（动力机械及工程专业论文）柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 节约能源和保护环境是当今世界面临的两大重要课题。柴油机燃烧技术的研 究和代用燃料的应用是解决能源和环境问题的重要措施，目前已得到各国的广泛 重视。 作者在对传统柴油机燃烧方式进行深入研究的基础上，对均质预混合 ( h c c i ) 、调谐动力( m k ) 等新型燃烧方式进行了分析，提出了以随机掺水燃烧代替 废气再循环( e g r ) 的低温预混合燃烧思想。作者研制了一套在线乳化设备，并对 柴油机的供油系统和燃烧系统作了改进，在一台1 1 3 5 型柴油机上对该新燃烧方 式进行了试验研究。 本文对柴油机实现低温火焰预混合燃烧的理论进行了阐述，分析了不同压缩 比、不同喷油定时及不同燃料对柴油机燃烧温度和油耗、排放的影响：对掺水燃 烧、代用燃料和实现低温预混合燃烧的燃烧特性进行了分析：研究结果表明：采 用燃油分段喷射技术，结合燃料改质方法，可以控制着火时刻，降低最高燃烧压 力，控制燃烧速度，实现近似等压燃烧，使柴油机的经济性显著提高，同时大幅 度降低了柴油的n o x 和碳烟的排放。 关键词：柴油机；低温燃烧；分段喷射；代用燃料 紫洼搬实疆低湛灾焰颈漏会燃烧熬试瓣 究 t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c ho f l o w t e m p e r a t u r e p r e m i x e d c o m b u s t i o no nd i e s e l e n g i n e a b s t r a c t a t p r e s e n t ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r et w oi m p o r t a n tp r o j e c t si n w o r l d e n g i n e e r i n g f i e l d 。a so n eo ft h em o s te f f e c t i v es o l u t i o n so n e n e r g y a n d e n v i r o n m e n t p r o b l e m s ，n e wd i e s e lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi n v i t e di n c r e a s i n g l ya t t e n t i o n f r o m e r i g i n e e r i n gf i e l d 。 b a s e do nt h er e s e a r c ho fc o n v e n t i o n a ld i e s e lc o m b u s t i o na n dt h ea n a l y s i so fd i e s e l h c c ic o m b u s t i o n ，t h i s 也e s i sp r e s e n t san e wd i e s e lc o m b u s t i o nc o n e 印t d i e s e ll o w t e m p e r a t u r ep r e m i x e dc o m b u s t i o n i nt h i sk i n do fc o m b u s t i o n , w a t e re m u l s i f i c a t i o nw a s u s e dt os u b s t i t u t ee g r , w h i c hi sw i d e l y a p p l i e dt od e c r e a s ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n d r e d u c en o xe m i s s i o n + a r to n l i n ee m u l s i f i c a t i o na p p a r a t u s 啭d e v e l o p e dt op r o v i d e e m u l s i f i e df u e lt od i e s e l w i t hm o d i f i c a t i o no nf u e l s u p p l ys y s t e ma n dc o m b u s t i o n s y s t e m ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i e so f t h en e wc o m b u s t i o no nl1 3 5 t y p es i n g l ec y l i n d e r t e s te n g i n e t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ee f f e c to f c o m p r e s s i o nr a t i o ，s t a r to f