制了n o x 在燃烧过程中的生成量。但是 随着e g r 率的增加，h c 排放上升，功率下降，燃油经济性趋于恶化。电控e g r 与高压喷射是解决两者之间矛盾的有效措施之一。对于增压柴油机而言，在可变 喷嘴涡轮增压器( v n d 和e g r 联合应用时，通过改变盯涡轮叶片的角度，可改 善e g r 系统涡轮前压气后的压差，提高e g r 系统的废气流量，进一步提高e g r 率，达到降低n o x 排放的目的【2 2 】。 1 3 1 2 燃烧系统的优化 开发新的柴油机燃烧系统- 2 6 】的总的构思是如何使气流运动；喷油特性和燃 烧室形状等主要因素实行最佳配合，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 的排放量。目前比较先进的高效燃烧系统包括挤流口式燃烧系 统，多角形燃烧室和涡流预燃室燃烧系统。挤流口燃烧系统可形成较强的挤流和 涡流，它能使空气与燃油混合良好，并可控制燃烧室壁面温度，促进油滴蒸发， 防止火焰熄灭，通过对相关参数的优化可使得n o x 和h c 的总和排放量大大的降 低。多角燃烧室不仅能随柴油机转速的变化调节涡流的强度，而且其微涡流及较 强的紊流，能改善混合气的质量，抑制n o x 的生成，并使最大爆发压力及压力升 第l 章概述 搿率降低，与传统的圆形燃烧室榴眈，在高速燃烧时多角燃烧室n o x 的辩放浓度 鳟蹲抵4 0 。涡滚鬏燃室燃烧系绞豹燃烧室兼骞瀑浚室窝燃烧室鑫拳优点，燃烧室 能产生普通预燃室没有的空气涡流和一定程度的紊流，这可形成良好的混合气， 箕燃烧及排放特性都较好。 1 3 。1 3 改饕遴气系统 改善进气系统的措施包括采用涡轮增压及空气中间冷却，适当的进气涡流强 度及完善进气系统，改变谶气状淼等。下述是瞄前改辔柒油机迸气系统的新型关 键技术辩 迥：( ) 多气门鼓零。典麓熬多气门技零羹鹜气门技术，浆泣秘袋恶疆气 门后，扩大了气门的总流通面积，降低了进排气阻力，增加了有效进气量。同时， w 以优化迸气涡流和油雾在空间的均匀分布以及活塞与喷油器的冷却条件，使活 爨豹熬受凌均麓分鑫，改善燃烧j 妻程，提高攀缓舞 量凌率，农效终低p m ，h c 秘 n o x 排放。( 2 ) 可变进气涡流技术。传统的柴油机进气道只能保证桨一工况附近的 殿佳迸气涡流比，实践表明，通过加大低速时的涡流比可减小燃油的轴向贯穿度， 增援燃瀵与空气魏接魅表露，德纯燃涵、空气秘燃烧室豹嚣酝。瀵滚魄一般可褒 2 5 4 0 之间变化。带用柴油机四气门结构使得进气涡流可以更好地随车用柴油机 麓况交化而变化。( 3 ) w 变喷嘴涡轮增压器。可变喷嘴涡轮增压器( v n t ) 是通过e c u 发篷赘糖令改变续囔嚣截嚣寒璃第送入满耱赘滚气，激镬溺轮始终保持程高效攀 区工作，并达到与发动机在各种工况下的最佳匹配，要满足来来排放要求。 1 3 1 4 供油系缆的措施 透过筑纯嚷漓系统降低n o x 豹生成戳献狱下三个方瑟寒实瑷：( 1 ) 延送凑淫 时间，减少滞燃期的喷油鬓【3 1 - 3 2 1 。但是过分的推迟喷油时间，会使比油耗，烟度， c o 及h c 排放量增加，解决这个问题的办法题采用电控供油系统，使喷油时间随 柴灌橇瓣转速及受旃鼢交纯嚣交纯，实瑗最蕊控制。( 2 ) 采焉蔫压唆袈，提高喷涌 速率。商的喷射压力和短的喷射持续期可在喷油终点保持不变时摊迟喷浊定时， 其要比单纯延迟喷油定时的效果好。( 3 ) 提高喷射质量，保诞良好混合，如采用分 缀缕麓，宅拣共辘式唆莉辩蠲等黻控秘颈混滁浇翡强度，降低n o x 静宝藏量。琵 且还可以对主燃烧期的燃 斑可实现两次喷入，进而按制主燃烧期的燃烧强度，从 而进一步控制n o x 的生成量，使柴油机一直保持在最佳的经济性和排放的要求下 运行。 柴油机氮氧化物排放的测量与计算方法研究 1 3 1 5 燃料的预处理 燃料的预处理措施包括调节燃油的炼制配方，掺入其他燃料或添加剂等。