对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法论文.doc

更多经典毕业论文：/mydoc-4354614-1.html&folderId=62133 毕业设计（论文）中文题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法学 院：远程与继续教育学院专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 北京交通大学毕业设计(论文)成绩评议年级07秋层次本科专业机械设计制造及其自动化姓名 题目对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法指导教师评阅意见成绩评定： 指导教师：年 月 日评阅教师意见 评阅教师：年 月 日答辩小组意见答辩小组负责人： 年 月 日北京交通大学毕业设计(论文)任务书本任务书下达给： 07秋 级 本 科 机械自动化 专业学生 设计（论文）题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法一、设计（论述）内容：柴油机净化的关键是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。本文应从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，具有明显的现实意义。通过对铁路内燃机车的了解，正确分析现阶段我国铁路内燃机车的现状并提出控制柴油机排放的具体措施。二、基本要求：从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，借鉴各国发展内燃机车的情况和自身实践经验，开展理论结合实际的研究。三、重点研究的问题：结合铁路内燃机车的现状，提出对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法总体思路，将其重点研究的方案集中在控制柴油机排放的具体措施上。 四、主要技术指标： 1论文题目一般不超过25个字，要简练准确，可分二行书写； 2开题报告 由学生认真书写，经指导教师签字后的开题报告有效； 3摘 要 中文摘要字数应在400字左右，包括论文题目、论文搞要、关键词(3至5个)，英文摘要与中文摘要内容要相对应；4目 录 按三级标题编写，要求层次清晰，且要与正文标题一致，主要包括摘要、正文主要层次标题、参考文献、附录等；5 正 文 论文正文包括绪论(或前言、慨述等)、论文主体、结论。工科论文要求符合科技论文格式，正文文字应在15000字以上；6参考文献 必须是学生本人真正阅读过的，以近期发表的杂志类文献为主，图书类文献不能过多，且要与论文工作直接相关。7附 录 含外文复印件及外文译文、有关图纸、计算机源程序，如果安排有毕业实习，需提供毕业实习报告等。五、其他要说明的问题 论文要用统一的毕业论文用纸，用中文打印（B5）或手写。手写每页20行，每行2022字，用黑或蓝黑墨水工整书写；打印正文用宋或楷体小四号字，版面上空2.5cm，下空2cm，左右空2cm(靠装订线一侧增加0.5cm空白用于装订)。对字体和字号的要求如下：题目用一号(分两行书写时用小一号)黑体字；第一层次(一)题序和标题用小二号黑体字，题序和标题之间空两字，不加标点，下同；第二层次(（一)）题序和标题用小三号黑体字；第三层次(1)题序和标题用四号黑体字；第四层次(（1）)题序和标题用小四号黑体字；第五层次以下标题和题序与第四层次同。 下达任务日期：2009年7月23日 要求完成日期：2009年11月 10日 答辩日期： 2009年11月 28日指导教师： 开 题 报 告题 目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法报告人： 2009年08月25日一、文献综述：柴油机净化的关键是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。文章从结构系统出发，提出了改进排放的切实可行的方法，具有明显的现实意义。柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。二、选题的目的和意义柴油机净化的关键，是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。恰恰这两项排放物的生成规律常常是互相矛盾的。因此，任何一个单项措施总有它的负面影响。人们总是在采取某项措施的同时，应用另一项措施来加以补救和平衡。最后，常常是多项措施的综合应用，才使排放性能达到一个新的水平。柴油机是一个多性能、多工况、多因素综合影响的统一体，再加上各种各样的排放净化措施，如何进行优选、折中和综合控制是一个极为困难和复杂的问题。