f i l e li n e e t i o na n df u e l p r o p e r t y o nd i e s e lc o m b u s t i o nt c m p e m u t r e ，f u e l c o n s t m - a p t i o n a n de m i s s i o n 稍她 a p p l i c a t i o no f e m u l s i f i e df u e la n ds u b s t i t u t ef u e lo nd i e s e ll o wt e m p e r a t u r ep r e m i x e d c o m b u s t i o nw a ss t u d i e d 。弧em s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tw i t ht h ea p p l i c a t i o no f p i l o tf u e li n j e c t i o na n d f u e lp r o p e r t ym o d i f i c a t i o n , t h es t a r to fc o m b u s t i o nw a s c o n t r o l l e d ， t h em a x i m u m c y l i n d e rp r e s s u r ew 黼d e c r e a s e d 。a n d t h ea p p r o x i m a t e e q u i v a l e n tp r e s s u r e c o m b u s t i o nw a sr e a l i z e d ；f u e l e c o n o m yo ft h e t e s t e n g i n e w a sm u c h i m p r o v e d ， m e a n w h i l en o xa n dp me m i s s i o n sw e r ed e c r e a s e dt oa g r e a te x t e n t k e yw o r d s ：d i e s e l ，l o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ，p i l o ti n j e c t i o n ，s u b s t i t u t ef u e l 珏 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：日期： 大连理工大学硕士学位论文 引言 1 8 9 7 年德国工程师r u d o l fd i e s e l 发明了柴油机，1 0 0 多年来柴油机以其高的热效 率和低的燃油消耗率为人类社会的发展和进步做出了巨大贡献。随着人们生活水平的提 高，柴油机的应用越来越广泛。据统计，2 0 0 3 年我国内燃机总产量达到4 6 亿千瓦， 其中汽车内燃机产量占内燃机总量的6 0 9 6 ，整个汽车工业产量为4 4 4 3 7 万辆，汽车产 量居世界第四位。随工业发展汽车的绝对数量日益增多。目前，汽车尾气的排放是城市 大气污染的主要污染源之一。大气中2 1 6 的h c ，3 8 5 c 0 ，8 7 5 的n m ，2 1 7 的c 如 都来自汽车发动机0 1 汽车发动机排放物会产生酸雨、光化学烟雾及破坏臭氧层等危 害，北京等工业发达、人口稠密的城市已出现严重的大气污染现象，给经济发展和人们 的健康带来严重的危害。同时，汽车是石化资源的最大消耗者，2 0 0 3 年我国已成为世 界第二大石油消费国和第二大石油进口国，2 0 0 4 年我国进口原油1 2 亿吨，比2 0 0 3 年 增长3 4 8 。而地球上的石油资源非常有限，据有关专家预测，世界石油资源将于2 1 世纪趋向枯竭。如何应对自然资源持续减少和人类能源需求日益增多的局面和解决经济 发展与环境恶化的矛盾，是当前世界面临的两大重要课题。内燃机燃烧新技术和代用燃 料的研究应用无疑是解决能源与环境问题的个重要措施。 2 0 世纪8 0 年代初。胡国栋教授就从改善柴油机燃烧和排放的角度出发，提出了柴 油机热预混合燃烧方式，即：柴油机缸内喷射，均质混合，压缩着火燃烧方式呐1 近几 年来国外著名研究机构都在积极开展预混合燃烧理论的研究，其中美国西南研究院的 “柴油机均质充量压燃燃烧过程”( h o c i ) 、日本新a c e 研究院则提出“预混稀燃柴 油机燃烧过程”( p r e d t c ) 。日本n i s s a nm o t o tc o l t d 提出的m k ( m o d u l a t e d k i n i t i c s ) 燃烧概念是在柴油机上成功应用的实例。2 0 0 1 年提出的第二代( 燃烧系统 可在日本1 5 工况法工况内实现h c c i 运行，生成极低的n o x 排放。但受到柴油的燃料化 学性质限制，在高负荷工况尚不能实现h c c i 运行。本课题通过优化燃烧系统参数、分 段喷射实现部分预混合、应用可控掺水燃烧技术及采用代用燃料等多种措施改善预混合 气的形成，减少浓混合气的量，使碳烟的生成减少，增大稀混合气比重，控制上止点附 近着火，降低局部火焰温度和燃烧室平均温度，缩短高温持续时间。