（光学工程专业论文）增压中冷柴油机排放预测和控制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 有效降低增压中冷柴油机的排放，满足日益严格的国家排放法规的要求，是 柴油机设计、制造的重点和难点。国内研究机构对排放物生成的预测有一些理论 计算，但对生产的直接指导鲜见报道，生产厂家对排放控制的研究主要通过试验 摸索的方式进行，对排放物生成的预测计算进行得比较少。本课题将利用现象学 模型对增压中冷柴油机结构参数及运行参数对排放物生成的影响趋势进行预测计 算，在此基础上选择技术路线、进行零部件改进设计，从而达到降低排放的目的。 本课题采用预测软件s c o p e 对迸气温度、压缩比、空燃比、废气再循环e g r 率、喷油正时、最高喷射压力、气缸涡流强度等参数对增压中冷柴油机的n o 。和 p m 排放率、燃油消耗率、烟度等指标的影响趋势、影响程度进行全面的计算，预 测结果显示：( 1 ) 单独使用降低中冷后进气温度、降低压缩比、e g r 、延迟喷射 等措施都能够有效降低n o x ，单独采用提高空燃比、提高喷射压力等均能够降低 烟度和p m 。( 2 ) 两个参数联合作用时，会相互影响，加强或削弱单独作用时的效 果。喷油正时的延迟程度需要与中冷后进气温度的降低幅度结合起来，争取最大 的n o x 降幅而不会造成烟度的过分降低；中冷后的温度越低，增加空燃比的效果 越明显。( 3 ) 中冷后进气温度、喷油始点、空燃比、最高喷射压力多参数联合作 用，能大幅度降低n o x ，同时会导致烟度有一定的提高，还需与其它一些降低p m 的技术措施结合起来，才能达到g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 第二阶段的要求。( 4 ) 用e o r 技 术和提高喷射压力似乎是打破n o x 和p m 的折中效应，整体降低排放的关键。 在预测计算的基础上，针对n t c 3 3 0 发动机选取了有效的、经济的排放物控 制措施并进行相应的零部件设计和性能改进设计。试验结果显示：( 1 ) 通过重新 设计制造的空气一空气中冷器替代原水套中冷器，额定点进气温度从1 0 6 。c 降低到 5 5 ，额定点n o x 的浓度大幅下降。( 2 ) 通过优化增压器匹配，改进型2 增压器 在降低扭矩点n o x 浓度的同时使烟度大幅降低。( 3 ) 通过重新设计制造喷油器， 喷孔直径从0 1 7 8 m m 降低到0 1 5 2 m m ，孔数不变，p m 降低幅度达到4 5 2 。( 4 ) 通过新设计制作的导流片提高进气涡流，彻底改变了原机中间转速烟度大的局面， 有效降低了p m 。( 5 ) 通过优化喷射规律，新设计制造了凸轮轴，缩短喷射周期并 提高喷射压力，降低烟度5 0 以上。( 6 ) 通过延迟喷油正时延迟3 6 度，n o x 的比 排放大幅降低。 通过采用空空中冷器、选用改进型2 增压器和第一次延迟喷油正时，n t c 一3 3 0 达到了g b l 7 6 9 1 2 0 0 i 第一阶段限值的要求。 在第一阶段的基础上，通过设计选用扰流片、减少喷油器喷孔的直径和重新 重庆大学硕士学位论文中文捎要 设计制造喷油凸轮，使p m 得到了大幔度的降低，结合丽次优化喷浊正时，n o x 由原机1 i ，0g e w h 降低至6 7 8 e c k w h ，p m 从o 3 1 6g g w h 降低至0 1 1 8 9 k w h 。 n t c 3 3 0 达到了g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 第二阶段限值的要求。 通过本课题的研究，得到以下结论：( 1 ) s c o p e 程序能够对增压中冷柴油机 排放物进行有效的预测，达到了相当的准确程度；( 2 ) 根据预测结果选择的技术 改进措施对排放物的控制取得圆满成功，本课题对增压中冷柴油机排放物的预测 和控制是卓有成效的。( 3 ) 以n t c 3 3 0 为代表的n t 系列发动机全面达到 g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 1 第二阶段限值的要求。 关键词：柴油机，排放，预测，控制，增压 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tw i t ht h er e q u i r e m e n to fn a t i o n a le m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，e n g i n e d e s i g n e ra n dm a n u f a c t u r e rf o c u so nh o wt or e d u c et h ee x h a u s tp o l l u t a n t s e f f i c i e n t l y m a n y d o m e s t i ci n s t i t u t e sh a v ed o n ee m i s s i o np r e d i c tc a l c u l a t i o nb u tf e wo ft h e ma r e d i r e c