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e g r 技术对柴油机排放和性能影响的试验研究 摘要 随着汽车工业的发展，汽车保有量急剧上升，汽车排放污染物对人类和环 境的影响日趋严重。世界各国相继制定了严格的排放法规对汽车排放污染物加 以限制。 为了适应我国排放法规的要求，本文针对国产某型柴油机进行了e g r 技 术降低n o x 排放的试验研究。通过试验，研究不同e g r 率对该机型排放和性 能的影响规律，并在此基础上初步选取各工况下的最佳e g r 率。 结果表明：在各种工况下，e g r 都可以大大降低该机型的n o x 排放，但 e g r 率的增加会给柴油机的烟度、扭矩和燃油消耗率带来不同程度的负面影 响。因此，每个工况都存在着一个最佳e g r 率。通过排放试验结果可以看出， 最佳e g r 率下e g r 系统在保持其他排放物、动力性和经济性无明显恶化的前 提下，可以有效的降低n o x 排敖。 关键词：柴油机；废气再循环；n o x ；排放； e x p e r i m e n t a l s t u d y o ne f f e c t so fe g r t e c h n o l o g yo ne m i s s i o n s a n dp e r f o r m a n c e so fad i e s e le n g i n e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，t h en u m b e ro ft h e a u t o m o b i l ei n c r e a s e ss h a r p l y ，f r o mw h i c ht h ep o l l u t a n te m i s s i o n ss e r i o u s l ya f f e c t h u m a nh e a l t ha n dt h ee n v i r o n m e n t a u t o m o b i l ee x h a u s tr e g u l a t i o n sb e c o m es t r i c t e r i na l lc o u n t r i e s a d a p t i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ee m i s s i o nl e g i s l a t i o n ，a l le g rs y s t e mw a s a p p l i e dt o ad i e s e le n g i n et or e d u c en o xe m i s s i o n t h ee f f e c t so fd i f f e r e n te g r r a t e so nt h ee m i s s i o n sa n dp e r f o r m a n c e so ft h ee n g i n ew e r ei n v e s t i g a t e db yt h e e n g i n et e s t ，o nw h i c ht h ee g r r a t e so fd i f f e r e n te n g i n em o d ew i l lb eo p t i m i z e d b a s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a te g rc a nr e d u c en o xe m i s s i o no ft h i sd i e s e le n g i n e s i g n i f i c a n t l yu n d e rv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，b u ti tw i l lh a v en e g a t i v ei n f l u e n c e o nt h es m o k e ，t h ee f f e c t i v et o r q u ea n dt h ee f f e c t i v es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nw i t h t h ei n c r e a s i n go fe o rr a t e s s ot h e r ew i l lb ea i lo p t i m u mw o r k i n gs t a t eo fe g r r a t e su n d e rv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h r o u g ht h eo p t i m u me m i s s i o nt e s tf o r e g r i tp r o v e st h a tt h eo p t i m i