武汉理工大学内燃机排放检测与控制试题(本)

武汉理工大学考试试题

课程名称内燃机排放检测与控制

(共1页，共7题，答题时不必抄题，标明题目序号)一、问答题(60分)1、重载车用柴油机排放控制标准历经欧I、欧II、欧皿、欧W等，满足今后较为严格的法规要求如欧W或欧V,有两条基本技术路线，请分别解释其应用原理并分析其优缺点。(10分)答：目前国际上柴油机排放控制的两个主流技术路线(SCR和(EGR+DPF))。SCR原理：SCR装置依据NO还原基本原理，将尿素与水以适当比例混合，喷入废气中，能将废气中的NOx还原成氮气(N2)和水(H2O)，其化学反应方程式如下：CO(NH2)2+2H2O2NH3+CO2+H2O4NH3+2NO2+O23N2f+6H2O，4NH3+4NO+O24N2f+6H2O尿素泵将尿素柜中的尿素液泵入计量器中，形成具有一定压力的尿素液待用。计量器收到控制中心的指令后，提取一定量的尿素液与压缩空气混合形成初步雾化尿素并通往喷枪，多余的尿素液返回尿素柜。同时按尿素量的多少选取一定比例的压缩空气，经另一管道通往喷枪。在喷枪里初步雾化的尿素与压缩空气进一步混合形成尿素雾，喷入排气管。在排气管的混合区，尿素已分解成NH3和H2O并与烟气充分混合，然后进入SCR反应装置。SCR装置的催化剂作用使NH3将迅速还原为N2和H2O,随烟气排入大气。在SCR中设有两层由一块块催化砖整齐排列的催化层。催化砖是将催化剂拌入耐温材料中，做成有透气小孔的砖块，保证排气流通顺畅，尽量减少阻力，降低排气压力。同时又扩大了流通面积，保证混有NH3的废气在通过催化层时，能更多地接触到催化剂，使排气中的NOx得到充分还原。EGR基本原理：EGR正是一种通过降低缸内最高燃烧温度以及缸内混合气中O2的体积分数，破坏NOx的生成环境，从而降低NOx排放的技术。同时，应用EGR并不会使发动机的指示指标及HC、CO排放指标有太大的恶化。通常，EGR降低NOx排放的原理有以下3种解释：比热容论在发动机的可燃混合气中掺入一部分CO2，H2O和N2等惰性废气，前两者的比热容均高于新鲜混合气。稀释论EGR对NOx的影响是由于增加了混合气中惰性气体量，一方面使气缸内的02体积分数下降；另一方面惰性分子降低了链式反应的速率，使燃烧的绝热火焰温度降低，从而使NOx的生成量下降。电火炉或着火延迟论对柴油机而言，EGR系统改变了混合气的组分，因而延长了着火延迟，从而降低了缸内最高燃烧温度，促使NOx排放下降。3）优缺点比较：对比项目SCR技术EGR技术燃油经济性降低6%增加2%燃油喷射压力相对较低相对较咼燃油喷射时间提前滞后机油含碳没有问题有问题对硫敏感度不敏感，可接受500ppm敏感，不能高于50ppm对封装要求高低原国III发动机结构保持不便改变是否需要EGR系统不需要需要是否需要尿素系统需要不需要是否需要低硫油（50ppm）不需要需要注:其中绿色部分为明显的技术优势,黄色部分为相对的技术劣勢。2、点燃式与压燃式内燃机之间在CO,HC和NOx生成机理方面有何异同？（10分）答：（1）一氧化碳COCO是HC燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占的时间足够长，CO会氧化成CO2。点燃机中可燃混合气成分不均匀会导致CO大量生成；在多缸发动机中，各缸间空燃比的变动是CO排放增加的一个原因。点燃机怠速运转时，缸内残余废气很多，为保证燃烧稳定，需要加浓混合气，因而排放大量CO。这是常规的均匀混合气点燃机总的CO排放量很大的一个主要原因。压燃式发动机的特征是燃料与空气混合不均匀，虽然其平均表现的总过量空气系数在大多数工况下都在1.5以上，但仍有相当大的CO排放。当柴油机负荷很大接近冒烟界限（pavl.5）时,CO排放增加很快，这是因为燃烧室中局部缺氧地区增加。当柴油机负荷很小即pa很大时，燃烧室内温度过低的地方可能增加，可能产生CO。