t l yh e l p f u lf o rm a n u f a c t u r e a n dt h em a n u f a c t u r e r sa l w a y sc o n t r o le n g i n ee m i s s i o n b ym a s so fe x p e r i m e n t sw i t h o u tt h e o r e t i cp r e d i c t i o na i d i no u rs t u d y , w ed os o m e c a l c u l a t i o n s ，w h i c hb a s e do np h e n o m e n o l o g ym o d e l ，t op r e d i c th o ws o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r sa f f e c te n g i n ee m i s s i o n ，t h e nc h a n g er e l a t e dp a r a m e t e r sa n dr e d e s i g ns o m e k e yc o m p o n e n t st oi m p r o v ee n g i n ee m i s s i o np e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i o n r e s u l t h e r ew eu s ea p r e d i c t i o n s o f t w a r es c o p et oe v a l u a t et h et r e n dh o wt h e p a r a m e t e r s l i k ei n t a k em a n i f o l d t e m p e r a t u r e ( i m t ) , c o m p r e s s i o nr a t i o ，o v e r m la i r - f u e lr a t i o ，e x h a u s t g a sr e c i r c u l a t i o nr a t i o ，f u e li n j e c t i o nt i m i n g ，p e a ki n j e c t i o np r e s s u r ea n d i n t a k ea i rs w i r l a f f e c tn o x p ma n df u e lc o n s u m p t i o nr a t i oo f t u r b o c h a r g e r a f t e r - c o o l e dd i e s e le n g i n e ， t h er e s u l ts h o w s b e l o w ：( 1 ) r e d u c i n gi n t a k em a n i f o l dt e m p e r a t u r e o r c o m p r e s s i o nr a t i o ， u s i n ge g r o r d e l a y i n g f u e li n j e c t i o nt i m i n g i n d i v i d u a l l yw i l lr e s u l ti nl e s sn o xe m i s s i o n ； i n c r e a s i n go v e r a l la i r - f u e lr a t i oo rp e a ki n j e c t i o np r e s s u r ei n d i v i d u a l l y w i l lc o n d u c et o l e s sp m e m i s s i o n ( 2 ) w h e n t w o p a r a m e t e r sa c tt o g e t h e r , t h e ya l w a y s a f f e c te a c ho t h e r , e i t h e rs t r e n g t h e no rw e a k o t h e r s ( 3 ) w h e n t h e p a r a m e t e r ss u c h a si n t a k em a n i f o l d t e m p e r a t u r e ，s t a r to f i n j e c t i o n , o v e r a l la i r - f u e lr a t i o ，p e a ki n j e c t i o np r e s s u r ea c tt o g e t h e r , t h e y w i l lm a k ea g r e a tr e d u c t i o no fn o x e m i s s i o nw h i l ep mi n c r e a s e dal i t t l e i ti s n e c e s s a r y t ol o o kf o ro t h e re f f i c i e n tw a