z e de g rs t r a t e g yc a nr e d u c et h en o xe m i s s i o n e f f i c i e n t l ya n dl i m i tt h en e g a t i v ei n f l u e n c eo ro t h e re m i s s i o na n dt h ep e r f o r m a n c e o fe n g i n e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ； e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ；n o x ；e m i s s i o n 插图清单 图1 1 柴油机汽车比例图1 图1 2 欧、美、日柴油机各阶段排放限值一3 图2 1 十六烷值对 旧的影响9 图2 2 喷油提前角对n o x 的影响1 0 图2 3 喷油压力对n o x 的影响1 1 图2 - 4 不同负荷、转速下的n o x 排放和对应的空燃比1 2 图2 5e g r 系统原理图1 3 图3 1e g r 系统形式1 9 图3 2 机械式e g r 阀原理图2 0 图3 3 步进电机e g r 阀原理图2 0 图3 - 4e g r 阀阀体结构示意图2 l 图3 5e g r 阀及冷却器实物图2 l 图3 - 6e g r 冷却器2 3 图3 6 控制系统结构简图2 4 图3 7 发动机参数信号采集原理2 5 图3 8 设备基本构成及工作状态2 7 图3 - 9 发动机与试验台架2 8 图3 1 0 控制系统实物图2 9 图4 1e l r 试验顺序31 图4 2e t c 循环中测功机设定规范图3 l 图4 3e s c 循环转速的定义3 2 图4 4 全负荷曲线图3 7 图4 5 原机各工况排放物浓度3 8 图5 12 2 0 0 r m i n e g r 率对n o x 和烟度的影响4 1 图5 22 2 0 0 r m i n e g r 率对扭矩和燃油消耗率的影响4 3 图5 32 9 2 5 r m i n e g r 率对n o x 和烟度的影响4 4 图5 - 42 9 2 5 r m i n e g r 率对扭矩和燃油消耗率的影响4 6 图5 53 6 5 0 r m i n e g r 率对n o x 和烟度的影响4 7 图5 - 63 6 5 0 r m i n e g r 率对扭矩和燃油消耗率的影响4 8 图5 7 最佳e g r 率m a p 图4 9 表格清单 表1 1 柴油机主要排放污染物及其危害一2 表1 2 我国各阶段柴油机排放限值4 表1 3 降低柴油机排放的技术措施5 表2 1n o 生成机理方程式中的反应速率常数7 表3 1 柴油机主要参数1 6 表3 2 各种柴油机e g r 系统比较1 8 表3 3e g r 冷却介质比较一2 3 表3 - 4 主要测试仪器2 6 表4 1 十三工况循环比较3 0 表4 2e s c 十三工况循环3 3 表4 3 原机e s c 循环设定值3 8 表4 - 4 原机排放值与国限值的比较3 8 表5 1e g r 排放值与原机和国限值的比较5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： c 司孳签字日期：) 司年岁月) = 7 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授 权金胆王些盍堂可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 圆气 签字嗍砷g 与习日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 磅貔 期岬年唧 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师方锡邦副教授悉心指导下完成的。方老师严谨求实的 治学态度、渊博的学识、丰富的实践经验使我受益匪浅。读研期间，方老师和 我的师母张敏老师在学习、工作和生活上给予我莫大的关心和帮助，这里首先 向方老师和张老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢。 在试验和课题研究过程中，得到了程教育部长、杨华部长、段龙扬高工、 赵春兴、罗阳、刘世松和罗建坤等工程师的大力支持和帮助，在此向他们表示 衷心的感谢! 感谢孙习武、汪知望、尹鸿飞、卢强、刘辉等师兄以及合工大0 4 研2 4 班 的全体同学对我的帮助! 还要向为审阅论文付出辛勤劳动的各位老师、专家表示衷心的感谢l 最后，感谢一直以来，支持、关心和帮助我的家人、老师和朋友们! 作者：周革 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 柴油机经过1 0 0 多年的发展已被广泛应用于农业、工业、交通运输业和国 防建设事业。柴油机工业的发展，对国民经济和国防建设都具有十分重要的意 义。