柴油机PM排放控制技术探讨

1、柴油机PM非放控制技术探讨本文针对车用柴油机PM的组成及对人类生活的危害所面临的若干问题，通 过对柴油机污染物的生成机理、影响因素等方面的知识，进一步地阐述对柴油机 污染物的净化措施等较高问题的本质， 优化排放质量，以便使车用柴油机符合环 保要求，更进一步的保护我们懒以生存的家园。本论文共分四章：第一章绪论部分简要概述了本课题的研究思路、现状分析 及净化措施；第二章阐述了柴油机的有害排放物的生成机理及危害，提出了本论文主要研究工作和基本思路；第三章讲述了柴油机有害排放物的净化措施等问题并进行了讨论；第四章对本课题的研究结果进行了总结。关键词：车用柴油机；有害排放物；净化措施AbstractTh

2、is paper and compositi on of the vehicle diesel engine to huma n PM the dan gers of life facing some problems, through the creation of pollutants of diesel mechanism, in flue ncing factors and other aspects, further describes the purificati on of diesel engine polluta nts n ature of problems measure

3、s to higher quality, optimiz ing the emissi ons vehicle diesel engine, so as to meet en vir onmen tal requireme nts, further protect us lazy to survive homes.This paper is divided into four chapters: the first chapter the in troduct ion secti on of this topic briefly summarizes the current research

4、approach, analysis and purification measures; The sec ond chapter expo unds the harmful emissi ons from diesel gen erat ing mecha nism and harm, proposed the this thesis mainly research work and basic ideas; The third chapter of a diesel engine harmful emissions purification measures and discussed i

5、ssues; The fourth chapter of this topic research results are summarized.Keywords: automotive diesel engine; Harmful emissi ons; Purificati on measures1 绪论1.1车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义 61.2国内外对有害排放物的研究现状分析 61.3对有害排放物所采取的各项净化措施 61.4本课题的主要研究工作的基本思路 62车用柴油机的排放物 72. 1引言 72.2柴油机的排放物及危害 72. 3柴油机排放物的生成机理 92.

6、 4影响柴油机排放物生成的主要因素123排放物的控制措施 193. 1减少柴油机排气污染物的控制技术 193. 2燃烧系统的改进 193. 2. 1直接喷射式燃烧系统的改进1 93. 2. 2间接喷射式燃烧系统的改进203.3 进气系统的改进213.4 燃料喷射系统的改进223. 4.1高压喷射系统223. 4.2改进喷油器结构243. 4.3电子控制喷射系统253. 5燃料的改良323. 5.1燃料的改质323.5.2 燃油添加剂 333.6柴油机排气污染物的机外净化措施333.6.1 催化净化技术 333.6.2 柴油机微粒物机外净化方法 344结果分析与讨论5总结参考文献 42致谢 43

7、1引言与汽油机相比，现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。20世纪30年代，世界各国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。柴油车比汽油车 省油三分之一，排放的污染物较少。目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占 了 40%我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。到2002年全国汽车产量为325万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%增速如此之快，难免给环 境造成较大的影响。随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大， 伴随着工业文明的 迅速发展而出现的环境问题不断增多。环境保护问题越来越引起人们的高度重 视。柴油机工作时排

8、放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒状物，如炭 粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。这类产物中，有些为致癌物质，它们污染 环境、阻碍视线。另一类是一般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO、氮氧化合物（NOX和二氧化硫（SO）、碳氢化合物（HC等.CO对人体有毒，而 且在大气中不易自净；SO2有难闻的刺鼻气味：HC NO在一定的地理气候条件下， 经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO易溶于水形成酸雨。显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染与破坏， 而且由于柴油燃烧不完全，造成了能

9、源的浪费。炭烟越浓，排放的可燃物越多， 对环境的污染越严重，能源的浪费就越大。控制重点是氮氧化物和颗粒污染物。 近年的一项调查显示，在全国机动车的排放污染物分担率中， 柴油车占氮氧化物 的43%占颗粒悬浮物的83%1.1车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加，由于燃烧过程产生的有 害物质对大气产生了严重的污染。特别是石油燃料的大量消耗所引起的严重后果， 在工业与交通集中的那些地区对环境的污染表现得最为突出，并引起人们的普遍关 注。本课题对柴油机的有害排放物及其影响因素作了详细研究，对于有害排放物的 生成机理和有针对性地采取措施以改善柴油

10、机的有害排放物具有较大的理论价值和 实用价值。1.2国内外对有害排放物的研究现状分析汽车是当今大气污染的最大污染源已经被许多国家调查所证实。现在，世界上 大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市行驶，这些汽车每年排出两亿吨一氧化碳， 四千万吨碳氢化合物，两千万吨一氧化氮等有害气体。而且，随着汽车数量的逐年 增加，汽车排放到大气中的有害物质还会随之而增加。因此一些发达国家都采取了 相应的应对措施，以减少汽车有害物的排放，例如：美国、德国、日本、等一些发 达国家。1.3对有害排放物所采取的各项净化措施车用柴油机的有害排放物所造成的危害，针对不同方面采取了不同的措施。本 课题主要从燃烧系统的改进、喷射系统