yt or e d u c ep ma tt h es a r n et i m e ( 4 ) u s i n ge g ro r i n c r e a s i n gp e a ki n j e c t i o np r e s s u r e s e e m st ob et h e k e yf a c t o r t ob r e a kt h en o x p mt r a d e o f fa n dr e d u c i n gt h e ma tt h es a m et i m e b a s e do nt h e p r e d i c t i o n ，w ec h o s e s o m ee f f i c i e n t ，e c o n o m i c a lm e a s u r e sa n d r e d e s i g n e dn e wp a r t sf u r n t c 一3 3 0e n g i n e t h e r e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w st h a t ：( 1 ) t h e i n t a k em a n i f o l d t e m p e r a t u r ed r o p s f r o m1 6 0 t o5 5 b y c h a n g ew a t e r j a c k e t a f f e r c o o l e ri n t oan e w d e s i g n e da i rt oa i ra f l e r c o o l e ra n d h a v ea g r e a tn o xr e d u c t i o n ( 2 ) t h es m o k en u m b e rs i g n i f i c a n tr e d u c e da tp e a kt o r q u es p e e db y o p t i m i z i n g t h e t u r b o c h a r g e r ( 3 ) a f t e rr e d e s i g n t h e i n j e e t o r , e s p e c i a l l yd e c r e a s et h ed i a m e t e ro f i n ：i e c t i n g h o l ef r o m0 1 7 8 m mt o0 1 5 2 r a m ，t h ep mi sa l m o s tr e d u c e d b y4 5 2 ( 4 ) t h eh e a v y s m o k ea r es i g n i f i c a n ti m p r o v e da tm i d d l es p e e db yan e wa i rd e f l e c tp l a t es t r e n g t h e n i n g i i j 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h ei n t a k ea i rs w i r l ( 5 ) a f t e rr e d e s i g nt h ec a m s h a f t ，e s p e c i a l l ys h o r t e nt h ei n j e c t i o n d u r a t i o na n d i m p r o v e t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，t h es m o k en u m b e rr e d u c e dm o r et h a n5 0 ( 6 ) t h e n o xr e d u c e ds i g n i f i c a n t b yd e l a y i n gi r l j e c t i o nt i m i n gf o r3 6d e g r e e s w ec a l lg e tc o n c l u s i o nb e l o w ：( i ) t h ep r o g r a ms c o p ec a nd oa f a i r l yp r e c i s e p r e d i c t i o nf o rt u r b o c h a r g e d & a i d e r - c o o l e de n g i d e ( 2 ) t h ee m i s s i o nc o n t r o lw a y c h o o s e d a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i o nc a n r e d u c ee x h a u s t p o l l u t a n t ss u c c e s s f u l l y ( 3 ) n t c 一3 3 0 m e e t s t h e n a t i o n a lr e g u l a t i o n g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 1s t a g e