（2）碳氢化合物HC点燃式内燃机的未燃HC的生成和排放有三个渠道：排气在缸内工作过程中生成并随排气排出，主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的HC燃料。在二冲程汽油机中，由于用汽油空气混合气对气缸扫气，部分混合气从扫气口流入气缸后直接进入排气口，导致排气中HC含量比四冲程机大好几倍。增压四冲程汽油机的HC排放量也比较高，其中一部分来源于气门叠开时的扫气。曲轴箱从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏人曲轴箱的窜气，含有大量HC,如果排入大气也构成HC排放物。蒸发从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统，即燃油箱、化油器、燃油管接头等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。均匀混合气点燃式发动机中未燃HC的生成机理主要涉及下述多种机理：壁面淬熄发动机的燃烧室表面温度比火焰低得多，对火焰的迅速冷却（称为冷激效应）使火焰中产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，导致化学反应变缓或停止。结果，火焰不能一直传播到燃烧室壁表面，而在表面上留下一薄层未燃或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。在冷起动、暖机和怠速工况时．因壁面温度低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及用较浓的混合气使HC的后期氧化作用减弱，因此壁面淬熄是此类工况下HC排放的重要来源。狭隙效应发动机燃烧室中有各种很狭窄的缝隙，气缸内压力升高时，可燃混合气挤入各缝隙中。因为缝隙具有很大的面容比，挤入的气体通过与温度较低的壁面的热交换很快被冷却。在燃烧过程期间缸内压力继续升高，又有未燃气进一步挤入各缝隙。当火焰前锋面扫到各缝隙时，由于淬熄作用不能在缝隙中传播。当火焰在缝隙口被淬熄后，火焰面后的已燃气也会继续挤入缝隙，直到缸内压力开始下降为止。当缝隙中的压力高于气缸压力时，陷入缝隙中的气体逐渐流回气缸。但这时气缸内的温度已下降，氧的含量也很低，流回缸内的可燃气再氧化的比例不大，大部分原封不动排出气缸。润滑油膜的吸附和解吸在进气期间，覆盖在气缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜被在环境压力下来自燃油的HC蒸气所饱和。当缸内燃气中的HC含量由于燃烧几乎降到零时，油膜中的轻质HC即向已燃气解吸，只有一部分燃油蒸气被氧化，其余部分则成为HC排放源。燃烧室中沉积物的影响发动机运行后会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物，会增加未燃HC的排放量，其作用机理相当复杂。除了上述多相因素外，大容积淬熄也是产生未燃HC排放的一个来源。此外，发动机缺火会造成未燃HC排放脉冲性地急剧增加，所以点火系统的可靠性对减少HC排放是至关重要的。柴油机排放的HC完全由燃烧过程产生，其中没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。对于柴油机来说，由于它是短促喷油后压燃，燃油滞留在气缸内的时间比汽油机短得多，因而受上述多相因素影响较小。但燃油喷注与周围空气形成的混合气很不均匀，在喷注核心，混合气过浓，但在接着的继续混合过程中会逐渐稀化，先后进入正常燃烧，不致引起很多的HC排放。但在喷注的外围，来不及着火就可能形成过稀的混合气，其中的燃料可能始终不能完全燃烧，成为未燃HC的排放源。喷油器嘴部的压力室容积对柴油机HC排放有很大影响。