11、的改进、点火系的改进、进气系统的改进等 措施来净化汽油机的尾气排放。1.4本课题的主要研究工作的基本思路本课题研究的主要目的是充分利用现有的实验设备，搜集多方资料，采用理论 分析法对结果进行修正处理，用实验法得到较合理的有害物排放值，分析出车用柴 油机有害排放物的生成机理及其生成的影响因素。以实验研究为基础丰富车用柴油 机有害物排放理论，为降低排放寻找有效的净化措施，并为将来对柴油机燃烧过程 和排放特性的进一步研究提供一定的参考。2车用柴油机的排放物2.1引言与汽油机相比，现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。20世纪30年代，世界各

12、国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。柴油车比汽油车 省油三分之一，排放的污染物较少。目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占 了 40%我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。到 2002年全国汽车产量为325 万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%增速如此之快，难免给环 境造成较大的影响。随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大， 伴随着工业文明的 迅速发展而出现的环境问题不断增多。环境保护问题越来越引起人们的高度重 视。柴油机工作时排放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒状物，如炭 粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重

13、型柴油车的形象称呼。这类产物中，有些为致癌物质，它们污染 环境、阻碍视线。另一类是一般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）等.CO对人体有毒， 而且在大气中不易自净；SO2有难闻的刺鼻气味：HC、NO在一定的地理气候条 件下，经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨。显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染 与破坏，而且由于柴油燃烧不完全，造成了能源的浪费。炭烟越浓，排放的可燃 物越多，对环境的污染越严重，能源的浪费就越大。控制重点是氮氧化物和颗粒 污染物。近年的一项调查显

14、示，在全国机动车的排放污染物分担率中，柴油车占 氮氧化物的43%占颗粒悬浮物的83%2.2柴油机的排放物及危害柴油机排放的废气中，氮气（N ）占75.2%,二氧化碳（CO2）占7.1%，氧 气及其他成分占16.88%,有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括： 氮 氧化合物占35.4%, 一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭烟，还包括油雾、 金属颗粒等占20.66%。与汽油机相比，柴油机排放的 CO和 HC要少得多，NOx 与汽油机在同一数量级，而微粒及炭烟的排放要比汽油机多十几倍甚至更多。因 此柴油机的排放控制，重点是 NOx和微粒及炭烟，其次是 HC柴油机的燃烧过 程比较复杂

15、，影响因素较多，由于诸多原因的影响使柴油与空气难以达到完全燃 烧的程度，可能会造成局部或整个燃烧空间内出现不完全燃烧， 所以产生出不完 全燃烧产物和燃烧中间产物，这些燃烧产物大部分是有毒的，或者具有强烈的刺 激性和致癌作用，造成了对大气环境的污染和对人体的危害，必须加以控制。（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空气不足的情况下燃烧的中间产物，在柴 油机排气中一般含量较低，当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。一氧化碳生成量 的多少取决于空燃比，由于柴油机空燃比较大，因此一氧化碳排放量不大。一氧 化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒，导致人体组织缺氧，危害中枢神 经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状

16、，严重时会导致生命危险。（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油机燃烧高温条件下产生的，其生成取决于 燃烧过程中的温度和反应时间的长短。在直接喷射柴油机中，由于空燃比较大， 氧气较为丰富，燃烧温度也高，使氮氧化物的生成量较大。在间接喷射柴油机中， 燃烧首先在极缺氧的涡流室中进行，燃烧温度相对较低，当火焰喷入主燃烧室时， 使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行，可避免氮氧化物的生成时 机，所以氮氧化物排放量相对较低。 氮氧化物中NO NOx都具有毒性对人体和环 境破坏较大。人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等，严重时出现窒息。另外，还 会与碳氢化合物一起引起光化学反应，造成更严重的危害。（3）碳氢化

17、合物，在柴油机排气中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、缝隙效应、曲轴箱漏气等。柴油机虽然有较大的空燃比，由于雾化质量 很难达到使燃油与空气混合到理想的均匀程度，燃油在喷射时，难以避免地会喷到壁面上，而形成局部过浓混合气，形成局部不完全燃烧。另外，喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合 物的浓度增加。排气中的碳氢化合物具有较大毒性， 是一种很强的致癌物质。另 外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质，生成的过氧化物对环境的危害很 大。（4）颗粒物，柴油机的排放颗粒物主要是炭粒，其形成的过程也很复杂。影 响炭粒形成的主要因素是高温与贫氧， 在过量

18、空气系数很低、油气混合物不均匀 而又处于高温下的油滴将被裂解，从而产生大量的炭粒。在柴油机的燃烧过程中， 炭粒的形成除过量空气系数、混合气均匀性和燃烧温度外，还与燃料的成分有较 大的关系，如燃料的碳氢比、灰分等都影响炭粒的生成。炭粒易粘附重碳氧化物 及硫酸盐，形成的颗粒物悬浮于空气中，在大气中受阳光和其他物质作用将发生 光化学反应，对环境产生危害。2.3柴油机排放物的生成机理关于柴油机排放物生成机理说法很多， 目前尚无定论。一般认为，碳烟也是 不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释出并聚合而成的。由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的， 而且随时 间而变化