减少n q c 的生成。 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 1 绪论 1 1 选题背景 汽车的发明给世界带来经济崛起的契机，也提供给人类生活水平提高的基础。人们 之所以把计算机的发明认为是汽车发明后的人类社会进步的里程碑，是因为计算机和汽 车一样大大推进了社会历史的进步。如今，没有人会否认汽车旱己是人类生活的一部 分。然而也正是汽车的广泛应用带来了一系列的问题，环境污染首当其冲。例如：洛杉 矶的光烟雾、希腊的酸雨、墨西哥的烟雾、巴西使用醇类燃料产生的醛类排放污染等已 成为公害。目前，汽车尾气的排放是城市大气污染的主要污染源之一。在美国，汽车废 圈i - i 全球二氧化碳排放构成图 f i g 1 1s t r u c t u r eo fg l o b a lc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n s 气占大气污染总量的2 2 - 5 5 ，日本占3 6 ，图卜l 是全球二氧化碳排放构成图。到 1 9 9 3 年全球的汽车保有量约为6 亿辆。预计到2 0 1 0 年我国的汽车保有量将达到3 0 0 0 4 0 0 0 万辆。汽车发动机排放污染物产生酸雨、光化烟雾、破坏臭氧层。因此，汽车排 放问题已引起世界各国的普遍重视。国家环保总局的统计数据表明，汽车排放己成为我 国城市空气的主要污染源。1 9 9 8 年世界卫生组织对5 7 个国家的2 7 2 个城市进行调查， 全球5 0 个空气污染最严重的城市中我国占了3 1 个，世界空气污染最严重的1 0 个城市 中我国占了8 个。而且，我国的单车排放污染物比国际水平高出十倍，城市街道面积约 为国外的1 5 ，行驶车辆中，货车和大客车的比例约为国外的2 - 3 倍，所以，我们可以 2 大连理工大学硕士学位论文 理解为什么洛杉矶的汽车数量是北京的十倍，而北京的污染比洛杉矶还要严重。机动车 排放治理己经成为我国环境工作的重点。 美国、欧洲、日本等发达国家，自七十年代初开始制定了分阶段实现的不断严格的 排放法规以来的3 0 年中，内燃机的清洁燃烧研究取得了巨大成功。以美国轿车尾气 1 9 9 6 年的排放指标为例，与7 0 年代初相比，未燃碳烃h c 减少了9 7 ，n 0 x 减少了 8 9 。可以毫不夸张地说，正是排放法规在引导着内燃机技术当前的进步。在此推动 下，人们在控制内燃机排放方面已取得了显著的成就。先进的内燃机技术使内燃机基本 上能满足目前的排放标准，但仍有许多工作要做。因为，未来的排放法规会更加严格， 内燃机的排气中危害人类健康的有害成分包括c o ，n 0 x ，h c 及颗粒( 在柴油机中主要 是碳烟颗粒) 等，内燃机排气中碳烟和n 0 x 的排放危害比较严重。n 0 x 是引起酸雨、光 化学烟雾等破坏地球生态环境，损害人体健康的主要空气污染物。全球每年排入大气的 n o x 总量达到3 0 0 万吨，而且还在持续增长。n o x 和h c 在强烈的阳光照射下生成基 态的臭氧，产生光化学烟雾，造成次级污染。1 9 4 3 年和1 9 5 4 年美国洛杉矾两次严重的 烟雾事件，使很多人受到伤害1 9 9 5 年5 月，成都出现了我国首次光化学烟雾，紧接 着6 月在上海又出现了光化学烟雾。国家环保局公布的“中国环境状况一我国环境污染 加重”一文指出：全国大城市汽车尾气加重，n o x 己成为少数大城市空气的主要污染 物。因此，如何有效地消除氮氧化物对大气的污染已经成为环保中的一个重要课题。 1 2 柴油机排放中氮氧化物( n o x ) 和颗粒( p m ) 的生成机理与危害 1 2 1 氮氧化物( n o x ) 的生成及危害例 氮氧化物包括一氧化氮( n o ) 、二氧化氮( n 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、三氧化二氮n ：0 3 ) 和 四氧化三氮( n 。q ) 等。由于后两种物质不稳定，氧化亚氮在大气中的含量又较少，_ 般 意义上的y o x 是表示n o 和n o ：两种物质人类活动所产生的n q 主要来源于化石燃料的 燃烧，一般地，可以分为移动源( 如汽车的尾气) 和固定源( 如燃烧煤的火力发电和一些 化工生产过程的工业废气) 。n o x 大体是通过以下三种机理形成： 1 游离的氮和氧在诸如火焰燃烧这样的高温条件下发生反应而形成，一般称为 t h e r m a ln o x ( 热机理) 。 2 一些化石燃料，尤其煤和石油中，存在含氮化合物。在燃烧过程中，它们在一定 条件下转化为n o x ，称之为f u e ln o x ( 燃料机理) 。 3 一 絷淫秘实瓣羝温走焰强混合燃烧静试貔研究 3 。在火焰滠发下，一黧燃攀 碎片与氮气发生爱应形成禽氮纯合物，并避丽转化为 n o x ，由于这类n o x 的形成一般发生在火焰的根部，故称之为p r o m o t en o x ( 轰瞬机 垂黔。辩予大多数碳巍然辩，这类n 。) c 含量凇皎少。 n o x 的生成与绒的分滕、燃烧濑度、燃料种类、燃料与空气的比例和燃料的滞鲤时 阉镣密切桶荚。 