柴油机在汽车动力方面也是极其重要的，柴油机汽车活跃在世界的各个角 落。为改善人类生活，创造社会文明做出了巨大的贡献。由予柴油机具有热效 率高、适应性好、功率范围宽等优点，目前，美国、日本和欧洲发达国家在 大、中型载重汽车上已全部柴油机化，在轿车和轻型车上柴油机的应用比例 也越来越大，柴油机汽车在全球汽车总量中所占的比例呈逐年上升趋势【。 图i - 1 柴油机汽车比例图 随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，购买汽车的人越来越多，全 球的汽车保有量在持续的增加，尤其在中国这样一个新兴的市场，汽车保有量 的增幅更是惊人。汽车排放物给人和环境带来的危害已不容忽视，如果不严格 控制汽车的排放污染物，则会带来严重的环境问题【2 】【舢。因此，开发更节能、 更环保的汽车已成为研究的热点课题。 1 2 柴油机排放污染物 柴油机的排放污染物主要包括一氧化碳( c d ) 、碳氢化合物( 朋) 、氮 氧化合物( n o x ) 和颗粒物( p m ) 。它们都会对人体健康产生不良影响。1 4 j 由于柴油机所用燃料及其燃烧方式的特征，使其具有热效率高、过量空气 系数较大的特点，使得柴油机排放的c o 和h c 远低于汽油机，但排放的d x 与汽油机在同一数量级，而颗粒物的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此， 柴油机排放控制的重点主要放在n o x 和p m 上。 表1 - 1 柴油机主要捧放污染物及其危害 污染物危害 窒息性的无色无味有毒气体，会在血液中取代氧而形成牢固的 血红蛋白，影响氧气输送。人体吸入后，使心脏、头脑等重要 c d 器官严重缺氧，引起头晕等症状。轻度时使中枢神经系统受损， 严重时会使心血管工作困难，直至死亡。 棕红色强烈刺激性的有毒气体，是柴油机排气中恶臭物质成分 n o x 之一，被人体吸入时，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸， 有刺激性作用，严重时会引起肺气肿。在强烈阳光下会发生化 ， 学反应，形成二次污染。 燃烧后生成的多种碳氢化合物的量的总称，其中含有少量醛类 ( 甲醛和丙烯醛) 和芳香烃( 最后组成苯丙芘) 。对鼻、眼、 h c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。与n o x 发生光化学反应是造成化学烟雾重要因 素之一 微粒中主要成分是碳。柴油机排放物中的微粒大多小于0 3 i l m ， 可以被吸入肺叶，并在肺里滑动，造成肺组织的摩擦损伤。另 p m外，微粒碳核上吸附有s 0 2 及其他碳氢化合物，如致癌的多环 芳香烃、苯丙芘等其它有毒物质被吸入人体，也会对人体造成 损害。 1 3 日趋严格的汽车排放法规 环境问题是一个国际性的问题，随着汽车工业的发展，汽车保有量骤增， 汽车排放已成为大气污染的主要来源，严重的危害着人们的健康，破坏着自然 生态环境。汽车排放物对环境的污染早已为各国政府所重视，各国相继制定了 排放法规，用以限制汽车污染物排放量。汽车排放法规经过半个世纪的发展， 当今国际上已形成了美国、欧溯和日本三大汽车排放体系1 7 1 。 美国加利福尼亚州的洛杉矶地区最早提出要控制汽车排放。1 9 6 0 年加州通 过了“汽车污染物控制法令”，1 9 7 0 年后采用排放率标准，1 9 7 1 年又增加了 n o x 的排放限制。自1 9 7 0 年美国政府成立环境保护局( e p a ) 以后，加快了对 环境保护的立法，车用排放物的控制越来越严，提出了超低排放、甚至“零排 放”的发展方向。美国联邦汽车排放试验循环规范有f t p 7 5 和s f t p 。1 9 9 4 年 逐步实施美国联邦汽车排放的控制阶段( 不包括重型车) u st i e r l 、2 0 0 1 年起 在联邦范围内实施n l e v 、2 0 0 4 年起实施u st i e r 2 排放。2 0 0 7 年1 月1 日， 美国开始正式实施e p a 2 0 0 7 排放法规。这是一项由美国联邦环保署( e p a ) 制 定的重型公路用车辆排放标准，也是当前世界上最为严格的限制排放法规。从 2 之前的e p a 2 0 0 4 到现在的e p a 2 0 0 7 ，排放限值大幅降低。其中，氮氧化物( n o x ) 排放限值降至o 2 0 9 b h p h r ( 克制动马力小时) ，颗粒物( p m ) 排放限值降至 o 0 1 9 b h p h r ，降幅高达9 0 。2 0 1 1 至2 0 1 3 年，美国联邦重型柴油汽车尸膨限 值将加严为o 0 1 至o 0 2 9 p s ；2 0 1 l 至2 0 1 4 年，n o x 限值将加严为o 3 9 p s h 。 现在美国是世界上最早执行排放法规的国家，同时也是排放法规最严格，控制 排放指标种类最多和法规更替最频繁的国家。 日本政府从1 9 6 3 年开始调查汽车排放物在大气污染中所占的比例，并于 1 9 6 6 年7 月制定了汽车排放污染物标准，1 9 7 3 年又增加了对d x 的限制。 