19、的，所以碳烟很可能是由许多不同途径生成的。实验观察表明，在预混 燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳粒；进入扩散型燃烧， 火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳粒主要在扩散焰中产生。 柴油机 燃烧过程中产生碳粒是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。Brome及Khan根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成如图2 1的定性 描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程， 产生较小分子 量的物质，在后期出现聚合反应。在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合， 产生较大 分子量物质。这两个途径（或相互交错）最终产生碳烟颗粒。 B.B Chakraborty 和R.Long根

20、据他们的研究和他人的资料，提出了碳烟形成机理如图 22所示。他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有 多个团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成 黑色的、在所有溶剂中都不溶解的聚合物。高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物 的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。片晶呈平行布置但相互间有不规则的 位移。聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下（小于 1000C）环化和氢化而形成多环芳香碳氢化合物， 碳烟的这两种成分的组合可通 过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进

21、行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为 类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。和NHB时伺图21姪类燃料燃烧过程中生成碳烟颗粒的进程I KMiKKfiMfe，主要星乙烯(CH尸CH"|进一步录解脱*敕注妻是乙眞(CHmCH)豪他复乙碎乙快CH .CrCH=CHz) 威联乙快(CH -C-C = CH) |进一步基团嚴含小于1 ooot卑一聚缁乙缺具有多个Z C-) 它条不活建逢此邑静成囲体嗪初核低下和氢杞I 合1环构祀并进一步IMU大于1000T *fiBt) 纟氢的參祝堵舍物或不蓉性多环吸复化合鞫+就晶，扩大审方矗格的護晶体盘是弼的宾牡 J衰面展謝异弄身附索 康烟图2-2碳

22、烟形成机理按照上述的定性描述，柴油机燃烧过程中碳烟的生成可概括为三个阶段。1成核阶段燃料分子在高温缺氧条件下裂解为较小的烷基并脱氢为乙炔，经聚合为共轭如图23 (a)所示多稀烃，最后环化为多环结构的呈六角形基本单元的片晶,(町(可何图2 3碳烟颗粒的结构层次2 .单粒阶段初生石墨状片晶的亲和力很强，它们存在时间很短，很快就聚合成各种大小 的近于球形的单粒，这些单粒含有 10000到100000个碳原子，其直径可能在 200.6卩m 但绝大多数在0.010.1卩m之间，如图23 (b)所示。3 .单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团球形的单粒在高温下与含氧化合物接触，可以发生下列反应：C+CO2=2C

23、OC+H2O=CO+H2当气体温度高，H2O和CO2的浓度也高时，在有利于碳粒燃烧的条件下，单 粒就会逐渐减小尺寸以至完全消失。在不利的工况下，由于区域内缺氧和 CO浓度过高，或温度不足以使氧化反 应顺利进行，这时碳粒不能燃烧，反而互相团聚，或从小的单粒变成大的单粒或 由单粒附聚成更大的絮团，其最大尺寸可达 0.1卩m甚至1卩m如图2 3 (c) 所示。这些絮团是由几十个到几百个球形单粒附聚起来的。从气缸排出后，气体温度下降，球形单粒尺寸基本不变，而絮团则继续增大。当温度低于300 r以下时，絮团增大特别明显，这可能是由于某些气相物质开始凝结并为微粒所吸收。柴油机中燃料的高温裂解反应是不可避免

24、的，特别在空间混合燃烧的柴油机中，由于高温气体包围着液态的油滴， 造成了有利于裂解反应的条件，因此在燃 烧初期产生了大量的碳粒，这一点已为燃烧过程的高速摄影所证实。 柴油机在正 常燃烧时，在排气门打开以前，燃烧过程初期所形成的大量碳粒可以基本烧完， 所以排气基本上是无烟的。只是在某些不利工况下，碳粒不能及时燃烧反而团聚 吸附，在气缸中和排气过程中形成更大的碳烟粒子或絮团，使排气冒黑烟。2.4影响柴油机排放物生成的主要因素现将影响HG CO NOx的生成和消失的主要因素分述如下：1.过量空气系数柴油机中的HC CO NOx的生成与过量空气系数a变化有关。 当燃烧室及供 油系统的结构参数一定时，对

25、于某一a值，CO排放浓度最低，偏离这一数值时，CO的排放浓度均要增加，如图24所示。图24过量空气系数a对CO浓度影响12 000 r/miu21 500巧 Si舉抽机）a减小时CO浓度增加的主要原因是：当a减小时，循环喷油量增加，而氧 浓度并没有增加，造成燃烧室内局部缺氧。另外，一般来讲，随着循环喷油量的 增加，发动机的转速也升高，混合气形成和燃烧的时间变短，混合气品质变差， 混合气不均匀的程度加剧。CO与Q的反应时间也随之缩短，部分CO来不及继续 氧化变成CO就排出机外，造成CO排放浓度的增加。a增加时CO浓度增加的主要原因是：当a增加时，混合气变稀，燃烧室内 温度下降，造成局部地区温度过