柴油机的电子控制和综合管理是有效解决这一问题的最佳途径，也是使各种机内净化措施得以充分发挥效用的保证。在所有净化措施中，喷油系统的改进无疑是最为重要的环节。三、研究方案：车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有两大类，直列泵系统和转子分配泵系统。直列泵系统包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统，和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。上述各系统都是应用柱塞往复运动、脉动供油的方式工作。总结出五种控制柴油机排放的具体措施。四、进度计划： 8月27日9月15日 分析题目，查阅资料，学习与毕业设计相关的知识，作好前期准备工作。 9月16日10月10日 划分论点，进行方案论证，撰写论文。 10月11日11月10日划分论点，进行方案论证，撰写论文撰写毕业论文并征求导师意见，修改毕业论文，进行毕业论文的评议。五、指导教师意见：题目符合当前铁路的发展要求，研究方案可行，进度安排合理，可以进行下一步工作。指导教师： 2009年 8 月 25 日中期报告题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法报告人：机械设计制造及其自动化 xxx一、总体设计柴油机净化的关键是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。文章从结构，燃油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。二、基本框架1.排放污染及危害2.柴油机有害排放的形成机理3.影响柴油机有害排放的因素4.柴油机排放控制三、进展情况已经完成推迟喷油提前角降低NO排放燃油高压喷射降低微粒碳烟排放这一部分，其他部分还不能汇总，资料搜集不齐，只有个别部分成形，后面还需继续努力。4、 指导教师意见论文按照进度计划进行，确定的整体思路符合任务书的要求，框架结构合理，可以进行论文的撰写工作。结 题 验 收一、完成日期 2009年11月10日二、完成质量论文基本上符合要求，结构较完整，层次较清楚。能运用所学专业理论知识结合铁路企业特点完成论文，具有一定的分析问题解决问题的能力。三、存在问题如能多增加实际运用中具体案例说明问题会更好。四、结论毕业论文进行过程中，态度较认真，基本按照任务书的要求查找资料，总结现场存在的问题，并能够与老师联系、沟通。按时完成了开题报告、中期报告、初稿的写作，并对初稿进行了反复修改，基本上达到了论文的写作要求。经检查可以结题。中 文 摘 要摘要：通过研讨内燃机有害排放物的形成机理、有害排放物的危害、有害排放物的影响因素、柴油机排放的控制措施，较好地反映了柴油机排放控制技术的最新发展和目前采用的新技术、新方法.实用性强。主要从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，有效地消除NOX和微粒碳烟的生成量。柴油机净化的关键是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。文章从喷油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。关键词：柴油机；排放控制；措施English AbstractAbstract: Harmful emissions from internal combustion engines through the discussion of the formation mechanism of the hazards of harmful emissions, harmful emissions factors, diesel emission control measures, better reflects the diesel emission control technology, the latest developments and the current adoption of new technologies, new methods . practicability. Mainly from the fuel injection system, this paper proposes practical ways to improve emissions, effectively eliminating NOX and particulate soot generation. Clean diesel engine The key is how to effectively eliminate NO and particulate soot generation. Article from the starting fuel injection system is proposed to improve emissions, five kinds of practical ways, with obvious practical significance.Key words: diesel engine,exhausting control 目 录中文摘要.