1 9 8 0 年代中期，由于美国公布了重型车辆严格的微粒和n o x 排放标准，日本 对此也采取了相应的对策。 欧洲的汽车排放由欧洲经济委员会( e e c ) 和欧盟( e c ) 排放指令加以控制。 1 9 7 0 年，欧共体( e e c ) 制定了限制卡车排放的标准，该法规现已演变成为对 所有汽车适用的标准。1 9 8 9 年起对微粒也作了限制。从1 9 9 2 年起，欧洲逐步 加严汽车排放限制，2 0 0 0 年开始实施欧，2 0 0 5 年实施欧i v ，2 0 0 8 年开始实 施欧v 。 _ 繁 工 蔷 篡 a _ g o g k w 。h 图1 - 2 欧、美、日柴油机各阶段排放限值 随着我国汽车保有量的增加，汽车排放物对环境的影响引起了我国政府的 高度重视。我国在1 9 8 3 年制定实施了第一批汽车污染物排放标准 g b 3 8 2 4 3 8 4 7 8 3 ，并在随后的2 0 多年里参考欧洲体系相继制定了3 0 多部汽车 排放标准，逐步形成了一套比较完善的排放法规体系。 1 9 9 6 年我国制定了一个重型柴油车的排放法规草案，对n o x 的排放限制 在1 6 9 k w h ，1 9 9 9 年，国家环境保护总局颁布实行了g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 排放污 染物限制标准，分别于2 0 0 1 年和2 0 0 5 年又颁布实行了g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 和 g b l 7 9 6 1 2 0 0 5 标准，其中对气态和微粒污染物排放限值规定如表所示。【s 1 【9 】【1 0 1 表1 - 2 我国各阶段柴油机排放限值 型式认型式认证排放限值 实施阶段 证实施 c 0 h cn o xp m烟度 日期 g k w hg k w hg k w hg k w h m 1 o 6 1 ( 8 5 k w ) i 2 0 0 0 9 14 51 18 o 3 6 ( 8 5 k w ) 2 0 0 3 9 141 1 7 0 1 5 o 1 m 2 0 0 7 1 12 1o 6 65o 8 0 1 3 ( 1 ) 2 0 1 0 1 11 50 4 63 50 0 2o 5 v 2 0 1 2 1 11 50 4 6 2 0 0 2 o 5 e e v 限值 1 50 2 5 20 0 20 1 5 ( 1 ) 对每缸排量低于o 7 5 d m 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 随着各国排放法规的加严，对汽车排放污染物的限值不断降低，这给柴油 机的发展提出了严峻的挑战。各国政府和企业投入大量的人力、物力和财力， 加紧对控制汽车排放新技术的研究。排放法规的实施成为推动柴油机技术发展 的强劲动力。 1 4 柴油机排放控制技术 目前国内外广泛采用的排放控制技术可分为燃料、燃烧和排气后处理三个 方面。具体控制技术、控制对象和实施方法见表1 3 【1 2 】。 燃油的品质对柴油机排放影响极大，增加柴油的十六烷值可以有效地降低 柴油机排气中的p m , c o 和n o x 的排放量；降低柴油中的含硫量，可以降低 1 3 2 2 的p m 排放；减少芳香烃成分能够减少n o x 排放。 优化燃烧，也就是从机内净化的角度入手降低柴油机的排放，这是降低排 放的根本和首要措施。通过优化燃烧使发动机达到混合均匀、燃烧充分、工作 柔和、启动可靠、排放较少的要求。 柴油机排气后处理主要围绕n o x 和p m 二者来进行的，是今后超低排放和 零排放要求下不可缺少的技术。 4 表1 - 3 降低柴油机排放的技术措施 控制技术控制对象实施方法 降低含硫量p m燃料中含硫量低于0 0 5 燃 降低燃烧温度n o x柴油乳化( 进气水蒸气喷水，缸内喷水) 料 掺烧消烟剂p m添加钡、镁、锌溶性碱化盐或中性盐等 含氧燃料醇类燃料、二甲醚( d m e ) 合成燃料燃料品质改良 推迟喷油提前角n o x适当减小喷油提前角并加速燃烧 废气再循环n o xe g r 、c o o l e d e g r 高压喷射p m电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴 燃燃烧室设计n o x 、p m设计参数优化、新型燃烧方式 烧喷油规律改善n o x喷油规律曲线形状、预喷射、多段喷射 加水燃烧n o x进气喷水( 水蒸汽) 、缸内喷水 进排气系统改进p m进排气动态效应、可变进气涡流、多气门 增压及中冷p m增压、增压中冷、v g t ，v n t 加装氧化催化转 p m 、c o 、 排化器 h c 用铂( p t ) 作为氧化催化剂 气颗粒捕集器及再捕集排气中p m ，并定期除去颗粒，使过 后生技 p m 滤器再生 处d e n o x 技术 n o x稀n o x 、s c r 、s n c r 、n a c 等 理 p m 、h c 、 四效催化转化器 c o 、n o x 柴油机的有害排放物控制的重点是n o x 和p m 。