26、低，混合气超过稀燃极限，火焰在低温区和稀混 合区内发生猝熄的现象增加，从而使 co的排放浓度增加。图2 5为某直喷式柴油机HC和NOx浓度随过量空气系数a的变化曲线（为 了比较，图中还给出了 CO的变化曲线）。从图中可以看出，对于某一 a值，HC 的排放浓度最低，a偏离此值时，HC的排放浓度均要增加。12 3 4 5 6图2 5直喷式柴油机a对 HC NOx的影响（4100型柴油机，2800r/min，供油提前角为25.5 C A）a减小时HC浓度增加的主要原因是：当a减小时，混合气变浓，超富限的 混合气增加，同时高温裂解加剧，造成 HC的排放浓度增加。a增加时HC浓度增加的主要原因是：当a增

27、加时，混合气变稀，混合气中超稀限的量增加，同时随着a增加燃烧室内的温度也降低。这些因素限制了HC的氧化，从而使HC排放浓度增加。过量空气系数对直喷式和间喷式柴油机 NOx浓度的影响基本一致。随着a的 增加，NOx排放浓度明显降低。在a较小的区段， NOx下降速度快；在a较大的 区段，NOx下降速度较慢。NOx排放浓度下降的主要原因是：随着a增加，每循环喷油量减少，气缸内的放热率和平均燃烧温度降低，因而造成 NOx排放浓度降低。2 喷油定时喷油提前角加大，将影响喷注内各区燃料的分布。由于此时气缸内压力、温度低，使着火延迟时间加长，结果使稀熄火区加宽，并使喷到室壁的燃油量增加，喷油提前往往会引起不

28、完全燃烧产物的增加喷油定时对NOx的影响如图26所示。喷油时刻提前，由于燃油在较低的 温度和压力下喷入气缸，结果使着火延迟角加大，但是着火延迟角加大总是小于 喷油提前角的加大，20 25 30 35 40图2 6喷油定时对NOx排放的影响因而着火时刻相对于上止点的曲轴转角提前， 这将使生NOx成量增加，另一 方面滞燃期延长，导致更多的燃料在稀火焰区蒸发混合，也使NOX的生成量增加， 在喷注的其它区域，由于所达到的高温，也促进了这些区域 NOx的生成。因此， 喷油时刻对NOx有重要影响。推迟喷油时刻对减少直喷式和分隔式柴油机的 NOx的排放都非常有效，这主 要是由于燃烧室各部分所达到的最高温度降

29、低所致。推迟喷油对直喷式柴油机降低NOx排放更为有效。由于直喷式柴油机的燃油消耗率本来就比分隔式更好，因此采用推迟喷油时刻的方法，柴油机的燃油消耗率也不至于太恶化。 但推迟喷油 会引起烟度增加和CO HC浓度的升高，对柴油机的功率，燃料消耗率和排气温度，也会带来一些不利影响有些柴油机在推迟喷油时刻的同时，还采用高喷射率的办法来解决柴油机由于喷油时刻推迟所造成的不利影响，结果不仅降低了NOx排放，而且CO和HC排放也有所改善。由于喷射率高，喷油延续时间短，有可能使柴油机在喷油提前 角减少的情况下，喷油终点仍保持不变，这样可以减少推迟喷油对放热率的影响， 从而使柴油机功率、油耗及烟度比单独推迟喷油

30、时的效果好。3 空气涡流适当增加燃烧室内空气涡流的强度， 可改善燃油与空气的混合，促进混合气 的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。同时燃烧室内局部区域混合气过 浓或过稀的现象减少。另外，涡流能加速燃烧，使气缸内最高燃烧压力和温度提 高。这些有利于未燃烃的氧化。但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重 叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加，如图27所示。250图27涡流强度对HC浓度和油耗率的影响（巾为试验台上的涡流转速，圧、6为谷值点）4涡轮增压废气涡轮增压是提高柴油机功率、降低油耗的一项主要措施。涡轮增压对柴 油机排放也有重要影响。在燃空比相同的情况下，涡轮

31、增压使柴油机的进气压力和整个循环温度比不增压时高，这将有利于氧化反应，减少未燃烃及co的生成， 而且未燃烃在排气管和涡轮中还可以继续氧化，所以排气中HC的降低了。由于增压后加大了空燃比，则更有利于排气中HC和CO的降低。由于增压后燃烧温度 高，空燃比大，所以导致较高的NOx浓度。但如果将增压后的空气冷却，降低进 气温度，可以使NOx排放降低到非增压时的水平，同时由于进气密度增加，中冷 对柴油机烟度和燃烧经济性也有好的影响。5 .燃烧系统分隔式燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多，如图28所示。在分隔式燃烧系统中有害排放物是在两个阶段产生的：一是在辅助燃烧室（即涡流室或预燃室）中的燃烧，二