a b y u s i n g n e wa i r t o a i r a f t e r c o o l e r , n e wt u r b o c h a n g e ra n dr e t a r d i n gi n j e c t i o nt i m i n g w i t hf u r t h e ri m p r o v e m e n t i n c l u d i n g n e wa i rd e f l e c t p l a t e , d e c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro f i n j e c t i o nh o l e a n d d e s i g n i n g a n e wc a m s h a f t n t c 一3 3 0m e e t st h en a t i o n a lr e g u l a t i o ng b l 7 6 9 l 一2 0 0 1s t a g eb k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e m i s s i o n ，p r e d i c t i o n ，c o n t r o l ，t u r b o c h a r g e d i v 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 国际柴油机排放控制法规的发展历史及现状 世界上最早提出控制内燃机排放物的是美国加利福尼亚州的洛杉矶地区。 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 。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。e p a 还于2 0 0 2 年1 0 月提前执行了重型车辆下一阶段 法规，进一步促进排放控制技术的发展。 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n o 。的限制。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 。排放标准，日本对此也 采取了相应的对策。 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。欧洲法规是我国排放 法规的主要参考体系，它的发展历程及发展趋势如下： 表l l 欧洲汽车排放法规 单位：g k w h t a b l e1 - 1e u r o p e a no n - r o a dv e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n u n i t ：g k w k 欧洲实施试验类型中国实施 c oh c n o 。 p m 日期日期 1 9 9 2 7欧洲1 型式认证2 0 0 0 14 51 18 o0 3 6 1 9 9 3 1 0 欧洲1 生产一致性 2 0 0 1 l4 91 2 39 00 ，4 0 1 9 9 5 1 0欧洲2 型式认证2 0 0 5 1 14 o1 17 o0 1 5 1 9 9 6 1 0欧洲2 生产一致性2 0 0 6 l4 01 17 00 15 2 0 0 0 l欧洲32 10 6 65 0o 1 0 2 0 0 6 欧洲41 50 4 63 50 ，0 2 2 0 0 8 欧洲5 1 50 4 62 o0 0 2 目前欧洲国家普遍实施欧3 排放限值标准，并着手进行欧4 标准的可 靠性研究。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 中国排放控制法规的发展历史及现状 我国于1 9 8 1 年开始制定汽车排放标准。1 9 8 3 年发布g b 3 8 2 4 3 8 4 7 8 3 ，1 9 9 3 年国家环保局在旧标准的基础上重新制定了排放标准g b l 4 7 6 1 1 1 4 7 6 7 7 9 3 ，在 重型汽车方面，我国于1 9 9 6 年制定了一个重型柴油车的排放法规草案，对n o 。的 排放限制在1 6 9 k w h ，1 9 9 9 年，国家环境保护总局于1 9 9 9 年颁布实行了 g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 排放污染物限制标准，2 0 0 1 年又颁布实行了g b1 7 6 9 1 2 0 0 1 标准 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量办法，其中对气态和微粒污染物 排放限值规定如表1 1 和1 2 所示。 