1 2 1 1 内燃机中n o x 的生成机理f 1 0 l 由于氮气是构簸新鲜空气鹩主鼗成分，在内燃枫燃烧过程中不可避免存在高温、高 压的环境，所以燃料燃烧时艇成n 0 x 是不可避免的。氮氧化物的生成机理： n o 形成的反应过程弛下( 泽耳多维奇z e t d o v i c 链反应) ： 0 2h 2 0 码+ o n o + n 仇+ 付n o + n o h + nh n o + h 其动力学方程为： 掣蚴e d 一嚣m 【d 叼 上述韵力学方程表弱逸一生成n 0 的芨敷对温浚和氧原予的浓度敏感。 这个反应发生谯很薄的火焰锋颟上，由于反应时间较缀，所以生成量缀少。n o 蛇 形成主要怒在火焰锋面后的邑燃气体中。尽管温度缎高，这个反应还是很慢，不能遮到 化举平衡。在燃烧期间，n o 的浓度低于化学平衡浓度。n 0 的浓度擞达到最大俊以詹， 由于膨胀j 摊开始厢的溢度降低而歼始少耄下降，假是由手n o 酶还原反应弦2 2 0 0 k 珏 下就停止了，所以其浓度很快就冻结不变了。因此，n o 的浓度不能用化学平衡采计 算，两只能由纯学反应速度来计算。燃烧邋程和混合气的均匀程度都会对排气中的n o 的浓度产擞很大的影响。 由上所述，可以看出，商温、寓氧、氮和氧在高温环境下滞留时长是柴油机燃烧过 稷中n o x 生成率大小的兰要素。 另外，燃烧过程中生成的n o x ，其中的氮主要来自于空气，但越来自燃料中的氦也 不可忽视。柴油中的氮易予分解，灞性强，所以柴油机排气n o x 摊放浓度与所用的柴 油含氮量之间有密切关系。内燃机在稳定运转状态时，n o x 的摊放较低；冷启动时 n 0 x 捐 放爨也报低；暖机过程中n o x 的搀救逐渐增大。 4 大涟理工大学硕士学位论文 一般谈来，煮骥式柴演枧n o x 熬蓑暾蹩大于蜒接喷射妓柴池掇。这是聪必阕接喷 油式柴油机燃烧前期的燃烧发生在过浓混合气的预燃室或涡流室内，由于缺瓶，n o x 的 影残受裂籀铡。在燕憋烧塞皆熬燃烧嚣媲褥较晚，甏在鞍低豹涅度下避纾。溺她，敷 间接喷射式柴油机排气中n o x 的浓度只有赢接喷射式的一半左右。 2 。l 。2 氮戴纯兹斟0 嘧戆蠡瓣 一种物质对人体的有害程度，与其被人体接触的量，接触的时间长短以及接触的方 式鸯关。瀚粒鹚；帮会对入体挺康产生壹接竣间接戆恁害。 一氧化氮( n o ) ：无色的气体，在空气中被氧化成二氧化氮。在空气中的含量越过 1 5 x 1 0 - 辩，宅会粒盘红蛋鑫绩金，若超避2 0 x 1 0 每辩会影赡黪靛功缝。 二氧化氦( n ；具有强烈的刺激性气昧，对肺和心肌簿都有很强的损害作用。二 氧位氮是撼嚣瓣远大气中形藏臭氧鹣圭要嚣索之一。 n o 的撵性不大，但当它进入大气后经过一系列变化形成了毒性很强的物质，包括 k 铙、毙纯攀矮雾、羧藜等。空气审捉氇熬食量3 。5 p p r a 持续- - d 聪，嚣戆对入搭蠢影 响：含量2 0 一5 0 p p m 时，对人眼有刺激作用；含量达到1 5 0 p p m 时，对人的呼吸器宵有 强熬裁激，容荔弓l 发黪气黪，甚至致袁。n o x 经一蓉歹g 变讫胃产叟毙纯学烟雾，霹楚 人h 良肿红、视力减湛、呼吸急促、汰痛、套身麻醉、肺水肿镣。 溪我紫漕极其毒效率蒜，经济性好，繇缳性戆好的撬蠢。菠罄缴器务墨努力覆嚣毽 们遵守联国关予气候变化框架协定降低c 0 。排放的承诺，这种优点己变得越来越重 要。姥癸，柴油捉工作更靠，、秘c 搭救垂只鞠当予汽涟极弱凡卡分之一。稳瓣予 汽油机，柴油机产生的氮氰化物最犬值较低。随着向富氧区偏移，n o 在n o x 中的比例 增大。 1 2 2 颗粒( p 旧的生成与危害 柒洼麓l 篝 气审瓣鬏粒囊篓疆一耱类钕瑟鉴的形式存在，茨碳秀麓零残分，势凝聚粒 吸附了相巍多的有机物和光机物。柴油机燃烧过稷中形成颗粒的根率原因悬存在非均相 燃烧( 雾穰撩磐黪，其形藏避程经羼艘菝、凝浆、蔽辩、醚聚等遘程。颥粒豹大枣羞勇禳 大，大颗粒亲和力较强，一般带正电，表面积大，县很强的吸附力吸附在颗粒中的可 溶经有辊秘有毒，澎嫡捧孛颥羧浓度交纯篷主要瓣素毒浆涵辊懿受耱，燃溃鑫震帮柴 油机燃烧系统的结构等颗粒是在取样状淼下，排气中除水分以外的所有分散( 固、液 态) 耪震的总称。籁粒琶瑟捧气串一翡有滚莽静豹葳。奄戆：露态辕萋颡粳、滚态穰鳖 - 5 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 颗粒、无机物等。颗粒分原始颗粒和再生颗粒。凡是在一定的取样条件和取样方法下， 能收集到的有物质边界的碳烟和碳氢均属颗粒。 燃烧火焰温度特别是壁面温度与积炭量存在复杂的关系。温度升高既能使积炭量减 少，也可能使积炭量增加。燃油的挥发性和沸点、馏分以及含芳香烃量等，对燃烧室内 壁面的积炭量也有明显的影响；一般地，燃油中重馏分越多、芳香烃、烯烃的含量越 大，在同样的壁面温度条件下，积炭量也就越多。另外，积炭量的多少还与喷注是否碰 到燃烧室壁面有关( 燃烧室的壁面温度一般在1 8 0 0o c 一2 5 0 0 。c 左右，正是碳烟生成量较 多的温度) 。柴油中不可避免地有烯烃存在。烯烃是不饱和烃，是一种不稳定的化合 物，很容易与空气中的氧气化合成皮状物质，这些皮状物质或胶状物质附于燃烧室零件 的表面，就成为积炭的雏形，然后经脱氢反应而形成碳。