32、是在燃气从辅助燃烧室流出之后在主燃烧室内混合 和燃烧。在部分负荷运转期间，随着负荷增加辅助燃烧室中喷入的燃料增多， 氧 的浓度减少，未燃烃和CO随着负荷增加而增加。但在主燃室有强烈的燃烧涡流， 加速了混合气的形成和燃烧，同时气缸内温度较高，加速了氧化速率，因而使 HC及 CO排放量都较直喷式为低。0分瞅：【断湘同）加4 i 121620股动mt55160*10080+20II404-'图28世界各种型号柴油机排放物统计分隔式柴油机NOx浓度也比直喷式低，因为涡流室（或预燃室）中温度虽高,但氧的浓度很低，不利于NOx生成。当燃烧不完全的咼温气夹带着未燃烧的燃料 一起喷入主燃烧室后，很快与

33、空气混和，这时氧虽有富余，但活塞已开始下降， 燃气温度降低，而且气体在高温下停留的时间较短，也不利于NOx生成。图29 图211给出了涡流式柴油机、直喷式柴油机及汽油机的排放特性对比。0 2J4V汽抽机 .刖亶嘖式柴油n0 2JL,3V»«« 柴闕虬200QMKMWniia 心0 CJ 0J 0.3 0.4 0J 0.15 0J O.K 0J 12 单位訥所M功加3)图29汽油机和柴油机CO的排放对比18161mi i i r132L/W料橱L眩a 1.刃加¥直喰式集油机OH 2.1LJ3V KMMIA机 MXMR 2000 6000rymin14 64

34、 i0 j丨 r'I L "I0 OJ 0J2O.3 0.4D.50.6 0-70.80<91.2单位客故所做的功"k)/dn?)图210汽油机和柴油机HC的排放对比48Oi書 wqn402416E L9L»2V直奏式«抽桃 _m2jL3v 需 it式Ifeifc 机 转 gt 摩 83goopi阿0,20.40.60.8 L0 1.2图2-11汽油机和柴油机的排放对比83排放物的净化措施3.1减少柴油机排气污染物的控制技术柴油机排气中的有害排放物主要是 NOx和微粒，CO和HC的排出量较少，对 大气污染不产生严重影响，而且比较容易通过燃烧

35、系统匹配加以解决。 由于柴油 机排放的NOx和微粒颗粒的生成条件有相反的倾向，例如为减少NOx排放要降低 燃烧温度，但燃烧温度的降低会使油耗增加，功率输出降低，更会造成微粒排放 量增加。因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对 NOx生成量的影响。同 样在研究减少NOx排放率的控制技术之同时也必须兼顾微粒排放量、燃油消耗率 及输出功率等问题，如此发展的控制技术才有实用价值。以下内容将介绍减少柴油机排气污染物所采取的一些方法。3.2燃烧系统的改进3.2.1直接喷射式燃烧系统的改迸柴油机的燃烧室型式、形状和结构参数对柴油机的燃烧和污染物的生成具有 重要的影响，现代柴油机必须在节油、低污染、高输出

36、功率方面进行综合的优化 设计。在燃烧室的改进上，其基本原则是使燃烧室与进气涡流、喷油合理匹配， 以减少污染物的生成。图3 1所示为英国泊金斯于70年代中期研制的挤流口型燃烧室，口径比为 0.385，其收口程度特别明显。缩口的作用是能在压缩过程中产生强烈的挤压涡 流。在燃烧室中进气涡流和挤压涡流复合运动， 再以合理的燃油喷注方向相匹配， 使混合气形成更加完善。该燃烧系统能够在较低的过量空气系数下实现完全燃 烧，并可以减少喷油提前角，降低放热率峰值，使最高燃烧压力和最高燃烧温度 下降，从而大大减少了 NOx的生成量，同时排烟和油耗也有所降低。图31挤流口型燃烧图3 2五十铃汽车图33四角形室缩口燃

37、烧室公司的四角形燃烧室图3 2为日本五十铃汽车公司1972年在6BB1柴油机上采用的四角型燃烧 室。这种燃烧室底部与一般 w形燃烧室相同，而上部呈正方形，其四角制成圆弧。 四角型的四边和四角都对涡流运动起着阻滞作用。 当燃烧室内气体涡流运动随转 速升高而加强时，这些边和角就能遏制它不致过强。 同时，由于燃烧室上方下圆 特殊结构造成上下层气流运动的速度差， 可以形成较强的紊流，因而能改善混合 气形成和加速火焰传播，使柴油机碳烟生成量减少，燃油经济性也得到改善。1981年五十铃再进一步将四角型燃烧室的开口部改为缩口型， 如图33所 示。利用燃烧室形状的突变来增加挤流强度和在燃烧室中产生更多的涡流，