引言.1 第一章 排放污染及危害.2 1.1 发动机的废气成分.2 1.2 有害排放的危害.3第二章 柴油机有害排放的形成机理.6 2.1 CO的形成.6 2.2 HC的形成.6 2.3 NOX的形成.8 2.4 微粒.8 2.5 臭味的生成.12 第三章 影响柴油机有害排放的因素.14 3.1 燃料 .14 3.2 喷油正时.143.3 喷油系统.163.4 燃烧方式和燃烧室形状.183.5 气流组织和多气门技术.213.6 增压对排放的影响.213.7 过量空气系数对排放的影响.213.8 柴油机的排放特性.23 第四章 柴油机排放控制.24 4.1 燃烧方式和燃烧室形状.24 4.2 喷油系统.35 4.3 柴油机电控燃抽喷射系统.42 第五章 总结.47 参考文献.4引 言 内燃机经过100多年的不断改进.已经成为一种热效率高、功率大、使用寿命长、工作可靠,操价方便、价格低廉的产品。目前为止尽管对其他新型动力装置进行了许多开发研究丁作井取得了很大进展，应用上也做了不少工作，但在比质量、比体积、可靠性、,可控性、价格和寿命力面还存在许多问题，在短期内还难以与内燃机相比。但内燃机尤其是车用内燃机废气排放中的有害物质对环境造成的污染也越来越严重.对人类的健康和动植物的生长构成了严重威胁。在大城市.车用内燃机的废气排放是大气污染的主要污染源之一。为保护环境，维护人类的生存环境世界各国都采取措施，制定了日益严格的限制内燃机排故的法规和限制标准。为了达到排放的要求.采用了一系列的新方法、新技术和新借施. 通过学习柴油机各种排放物的危害，研讨内燃机有害排放物的形成机理、有害排放物的影响因素、柴油机排放的控制措施，较好地反映了柴油机排放控制技术的最新发展和目前采用的新技术、新方法.实用性强。从喷油系，统燃烧系统，电控共轨技术出发，提出改进排放的切实可行的方法，有效地消除NOX和微粒碳烟的生成量。第1章 排放污染及危害1.1 发动机的废气成分 发动机的废气主要是N2,C02，有害排放主要是指CO,HC和NOx(通常指N02及NOX),发动机的废气成分及废气中有害排放的份额见图1-1-图1-4。汽油机的废气中.N2占72%.C02占17%.02及其他古9.36%:有害排放占1 .64%。 汽油机废气的有害排放中，CO占85%;HC占5 % ; NOx占8%;其他占2%。柴油机的废气中N2占75.2% ; C02占7.1% ;O2及其他占16.88%;有害排放占0.82%。 柴油机废气的有害排放中，CO占35.4%; HC占&54%;NOx占35.4%;其他占20.66%。 由上面的图可以看出，汽油机的废气所占的比例(占1.64%)比柴油机大(占0.82%)，但是由于柴油机的过量空气系数(1.2一2.2)比汽油机的过量空气系数(0.8一1.2)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CO(占85%),氮氧化物含量很少(占8%);而在柴油机中，Co的含量比汽油机少( 34.5%)，但是氮氧化物比汽油机多得多(占35.4%).1.2 有害排放的危害1.2.1 CO的危害 CO是不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。CO与血液，扫血红蛋白的亲和力足与氧的亲和力的300倍，人休吸人后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋自、影响氧气输送。人体吸人CO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l大气中各种浓度的CO的毒害见表1-1; CO的另一种危害是促使NO向NO2转化，使光化学烟雾增加。 城市大气中的大部分CO是汽车排放的，CO是汽车排气中浓度较高的有害成分，CO在大气低层停留的时间较长，泉计值常常超过允许值，应特别引起注意。1.2.2 HC的危害 由第一章可知，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。HC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(甲醛和内烯醒)和芳香烃最后组成苯丙花)。每种化合物的量很少、但其共同作用十分明显甲醛、丙烯醒具有强烈气味，对鼻、眼呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等。