在颗粒组成中，可能包括：在 低温启动时燃料的雾粒、润滑油的微粒以及水蒸气等：在低负荷下，由于燃油和润滑油 经部分燃烧或是处于热分解状态的生成物：在高负荷状态下，由于局部的高温、缺氧， 燃料裂解和脱氢而产生的以炭粒为主的固态颗粒。 1 2 2 1 碳烟的生成“” 碳烟是在柴油机微粒排放中的主要成份，俗称“黑烟”。它要是柴油机在高温燃烧 条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而成的以碳为主要成分的固态微小颗粒。柴油的 非均质、异相燃烧，特别是燃烧时燃料分子被高温火焰或燃烧产物包围这一特点，决定 了碳烟生成的必然性。人们致力于减少碳烟的生成，并使已经生成的碳烟在每循环的燃 烧后期氧化掉。所以，碳烟的生成机理应该包括生成后的氧化机理。 碳烟的核心( 不计其附表物质) 是以多环芳烃( 大于十环) 为主体的六角片状晶体。 其组分绝大多数为碳，含少量氢。柴油的氢碳原子数的比h c = i 7 5 - 1 8 5 ，而脱氢、聚 合后生成的碳烟、其氢碳原子数比h c = o 卜0 3 5 。 卡克拉波梯( b bc h k r a b o r t y ) 和郎格( r l o n g ) 提出了碳烟形成的过程如图1 - 2 所 示。 1 2 2 2 碳烟的氧化 在燃烧过程( 尤其是扩散燃烧期) 中生成的碳烟，并不全部被排出机外，而是相当大 的部分在燃烧的后续期被烧掉。所以，要减少柴油机的排烟，除了减少碳烟的生成以 外，还必须使己生成的碳烟在燃烧中，尤其后续期尽可能的烧掉。碳烟的核心是高碳、 高分子烃类或碳粒，它们都是可燃的。日本的神本武征和松冈信等研究了碳烟的氧化问 题。他们在燃烧过程用定点取样分析燃烧着的气体，测了碳烟、火焰温度和燃空当量比 6 大连理： 大学硬士学位论文 骧麴辘转鼹熬变纯关系。辩本等久认为：在燃烧过程中生成熬羰烟，大部分在该循醛越 燃烧过程中被烧掉，只有- d , 部分的碳烟被誊椎出枫外。碳溺从一开始就生成，它与燃烧 现象，b 乎爨转生靛，碳耀焱浓囔酒、选燃烧凝闲迅速增如；在囔浊结束蜃不久，碳煺达 汗链燎 毒菸漆囊辩麟蠡 烯燎燕要是匕烯c l i 爿孔) 毒滚参戮静溺氯 缝烃，警要是五块f q i 拦攫) i 聚台脱氯 艺瓣慕王簸轴蔫文黔馘 或连拣炔( o j m c - c u a l l ) 毒凌一参瓣察羧鬣，菱舔凝奁 小，1 0 0 0 时 | l 低添f 广辣缎z 烯a 赠多个( - c m c - ) ，它擞沭滤波毪此 |已形躐霹谇磺耱筷 ；羟聚套 l 聚合粥 毒糕橡裁黪避一步艟氢又t - l 魏巍澈瓣 禽氧的多环哦绺备魄媾哥i 添饿多环碱簸化物 毒黎磊、扩天 太方热格的玻燕体，送煺磺蝴姻实体 毒震西壤辩异褥，本身辩聚 袋鲻 嘲l _ 2 虢爝的生成过程 f i g 1 - 2p r o d u c t i o np l 啦e s so ft h es o o t 戮了峰德。诧后，拜始迅速下降这与穰矮的氧纯帮局部稀释有慕；燃烧避程中，欷样 她碳翅下降妁趋势与该她火焰湿艘下终妁趋势以及燃空当爨比下降的趋势大体一致，嚣 7 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 二者恰恰是碳烟生成的不利条件；在高速直喷式柴油机中，在上止点3 0 。c a 时，碳烟己 从它的峰值下降到接近于最低点。 中国矿业大学舒新前等人的试验研究还指出，在有水蒸汽的情况下碳烟的低温氧化 速度加快“。图卜3 和图卜4 分别是没有水蒸汽和有水蒸汽时的碳烟氧化速度示意图。 图中可以看出，相同温度下加入水蒸汽时因为水煤气反应的作用，c 如生成速率加大。 柴油使用含水燃料时，燃气中的水蒸汽同样可以促进碳烟的进一步氧化，从而降低碳烟 的排放。 。 赢 遁 啦 图卜3 无水蒸汽时的碳烟低温氧化速度 f i g l 一3s o o to x i d a t i o ns p e e di nl o wt e m p e r a t u r e s ( w i t h o u tv a p o r ) o 之 棚 翘 氍 图1 - 4 有水蒸汽时的碳烟低温氧化速度 f i g l 一4s o o to x i d a t i o ns p e e di nl o wt e m p e r a t u r e s “i t hv a p o r ) 8 大连理工大学项士学馕论文 l 。3 国内乡 车用柴涟枫刳 教标准嗣要求 为了遇制环境憨化的速度，各豳政府逐渐制定日益严格的排放法规，汽牮生产厂家 不瑟疲爱先进靛汽肇并发技零。入弱鬟圣汽车瓣教技零楚要求是数致簿蒡| ：绦部门帮汽擎工 业发展中矛盾协调的程度为基础的。通过实施汽车排放法规来控制汽车排放造成的污染 阕藤，翠程6 0 - 7 0 年代戟溅萼l 超整：器发达戮家静善滚耋撬。嚣盏紧逡懿繇壤蠡霉蓬程搜选 界备国制定和执行越来越严格的汽率排放法规以限制车辆排放物的浮染。 淡1 - 1 美黼汽车摊放标准 t a b 1 1a m e r i c a ne m i s s i o n sr e g u l a t i a n 汽油辊g h 紫漶搬( g k m ) 年份 c o n 0 *h cn o xp m 1 9 8 98 ll 0 8 1 1 9 9 12 6o 7 50 2 56 7 50 3 4 1 9 9 46 7 5o + 1 3 1 9 9 62 60 ，3 80 9 1 3 1 9 9 85 40 1 3 2 0 0 02 10 。