38、 因此 大大改善了混合气的形成，提高了燃烧速度，为推迟喷油减少NOx排放创造了有 利条件，对降低HG NOx及碳烟排放有显著效果。3.2.2间接喷射式燃烧系统的改进间接喷射式燃烧室与直接喷射式柴油机相比，因二次燃烧的结果， NOx和碳 烟排放量均较直喷式低。但因燃烧室散热面积大，以及附室喷孔的节流损失，所 以热效率低，燃料消耗率高。以前大多数使用间接喷射式燃烧系统， 所以目前相 当比例的轿车和轻型货车使用涡流室燃烧系统。图34为日产汽车公司开发的一种设有副喷口的涡流室燃烧室的构造。在 压缩过程中，由副喷口喷入涡流室的高速空气喷流能造成紊流，有助于燃料的分散，缩短着火延迟期。同时，有一部分燃油能

39、经副喷口进入主燃烧室，可以抑制 涡流室内混合气过浓，故对减少碳烟生成以及 NOx和HC排放量均有良好效果。图34设有副喷口的涡流室式燃烧室3.3进气系统的改进高速直喷式柴油机除了采用超高喷射压力以外（喷油压力在120150Mpa以上），大都需要组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进行。涡流比 的大小对柴油机性能和排放有很大影响。因此，必须按照实际情况选择最佳涡流 强度与燃烧室及燃烧系统相匹配。以往设计的螺旋进气道其涡流强度只能在发动 机的某个工况运转点才能实现，在大部分工况都不能处在最佳匹配点状态。为了 更有效控制气缸中的涡流强度，1985年五十铃汽车公司研制了可变涡流比控制 系统，如

40、图35所示。该机构的工作原理是：在气缸盖进气道中设置了一个副 进气道，副进气道入口有一个阀门，该阀门的开启由气动活塞控制。电子控制装 置根据发动机转速、负荷（齿杆位置）、水温传感器发出的信号控制电磁阀电路 的接通和关断，即可控制压缩空气。气动活塞受压缩空气作用决定副进气道口阀 的开闭，以控制涡流的强弱。采用这种装置后，发动机性能有所改善，也可减少 排气污染。« 血图3 5可变涡流比控制机构3.4燃料喷射系统的改进在改善柴油机的性能和降低HO NOx及碳烟方面，燃油喷射装置具有重要作 用。米用高压喷射、预喷射、电子控制喷油系统等燃料喷射装置已取得相当满意 的效果。3.4.1高压喷射系统

41、直喷式柴油机的燃油是依靠本身所具有的动量，在高速流动的过程中油束分 裂成微小的油滴并卷入新鲜空气以形成良好的混合气。高压喷射能使燃油得到大 的能量，使雾粒细小，喷雾蒸发速度及混合气形成速度加快， 燃油喷射时期缩短， 故能提高燃烧性能，缩短燃烧时间，使NOx和碳烟微粒排放量减少，发动机的输 出功率增加，油耗降低。图36示出了喷射压力、喷孔数和气门结构对柴油机 NOx和微粒排放的影响。1SW 的 Q Q Q000 34io n 12NCWkPh)图3 6喷油系统改进对柴油机排放的影响目前开发的lOOMPa以上的高压喷射装置有直列式喷射泵、凸轮驱动单体泵和蓄压式（含油压驱动式）单体泵三大类。各种不同

42、类型存在的问题列表表3 1各种高压喷射装置及其存在的问题制进厂彖存住问狀直列式啸DKKC(P 973(日本Jfe抽机)啧射省施穂之样圧有限鹽低連创之升生闊难凸粕陋动1GM(知J低速餌之幵医屈难Cummin*( M )CAV(3EJ連度*节短9!囲难Catetpflkr(美)h YaiMr( H )1压嘔动式】 单体SEUFT5(美 BOSCH)1杂1休侯大'7BKM(M)CAV-DVLPHK3J)加压部介变殛Jt握£列再ELlg英电at詞的耐久性欠桂尽管高压喷射目前仍存在上述问题，但可以肯定高压喷射将是柴油机的重要 发展方向。342改进喷油器结构图37所示为日本本田汽车公司采

43、用的一种预喷射式喷油器结构。喷油器 中装有两对弹簧和推杆以取代一般喷油器的单一弹簧和推杆。当油压超高第一弹簧力时，喷油嘴针阀上升，预先喷入极少量的燃油到气缸中， 油压超过第一和第 二弹簧力之和时，针阀上升之全行程，再将主喷油量喷入气缸。主喷射时燃烧室 中已有燃烧火焰，因此主喷射阶段喷雾燃烧迅速， 对于减少起动时的白烟、全负 荷时碳烟及NOx排放具有相当好的效果。由于燃油分成两段喷射，可以降低最高 燃烧压力，因此可以降低发动机的噪音。减少喷油器压力室容积可以减少 HC排放。在喷射结束时，压力室的燃油在 高温作用下受热膨胀进入气缸，其情况与喷注尾部相似。这些燃油在排气门开启 前无法燃烧，结果造成排