苯丙花是一种致癌物质。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，碳氢化合物与氮牡化物发生光化学反应会形成化学烟雾。1.2.3 NOx的危害 氮氧化物主要是-氧化氮和二氧化氮。 NO是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能生成NO2，但高浓度的NO对血液有毒性作用.能使神有NO，NO2，N2O3，N2O，N2O4，NO3统称为NOx汽车排气中排出的经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛 NO2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。在强烈阳光下会发生光化学反应，形成二次污染。1.2.4 光化学烟雾的危害 HC和NOx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，产生臭氧和各种化合物。臭氧(O3)具有很强的氧化性和毒性，如果空气中O3的深度为5X10-5以上，人在1h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饯蓝色烟雾，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。1.2.5 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SO2它是无色气体，有强烈气味，有很强的腐蚀性，会刺激呼吸系统粘膜，引起喉管发炎。SO2氧化后生成SO3,SO3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，腐恤建筑物、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SO2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。1.2.6 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，但碳粒常夹附有吸及其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯丙花等。不同直径的碳粒对人休的影响不同，如表1-2所示。碳粒的颗粒越小，在空气中悬浮的时间越长，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。 与柴油相比，汽油机排出的碳粒很少，只有柴油机的1/20-1/50。第2章 柴油机有害排放的形成机理 柴油机的有害排放包括CO,HC,NOx和硫化物及微粒。2.1 CO的生成 CO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。 柴油机排放的CO是燃料姗烧的中间产物。当燃烧继续进行时，CO与O2及氧化物再化合生成CO2;再化合时缺乏O2或氧化物，或燃烧温度低、滞留时间短、不能完全化合，将产生CO。CO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CO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,CO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O2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，CO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.CO排放高。CO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，CO浓度较低。 柴油机的平均过量空气系数大于1, CO的排放量要比汽油机小得多，只有在负荷很大，接近Si烟界限时，才急剧增加。2.2 HC的生成 柴油机排放中的HC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HC排放较低的主要原因。 柴油机燃烧室中由喷油器喷入的柴油与空气混合所形成的混合气可能太稀或太浓.使柴油不能自燃或火焰不能传播。如在喷油初期的滞燃期内，可能因油气混合太快而使混合气过稀，产生未燃烧的HC。而在喷油后期的高温燃气中，可能因油气混合不足使混合气过浓，或由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出，但此时较重的HC多被碳烟微粒所吸附，构成微粒的一部分。 