实践表明，柴油机d x 与p m 排放成t r a d e o f f 关系，降低p m 的措施会引起n o x 排放的升高，对动力 性、燃油经济性也有一定影响。各国发动机工作者采用各种不同的技术，如采 用直喷、增压中冷、高压喷射、废气再循环、电子控制等措施来降低排放，取 得了一定的效果。从降低排放的措施的发展来看，依靠单一技术同时满足几项 污染物的法规要求是很难实现的，因此，必须综合运用以上技术，以求得在n o x 、 p m 、动力性以及燃油经济性之间的平衡，在发动机功率、耐久性、紧凑型等基 本性能提高的基础上，实施减少排放的措施。 柴油机要达到国阶段的排放标准要求，仍然是以机内净化技术为主，改 进发动机燃烧。可以选择采用电控燃油喷射、增压中冷、改进燃烧和进气系统 的结构、e g r 、氧化型催化转化器和调整喷油正时等技术措施。其中电控燃油 喷射和增压中冷技术是必须的，其他技术可根据情况进行选择。 第阶段对柴油机的控制是在第阶段的进一步改进，可以在上述基础上 采用更高压力的电控燃油喷射、变喷嘴涡轮增压、冷e g r 、多气阀技术和颗粒 捕捉器等措施。 第v 阶段的排放标准相对第阶段大幅度削减了n o x ，因此后处理装置除 了要对颗粒物进行有效的削减，同时要有对n o x 进行有效的催化转化。国际上 通常采用s c r 或者氮氧化物吸附型后处理技术。 1 5 本文的研究内容和意义 随着我国实施第三阶段排放限值日期的邻近，排放未达到国标准要求的 柴油机将不能在市场上销售和使用，开发出符合新的排放标准要求的柴油机已 成为迫在眉睫的问题。我国柴油机排放控制技术的研究起步较晚，与发达国家 存在较大的差距，对e g r 技术的应用研究也一直未得到足够的重视。目前，国 内一些高校和科研单位己经对e g r 做了一些初步研究，可绝大多数还仅仅停留 在实验阶段，尚未取得重大的进展，e g r 离实用化和商品化尚有一段距离。 本文主要针对国产某型2 4 l 柴油发动机进行e g r 技术降低n o x 排放的试 验研究，使其n o x 排放值小于5 o g k w h ，达到国要求。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过分析n o x 的生成机理，研究影响n o x 生成的因素和e g r 技术的基 本原理； ( 2 ) 参照和分析国内外各种柴油机e g r 系统的优缺点，建立了适合该机型 的e g r 系统和排放测试系统； ( 3 ) 进行了不同e g r 率对发动机排放和性能影响的试验，分析试验结果， 得出各工况下的e g r 率对该机型排放和性能影响的规律； ( 4 ) 选择合适的e g r 率，达到在平衡p m 排放、以及排放与经济性、动力 性的前提下有效降低柴油机n o x 排放的目标。 6 第二章柴油机e g r 系统的机理 2 1 柴油机氮氧化合物( n o x ) 的生成机理 柴油机氮氧化合物( n o x ) 包括n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 2 0 5 、n 2 0 4 和n 0 3 ，对环境造成污染的主要是n o 和n 0 2 ，而且柴油机的排气中n o x 主要 是n o ，n 0 2 所占质量分数不高，只占n o 的5 。 柴油中的含氮量一般小于o 0 2 ，柴油机排放物中的n o 主要由空气中的 n 2 和0 2 在气缸内燃烧的高温条件下反应而生成的。d 的生成服从扩充了的 z e l d o v i c h 理论。z e l d o v i e h 首先提出以下几个反应： 0 2 2 0 ( 2 - 1 ) 0 + m 孛- - - - - _ n o + n ( 2 - 2 ) + d 孛- - - - - - _ n o + n ( 2 - 3 ) l a v o i e 等人研究z e l d o v i c h 的反应机理后，认为o h 基对n 原子所起的氧 化作用也是不容忽视的，又增加了一个反应： n + o h 粤n o + h ( 2 4 ) h 其中矸、酊( i - l 、2 、3 ) 为反应速率常数，具体值见表2 1 【1 8 】。 表2 1n o 生成机理方程式中的反应速率常数 符号 速率常数( c m 3 t o o l - 1 s “) 温度范围k不确定性因子或 耳 7 6 1 0 1 3e x p 【一丁3 8 0 0 0 j 2 0 0 0 5 0 0 02 2 0 3 0 0 k 时 百 ， 1 6 x 10 1 33 0 0 5 0 0 0 2 ，2 0 0 0 5 0 0 0 k 时 3 0 1 0 0 0 k 时 e 6 4 1 0 9 t e x p 一下3 1 5 0 j 3 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 0 k 时 士3 0 1 0 0 0 k 时 巧 1 5 1 0 9 t e x p 一丁1 9 5 0 0 j 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 0 k 时 譬4 1 1 0 1 3 3 0 0 2 5 0 0 8 0 巧 2 o x l 0 “e x p 一下2 3 6 0 0 j 2 2 0 0 4 5 0 02 以上4 个方程式反应了n o 的形成过程。