44、气中 HC过高，因此现在的喷油器都力求减少压力室容 积以减少HC排放，如图38所示。对喷油器来说，可采用无压力室或减少压力 室容积到最小程度，但压力室容积的减少受喷油器寿命的限制。由于高压油管物理特性的限制，传统的泵一管一嘴系统很难产生较高的喷射 压力，因此可采用泵喷嘴。泵喷嘴就是将油泵和油嘴做成一体的燃油喷射系统。 由于取消了高压油管，燃油的喷射压力可以达到1800bar左右，并且缩短了燃油 喷射的时间，对改善柴油机的排放具有良好的潜力。 采用泵喷嘴的柴油机，由于 在气缸盖上产生很大的压力，对气缸套和气缸盖的刚度要求较高。 另外，高压油 泵的凸轮和曲轴相距较远，对传动系统的刚度要求也较高。这

45、两项要求限制了泵 喷嘴系统燃油喷射压力的进一步提高。-攜二勵F图37预喷射式喷油器W It娅力图38减小喷油器压力室的容积343电子控制喷射系统为提高柴油机的输出功率，节省燃油消耗，降低排气污染和提高加速性能， 现代高性能柴油机的喷射系统已改用电子控制。电子控制与机械控制相比其突出的优点是控制的精确性和相应的快速性。它可以在任何工况下选择最佳喷油量和最佳喷油时刻，从而改善了柴油机的性能。 国外研究表明，用电子控制调速器和喷油定时，可以使全负荷扭矩增加10%燃油消耗率降低5加右，排气烟度下降50%其它排气污染物也有所降低。柴油机电子控制技术与汽油机电控技术有相似之处，都是由传感器、电控单元和执行

46、器三大部分组成，在传感器中，大多数传感器，如转速、压力、温度传 感器、油门踏板传感器都是一样的。电控单元在硬件方面相似，在整车管理系统 的软件方面也很相似，电控单元都朝着集成化、智能化、综合控制化方向发展。 国外汽油机电控技术已经成熟，商品化程度很高，因此大部分传感器和电控单元 已不是难点，但是柴油机的燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力 为汽油喷射的几百倍，甚至上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油喷 射对喷射正时的精度要求很高，相对于上死点的角度位置要求很准确， 这就导致 了柴油喷射的执行器要复杂得多。 从控制对象来看，机械控制是用机械调速器控 制喷油量，机械式提前器控制喷

47、射正时，电子控制不仅控制喷油量、喷油正时， 而且控制喷射速率、喷射压力，所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个 发动机运行工况和环境条件，这势必带来控制的复杂性。因此柴油机电控技术的 关键是执行器，即电控柴油喷射机构。各个国家都在致力于开发研制各种类型的 电控柴油喷射机构，以寻求最佳方案。电控柴油喷射系统有两大类，一类是位置控制，一类是时间控制。从发展的 顺序上讲，首先发展的是位置控制系统。因此，人们称它为第一代柴油机电控系 统，而把时间控制系统称为第二代。位置控制的特点是不仅保留了传统的泵一管 一嘴系统，而且还保留了喷油泵中的齿条、 滑套、柱塞上控制斜槽等控制油量的 传动机构，只是对齿条

48、和滑套的运动位置予以电子控制。 时间控制是用高速电磁 阀直接控制高压燃油。一般情况下电磁阀关闭即开始喷油，电磁阀打开喷油结束。 喷油时刻取决于电磁阀关闭的时刻， 喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。 而传 统的油泵上的齿条、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等均可予以取消。时间控制的 自由度更大。（1）在分配式喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统图3 9为丰田汽车公司在皇冠牌轿车上使用的 2L TE电控柴油喷射系统， 它是在VE分配泵上进行电控的系统。喷油量控制由VE泵滑套位置改变泄放孔开 放时间早晚而定，滑套的移动由电磁阀的铁芯经一根杠杆来操纵。 电磁阀铁芯的 位置，由油门踏板位置传感器及发动机转速传感

49、器的基本信号，加上冷却水温度传感器及进气温度的修正信号经过计算机计算后决定。滑套上装有滑套位置传感 器，以进行回位控制。正时控制用一个电磁阀控制VE泵上原有的高压室和低压室的压差，使活塞运动，改变凸轮的相位，控制喷油正时，也有一个提前器位置 信号传感器作反馈信号，该系统用在丰田 2L型4缸非直喷式柴油机上，该发动 机的标定功率为70.5kw，标定转速为4000r/min，并且已商品化多年。发动机转連 位时JKHl4输生匚EOTr第擴传»ITO输人炖图39皇冠牌轿车上使用的2L TE电控喷油系统德国Boack公司的ECD系统和日本Zexel公司的COVE系统也是在VE分配 泵实行电控，