柴油机HC的生成量、种类与柴油随负荷的增加、燃空比(F/A二混合气中的燃料质量kg/空气质量kg)的增加而增加。当负荷变化时，喷油量改变，而喷油量的变化会引起喷柱燃油的分布状况、沉积在上面的油量、气缸燃油压力和温度以及喷柱持续时间的变化(图2-1)在怠速和极小负荷情况下，喷油集中在心部，贫油火焰外围区温度低。 化合速度慢，易产生未燃烧的烃,HC的排放量很高如图34所示，在喷柱的外缘，由于混合过度而造成混合气过稀而不能发火或维持燃烧，这一区域叫负汕火焰州围区，随柴油机负荷增加，未燃烧的烃随温度的升高而被氧化，未燃烧的烃的排放量下降。因此，柴油机在怠速或小负荷运转时的HC排放量，高于全负荷工况。但当温度于分高时，由于某些原始燃料分子分解，在烃基和中间化合物之间发生再化合反应的可能性增大此时HC排出物中，较重的HC组分增多。 喷油结束后，喷油器的残油腔容积(指喷油器嘴部针阀下游的压力室容积及各喷油孔通道的容积)仍充满柴油。这部分柴油在燃烧后期和膨胀初期有部分被汽化，并以液态或气态低速穿过喷嘴孔进人气缸，缓慢地与空气混合，从而错过主燃期研究证明，残油腔容积中的柴油大约有五分之一左右以未燃烧的HC形式排出，这是因为一部分较重的HC仍留在喷嘴中，而有些离开的柴油则发生了氧化(后燃)。 与汽油机一样，火焰在壁面上淬熄也是柴抽机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷柱与燃烧室壁面的碰植情况。采用油膜蒸发混合的柴油机，尽管在特定工况下有较好的性能但在冷起动时，有大量未燃的HC以微粒状排出，排气冒白烟，因此已基本被淘汰。2.3 NOX的生成 同汽油机一样，柴油机排放中的NOx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NOx中主要是NO. NO排人大气后又氧化为NO2。负荷增加时，燃空比增加,NOX浓度也增加。而当NOx浓度达到最大值后，再增加燃空比，NOX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.N0X的浓度上升;而达到最大NOX排放浓度时.即使燃空比增加.温度已不是决定因索，此时NOx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NOx的浓度下降。 试验表明，直喷式柴油机NO浓度在中速时达到最大;预燃式柴油机在高速时NO浓度有所升高。 即柴油机的负荷、转速直接影响NOx的排放量。2.4 微粒 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(EPA)定义为:在废气温度最高为520C,井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75%)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85%的小于0.3微米。 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，H汽油的含硫量一般很低，一般认为汽油机基本上不排放微粒。2.4.1 液体微粒(白烟和蓝烟) 自烟和蓝烟都含有类似油状物质的液体微教。 白烟含有直径为1. 3微米左右的液体微粒，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，其颗粒直径比白姻的小，在0.4微米以下。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。2.4.2 固体微粒(碳烟) 柴油机排出的固体微粒主要是比重大、顺粒细微的碳粒。这些碳粒的最小单元为片晶，片晶是约有90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2一5个，但也有高达20个)按层状堆积成多孔的微晶体，其直径为17A0 - 300A,碳粒子就是由这样的片晶按方向随排列聚结而成。常见的徽粒直径在500A一5000A,但也可能低至200A和高达60000A。 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)。可溶性有机物在顺粒中的含量变化范围很广，有的为9%-15%，也有的高达90%，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(如乙醒和乙烷)无机物成分(含破黑和磨损物质)。 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。柴油机尽管总体上是富氧燃烧，但燃料和空气的混合极不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了;(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，而这些中间产物边聚合边进一步脱氧.