表l 一2 型式认证试验排放限值 单位：g k w h t a b l e1 - 2t y p ec e r t i f i c a t i o nl i m i t s u n i t ：g & w h p m 实施阶段实施日期c o h c n o x s8 5 k w l 8 5 k w l a2 0 0 0 9 14 51 18 0o 6 1o 3 6 b2 0 0 3 9 14 01 17 00 1 50 1 5 1 ) 指发动机功率 表i - 3 生产一致性检查试验排放限值单位：g k w h t a b l e1 - 3 c o n s i s t e n c yp r o d u c t i o nl i m i t su n i t ：g k w h p m 实施阶段实施日期 c oh c n o x s8 5 k w l三8 5 k w l a2 0 0 0 i 9 n4 ，91 2 3 9 0o 6 80 4 0 b2 0 0 3 b | 、4 01 17 0o 1 50 1 5 1 ) 指发动机功率 标准中的a 阶段相当于欧1 排放标准，而b 阶段相当于欧2 排放标准。与g b 1 7 6 9 l 一1 9 9 9 相比，新标准的变化在于改变了排放标准的实施日期，其中b 阶段标 准的实施日期由2 0 0 5 年1 月1 日提前到2 0 0 3 年9 月1 日( 型式认证和生产一致性 检查) ，这一方面表明了国家对排放控制要求的日益严格，另一方面也要求生产厂 家进行更多的研究开发合，在更短的时间内推出符合新排放标准要求的环保型内 燃机。 随着汽车尤其是载重汽车向大吨位发展，增压中冷柴油机在重型汽车、大型 客车上的使用日益普遍，增压中冷柴油机排放预测和控制逐渐成为研究的重点。 重庆大学硕士学位论文绪论 1 3 国内外排放控制技术的发展历史及现状 世界各大发动机制造商为了达到相同的排放标准，采用了各种技术措施，虽 然各式各样，但根本上大同小异，在上世纪7 0 一8 0 年代，增压、中冷、最高喷射压 力1 0 0m p a 左右就能满足要求，到8 0 年代末期，提出了提高增压压力、进一步降 低中冷后的进气温度、进一步提高喷射压力到1 2 0m p a 左右，加上压缩比等的优 化，仍能满足当时法规的要求。但到9 0 年代初期，传统的机械控制发动机似乎难 以满足越来越严格的排放法规的要求，在提出了对认证试验用燃油中硫和芳烃含 量的要求的同时，电子控制技术逐步应用到增压中冷发动机上，还需要采用空气 对空气中冷，进一步降低进气温度到约5 5 ，从活塞、气门等方面对燃烧系统进 行改进，喷射压力提高到约1 4 0m p a 等技术措施。9 0 年代末期以来，进一步严格 了对认证试验用燃油中的硫和芳烃含量的要求，推出全电子控制的机型，燃烧室 进一步改善，带废气放气阀的增压器逐步应用。预计为了满足将来更加严格的法 规要求，喷射压力会继续提高到约2 0 0m p a 甚至更高，废气再循环、可变截面增 压器、排气后处理技术将逐渐应用。 国内的柴油机技术水平相对比较落后，自然吸气的机型还占较大比重，燃油 喷射压力偏低，主要是机械控制。国家强制性法规g b1 7 6 9 1 2 0 0j 的出台大大推动 了增压、中冷技术的应用和增压中冷柴油机排放控制技术的研究，技术路线集中 在机内净化，主要通过改善燃烧来降低排放。 国内对排放物生成的预测有一些理论研究，但对生产的直接指导鲜见报道 生产厂家对排放控制的研究主要通过试验摸索的方式进行，对排放物生成的预测 计算进行得比较少。本课题将利用现象学模型对增压中冷柴油机结构参数及运行 参数对排放物生成的影响趋势进行预测计算，并指导排放控制技术路线的选择， 在此基础上进行零部件改进设计和性能优化，最后通过试验验证各技术措旌的有 效性。 1 4 课题来源 重庆康明斯发动机有限公司( 以下简称c c e c ) 的主要产品n t 系列发动机技 术主要由美国康明斯公司引进，该机原设计于7 0 年代末，增压中冷、采用了四气 门结构和康明斯专利p t 喷射系统等，最高喷射压力可以达到1 2 0 m p a 以上，产品 具有很好的可靠性和燃油经济性，引进后在国内的大型工程机械、重型卡车等领 域发挥了积极的作用，为经济建设做出了重要的贡献，在工程机械等应用领域有 较高的市场占有率。由于设计时对排放的要求尚不严格，设计重点主要是提高燃 油经济性和可靠性，导致排放性能达不到国家排放标准的要求。该机的代表型号 n t c 3 3 0 的主要参数参见表1 - 4 。 重庆火学硕士学位论文1 绪论 表1 - 4 原机的主要技术参数 t a b l e1 - 4m a i n p a r a m e t e r o fo r i g i n a ln t c - 3 3 0 e n g i n e 发动机型式直列、6 缸、增压、中冷 缸径x 冲程1 4 0 x 】5 2 r a m 燃烧室型式 ( 0 排量1 4 升 压缩比1 4 ：1 额定功率席专速2 4 6 k w 2 1 0 0 r m i n ( 3 3 0 h p ) 晟大扭矩转速 1 4 0 0 n m 1 3 0 0 r r a i n 喷油系统康明斯专利p t 喷射系统 最大喷油压力超过1 2 0 m p a n o x 排放率 1 1 0g k w h p m 排放率0 3 1 6g k w b 以n t c 一3 3 0 为代表的n t 系列发动机，主要用于工程机械、车用、发电和船 机四个方面，公司正着手开展系列工作，利用重型汽车发展的大好趋势，积极拓 展车用市场，通过大量的工作，一些车辆和设备制造厂如重庆红岩、陕西重汽等 已经开始试用、甚至小批量装枫，市场前途看好。在这种情况下，如果能够改进 n t 发动机的排放，达到国家标准的要求，市场前景将很广阔，将给公司带来巨大 的利润；如果n t 发动机不能达到国家排放的要求，不但新的市场无法扩展，已有 的车用市场也将被迫退出。 