50、只是采用电磁阀直接操纵分配泵上的滑套， 实现油量控制。其正时 控制与上述2LTE电控柴油机喷射系统相近似。日本的 COVE(系统最早用于五十铃4FB1的非直喷式柴油机上。Boack公司的电控分配泵已用在奔驰 E290直喷式增压柴油机上，该机2.9L、5缸、4气门，标定功率95kw,标定转速4000r/min , 轿车用，全面达到1996年欧洲排放法规要求。(2) 在直列式喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统图310、图311是德国Boack公司在直列泵上采用的电控系统。RE25电子调速器是通过液压伺服活塞推动齿杆运动，实现油量控制。液压伺服活塞由电磁阀控制，它的工作介质为柴油，通过一个电动输油泵

51、同时给喷油泵和RE25的液压伺服系统供油。RE24电子调速器则是通过线性电磁铁推动齿杆运动，与 RE25相比，它的推力较小，但响应速度较快。（3）采用时间控制的电控喷油系统目前以时间控制的电控喷油系统有多种形式，如美国底特律柴油公司的DDEC电控泵喷嘴系统（图312），德国Boack公司EUP13电控单体泵系统（图 313），日本电装公司的ECD-U2系统，美国BKM公司的Sevrojet系统，美国 Caterpillar 公司的HEUI系统的蓄压式电控喷油系统。图310 RE25型电子调速器结构图311 RE24型电子调速器结构Servojet系统是一种共轨蓄压式电控喷油系统， 整个系统如图

52、314所示。 系统中输油泵为一个低压的电动叶片泵。 共轨压力轴向柱塞泵是一个有5个或7 个柱塞的KV型斜盘式轴向柱塞泵，输油压力为 2 10Mpa轴向柱塞泵将燃油送到共轨中，共轨压力由压力调节器根据ECU旨令予以调 节。喷油器是由电磁三通阀控制的蓄压式结构，如图315所示。Servojet系统的工作原理如图316、图317所示。当电磁阀通电时，关 闭了回油通道，共轨燃油进入增压活塞上方，活塞就下行。增压活塞的面积比增 压柱塞的面积大 1016倍，因此10Mpa的共轨燃油在增压柱塞下方增压到 100160Mpa高压燃油通过蓄压室单向阀进入喷油嘴存油槽和针阀的上部。此时针阀由于针阀尾部的压力和喷油

53、嘴弹簧的压力不会升起喷油，如图316。当电磁阀断电而打开回油通路时，如图 317,由于三通阀联动作用，共轨燃油不能进入增压活塞上方，增压活塞上方的燃油通过回油管道而泄压。 增压活塞和增压 柱塞上行，导致增压柱塞下方和针阀尾部上的油压也降下来。蓄压室中的高压燃 油通过喷油嘴存油槽作用在针阀上使针阀向上抬起，实现高压喷射。喷油始点取 决于电磁阀打开的时刻，而喷油量却取决于共轨中的油压。Servojet系统由于采用中压共轨，电磁阀所承受的燃油压力较低，使电磁 阀结构简化。同时该系统可实现高压喷射，短的喷油持续期，喷油正时和喷油量图312 DDEC电控泵喷嘴系统图313 EUP13电控单体泵系统进气站

54、压力smi入井轨压力 骑向斟障n：（曲辭压霽r帰勤W孔入 砂幟锄入J 7气空气iMf耐入U軸剜歸令酗粼压力|1|图314 Servojet 系统示意图tx->«*#-llll图315 Servojet 带电磁阀的蓄压式喷油器Ml共做塔压活雪回袖经塔压后的油进入青压空増压善压室4AA 善压室针書曲于针曲 尾郁的压 力 «I*MF M4力忻员餐团图316 Servojet 系统工作原理图A 电lMf电增压压力下 ttNM*压力下暉WEE%草向坍O图3-17 Servojet 系统工作原理图B着压室痂釁美国Caterpillar 公司的HEU係统也是一种中压共轨电控喷射系统

55、，如图318所示。它的共轨中不用燃油而用柴油机的润滑油，因此系统中有润滑油和 燃油两套油路。图 318 Caterpillar 公司的 HEUI系统3.5燃料的改良3.5.1燃料的改质燃料的品质影响燃烧过程，因此直接会影响污染物的排放。从减少柴油机颗 粒物排放观点看柴油的品质时，以含硫量、芳烃含量、挥发性、十六烷值等项较 为重要。有关研究表明，柴油机微粒排放中有5%10是由于柴油中硫所形成的硫酸和以微粒形式存在的多种金属硫化物（硫酸盐等）引起。硫酸会加剧气缸磨损， 降低柴油中硫含量可以延长发动机使用寿命，减少排放污染物。为了达到美国 1991年排放法规，需使用含0.1%硫的柴油，而要达到年排放

56、法规，柴油中含硫 量必须降低到0.05%。柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。芳烃着火性较差，在燃烧时容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。根据Caterpillar/Mobil研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的29%降低到17%寸，微粒排放量可减少 30%同时由于芳烃含量降低会使十六烷值提高，对 提高柴油机的冷起动性能、减少 HC和NOx排放也有很大作用。柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。 芳烃着火性较差，在燃烧时 容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。 根据 研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的降低到时， 微粒排放量可减少同 时由于芳烃含量降低会使十六烷值提高， 对提高柴油机的冷起动