上述反应从的是氧气( 0 2 ) 在高 温环境下( 大于1 6 0 0 ) 分解出氧原子( d ) 开始( 2 - 1 ) ；氧原子的存在诱发 了n o 生成连锁反应，原子状态的氧切断n 2 分子间的键生成n o ( 2 - 2 ) ，分子 状态的0 2 与原子状态的n 碰撞生成n o ( 2 - 3 ) 。( 2 - 2 ) 反应式左边的氧原子 大部分由( 2 - 1 ) 分解而成，( 2 - 3 ) 左边的n 原子主要靠( 2 - 2 ) 反应式右边生 成的n 供给。 从( 2 - 2 ) 的正向反应速率矸可知，由于要打开氮分子的三价键，所以又 高的活化能e ，反应要进行的足够快，必须有高温。由于反应速率睇较小，因 此矸反应是整个n o 生成的限速反应。从表2 - 1 中可以看出，砰受温度的影响 最大，碍虽与温度的关系较小，但( 2 - 3 ) 中的n 主要由( 2 - 2 ) 的反应生成。 因此，矸、霹处于同一数量级，从而使n o 的生成量很大程度上取决于温度， 并与温度成指数关系。 在发动机的燃烧过程中，n o 的生成速率相对燃烧速率要慢，需要较多时 间才能达到化学平衡的浓度。同时，在膨胀过程中随着气缸温度的降低，n o 的分解速率很慢，通常会冻结在比化学平衡浓度更高的水平上，即存在反应的 “冻结”，说明n o 的生成具有非平衡过程的特性，受反应时间的影响。故在 燃烧过程中的n o 排放要用化学动力的方法，其反应速率为 d ：n 五o 一 = 群【d 】 】+ 磁【】【d 2 】+ 霹 】 鲫】( 2 5 ) 一百 叨 】一露【d 】【d 】一芎【d 】【王q 式中【】表示某一成分的浓度，单位是t o o l z e r a 。 大量试验表明，排气中的【n 】极低，因此可以认为 n 】的非稳定平衡浓度的 值是不变的，即 鼍笋= 矸【o 】 2 卜聪【】 d 2 】一片 】【0 _ h 】( 2 6 ) 一耳 ，刎【】+ 巧 0 】 d 】+ 百【0 】【日】* 0 因此n o 的生成可以简化成 d n - o ：2 k 1 叨 1 ( 2 7 ) 可以看出，n o 的生成速率与温度有很大关系，当反应温度从2 5 0 0 k 升高 至2 6 0 0 k 时，其生成速率几乎翻一番。另外，也与氧浓度有关，氧浓度越高， n o 的生成量越多。 综上所述，影响n o x 生成的主要因素有【 】： ( 1 ) 温度：随着高温的形成，n o 平衡浓度也高、生成速度加快。在氧充足 的条件下，温度高低是生成n o 的重要因素； ( 2 ) 氧的浓度：在高温条件下，氧的浓度大小是生成n o 的重要因素。在氧 浓度不足时，即使温度高，n o 的生成也会受到抑制； 8 ( 3 ) 高温滞留时间：n o 的生成反应比燃烧反应慢，即使在高温条件下，如 果滞留时间短，也可抑制n o 生成量。 2 2 影响柴油机n o x 排放的参数 通过上述分析可知，柴油机n o x 的形成主要有富氧、高温和高温滞留时 间三个因素。从理论上讲，一切可以抑制这三个因素形成的措施都可以用来达 到控制n o x 排放的目的【5 】【6 1 1 1 7 i l l s l 2 。 2 2 1 燃料的影响 反映柴油品质的主要参数是密度、含硫量、芳香烃量和十六烷值。大量研 究表明，影响n o x 排放的主要参数是十六烷值。十六烷值从4 0 提高到5 0 。n o x 排放下降约1 l 。十六烷值较高的燃料，着火延迟时间较短，燃烧比较柔和， 其n o 生成量较低。十六烷值较低的燃料，着火延迟期较长，在循环早期燃烧 时，能产生较高温度的燃气，使稀火焰区的n o 排放增多，从而使n o x 的排放 增加。 9 8 暑， 26 5 4 3 比油耗咖h 图2 - 1 十六烷值对n o 的影响 2 2 2 喷油参数的影晌 ( 1 ) 喷油提前角的影响：减小喷油提前角，即延迟喷油，可以减少在滞 燃期内喷入汽缸的燃油量，降低了初始放热率，使燃烧最高温度降低，着火延 迟期缩短，减少了n o x 的生成量。当喷油提前角比设定值推迟1 。c a ( 曲轴转 角) ，n o x 排放降低约1 5 。这种推迟喷油法是降低柴油机n o x 排放最简单易 9 行最有效的方法之一。传统的柴油机喷油提前角一般在1 0 一2 0 。c a 范围内，现 代柴油机为了降低n o x 排放，实际喷油提前角已减少到o 一5 。c a 。必须指出的 是，由于喷油提前角的推迟，将会引起p m 和高负荷时c o 排放的增多，同时 会造成动力性和经济性的下降。 - _ l - - - 一- - - - - - - - - - - - - - - - - 握莆推迟 图2 - 2 喷油提前角对n o x 的影响 另外，当喷油提前角一定时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，也可以减 少柴油机n o x 的产生。 ( 2 ) 喷油压力的影响：在喷油提前角一定时，提高喷油压力会使n o 排 放增加。主要原因是由于喷油压力的提高有效的改善了柴油的雾化性能，从而 提高了燃料燃烧的完善程度，提高了循环温度，有利于n o 的生成。因此提高 喷油压力可以有效地补偿推迟喷油造成的动力性和经济性的损失，但会使原先 推迟喷油以降低d 排放的目的失去作用。 ( 3 ) 喷油速率的影响：提高喷油速率在降低n o x 浓度上可以获得与推迟 喷油几乎相同的效果。试验表明，在最大喷油量一定、并保持喷油终点不变时， 在所有工况下，n o 排放浓度均随喷油速率的增大而降低。 较高的喷油速率可以允许喷油定时有较大的延迟若将这两项措施结合使 用，则能更有效地降低n o 排放浓度。 l o 1 8 1 6 1 4 簟 鼍1 2 禽l o 8 6 2 0 1 51 0 5 0 5 嚷油提前角屯 图2 - 3 喷油压力对n o x 的影响 2 2 3 运转参数的影响 n o x 排放随柴油机负荷和转速增大而显著增加，这是由于随着负荷或转速 的增大，使可燃混合气的平均空燃比减小，燃烧压力和温度提高所致。转速比 负荷对n o x 排放的影响要小一些。 1 4 0 0 1 2 1 0 一 皿 a 鲫 。 盔 0 4 0 0 2 0 0 6 0t 0 0 2 0 0 2 5 03 0 0 3 5 0 4 扭矩胍 5 0 4 0 茁 篓 州 1 0 o 1 1 6 02 0 0 2 03 4 0 0 扭矩耽 图2 - 4 不同负荷、转速下的n o x 排放和对应的空燃比 2 2 4 进气参数的影响 ( 1 ) 进气湿度的影响：进气湿度对n o 的生成有很大的抑制作用。由于 水分降低了燃气温度，抑制了n o 的产生，因此n o 会随着气缸内空气的含水 量的增加而减少。这就是通过燃油掺水技术来降低n o 的机理。 ( 2 ) 进气温度对n o 的影响较大。当空燃比大于理论空燃比时，n o 随进 气温度的上升而增加。这主要是由于压缩温度的升高会使局部温度升高，促进 了n o 的生成。 ( 3 ) 当进气温度一定时，n o 随着进气压力的升高而减少。这是由于在供 油量一定时，提高进气压力提高了空燃比，有利于抑制n o 的生成。 为了提高燃油经济性和发动机的动力性，现代柴油机大多采用了进气增压 技术。增压技术的运用使过量空气系数增大，燃烧更充分、更柔和，降低了c o 和h c 。由于经过增压后的进气温度和氧分子的压力升高了很多，迸气温度和 氧分子压力的增加使整个工作循环中的气体温度和燃烧室中火焰温度增加，导 致燃烧最高温度的提高，促进了n o x 的生成。因此，在压比较高的车用柴油机 增压系统中通常都设有中冷器降低进气温度，使n o x 排放大大降低，并同时改 善发动机热负荷和燃油经济性。 2 3e g r 技术控制n o x 排放的机理 柴油机中氮氧化物的形成是不可避免的。但是，在燃烧过程中可以通过控 制燃烧温度、过量的空气量和在高温中停留的时间来限制氮氧化物的生成量。 控制柴油机n o x 排放的措施很多，主要可以分为前处理净化、机内净化和机外 1 2 净化三个方面。 前处理净化是指通过改变或改进燃料来达到降低排放的目的，比如通过提 高柴油中十六烷值来降低n o x 的生成量。机内净化就是从n o x 的生成机理出 发，在柴油机燃烧室内部对n o x 的生成因素予以限制，从根本上达到减少n o x 排放污染的目的。为了减少n o x ，就要采取使燃烧室内温度和氧浓度降低的方 法来抑制n o x 的生成。目前主要采用的技术有废气再循环( e g r ) 、进气中冷、 推迟喷油、改进进气系统等。机外净化指的是利用排气后处理装置减少n o x 的 排放。后处理的典型方法有采用n o x 催化净化剂、用氨、尿素作还原剂等。但 是，柴油机往往是在高负荷下长时间工作，要求有高的可靠性和耐久性，因此 开发耐用的后处理装置极为困难。 由于废气再循环降低排放效果最为显著，而且对原机改动小，设计自由度 大，日益受到了人们的青睐。本文着重介绍e g r 技术，这种能够有效降低d x 排放的机内净化技术。 e g r 技术最早是应用在汽油机上的。最初只是机械式纯气动e g r 且不带 冷却循环，后来发展了带冷却循环的e g r ，再后来与电控技术相结合，转而开 发出带闭环控制的气电式和电磁式e g r 系统。如今，e g r 在国外的汽油机上 已经作为成熟技术而广泛使用。从7 0 年代开始，国外就有学者将e g r 技术研 究方向转向柴油机。到目前为止发展得非常快，特别是在轻型车用柴油机领域。 但其总体应用仍不如汽油机那样广泛成熟，尤其是对重型柴油机来讲，比油耗 恶化，颗粒的排放增加等许多问题还有待于进一步研究解决，在高负荷的情况 下，表现的尤为突出。另外，e g r 还会降低润滑油的有效性和柴油机耐久性。 - o - - 再循环废气 r 扎 ll c 进譬只 发动机 lp 1 八捧气 图2 - 5e g r 系统原理图 柴油机的燃烧类型属于扩散燃烧，化学反应比混和速率高得多，燃烧速率 受到混和过程的控制，n o x 产生于高温和富氧区。