更长远讲，工程机械用发动机的排放标准已在起草中，我国已经签署国际海 事组织( i m o ) 的船舶排放控制协议，如果不能系统掌握发动机的排放控制技术 并有效改进产品，n t 系列发动机的市场将越来越窄。 正是在这样的背景下，公司下决心研究降低大功率发动机排放的关键技术， 为n t 发动机开拓更加广阔的市场空间。 本课题的目的：充分利用现有软件资源，研究增压中冷柴油机的排放特性， 对发动机结构参数和运行参数对排放性能的影响进行预测，研究并实施降低排放 的各项技术措施，在保持n t c 3 3 0 发动机的燃油经济性和可靠性的前提下，采取 尽可能小的结构改动，降低n o x 和p m 排放率，使该发动机全面达到g b 1 7 6 9 1 2 0 0 1 第2 阶段的要求。 本文的主要研究内容：在了解各排放物生成机理的基础上，对原机进行排放 重庆大学硕士学位论文1 绪论 性能的预测，重点预测各个参数例如进气温度、压缩比、空燃比、废气再循环e g r 率、喷油正时、最高喷射压力、气缸涡流强度等对增压中冷柴油机的n o x 和p m 排放率、燃油消耗率、烟度等指标的影响趋势和影响程度，探讨各种可能的措施 及影响的程度，进行多方案比较，选定有效的、可行的技术路线，在此基础上进 行相关零部件的改进设计和制造，最后进行试验验证，使发动机的排放满足要求。 重庆大学硕士学位论文2 柴油机排放物的生成机理及危害 2 柴油机排放物的生成机理及危害 2 1h c 内燃机的气态排放物中，碳氢化合物( 简称碳氢，以h c 表示) 是最复杂的有 害物质。到目前为止，已经从h c 中分离出2 0 0 多种化合物。有研究认为，排气 h c 中含烷烃、含烯烃和芳烃占绝大部分。 h c 的生成机理比较复杂，它是多种因素形成的。烃类在空气中不能燃烧或者 不能完全燃烧的主要原因有：局部温度或瞬时温度过低、压力过低、混合气过浓 或过稀、燃烧组织不良、窜机油等，这主要取决于发动机的设计和运行因素，另 一方面发动机润滑油也有相当的作用。 h c 的某些烃类光化学反应活性很强，可与空气中的n 0 2 结合，在阳光下形成 以o ，为主的光化学烟雾，刺激人的眼晴和呼吸器官，造成呼吸困难。 2 2c 0 c o 主要是由于燃料燃烧时0 2 相对不足，燃料中的c 不能完全燃烧产生的，或 由于混合气不均匀燃烧，混合气温度低，c o 不能氧化而留在燃气中排出。 c o 的浓度在柴油枧排气中一般都很低。只有在接近冒烟界限时，彳急剧增加。 尽管柴油机有局部的缺氧区，但平均过量空气系数大于1 ，气缸内有足够的氧气对 已经形成的c o 进行氧化。过量空气系数和燃烧过程对燃烧后期的c o 氧化反应有 很大的影响。 c o 被吸入人体，很容易与血红蛋白结合，导致缺氧，从而使人窒息：严重者 危及生命。 与汽油机相比，柴油机的过量空气系数大、燃烧温度高、燃烧较为完全，因此 h c 和c o 的生成很少，一般都能满足法规的要求。 2 3 n 0 。 氮氧化合物n o 。是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括n o 、n 0 2 、n 2 0 4 、 n 2 0 、n 2 0 3 、n 2 0 5 等，其中以n o 的量占多数，n 0 2 次之，其余的含量很少。 柴油机燃烧生成的n o x 中的氮大部分来自空气，小部分来自燃料。研究n o 。 的生成可以应用详细反应机理n 1 ，但内燃机实际应用时均采用简化机理即扩展的谢 尔多维奇( z 。l d o v i c h ) 机理处理。谢尔多维奇提出的n o 生成链反应机理如下： 0 2 h 2 d o + n t 坠n o 七n 1 , 7 1 6 重庆大学硕士学伉论文2 柴油机排放物的生成机理及危害 | + d ， 玛n o + o 灯2 拉伏也( l a v o i e ) 等人研究认为，除按谢尔多维奇的反应机理进行外，还存在下 列的扩展反应机理： n + o h 卜马n o + h 打3 在上述的n o 生成反应速度常数k f l 、k f 2 和k f 3 以及分解反应速度常数k r ! 、 k r 2 、k r 3 在多种文献中都有推荐c 2 3 1 。推荐值不尽相同，但都与温度呈指数关系， 尤其k f l 随温度的变化很急剧，即o 原子切断n 2 问键的反应具有强烈的温度依存 性。第3 、4 个反应式中反应物n ( 氮原子) 均来源于第2 个反应式中的产物n ， 所以，k f l 的大小不仅严重影响第二反应式的进行，而且也影响第三、第四反应式 的进程和速度。换言之，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( 含局部温度) 。例如，当t = 2 0 0 0 k 时，k f l = 7 7 5 1 0 5 ，而当t = 2 5 0 0 k 时， k f l = 3 4 5 1 0 5 ，后者比前者大3 4 5 倍。 从反应式中可发现，高温、富氧和氧与氮在高温中的滞留时间的长短，是柴 油机燃烧过程中n o x 生成率大小的三要素。在增压中冷柴油机的燃烧过程中，氧 的浓度基本是足够的，所以，实际上基本不存在因为氧的浓度对n o x 的浓度产生 影响的问题。影响n o 。