现代柴油机的喷油系统力求把燃油均匀分布在燃烧室空间中，但燃油喷注与燃烧室壁面的碰撞不可能完全避免。在正常运转时，由于燃烧室壁面温度较高，燃油油膜能及时蒸发，但在冷起动时，会导致严重的HC排放（起动排气冒“白烟”）。（3）氮氧化物点燃式内燃机的过量空气系数0a既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中氧的含量，所以对NOx的排放影响很大。这时已燃气体的温度在对应Qa~0.9的略浓混合气下达到最高。不过这时氧浓度低.抑制了NO的生成。当Qa提高时，氧增加的效果抵消温度下降的效果而有余。因此，NOx排放量的峰值出现在Qa"l.l的略稀混合气中。如果Qa进一步增加，温度下降的效果占优势，导致NOx生成量下降。因此，稀薄燃烧是降低点燃机NOx排放的重要手段。压燃式内燃机与点燃式内燃机的情况一样，气缸内达到的最高燃烧温度也控制NOx生成量的最重要因素。NOx排放随柴油机负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大，可燃混合气的平均空燃比a减小，使最高燃烧温度提高。喷油正时对柴油机燃烧过程有很大影响。推迟喷油使最高燃烧温度和压力下降，燃烧变得柔和，NOx生成量减少。采用EGR也是降低柴油机NOx排放的重要手段。3、如何缓解柴油机微粒排放与NOx排放之间的矛盾？（5分）答：柴油机采取一些技术措施，可以同时降低NOx与PM,如采用增压中冷、高压喷射、电子控制、排气后处理等措施。一般地，控制NOx和PM排放的技术措施采取折衷的方法。在柴油机微粒排放控制中，应遵循先机内净化，后机外净化的原则，集多种控制技术共同作用。对于越来越严格的排放法规，柴油机微粒排放后处理技术显得尤为重要。现阶段，柴油机排放主要的控制技术可以分为机内处理技术和机外处理技术。柴油机同时降低NOx与微粒的控制技术具体如下。（1）柴油机进气预混甲醇降低碳烟与NOx排放组合燃烧是指在同一台发动机上，按照最优性能的需要，采用不同的燃烧模式。例如：在起动、暖车及小负荷工作时，发动机以纯柴油工作，实行扩散燃烧；在中高负荷时，由柴油引燃缸内的甲醇均质预混合气，进行准均质混合气压燃燃烧。由于柴油着火性好，使发动机的冷起动性和暖车不受影响，而甲醇具有高汽化潜热并含氧，可以降低进气温度和加快燃烧，因此采用组合燃烧将可以实现同时降低碳烟和NOx排放，并达到替代部分柴油的目标。喷醇降低发动机NOx排放的效果是肯定的，但喷醇点应适中。过早则大负荷时NOx排放高，过迟则NOx起始点浓度高。另外，如喷醇时刻过早，尽管柴油替代率高，但发动机难以达到原机的功率水平，增加喷醇量不仅会使经济性恶化，而且排放也恶化，尤其是未燃HC排放增多。所以追求过高的柴油替代率对发动机的综合性能不利。此外，不同转速下甲醇喷入量要求也有差异。（2）等离子体在同时去除NOx和碳烟催化反应中的作用有研究发现，将等离子体和催化剂结合，等离子体可增强催化剂选择性，对柴油机排气中的NOx有很好的净化效果。等离子体产生的活性物种可用来去除碳烟。由于等离子体的作用，提高了催化剂同时催化去除NOx和微粒（soot）的催化反应活性，降低了碳烟的燃烧温度，也提高了NO转化为N2的效率。另外，等离子体催化作用使反应朝着有利于生成CO2的方向进行。同时，等离子体作用使得NO在和O2共存、只有NO和只有O2存在的各种情况下，碳烟的催化燃烧活性有不同程度的提高，促进了N2的生成。NO和O2共存预示着在富氧条件下，等离子体辅助催化在同时降低NOx和微粒排放的有效性。（3）微粒陶瓷过滤器和EGREGR能将部分废气引入进气管道，与新鲜空气混合进入柴油机的燃烧室，降低了混合气燃烧后的最高温度，稀释了混合气中的O2浓度，从而抑制了NOx的生成，有效降低了NOx的排放。微粒过滤技术将是最终实现柴油机微粒排放控制的最为有效和简单的技术之一。