1 9o 强 2 0 0 22 7 o 1 3 2 谨醚1 稻0 。1 2 50 。0 7 8 2 0 0 70 2 7 0 0 1 3 寝卜2 欧洲汽车摊放标准 t a b 1 2e u r o p e a nf m i s s i o n sr e g u l a t i o n 汽洼瓢( g 嫡 蔡 垂瓣k w - h ) 年份 c o n o xh cn c p m 1 9 8 61 54 + 84 。6 1 9 8 91 4 o o 5 1 9 9 2 8 5 k w l ( a )2 0 0 1 9 14 91 2 39 00 6 8 0 4 0 2 ( b )2 0 0 4 9 1 4 00 9 17 o0 1 5 表1 - 1 、表1 - 2 和表卜3 给出了美国、欧洲和日本的汽车排放标准限值“”。遗憾的 是，我国目现阶段的车辆排放法规与发达国家相比还有很大差距，现行的汽车排放标准 远远低于美国、日本等国。与宽松的欧洲标准相比，我国目前执行的标准中的c o 、h c 和n o x 排放仅相当等于宽松的欧洲标准e c e l 9 9 6 年的欧i i 水平。解决汽车的有害排放污 染已刻不容缓。为了减少汽车排放对环境的危害，必须对汽车排放提出更严格的限制， 制定更加严格的排放标准，以促进我国汽车行业的技术进步要从根本上解决这一问题 必要加强对燃烧与排放控制技术的研究，采取多种技术和措施，减少汽车的有害排放， 净化我们的生存环境。 1 4 改善柴油机排放的措施 柴油机由于空燃比大，排气中c 0 和h c 的浓度低，碳烟浓度较高，因而降低柴油机 的污染主要是抑制n o x 和碳烟( 颗粒) 的生成。从生成机理上看，控制n o x 生成的措施与 降低碳烟生成、提高发动机动力性的要求在一定程度上是矛盾的。因此在采用有关排放 控制措施时，必须综合考虑，应当在不影响发动机动力性和经济性的前提下，控制有害 排放。为了满足日益严格的汽车排放法规的要求，在柴油机上对各种可能的有助于降低 污染物排放的措施进行了大量的深入细致的研究，如：优化燃烧系统的结构参数、采用 电控高压喷射、废气再循环；对于排气也采用各种装置和化学方法进行后处理，如：过 1 0 大连理工大学硕士学位论文 滤再生技术和催化剂转化技术；从燃料本身也采取了各种措施，优化燃料质量，如：燃 料添加剂、含氧燃料、重整柴油和代用燃料等。由于柴油机的排放特性与混合气的形成 及燃烧过程密切相关，因此，可以通过改善混合气质量，合理选择燃烧室与喷油器的结 构参数，适度组织气流运动，正确地实现燃料喷雾、气流与燃烧室三者之间的匹配来改 善燃烧过程。综合起来有机内净化、采用代用燃料和排气后处理等几个方面。 1 4 1 机内净化措施 柴油机机内净化的核心是优化、组织燃烧过程，使燃料、空气和燃烧室达到良好的 配合，提高发动机功率，降低污染物的生成。具体措施有： 1 4 1 _ l 推迟喷油降低n o x 排放 推迟喷油使燃烧过程较多地在膨胀过程中进行，降低了最高燃烧温度，缩短了燃气 在最高温度下的停留时间，从而抑制n o x 的生成。然而供油定时推迟后由于燃烧相应 滞后，不仅引起燃油经济性变坏，排气温度升高，同时碳烟、微粒等排放相应增加。 1 4 1 2 预喷射阿氐n o x “” 在直喷式柴油机上采用预喷射技术对柴油机燃烧和排放影响的研究显示：预喷射能 缩短主喷燃油滞燃期、降低压力升高率和最高燃烧压力、抑制n 0 x 排放和总h c 的排 放，但是碳烟有所增加。 1 4 1 3 排气再循环( e g r ) 柴油机可以利用排气再循环来抑制最高燃烧温度，从而降低n 0 x 排放。实验结果表 明，e g r 率增加到1 5 时，n 0 x 排放浓度可减少2 3 ，但废气再循环会导致碳烟( 颗粒) 和 h c 排放浓度的增加，动力性和经济性相应降低。因此要精心选择不同工况下的废气再 循环率。同时在全负荷时，n o x 排放高、过量空气系数小，为降低n o x 采用大e g r 率 必然导致刚排放的增大。 1 4 1 4 采用喷水( 蒸汽) 技术 喷水技术是降低柴油椭害排放的一种重要措旋，国内外的大量试验证明，采用不 同喷嘴直接向燃烧室喷水、使用双通道喷嘴向燃烧室分层喷水、向进气道喷水等技术措 施均能降低柴油的n o x 和碳烟排放“”叫近年来关于喷水降低排放的研究又有了新 的进展。j p m e l l oa n da lm e l l o r 在喷水的基础上进行了向进气道喷射水蒸汽的 研究。s a h i r oi s h i d a 等人对水在n o ) ( 形成的过程中的作用进行了深入分析。 1 4 1 5 采用涡轮增压中冷技术 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 涡轮增压中冷技术是提高柴油机功率和燃油经济性及降低污染物排放的最有效措施 之一。柴油机采用涡轮增压后，提高了进气压力和过量空气系数以及进气温度，因而降 低了h c 和c o 的生成。