生成的根本原因是气缸内的火焰温度、氧的浓度和火焰高 温的持续时间( 即生产氮氧化合物的反应时间) 4 j o 康明斯研究认为，n o 。的生成与最高火焰温度有非常好的一致性，几乎成线 性关系 5 ，见图2 1 。图2 2 则表示影响火焰温度的发动机参数。 i 己 凸 z f 篁 图2 - 1n o x 的生成率与燃烧火焰温度的关系 f i g 2 - l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o x e m i s s i o na n df l a m e t e m p e r a t u r e 重庆火学硕士学位论文 2 柴油机排放物的生成机理及危害 0 1o 4 j 。 b 邮型 o 荽 寝 诺 o 口2 0 , 0 d 1 8 0 - 1 3 59 04 5口59 nq 3 5 1 8 0 曲轴转角度c 图2 - 2 影响火焰温度的因素 f i g 2 2t h ep a r a m e t e ra f f e c tf l a m et e m p e r a t u r e n o x 可以与某些烃类发生化学反应，生成光化学烟雾，对人体有害。 2 4p m 柴油机微粒p m ( 亦称颗粒) 不是单一物质，是指稀释到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。 按照这个定义获得的柴油机排气微粒是在取样状态下排气中除了水分以外的 所有分教物质的总称，包括了排气中一切有边界的物质，雨不管其性质、组成、 大小和形状。这些物质大体上可以分为三类：固体碳，又称为干碳烟( s o l ) 、在 s o l 外面吸收的一层可用有机溶剂溶去的碳氢化合物( s o f ) 和可溶于水的酸酸盐 6 】d 微粒形成的基本原因是柴油机燃烧过程中存在非均相燃烧( 异相燃烧) 。由于柴 油机燃烧时燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓，在高温缺氧情况下产生微粒 并排出。有研究认为，影响增压中冷柴油机燃微粒生成的主要是定程度的高温 和缺氧【”。缺氧就是表观的或局部的过量空气系数太小，导致燃料不完全燃烧。另 有研究表明，火焰中的碳烟生成率存在一个峰值，其对应的温度约为2 2 2 0 k 【4 j 。 在这个温度之下，碳烟随火焰温度的升高而增加，当温度继续增加，碳烟在高温 下的氧化速度大于其生成速度，使总的碳烟量随温度升高而降低。当火焰温度升 高到2 4 0 0 k 以上时，已经生成的碳烟几乎全被烧完h i 。 根据上述研究，n o x 的生成主要在预混合燃烧期，微粒的生成应主要发生在扩 散燃烧的后期，因为在预燃期生成的碳烟在扩散燃烧的初期都烧掉了e 因此，理 想的燃烧方式应该是降低最高火焰温度以控制n o 。的生成，提高扩散燃烧后期 z吕。薹茸赠骚薯 重庆大学硕士学位论文2 柴油机排放物的生成机理及危害 ( 9 5 燃烧进程点) 的气缸温度以减少p m 的产生”。 p m 中含有可致癌的物质，容易被人体吸入并沉积在肺内。 2 5 其它排放物 在柴油机的排放产物中，还有燃料中的s 在燃烧后形成s o x ( s 0 2 ，s 0 3 ) 等。 s o x 被排出机外，易形成酸雾，污染环境。 重庆大学硕士学位论文3 柴油机排放预测 3 柴油机排放预测 通常排放物的预测计算是在模拟柴油机燃烧过程的基础上，以曲轴转角划分 时间段，计算气缸的温度、压力，利用扩展的谢尔多维奇反应机理进行n o x 的生 成计算。 柴油机的燃烧过程，涉及到气体流动、非稳态两相射流、液滴蒸发、传热与 传质以及化学反应动力学等多种物理过程和多学科交叉的复杂过程，是排放预测 计算的基础，对燃烧的模拟一直是研究的热点。 本世纪7 0 年代以来，发展了零维模型、准维( 一维) 模型、多维模型等棒j 。 零维模型把整个燃烧室视为均匀场，忽略工作过程参数随空间的分布，缺点是不 能将空气和燃料的混合、燃烧、排放物生成及气缸压力变化直接联系起来，不太 符合柴油机的实际工作情况。 准维模型将燃烧室空间分区处理，从而能在一定程度上反映各有关参数随燃 烧室空间的变化，其中最具代表性的为以气相射流为基础的康明斯( c u m m i n s ) 模 型”、以液滴蒸发为基础的广安模型和气液两相结合的l o u g h b o r o u g h 模型u 2 1 。 c u m m i n s 模型假设油滴的破碎和蒸发速率远大于燃油与空气的混合速率，适用于 喷射压力较高的增压柴油机。广安模型根据喷射发展过程对喷雾进行分组，以单 液滴运动和增发为基础计算喷雾过程，时间或曲轴转角是唯一变量，计算模型比 较简单，计算成本低，得到广泛的应用。以后的模型大都是通过对这几类模型的 结合和完善而发展起来，国内学者的研究大部分集中在基于广安模型的准维模型 1 3 】 1 4 j 1 5 j 1 6 】。 多维模型在近年得到较大的发展，普遍采用跟踪油滴运动轨迹和传热传质过 程，描述液滴的分裂、变形、碰撞、聚合等过程，促进模型向更接近客观实际的 方向发展，推出诸如p h o e n i c s 、c f d 、k i v a 、s p i c e 等大型通用化软件 1 s l 1 9 】。 多年来，各研究机构为柴油机燃烧过程的数值模拟付出了艰辛的努力并取得了令 人瞩目的成就，主要体现在一系列用于流动和燃烧过程研究的大型计算程序中， 取得了阶段性的成功。