目 前主要的处理技术包括燃油掺水乳化、燃油改质和采用代用燃料等b s - 3 8 1 。( 1 ) 燃油 的掺水处理是2 0 世纪5 0 年代发展起来的降低n o x 生成量的一项技术，掺水有两种， 一是向进气管或气缸中喷水或引入水蒸气；另一种是利用机械或表面活性剂，使 水和燃油形成乳化燃料。多方面的实验表明，柴油机掺水燃烧能明显的降低排气 中n o x 的生成量，但是柴油掺水后会对柴油机的动力性、经济性及低负荷下的运 转稳定性都是不利的，因此，最好能随负荷的变化控制掺水量，否则掺水比例一 般不应超过2 0 。( 2 ) 改变燃料的组份，在柴油中加入活性剂，如加x h h b 活化 剂可降低生成n o ) ( 的热分解活化能，加速n o x 热分解。采用新的柴油配方和代用燃 料等可以大大改善柴油机的排放。二甲醚( d m e ) ，生产成本低，其储运、携带和使 用都与传统的汽油、柴油差不多且环境效益好，是一种较理想的新型代用燃料。 1 3 2 控制减少柴油机n o x 排放率的机外净化措施 随着人们环保意识的不断增强，对柴油机机的排放限制也日益严格，在单靠 机内净化措施很难达到要求的情况下，还必须采用机外净化措施。选择性催化还 原和吸附性催化还原是目前普遍公认的最有发展前途的n o x 后处理措施。 1 3 2 1 选择催化还原 选择催( s c r ) - r 作过程和机理日0 】为：将选择性催化剂( 最常用的是n h 3 或能分解出n h 3 的尿素水溶液) 喷入排气管内，n h 3 在催化器中专门选择n o x 进行 催化转化，形成n 2 和h 2 0 。其基本的化学反应式是： c o ( n h 2 ) 2 + h 2 0 = 2n h 3 + c 0 2 4n o + 4 n h 3 + 0 2 = 4 n 2 + 6 h 2 0 2 n o + 4 n h 3 + 20 2 = 3 n 2 + 6 h 2 0 由于上述反应中催化剂的限制【4 “，因此，在利用s c r 技术降低柴油机排放对 排烟温度有一定的要求，当温度太低时则反应速度可能太慢，且容易生成硫酸铵 吸附在催化剂载体的表面，导致其催化性能下降，温度过高则温度过高时，n h 3 可 能自行燃烧而不与n o x 起反应，会生成n o 。s c r 技术的最大优点是可以减少8 0 9 5 的n o x ，甚至更多，从而满足有关排放法规的要求，但是尺寸大，投资大， 9 第l 章概述 还有氨作为还原剂，容易引起泄露。形成二次污染。柴油机排放物中的另一个主 要污染成分就是p m 。如果过多的p m 堆积在催化器中就会使混合气不能充分与催 化剂接触，装置的效率将会大大降低。在s c r 装置进行催化还原反应前先让排气 通过颗粒捕集器或采用四效催化转化装置【4 2 l ，既可以降低柴油机p m 的排放，同 时也解决了s c r 中p m 的影响。 1 3 2 2 吸附催化还原 n o x 吸附催化还原的原理【4 3 删为：将沸石和铂、铑等贵金属催化剂浸渍到蜂 窝陶瓷载体上，n o 和0 2 在催化剂的作用下转化为n 0 2 和o 原子，沸石是硅、铝 等具有晶格结构的矿物质分子筛，它能够吸附n 0 2 和o 原子并储存在吸附层中。 积累到一定数量后，在排气中的h c 和c o 的浓度适当时，在催化剂的作用下， n 0 2 和o 原子与h c 和c o 反应，生成n 2 ，c 0 2 和h 2 0 。其反应方程式为： n o + 0 2 = n 0 2 + 0 2 n o + 2 0 + 2 h c + c o = n 2 + 3 c 0 2 + h 2 0 吸附催化还原的主要优点是不需要复杂的设备，成本较低，可靠性好，且可 同时降低n o x 、h c 和c o 。但是，从n o x 转化效率的角度，现在的柴油机排气中 h c 的含量不足，为了增加排气中h c 的含量，需要对柴油机进行后期喷油，这会 引起油耗的升高，以及增加柴油机控制的的复杂性。