但由于不带中冷的涡轮增压提高了进气温度而使燃烧温度上升， 增加了n o x 的生成量，只有采用增压中冷使进气温度降低到接近非增压柴油机的水平， 才能在低n o x 下提高动力性和经济性，同时降低污染物的排放。 1 4 1 6 采用分隔燃烧室 采用分隔式燃烧室，由于副燃烧室较小的过量空气系数使得燃烧处于缺氧状态，这 有利于抑制n o x 的生成。而燃气进入主燃烧室后，由于已经开始膨胀行程，较低的最高 燃烧温度又迸一步抑制了n o x 的生成，采用分隔式燃烧室的发动机n o x 排放比直喷式柴 油机低1 3 到1 2 ；同时，由于分隔式燃烧室利用二次涡流促进了主燃烧室内的混合气 形成和燃烧，因而分隔式燃烧室h c 和c o 排放也低。 1 4 2 燃料改质，采用替代燃料 目前柴油机燃料改质和使用燃料的研究热点则集中在降低污染物排放方面。已被 研究能作为柴油机洁净燃料主要有醇类( 甲醇和乙醇) 、动植物油、液化石油气和天然 气、醚类。 1 4 2 1 乳化油 在柴油中掺水并借助于乳化剂的作用，使油水混合形成均匀乳化油，在燃烧过程 中，乳化油中的水分急剧汽化，体积膨胀，产生微爆效应，促进燃料油滴细化并进一步 与空气混合，改善了然烧嘲。同时，水分的汽化及水与燃油之间的水煤气反应都是吸热 反应，可以适当降低最高燃烧温度，因此柴油掺水燃烧可以减少氮氧化物和碳烟排放， 也降低了燃油消耗和排气温度。但是由于燃烧温度的降低也增加了h c 排放。由于油水 比例小时乳化油对降低n o x 与碳烟的排放不明显，而水的比例较大时机器在低负荷工 作时又不稳定，因此，乳化油一直没能推广应用咖。 1 4 2 2 提高燃料的十六烷值 在燃油品质中，影响柴油机n o x 排放的主要参数是十六烷值。高十六烷值缩短了滞 燃期而使最高燃烧温度降低。燃烧变得柔和。研究表明，十六烷值从4 0 提高到5 0 ， n o x 排放大约降低1 1 。早期的研究表明，十六烷值越高碳烟生成越多，其原因是早期 的柴油由原油直接分馏而得，含正构烷烃很多，而正构烷烃的热稳定性较差，在4 0 0 - 4 5 0 c 就发生热裂解，生成的不饱和烃分子易发生环化缩聚，生成碳烟前体，所以十六 烷值越高，即正构烷烃越多，碳烟生成相应增多。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 近十年来，石油炼制工艺得到了较大发展，柴油中芳烃含量有较大提高，正构烷烃 含量大幅度下降，为弥补芳烃十六烷值低的不足，在一些柴油产品中还添加了十六烷值 改进剂，因此使十六烷值对排放的影响规律发生了一些变化。u l l m a n 和s o l d o w s k e 等 研究了加入十六烷值改进剂后重型柴油机的排放。结果表明：加入十六烷值改进剂( 如 2 一乙基硝酸醇e n h ) 后，无论是冷热启动，还是瞬态工况，h c 、c o 、n o x 和p m 排放均显 著下降，其影响规律是：h c 、c o 和p m 随十六烷值的对数值的升高而线性下降，而n o x 随十六烷值的升高线性下降。 l - 4 2 3 醇类燃料在柴油机上的应用 醇类在柴油机上的推广应用比较困难，其根本原因是：醇类的十六烷值很低，着火 性能差；醇类的相对密度小于柴油，而醇类又易于自然吸水。由于相对密度不同，以及 醇类含有烃基容易吸水，使醇类与柴油的互溶性变差。采用助燃措施可以在柴油机上顺 利燃用醇类燃料，其中最普遍的助燃措施是采用火花助燃或电热塞助燃。研究表明：采 用火花助燃的醇类发动机可以实现无烟燃烧，n o x 排放降低，但排气中醛类( 甲醛和乙 醛) 增加。目前，在醇类代用燃料的研究上有很大进展，主要措施是采用多种燃料互 溶、助溶，使醇类燃料与柴油可以均匀混合。研究表明：汽油既可以作为助溶剂，又 可以作为燃料的一部分，它的加入改善了复合燃料的燃烧性能，可以实现2 0 左右的乙 醇代用率；柴油机可以在其结构不变的情况下燃用乙醇复合柴油，完全可以达到原机的 额定功率，并且燃用乙醇复合柴油后，n o x 和碳烟的排放都有较大的降低，热效率均有 较大的改善。 1 4 2 4 生物柴油在柴油机上的应用 g e y e r 等和k a u f m a n 等在发动机上的试验研究表明：采用棉子油和向日葵油可明显 降低颗粒排放，但发动机排气温度和n o x 排放有所升高s c h u m a c h e r 等对拖拉机燃用 柴油与豆油基生物柴油的混合物作燃料时的性能与排放的研究表明：发动机排气烟度 ( 不透明度) 随生物柴油在0 号柴油中的含量的增加而下降；但在最大功率处烟度基本不 变。当生物柴油含量为1 0 - 1 4 时，n o x 排放最低；纯生物柴油的n o x 排放最高； w a g n e r 等研究了大豆油基的甲醇、乙醇和丁醇对发动机性能和排放的影响。研究结果 表明。1 ：发动机排放物中h c 、c 0 、p m 无论用哪种燃料都没有太大的变化，但n o x 排放 却普遍升高，烟度在发动机满负荷时，使用甲醇、乙醇时下降，使用丁醇时增大 1 3 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 综观各学者的研究结果，生物柴油及其与柴油的混合物通常都能减少一氧化碳、未 燃碳氢、烟度和颗粒排放，但氮氧化物排放一般都有所增加，发动机的性能与柴油机相 当。 