他的机理为：由于微粒粒径小、重量轻，能长时间悬浮在大气中。当柴油机排放出来的废气流经过滤器时，微粒就会被收集在过滤器的滤芯中，剩下较清洁的排气。由微粒过滤器出口引出的再循环废气从空气滤清器前面导入进气管，这样，空气滤清器就给柴油机提供第二级保护，防止了在微粒过滤器破损时未经完全过滤的废气直接进入进气管。再循环废气由排气管与进气管间的压力差驱动。中冷器降低了气体的温度，一方面使进气充量温度降低，以免引起进气充量下降，同时也有利于氧传感器的可靠工作。空气流量计测量新鲜空气量的下降，并据此计算EGR率。氧传感器测定空燃比a经计算处理后用于决定EGR阀的开度。EGR阀由步进电机驱动。（4）SCR和DOC,DPF的综合应用对于以氨气（NH3）和氨水（NH4OH）为还原剂的SCR而言，在有催化剂的条件下，工作温度为200°C〜400°C时，其化学反应方程式为：4NO+4NH3+O2—4N2+6H2ONO+NO2+2NH3—2N2+3H2O6NO2+8NH3—7N2+12H2O反应机理是：氨（NH3）在一定温度下离解成胺（NH2）和氢离子，氢离子再与氧反应生成水，而胺与NOx反应生成N2。目前利用尿素作为还原剂的技术比较成熟。用尿素作为还原剂与氨作还原剂相比，在保持同样活性条件下，易于处理，绝对无毒。尿素一般要先溶于水，然后再喷入排气管，尿素在排气管中热解和水解后，提供所需的氨。反应过程可表达为：（NH2）2CO—NH3+HNCOHNCO+H2O—NH3+CO2然后再以NH3为还原剂进行下一步反应。利用氨（NH3）作为还原剂的SCR存在着NH3泄漏，NH3对运输设备的腐蚀等问题；以HC作为还原剂的SCR，NOx转化率低，N2选择性差，易生成N2O；吸附——催化还原的关键是提高吸附剂对NOx的吸附容量和抗SO2及CO2的能力。国内同时降低NOx与PM的途径主要是用同时去除NOx与PM的催化剂、低温等离子体协同催化还原技术以及其他诸如四元催化转化器等技术。同时去除PM和NOx的思路是：在反应管道中串连两种催化器DOCC和DPF，分别装载氧化催化剂（DOC，用于氧化颗粒物）和还原催化剂（DRC，用于还原氮氧化物同时净化颗粒物）。当今国际上,DOC在柴油车排气净化上已经较成熟了oDOC主要是氧化除去排气中的CO、HC和PM中的轻组分（SOF），然后利用另一类催化剂，即DRC，它可在400C以下，将NO氧化成NO2，而NO2对PM有较强的氧化性，能将碳烟的燃烧温度从600C降低至200C左右。4、简述国际海事组织（IMO）对船舶柴油机排放污染的控制要求（分SO2；CO2；NOx三方面）（10分）答：（1）氮氧化物规则13规定2000年1月1日以后建造的所有安装于船上的有效功率大于130kw的船用主机,其N0x（氮氧化物）平均排放量必须小于某一极限，该极限随柴油机转速n而定，①当n〈130rpm时,排放是17g/kWh；②当130rpmWnV2000rpm时，排放是45xn心g/kWh。③当n三2000rPm时,排放是9.84g/kWh。表S-2柴油机FSQ排放眼制值（零级I）转逮找叭rpm）氏0.隈制值儿呂・（kw・h〉T_£沁170130—1&99溯0009.8 'S-3精油机池排放很制值］等级业）转殛rpim|N(\限題值ZU■(W・h)T」^13014.SfiISU--J伽44XJi-0-磅^2000匚筋轰松T柴油机N（b排就限定值〔等蜒IU）转速/fr』,rpm)NO限定佰儿岂・fkw・h厂叮Ml汕3_4U0—1:>200D1.D6（2）SO2规则14规定，待法规开始生效时，对柴油机燃用的燃料油有强制性的规定，2000年1月1日后不允许燃烧含硫份超过4.5%的燃油；从2012年1月1日开始，燃油的含硫量规定减小为3.5%（质量比），到2020年1月1日进一步减小到0.50%（质量比）。