逐渐变成固体碳粒。现在多数人认为第三种论述较能正确解释碳粒的形成。一般认为碳烟的形成过程如下:在高温(2 OOOK一3 000 K )缺氧区，燃油中的烃分子发声氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类(如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃)，它们不断脱氧、产生较小分子量的物质，后期聚合为以碳为主的直径在2nm左右的碳烟核心。而在燃烧室壁面等无火焰的低温区，则通过聚合和环化与氢化过程，生成凝结的芳香族碳氮化合物，再成大分子量的物质，最后也生成碳粒。这两个途径常常是相互交叉进行的(图2-2)： 气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大、成为20nm一30nm的碳烟基元。最后碳烟基元经聚集作用堆积成直径1微米以下的球状或链状的聚集物。 在低温条件下、芳香烃或多环化合物是形成碳烟的初始粒子。高温条件下的乙炔火焰对碳烟生成具有很强的诱发力。聚乙炔的最大浓度几乎与最初出现的碳粒成线性关系而作为高温下链反应基本环节的聚合不饱和烃基(由150-600个原子团组成，每个原子团约有l2-20个碳原子)的存在，是形成碳原子的重要特征;芳香烃化合物的浓度随碳烟深度的增大而增大。由于在柴油机中碳烟生成的有效时间最短一般只有4ms-10ms,所以碳烟排出的最终速度是碳烟形成速度与燃烧速度之差。 图2-3表示一些碳氢化合物如乙烯、丙烷、甲苯等在实验室条件下预棍合火焰中生成碳烟的温度和过量空气系数条件。组成柴油的各种烃生成碳烟的条件基本上也都在这个范围内由图可见，碳烟生成数量随过最空气系数的降低增加。温度对碳烟生成数量的影响，则在1600K - 1700K之间达到最大值。压力对碳烟生成的条件影响很小但碳烟生成数量随压力的升高而增加。 图2-4表示了柴油机碳烟生成的温度和空气系数条件，以及柴油机上止点附近各种过量空气系数的混合气在燃烧前后的温度。当过量空气系数小于0.5时，燃烧后必定产生碳烟。在图2-4a)的右上角也标明了各种温度和过量空气系数下燃烧0.5ms后的NOx含量。要使燃烧后碳烟和NOX很少，混合气的过量空气系数应在0.6-0.9之间。空气过多则NOx增加，过少则碳烟增加。 柴油机混合气在预棍合燃烧中的状态变化见图2-4a)上的箭头方向。在预棍合燃烧中，由于燃油分布不均匀既生成碳烟，也生成NO,、只有少部分燃油在过量空气系数在0.6-0.9之间不产生碳烟和NOX。所以，为降低柴油机的污染物排放、应缩短滞燃期和控制滞燃期内的喷油量，应使混合气的过量空气系数控制在0.60.6一0.9之间。 扩散燃烧中混合气的状态变化见图2-4b)上的箭头方向_曲线上的数字表明燃油进人气缸时所直接接触的缸内混合气的过量空气系数。从图上可看出，喷人过量空气系数小于0.4的混合气区的燃油都会生成碳烟、在温度低干碳烟生成温度的过浓混合气中，将生成不完全燃烧的液态HC。为减少扩散燃烧中生成的碳烟应避免燃油与高温缺氧的燃气混合。强烈的气流运动、燃油的高压喷射都有助于燃油与空气的混合。混合结束后，燃油和空气进一步混合，其状态变化如图2-4b）上的虚线所示： 在燃烧过程中，已生成的碳烟也同时被氧化图2-4b右上角表示了青径0.04微米的碳烟粒了在各种温度和过量空气系数条件下被完全氧化所需要的时间t。这种碳烟在0.4ms-1.0ms之间被氧化的条件与图3-7a的右上角大量生成NOX的条件基本相同。可见，加速碳烟氧化的措施，往往带来NOx的增加。因此为了同时降低NOX的排放，控制碳烟排放应着重控制碳烟的生成。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。1L含硫15%的柴油，燃烧后最多能生成2.6g的SO2(气态)和l0g的硫酸盐如水(颗粒状)。2.5 臭味的生成 排气中的臭味由多种成分组成，除O2和NO2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HC。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、烷基蔡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，SO2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。由于臭味主要是由燃油燃烧的中间产物引起的，与燃料的组成有关，如燃料中芳香烃增加，排气中的甲醛略有减少;而芳醛稍许增加，臭气就可适当减少，但却增加了更易产生光化学烟雾的芳烃。因此，最有希望减少排气臭味的措施是降低柴油机的HC排放。