根据文献，对系统优化后， n o x 的转化效率能达到5 0 6 0 。 0 柴油机氮氧化物排放的测量与计算方法研究 第2 章n o x 实验参数测试方法的研究 目前，柴油机排气中n o x 的质量流量还不能直接测量，只有通过测量n o x 的体积浓度，并确定排气质量流量或体积流量，才能推算出n o x 质量流量。这是 一种间接的测试方式，也是相当复杂和繁琐的，但却是目前唯一的使用方法。为 了保证实验结果和的准确可靠及有效性，实验测试的条件和仪器在各个方面都有 具体的要求和限制条件。 2 1 测量的项目和要求 要确定柴油机n o x 的质量排放量就必须首先精确的测定柴油机排气的质量流 量。从理论上讲，可采用直接测量和间接测量两种方法，但是直接测量对于流动 复杂的排气质量流量来说实际上是做不到的，因此，目前测量柴油机排气的质量 流量普遍采用间接测量法，其主要测试项目和要求如下。 2 1 1 测量的要求 ( 1 ) 大气系数f a ：对柴油机机族的母型机进行测量时，首先要进行环境条件的检 验，由于进气的温度和进气中的含湿量对燃烧时的最高温度和在高温时的持续时 间都有较大的影响，为了消除这方面的影响，只有当环境参数f a 在给定的范围内 时，实验结果才是准确有效的1 4 5 4 6 1 。 。，。 9 9 r 大气温度、”f 对于非增压的柴油机： a = 耳夏勇磊面。【学j 一 9 9 r 大气温度、” = 一l l 大气压力一大气饱和蒸汽压力l 2 9 8 j = 詈( 旦2 9 8 ) ”= 篙羔r a ( 旦2 9 8 ) 0 7 p si j p b p a lj 对于增压柴龇r a = ( 高 ”( 警) l j = ( 一9 9 警h 第2 章n 0 x 实验参数测试方法的研究 = ( ( 斟= ( 高羔h 射 式中：p s 表示干空气的压力；t a 表示大气温度：p b 表示大气压力；p a 表示进气 中饱和水蒸气的压力；r a 表示相对湿度。 f a 系数的限制条件是通过对大气压力、大气温度和大气的相对湿度的约束来 实现的，即在某一个大气压力的条件下，不同的大气温度应具有的相对湿度的范 围。图2 - 1 ，2 - 2 给出了在一个标准大气压力下，非增压和增压柴油机在0 9 8 f a 2 h 2 0 s + 0 2 _ s 0 2 从上述可知：完全燃烧l 摩尔的碳消耗1 摩尔的氧气；完全燃烧4 摩尔的氢 消耗1 摩尔的氧气；完全燃烧1 摩尔的硫消耗1 摩尔的氧气。所以单位质量燃料 第3 章n o x 质量排放拭计算方法的研究 完全燃烧所需的理论空气的质量( 蚝) 为 s t o i a r = 2 3 1 5 ( k g k g )( 3 - 2 ) 3 1 3 根据完全燃烧和c 0 2 的浓度及燃油的各组分的质量含量计算其理论过量空气 系数( e a f c d o ) e a f c d o 的计算表达式为： e a f c d o ：b e t x 2 2 2 6 2 一b e t x 2 2 2 6 2 s t o i a r x 0 2 3 5 c 0 2 d 1 2 0 1 l1 2 0 1 1 1 4 2 8 9 5 g f 2 1 8 9 l 螋业 1 2 5 0 5 1 4 2 8 9 5 1 s z 。s 。s t o i a r ( 3 3 ) 3 1 4 根据燃油中各组分的质量含量，结合s t o i a r 、e a f c d o 计算其燃料特性 系数( f f h ) f f h 的计算表达式为： f f h - 磊忑i 亚墅匦重o 互1 11 1 亟2 7x 画a l 蟹f 互至亚亘巫巫( 3 - 4 ) s t o i a r e a f c d o 3 1 5 由s t o i a r e a f c d o 及f f h 计算其湿干浓度转换系数k + k + 的计算表达式为： k 干= 舞黑攀斋( 3 - 5 e a f c d os t o i a r ) xf f h 。 