此外，还提出了S0x（硫氧化物）控制区域问题，在该区域（SECA）内硫份不得超过1.5%或者必须对废气进行处理使SOx排放量在6g/kWh以下【即在油耗为200g/（kWh）时，排放的含硫量相当于使用含硫量为1.5%质量比的燃油】，现仅波罗的海及北海地区己规定了控制区，其他区域尚未作出规定。从2010年1月1日起含硫量标准减小到1.00%，到2015年1月1日将进一步减小到0.10%（3）CO2海洋环境保护协会（MEPC）认为IMO关于温室气体排放应该包括京都议定书中所有的温室效应气体。MEPC对船舶CO2排放的控制根据船舶的情况分为两种：新造船舶实行新船能效设计指数（EEDI）,对已有船舶实行能效运行指标（EEOI）。经多次讨论，MEPC在2009年7月召开的MEPC第59次会议上，就船舶二氧化碳排放，即能效设计指数、能效运行指标、基线以及减少CO2排放控制方法达成协议。其中两个指标均需要根据实际船舶情况通过公式计算得到。5、EGR降低内燃机NOx排放的原因为何？增压柴油机的EGR系统有何困难？如何克服？（15分）答：采用EGR时可以使柴油机NOx排放降低，其原因除了由于大量惰性气体阻碍了燃烧的快速进行以及混合气的比热容增大使燃烧温度降低之外，EGR对进气加热和稀释造成的实际过量空气系数下降也是重要原因。EGR能将部分废气引入进气管道，与新鲜空气混合进入柴油机的燃烧室，降低了混合气燃烧后的最高温度，稀释了混合气中的O2浓度，从而抑制了NOx的生成，有效降低了NOx的排放。增压柴油机高压回路中排气压力低于进气压力时，废气就不能顺利进入进气管，目前解决这个问题的方法包括内部EGR法，在进气管安装节流阀装置，在排气管处安装加压装置，在进气管内安装文丘里管，利用进排气压力波动等，在进气管内安装文丘里管是一种简单且效果显著的解决方法。在现代增压柴油机中，由于涡轮增压器效率的提高，增压器后的进气压力在很多工况下高于增压器前的排气压力，造成EGR困难，至少不会获得足够高的EGR率。通常可以采取以下措施来解决：用节流阀对进气进行节流，它可降低柴油机前的进气压力，可使EGR率大为提高；但会增加柴油机的泵气损失，降低发动机的经济性。在进气系统中装一个文丘里管，他可以提高EGR的有效压差，从而扩大EGR率的可调范围。由于文丘里管喉口下游可得到部分的恢复，压力损失可以减小。调节文丘里管的旁通阀可改变EGR的有效压差。用专门的EGR泵，用泵强制进行EGR,具有最大的灵活性。但由于泵的流量要求很大,机械驱动泵显然过于庞大昂贵。用可变喷嘴增压器（VNT）,它可能为实现增压柴油机的有效EGR开辟一个新途径。前面已经提到，用普通涡轮增压器实现足够的EGR有困难。试验表明：用普通的涡轮增压器时，只能在部分负荷下火的10%左右的EGR率；用可变喷嘴涡轮增压器时，柴油机大负荷时可以通过减小涡轮喷嘴流通面积来提高排气压力，进而增大大负荷领域的EGR率。6、除了采用低硫燃油，船舶柴油机如何控制排气中硫化物排放，简述其应用原理。（10分）答：MARPOL附则W对船用燃油含硫量进行了限制，含硫量不能超过规定值得上限。但是，目前质量比高达4.5%的含硫量上限，仅对极小一部分燃油有影响甚至都不需要通过混合燃油来降低含硫量。相反，为满足SOx控制区内较低的质量比为1.5%的含硫量限制，需要采取措施，控制含硫量。一种方法是使用低硫渣油，另一种是使用柴油或混合油。对于第一种方法，在炼油工序中加入脱硫工序，可以生产低硫渣油，或者可以利用几种燃油混合形成满足硫含量要求的燃油。以上是控制硫化物排放的机内措施，机外措施如下。船舶发动机排放SOx处理的情况和NOx类似，最有效的是选择性催化还原法。海水洗涤技术作为一种较新的SOx吸收技术应用在船舶上，该技术建立在海水是碱性的基础上。同样，类似的吸收SOx的方法在陆地固定源硫排放的处理上已经应用了多年，但陆地上使用的基于烟道去硫方法（湿式、干式或碱化去硫），并不是挺船舶的情况，这些方法