但柴油机的喷雾混合是极短暂而细微的过程，为突出主要 过程、提高计算效率，仍有许多细节被忽略或简化，而燃烧产物种类繁多、生成 机理复杂，要通过燃烧过程的模拟和燃烧产物的化学生成过程模拟来非常准确地 预测出n o x 和p m 排放率仍有一定的困难。 也有部分学者利用现象学模型进行预测，例如，有的利用桥式现象学模型， 发现实测的气态排放物h c 、c o 等与微粒排放值之间存在着内在的联系。可以通 过h c 、c o 等的浓度来推算p m 的排放率2 ” 2 2 1 。也有利用烟度来估算p m 的算法 1 0 重庆_ 人学硕士学位论文3 柴油机排放预测 【2 3 f 2 4 2 5 j 。但这些现象学的模型是建立在测试结果的基础上，还不能在设计阶段、 在试验以前就对n o x 和p m 的排放性能进行预测。 有学者把神经网络理论用于内燃机排放预测模型的建立。该法不依赖于发动 机的数字模拟，而是利用少量排放的实测数据作为学习样本，训f 练网络经过误差 反馈校正，修正网络权值的办法，使训练后的网络成为一个具有该系统输入输出 对应关系的函数模型，能实现输入输出问的映射。网络模型的建立方法决定该法 在一定程度上具备模拟法与试验法的优点，是一种比较快速预测发动机排放性能 的新方法。目前还处在不断完善的阶段，有很多问题无明确的依据可寻，目前大 多数是依靠经验和试凑法2 6 ” 2 8 1 。 康明斯公司在准维模式( 气缸分为1 0 0 个区) 【9 】和多维模式( k i v a ) 【2 。 之外， 开发了简易预测计算模型。在大量排放试验数据的基础上，用回归分析的方法找 出影响排放性能的主要参数和影n 向方式，建立起相对简单的计算模型，使之能够 迅速且比较准确地预测出这些参数对发动机的性能的影响 2 9 】 3 0 【3 1 】。 在本课题的研究中，主要是预测进气歧管温度、压缩比、空燃比、喷油始点、 最高喷射压力、涡流比等参数对排放物生成的影响趋势，在较短的时间内为寻找 有效的、经济的排放物控制方案提供指导，因此，尽量避免在理论探讨中投入过 多的精力，所以采用简易预测计算模型，通过对试验数据的总结、分析来寻找出 各参数对排放物生成的影响趋势和影响程度。这样的一个程序，计算比较简单， 能够充分预测各个参数对性能、排放的影响趋势和影响程度，可以对工程实践提 供有效的帮助。 3 1 预测计算程序s c o p e 介绍 s c o p e 是康明斯公司针对本公司发动机的排放特点自行开发的一个简单、迅 速的排放预测程序，该程序基于现象学模型，康明斯对b 系列发动机( 5 9 升) 、c 系列( 8 3 升) 、m 系列( 1 1 升) 和n 系列( 1 4 升) 发动机在不同配置、不同转速、 不同负荷条件下进行了大量的试验，建立了具有代表性的、完整的发动机性能和 排放数据库，用回归分析的方法找出影响排放性能的主要参数和影响方式，建立 起相对简单的计算模型，使之能够迅速且比较准确地预测出这些参数对发动机的 性能的影响 2 9 【3 0 】 3 1 】。 3 1 1n o x 预测模型 通过分析认为，喷孔数目直径、发动机转速、空燃比、废气再循环、火焰温 度和燃烧放热率对n o x 的生成有比较明显的关系，建立了由这些参数预测n o x 排 放率的计算模型【3 “。见式3 一l 。 重庆大学硕士学位论吏3 柴油机排放预铡 f s n o x =焉纠) ( c _ x 咖舾+ ( c 5 x l n f 生1 + c 酏 、t e g r 。 c s ) 。 r 一，三( ( 揪，h r r ，q + e x p ( 出志埘) ) 式3 一l 式中：c 1 、c 2 、c 3 、一、c 5 、c 6 、c 7 、c 8 为待定的常数 f s n o x 为发动机氮氧化台物n o x 的比排放率，k w h r g m 为发动机转速，r r a i n n h o l c s 为每支喷油器的喷孔数目 h r r i 是指定曲轴转角下燃烧放热率中累计的放热量 t 是指定曲轴转角下的火焰温度 a f 是空燃比 e g r 是废气再循环e g r 的比例 s o c 是燃烧始点，单位：度，曲轴转角 e o c 是燃烧终点，单位：度，曲轴转角 参数h r r j 和t 由工作过 g 模拟“算提供，对工作过程模拟计算有专门的软 件模拟计算，预测计算程序直接凋取，在此不傲详述。 式3 1 中参数c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 、c 6 、c 7 、c 8 用循环优化法确定，对以 e 参数先取一个预测值，读入基本的输入数据，计算出n o x 的预测值并与实际测 量值进行比较，计算得出一个误差值，对数据库中所自的测试点重复j 述计算后 得到一个总误差值。按选定的步长，对待定参数给予一个增量，再次计算总误差， 参数优化的过程由计算程序自动进行，若总误差小于预先设定的值就认为选取 的参数已经合格。 3 1 2 p m 预测模型 根据微粒的组成结构，硫酸盐主要来自燃油中的硫份，主要依靠使用低硫燃 油来控制；s o f 主要来自润滑泊，通过降低润滑油消耗来控制，s o l 占微粒的微 入一部分，来自柴油机的碳炯，主要由燃烧过程产生，可以通过燃烧的优化来降 低排放量，是通过机内净化来降低p m 的主要目标，预测主要针对s 0 1 进行。 根据微