若测得的c 0 2 ，c o ，n o x 等是湿浓度，则测量所得到的湿浓度乘以k 转换 成相应的干浓度以便进入后续运算，若是干浓度则直接进入后续运算。 3 1 6 将排气成分即c 0 2 ，c o ，h c 等成分用其干浓度按照美国联邦法规8 6 3 4 5 。7 9 程序计算排气中的含碳组分比( e x h c p n ) 及实际过量空气系数( e a f e x i - - i ) 其 计算式为： e x h c p = c 1 0 0 0 2 _ _ _ d d + 器+ 赢h c d ( 3 - 6 ) 1 0 0l o o 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 e a f e x h 的表达式为： e a f e x h ：( ! 一 翌旦 一婴+ 。e x h c p n2 0 0 0 0 0 0 xe x h c p n1 0 0 0 0 0 0 xe x h c p n 2 4 柴油机氦氧化物排放的测量与计算方法研究 h t c r a t f 】一 丝 1 4 l1 0 0 0 0 0 0 e x h c p n 0 7 5 h t c r a t 、 (35xlooooooxexhcpn25xlooooooxexhcpn1。 l c o d 1 0 0 0 0 0 0 x e x h c p n - h c d ) ，(477(1+htcrat)(3-7) 3 1 7 根据柴油机燃烧系统与参与燃烧的物质进出燃烧室质量平衡的原则计算湿排 气的质量流量。 即：湿排气的质量流量= 燃油消耗的质量流量+ 湿进气的质量流量，将其运算 化简后可得 湿排气的质量流量= 燃油消耗的质量流量 ( 1 + 实际过量空气系数单位燃料完全燃烧所需的理论空气质量) 也即是：g e x h w = g f u e l x ( 1 + s t o i a r x e a f e x h ) 。 3 2 湿排气的质量流量的修正 3 2 1 对于增压中冷的柴油机来说，当实验室中大气的含湿量h a 大于中冷器 出口处空气所对应的最大含湿量h s c 时，湿进气中有部分的水蒸气在中冷器中变 成液态水，即实际排气的质量流量减少了，因此，要对排气的质量流量进行修正。 其修正系数为( k 謦) k 矿i - 百h a - h s c h a 一进气湿度，( g ) 水k g ( 干空气) h a = ! ：丝! 丝! 丝 p b r a p a 0 0 1 h s c 一表示增压空气冷却器冷却温度和压力状态下的绝对湿度，( g ) 水k g ( 干 空气) 其计算方法与h a 类同。 反之，则勿需修正。 3 2 2 在已计算得到湿排气的质量流量的及n o x 的湿浓度时n o x 的计算公式为： n o x 的质量排量( g = 转换系数( u ) x n o x 的湿浓度湿排气的质量流量 第3 章n o x 质量排放量计算方法的研究 即m - - - u c o n e x g e x h w ，其中u 为n o x 密度和排气的密度比，即u - - w d e n s i t y 。 表3 1 给出了几种气体的u ，w 的数值，其中u 是在排气密度1 2 9 3 ( k g m 3 ) 的数值，在实际计算中如果排气的密度不是1 2 9 3 ( k g m 3 ) ，u 的数值应按照公式 u - - w d e n s i t y 重新计算。 表3 - 1 几种气体的u ，w 的数值 气体 uw单位 n o x0 0 0 1 5 8 70 0 0 2 0 5 3 p p m c o0 0 0 0 9 6 6o o o l 2 5 p p m h c0 0 0 0 4 7 90 ，0 0 0 6 1 9 p p m c 0 2 1 5 1 91 9 6 4 p e r c e n t 0 2 n 0 51 4 2 9 p e r c e n t 3 3n o x 排气质量流量的大气修正 由于n o x 的排放与环境空气状况有关，众所周知试验室的环境与规定的标 准试验环境条件存在偏差，因而要对n o x 的质量流量进行大气修正，其具体的修 正系数又分为不带中冷器的柴油机和带有中冷器的柴油机。 ( 1 ) 对于不带中冷器的柴油机其大气修正系数【5 2 】为k a ，其计算公式为 k a = 巧+ a ( h a 一1 0 7 1 ) + b ( t a 一2 9 8 ) 式中：a = 0 3 0 9 ( $ t o i a r x e a f c d o ) - - 0 0 2 6 6 b = 0 0 0 9 5 4 - - 0 2 0 9 ( s t o i a r x e a f c d o ) t a 一空气的温度，k h a 一进气湿度，( g ) 水k g ( 干空气) h a - ! ：丝! 生! 丝 p b r a x p a 0 0 1 盼吾e x p i l g 5 9 1 6 一一3 9 9 1 1 1 式中：r a 一进气的相对湿度，； p a 一进气饱和蒸气压力，k p a ，t 的单位为 p b 一总气压，k p a 柴油机氮氧化物排放的测量与计算方法研究 k a = 彳一0 0 1 2 ( h a 一1 0 7 ) 一0 0 0 2 7 5 ( t a 一2 9 8 ) + 0 0 0 2 8 5 ( 乃心一z j c r e 力 叫澍一= 鬻 交距浆装置的柴油机，表3 - 2 给出了试验模式规定的转速，功率和相应的权重系数。 表3 - 2 船用e 2 模式 e 2 模式 转速1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 功率1 0 0 7 5 5 0 2 5 权重系数 o 20 50 1 50 1 5 ( 2 ) e 3 模式 e 3 模式适用于按推进特性工作的主柴油机和付柴油机，表3 3 给出了试验 模式的标定转和功率和相应的权重。 表3 - 3船用e 3 模式 转速1 0 0 9 1 8 0 6 3 e 3 模式 功率 1 0 0 7 5 5 0 2 5 权重系数 o 20 50 1 50 1 5 ( 3 ) d 2 模式 d 2 模式适用于按定速进行工作运行的主柴油机和付柴油机，表3 - 4 给出了该试验 第3 章n 0 x 质量排放量计算方法的研究 模式的标定转和功率和相应的权重。 表3 - 4 船用d 2 模式 d 2 模式 转速1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 功率 1 0 0 7 5 5 0 2 5 1 0 l 权重系数 0 0 5 0 2 5o 3 o 30 1 5 ( 4 ) c 1 模式 c l 模式适用于变速变负荷工作的主辅柴油机，表3 5 给出了试验模式的标定转和 功率和相应的权重。 表3 - 5 船用c 1 模式 转速标定转速 中间转速怠速 c l 模式 功率1 0 0 i7 5 5 0 i1 0 1 0 0 7 5 5 0 0 l 权重系数 0 1 5 l0 1 5 o 1 5 0 1 0 1 0 1 0 1o 1 5 3 6 。 对于重型车用柴油机采用的1 3 点工况法【2 3 1 ，其各工况点的权重具体值见表 表3 - 6 车用模式 转速功率权重 1 0 0 0 2 2 5 0 0 2 标定转速 5 0 0 0 2 7 5 o 0 2 1 0 0 0 1 1 0 o 0 8 2 5 o 0 8 中间转速 5 0 0 0 8 7 5 o 0 8 1 0 0 0 2 5 0 0 0 8 3 怠速o 0 0 8 3 0 0 0 8 3 3 5 用所编写的v b 计算程序进行分析计算 根据上述简单碳平衡法的具体计算步骤，用v i s u a lb a s i c 编写相应的运算程序 i s 2 ，并用所编写的程序结合实验所测量得到的数据计算其相应