第3章 影响柴油机有害排放因素 影响柴油机排放的因素除了运行因素(负荷、转速)外.还与下列因素有关。3.1 燃料 当燃料的十六烷值相同时，芳香烃嫩料比烷烃燃料更易生成碳烟。这是因为碳烟是在燃料高温时缺氧脱氢的缘故。芳香烃特别是高沸点的双环芳香烃在高温缺氧区容易发生脱氧反应，也就容易生成碳烟。如果燃料中重馏分和芳香烃成分增多，排烟量也就增加。 提高燃料的十六烷值会使燃料的稳定性下降燃烧过程中易于裂解，使着火延迟期缩短，在高温火焰中直接接触液态燃料的机会增多，从而加快脱氧反应，使碳的形成速率增高，排气烟度增加。 十六烷值较高的燃料，着火延迟时间缩短，燃烧比较柔和，其NO生成量较低(图3-1)。当十六烷值由40提高到50时，NOx可下降11%。 十六烷值低的燃料，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NO排放增多，从而使NOX的排放增加。降低燃料的十六烷值还会使柴油机的工作粗暴，发火性下降，导致低负荷时蓝烟增加。 另外，在燃料中加入添加剂，特别是加入可溶性的含有钡族类金属类添加利，可有效抑制碳烟的生成。 柴油里硫的含量越高，生成的固体微粒(微粒中的20% -30%来自燃料中的硫化物)就越多，柴油中的S有1%一2%转化为硫酸盐，其余的则以SO2排出，而SO2也是重要的污染物。3.2 喷油正时(喷油提前角) 改变喷油正时.直接影响嫩烧始点，对排气质量的影响很大。延迟喷油，可以减少NOx的排放，但太迟的喷油会导致CO排放的增加。当喷油提前角比设定值提前10CA(曲轴转角，NOX排放将提高约15%(图3-2)。 对直喷式柴油机来说，在其他参数不变的情况下，加大喷油提前角，使滞燃期增长更多的燃料在着火前喷入混合，加快了燃烧速度，燃烧过程结束较早，使排气温度下降。由于燃烧速度加快.使CO排放下降很多，但由于滞燃期延长，一方面有更多的燃油被空气带走，产生较宽的贫油火焰外围区;另一方面撞击到壁面上的燃油增加.使HC排放增加，但过早喷油会引起较人的燃烧噪声和较高就 NOX排放量。 延迟喷油(减小喷油提HU角)降低了初始放热率.使燃烧最高温度降低，着火延迟期缩短因而减少了NOX的生成量。但在直喷式柴油机中，必将引起柴油机的排烟量增大使柴油机的排烟量增大，柴油机的动力性和经济性下降。 图3-3是车用直喷式柴油机以着火始点代替供油始点作为变量的试验曲线。由图可知，当着火点由上止点前5O(曲轴转角)变为0时，烟度由1.5上升至2.1波许值(Bosch),CO含量增加了5%,HC含量下降约11%, NOX含量下降了36%，但油耗增加了约3%:。因此，减小喷油提前角.延迟喷油是降低NOX徘放的有效措拖。为了抑制碳烟等不利影响，可通过提高喷油率和采用促进燃料蒸发及与空气馄合等措施。 3.3 喷油系统 提高油的初喷射速度，缩短喷油持续时问，则滞燃期内喷如的油量增加.排烟量减少因为滴漏时喷射压力不足，混合气雾化恶化，穿透力差，使排烟量增加。消除滴漏也可使排涸量减少。 喷油器的压力室容积大小对排放有一定的影响在燃烧过程的后期，喷油器的针阀虽已关闭，但压力室仍储有一定量的燃油，尤其是孔式喷油器这部分燃油受高温影响而膨胀或蒸发，其中一部分也会进人燃烧室，这部分燃油不是在高压下呈雾状喷人，而是以滴醋形式流入燃烧室，因此不能与空气正常混合燃烧，这样不但使柴油机性能变坏，而且会产生更多不完全燃烧的碳氮化合物(HC)及CO等排放物，同时也弃易增加喷油嘴偶件头部的积炭现象。压力室容积越大，燃烧室滴漏的柴油越多，对性能的影响越大，HC及CO排放量越多。图4-12为喷油器压力室容积与HC排放的关系。 为了减少HC及CO的排放，应尽量减小压力室的容积因此日前采用了小压力室和无压力室等孔式喷油器(图4-13 加大喷油泵和柱塞直径、可使供油速率增大，在相同供油,ri Yi况下，有效行程减小，供油和喷油持续期缩短，从而允许喷油有一定延迟而使NOx和CO浓度下降。 另外.在喷油速率和喷油压力不变时，增大喷油孔孔径，可降低喷油嘴流阻，使NOx排放量降低。减少喷孔数目调整孔径，保持流阻相同，也能使NOx排放量降低。3.4 燃烧方式和燃烧室形状 目前大型柴油机及重型车用柴油机多采用直接喷射燃烧方式，轿车和轻型车及小型农用机械.为使用方便，多采用非直喷式燃烧方式。由于直喷技术的进步(喷射系统的小型化、高压化和高速化)，以及降低油耗和CO2排放的要求，高速轿车用柴油机也开始使用直喷式柴油机，并有增长的趋势。表4-2为三种燃烧方式柴油机的排放物试验数据。通常情况下，分隔式燃烧室中，副室的壁温高，混合气浓度大.同时气流的运动速度也大，因而着火延迟期比直喷式短，火焰温度峰值低，不利于NO的形成。当燃料进人主室二次燃烧时，由于大里空气的冷却作用以及活塞开始下行此时对NO生成也不利，如表4一2所示，预燃室中的NOX比直喷式低得多，也比M过程低.烟度也较低。M过程由于燃烧室壁面油膜的蒸发和组织较强的空气涡流改善了混合气形成，使燃料处于高温过浓状态下的时间较短。