e g r ( 废气再循环) 将发动 机部分废气引入进气歧管，提高混和气中的废气成分，从氧浓度和温度两个方 面影响了0 x 的生成。 ( 1 ) 氧浓度：由于e g r 将一部分废气引入柴油机，使得进气中的一部分空 气被废气过替代，进气中的氧气的浓度就相应降低了，m 的生成受到 了抑制； ( 2 ) 温度：柴油机废气中的氮( 地) 、二氧化碳( c 0 2 ) 和水( 踢d ) 比热 容比仍大，e g r 废气的引入，提高了进气的热容量，使燃烧温度下降， 同时由于上述氧浓度的降低，使燃烧速度降低，高温持续时间减少，也 起到降低最高燃烧温度的作用。 2 , 4e g r 对发动机的影响 柴油机燃烧过程可分为预混合燃烧和扩散燃烧两个阶段。燃油喷入到燃烧 室中，达到滞燃期后，立刻产生快速燃烧，也就是预混合燃烧。随后进入扩散 燃烧阶段。在柴油机燃烧中大部分燃油是在扩散燃烧阶段燃烧的。这个阶段是 产生烟和颗粒的主要阶段。【2 9 】 柴油机应用e g r 后，改变了进气充量的成分( 加入了c 0 2 和水蒸气) ， 从而改变了进气充量的物理状态( 温度和压力) 。加入e g r , 后，c 仍和水蒸气 稀释了充量中的d 2 ，增加了滞燃期，使得燃料与进气充量混合的时间增长，导 致自燃区朝着燃烧室壁面转移，这就增加了燃烧火焰的容积。所扩大的燃烧火 焰容积围绕着大量的气体，这吸收了更多燃烧放出的能量，因此降低了燃烧温 度。滞燃期的增长，造成整个燃烧过程朝着膨胀行程转移，这就影响了燃烧过 程和排放物的形成。 e g r 造成氧浓度的降低，从而导致燃烧过程滞燃期的增长，致使整个燃烧 过程向膨胀行程推移。这使燃烧气体在高温下所处的时间缩短，从而降低高温 n o x 的形成以及未燃h c 氧化的速率降低，使h c 排放上升。 应用e g r 后，虽然滞燃期的增长加快了预混合燃烧的速率，但是较低的 可利用氧降低了预混合燃烧的峰值速率。这就降低了燃烧温度、压力，随后降 低了n o x ，但增加了颗粒排放。 热e g r 使进气充量的温度提高，减小了进气充量的质量。进气充量温度 的提高对放热率有复杂的影响，充量温度的提高使得整个燃烧循环的气体温度 提高，这也缩短了滞燃期，就使燃油与空气的混合时间缩短。同时，充量温度 的提高加强了滞燃期内和随后的燃烧过程中的燃油蒸发和空气与燃油的混合。 但是，过量的蒸发能引起在燃烧室内出现大量富油的浓混合气区，这是由于热 空气高的粘度限制了空气传输。这就出现了在先期燃烧的高温下由于增加了燃 油高温分解率，产生大量的烟排放。 由于热e g r 导致较低的充量密度，从而减小了充量的质量。充量质量减 小影响燃烧过程有两个方面：1 燃烧放热由较少的充量吸收，引起较高的燃气 温度。2 进气充量的降低减少了燃烧中的氧。减少进气充量中的氧通常引起发 动机输出功率降低及排放恶化，这主要是归因于燃烧的恶化。进气充量的减少 也轻微的增长了滞燃期。 1 4 2 5 本章小结 本章从柴油机n o x 的生成机理出发，得出影响柴油机n o x 形成的三个主 要因素，即高温、富氧以及高温中的滞留时间。阐述了一些柴油机参数对n o x 排放的影响。分析了e g r 技术控制n o x 排放的机理，并介绍了e g r 对柴油机 燃烧、性能的影响。为后续e g r 系统的建立和试验奠定了理论基础。 1 5 第三章e g r 系统及试验台架的建立 3 1e g r 系统设计 柴油机e g r 系统的设计应在最大限度地降低n o x 的同时，对柴油机的动 力性、经济性和其他排放物的负面影响应尽量小；不能影响柴油机原有的可靠 性和耐久性；e g r 系统应结构合理，对柴油机的改动小；同时系统应具有较好 的工作可靠性和耐久性。 3 1 1 原机主要特点和技术参数 本文中试验用机为国内某公司正在开发中的一款直列四缸增压中冷柴油 机，其排放目标定位在欧以上。 表3 1 柴油机主要参数 直列、水冷、四冲程、四气门、双顶置 型式 凸轮轴、增压中冷、共轨 气缸直径行程( r a m )8 9 9 9 4 6 总排量( l )2 4 0 2 全负荷最低燃油消耗率 2 l o k w h 2 5 删 烟度目标( f s n ) 转速1 5 0 0r p m 时 排放目标欧以上 3 1 2e g r 系统形式的确立 根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统，e g r 系统可分为内部e g r 系统和外部e g r 系统。 内部e g r 通过改变配气正时实现。该系统不需外加其它设备，结构简单。 应用方便；而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。 但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制e g r 率； 同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于n o x 的生 成，因此内部e g r 对n o x 的抑制效果并不显著。但是随着控制技术的不断提 高，内部e