1 4 2 5 液化石油气和天然气在柴油机上的应用 在以直喷式柴油机改装的液化石油气发动机上的研究表明：燃用液化石油气时发动 机在低速区域扭矩大幅度提高，在全负荷区域烟度仍能保持为零，n o x 也得到降低，但 h c 排放升高。对天然气一柴油双燃料发动机性能和排放的研究表明其排放性能强烈地 依赖于发动机运行条件。一般情况是：天然气一柴油双燃料发动机在中等负荷以上工况 热效率与柴油机相当：在稀混合气条件下能同时降低颗粒和氮氧化物：但在低负荷时有 未燃碳氢排放增加的缺点。 1 4 2 6 二甲醚在柴油机上的应用 用二甲醚( d i m e t h y le t h e r 。d m e ) 作为柴油机替代燃料是近几年才开展的研究领 域。二甲醚较高的十六烷值保证了其作为压燃发动机燃料所必须具备的着火性能；它可 以同时实现碳烟和n o x 的降低。研究表明：通过优化发动机燃烧系统参数，燃用二甲醚 可以获得优良的发动机性能，与柴油机相比，其动力性提高1 5 ，热效率提高2 - 3 个百 分点，在所有工况下都能实现无烟燃烧，n 0 】c 排放只有柴油机的7 0 9 6 ，二甲醚发动机能够 实现高效低污染运行。 1 4 3 后处理技术 1 _ 4 3 1 碳烟的后处理 在柴油机排出的碳烟中，含有许多微小的液滴、固态粒子，在排气系统中安装碳烟 颗粒净化装置可以除去排气中的碳烟粒子。主要有微粒捕集器等。柴油机微粒捕集器的 效果已通过蜂窝陶瓷滤芯的应用而解决，但捕集器中积聚的微粒会逐渐增加柴油机排气 背压，影响柴油机的换气和燃烧，降低输出功率，增加燃油消耗，所以捕集器的再生至 关重要。微粒捕集器目前尚不成熟，使用麻烦，用于柴油机轻型车为时尚远，但对工程 车辆有一定应用前景。 1 4 3 2n o x 的排气后处理 n o x 排放高是柴油机的特点，有时机内措施很难同时实现低n o x 与低碳烟排放及 高热效率的统一。因此降低n o x 另一种有效方法是排气后处理。如采用选择性催化还原 ( s c r ) 技术或非选择性还原技术及用等离子体后处理技术等。 1 4 3 3 氧化催化器 1 4 大连理工大学硕士学位论文 氧化催化主要用来消除柴油机排气中的可燃气体，如h c 、c o 和微粒中的可溶性 有机物( s o f ) 。但氧化催化器对燃油中的硫含量要求较_ 严格，过高的含硫量会使转化效 率下降和增加微粒排放。 1 5 课题的提出 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究属于内燃机燃烧和排放研究领域， 课题源于国家重点基础研究发展计划一一新一代内燃机燃烧理论和石油燃料替代途 径的基础研究。本课题通过改进柴油机的供油系统、燃烧系统及对燃料进行设计，以改 善柴油机混合气的形成，控制着火始点，促进缸内燃烧，实现近似等压燃烧，达到降低 缸内火焰温度减少排放的目标，在保证柴油机可靠性、经济性的前提下，大幅度降低柴 油机的n q 【与碳烟排放。 1 6 作者的研究任务 结合9 7 3 课题，为降低柴油机的排放、燃油消耗率，实现柴油机的低温火焰预混合 燃烧，在对实验机喷油系统进行改造的基础上，设计出新型燃烧室，选定合适的喷油提 前角、各级喷油量等参数，确定最佳空燃比、压缩比等参数；设计可控掺水装置，实现 以掺水燃烧代替e g r 的低温低排放燃烧：通过实验测定试验机的性能和排放，分析不同 燃料和不同喷射方式的燃烧特性。 技术路线和技术措施： 1 改造供油系统，提高供油压力，实现分段喷射； 2 改进燃烧系统，设计新的燃烧室，与燃油喷射系统相匹配； 3 设计随机控制的乳化装置，进行适合低温燃烧特点的燃料设计； 4 通过对供油系统的调节与燃料改质相结合，实现柴油机的低温火焰预混合燃烧； 5 对放热率进行计算，对试验结果进行分析，并与原机试验结果进行比较，分析其燃烧 特性和燃烧机理。 1 5 柴油机实现低温火焰预混合燃烧的试验研究 2 柴油机燃烧理论的发展与低温火焰预混合燃烧理论的探讨 柴油机燃烧过程的完善性，直接影响着机器的经济性、动力性及其发展方向， 八十多年来它一直成为柴油机性能研究的核心问题。 柴油机燃烧与汽油机不同，其基本特征是在整个燃烧过程中，混合气的形成很 不均匀。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气混合的严重不均匀，混合气 分为高温过浓区和高温火焰区。在高温过浓区，由于缺氧的氛围在其中生成大量碳 烟，其中一部分碳烟在随后与氧接触的过程中被氧化烧掉。燃烧在高温火焰区有大 量的n o x 生成。由于这种喷雾压燃方式的缺陷，柴油机的碳烟和n o x 排放也存在极 限。包括在低负荷时，同汽油机相比有很大差距。柴油机燃烧理论的研究是降低柴 油机排放的关键，柴油机燃烧理论的研究可分为传统燃烧理论和新概念燃烧理论两 个阶段。 2 1 传统柴油机的燃烧理论一一扩散燃烧 扩散燃烧( d i f f u s i o nc o m b u s t i o n ) ，是指在燃烧开始前燃料与空气没有完全 混合好，而是在燃烧过程中靠燃料与空气的相互扩散、混合，形成可燃混合气( 反 应剂) ，即是边混合、边燃烧。这种燃烧的混合气形成速度控制着燃烧速度。 扩散燃烧具有以下特征：一是反应剂的混合过程和化学反应过程是在火焰面上 同时进行的；二是扩散燃烧的过程受控