此处由于热混合作用使高温嫩气聚集到燃烧室中心，从而减少了燃料蒸气和高温燃气接触的机会，保证了和剩余空气的混合，故产生的碳烟较少。 碳烟主要在副燃烧室里生成，它们进人主燃烧室后大部分被氧化。在小负荷时，由于主燃烧室的温度较低碳烟氧化慢，所以作直喷式柴油机在部分负荷时的碳烟大于直喷式。改善非直喷式柴油机排放的重点也在副燃烧室。 副燃烧室的容积增大，可使碳烟的形成减少，但NOX增加。研究表明，涡流室的相对容积在52%左右时得出最住的碳烟与NOX的折中。预燃室的容积过大，会降低其中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的燃气与主燃烧室中空气的混合。所以，预燃室的相对容积应在25-30%之间。 英国泼金斯公司研制的挤流口式燃烧室(图3-6),由于燃烧室的收口作用，能产生较强的挤流分量，同高的进气涡流相配合，组成一个较强的复合涡流，使燃油与空气混合而使燃油强烈地蒸发喷雾，在很强的离心力作用，因混合气比重不同而将可燃混合气分层，与一般直喷式系统相比，该系统的喷油定时较迟(上止点前8OCA)使扩散火焰的温度降低_这不仅对降低NOX非常有效.而且由于较强的涡流也能使排气烟度大大降低(图3-7)：日本五十铃公司研制的小松105系列柴油机MTCC燃烧室，是所谓的四角燃烧室，其燃烧室的门坑上部为四角形，下部为圆形，上下部连接处经切削加工，过渡圆滑。设计的主要目的是利用湍流来增加扩散燃烧阶段的混合速率，以便推迟喷油提前角，使预混合燃烧阶段的放热尖峰减小，NOX下降，使燃油消耗率和NOr的矛盾得以解决。靠近燃烧室中间斜置喷油器.以四个喷孔和一定的倾斜角度将燃料喷射在四个边部。采用螺旋进气道，以便在汽缸内形成适当的进气祸流。在燃烧室内除在上部形成主涡流外.在燃烧室凹坑四边拐角处由于气流分离和逆流而产生微涡流。这两个涡流的旋转方向相反，因而在交界处存在速度差，这就是湍流源.主涡流的强度大，微涡流的强度小，拐角处的涡流极不稳定，形成后很快被主流带走，在主流中形成扰动核心。燃烧室口部设计成有一定形状的收口，使空气深人凹坑时形成的挤流也产生微涡流在燃烧室纵剖而卜，四角形凹坑和圆形凹坑的交界面上，一方面燃烧室底部的气流旋转速度高(原因是先进入气缸的空气流速最大，在压缩过程中来不及均匀混合，使燃烧室C、下部存在速度差)号另一方面、燃烧室上部的四角形边部为涡流的障碍物，由于涡流的衰减效果与涡流速度的平方成正比，随转速的增高涡流越强时，作障碍物的边部作用就越大，涡流得到了适当衰减使旋转速度下降，因而在交界面上也存在着气流速度差，这也是个湍流源.、这样就能兼顾高低速的性能要求、使燃油分布受柴油机转速变化的影响而保持良好因此减少了NOX的排放量。燃油油束对着交界面喷射.最先通过低速大涡流区，然后通过湍流区最后达到下部高速大涡流区。由于油速直接喷向交界而，所以通过湍流区的时间长、油气混合最好，加上该燃烧室内到处存在涡流，空气运动充分，能保证获得较高的燃烧效率。与常规的深坑燃烧室相比，燃油消耗率下降，烟度下降，低速时的性能改善尤为明显。 复合式燃烧系统综合了直喷式燃烧系统和M燃烧系统的优点，燃油通过轴针式喷油器.喷到位于活塞顶上的燃烧室内。喷孔中心线与燃烧室侧壁基本平行，并保持一个小距离(图3-8)通过特殊设计的进气道在气缸内产生强烈的空气涡流，燃油不直接喷到燃烧室璧面.而是喷到燃烧室外围由于空气运动近似强迫涡流.颗粒较大的油滴散落在燃烧室壁面上，并形成油膜，这部分燃油以油膜燃烧方式进行混合燃烧细小油滴将随着气流运动，在到达燃烧壁面前被烧掉，这部分燃油的混合和燃烧是按空间式燃烧方式进行。采用复合燃烧系统后.与直喷式比较,NOX含量较低，并能适应多种燃料。 H一过程燃烧系统的活塞顶部的燃烧室形状呈回转双曲面，如图3-9所示。单孔喷油器布置在燃烧室边缘，油束轴线偏到近乎平行于圆周方向.并同燃烧室壁保持很小的距离。喷射油束在高速旋转的空气作用下，油雾被带到燃烧室四周，在燃烧室中形成一个环状的混合气带，由于空气涡流的离心作用，密度大的燃油蒸气向燃烧室外围流动，因而该混合气带的浓度越靠近中心就越低。着火后，在离心力的作用下.浓度低而密度大的空气向燃烧室外围流动;密度小的燃烧产物则被迫流向燃烧室中心，此即所谓“热混合效应”。在着火前混合气还不能构成一个完整的环带状，仅局限在燃烧半周长的范围内，这就造成了局部燃油浓度偏高.从而滞后燃烧，运转柔和，空气利用率高，排烟降低，NOX排放也得到改善。3.5 气流组织和多气门技术 改进进气系统，增大进气量，有助于减少碳烟的生成。 多气门技术主要是扩大进、排气门的总流通截面积。以四气门为例，与二气门相比其进气面积可增加30%左右，排气面积约增加50%。此外两个进气门引起较合适的空气运动，从而改善混合气的形成，降低了CO和HC的排放量，又由于燃烧摘续期缩短，而使NOX的形成减少。 进气涡流使混合气混合良好，加速了再化合反应，