（动力机械及工程专业论文）便携消光式烟度仪的研究.pdf

天津人学硕士学位论文 ，扣文摘要 中文摘要 车用内燃机的废气排放是大气污染的主要污染螈之一。为保护人燕的生存 环境，世界各国制定了日益严格的限制发动机排放的法规和限制标准。为了更 好的配合法规标准的宴施，需要各种榆测仪器来对发动机的各种有害排放物进 行严格的检测和控制。本文对发动机的有害排放物的形成及其危害憾r 分斩， 深入研究了发动机排烟的生成机理与影响因素。基于仝流消光原理，本文研究 玎发了一种便携消光式烟度仪。浚烟度仪利用光电传燧装置将烟度转换为电倍 号通过放大整形电路进行处理，熟后经a i d 转换电路转换为数字信号，由单 片机将数字信号直接转换成烟度值实时显示出来。通过对该烟度役进行静态零 漂试验和发动机校验试验，以此来检验该仪器的各项性能。试验表叫，陔烟度 仪能够：丌三确进行烟度检测，但是稳定性还需要进一步的提高，以满足精度要求。 关键词：便携消光式烟度仪单片机 奎鲨盔堂堡主羔垡笙塞 英立摘鬻 a b s t r a c t e x h a u s te m i s s i o no f v e h i c l ee n g i n e si so n eo f t h ep r i m a r ya i rp o l l u t i o ns o t l r e e s i no r d e rt o p r o t e c tt h eh u m a ns u r v i v a le n v i r o n m e n t ，m a n yc o u n t r i e se s t a b l i s h e d i n c r e a s i n gs t r i c ts t a t u t e sa n dr e s t r i c t i v es t a n d a r d st ol i m i te m i s s i o no fe n g i n e s a s s o r t i n gw i t ht h ea e t u a l i z a t i o no fs t a t u t e sa n ds t a n d a r d s ，a l lk i n d so ft e s t i n g i n s t r u m e n t sa r ea p p l i e dt ot e s ta n dc o n t r o ld e l e t e r i o u se m i s s i o n sf r o me n g i n e s s t i i c t l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef o r mo fd e l e t e r i o u se m i s s i o n sa n dt h e i rh a r m s ， t h e nt h ep a p e rd i dd e e pr e s e a r c hi nt h ei n b o r nm e c h a n i s ma n da f f e c t e df a c t o r s0 1 1 t h es m o k ef r o me n g i n e s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff u l lf l o we x t i n c t i o n ，t h i sp a p e r e x c o g i t a t e dap o c k e t a b l eo p a c i t ys m o k e m e t e r t h i si n s t r u m e n tt r a n s f o r m e dt h e s m o k ed e n s i t yt oa l le l e c t r o n i cs i g n a lt h r o u g hp h o t o e l e c t r i cs e n s o r s t h es i g n a lw a s t r a n s a c t e di na m p l i f i e ra n ds h a p i n gc i r c u i t s ，t h e nt h ew o r k e ds i g n a lw a st r a n s f o r m e d t oad i g i t a ls i g n a l t h r o u g ha dt r a n s f o r mc i r c u i t 。r h es m o k ed e n s i t yv a l u e c a l c u l a t e df r o mt h ed i g i t a ls i g n a lw a sd i s p l a y e di nr e a lt i m eb yt h es i n g l ec h i p s t e a d ye x c u r s i o ne x p e r i m e n ta n de n g i n ev e r i f i e de x p e r i m e n tw e r ed o n ei no r d e ri o t e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i si n s t r u m e n t t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h i s p o c k e t a b l eo p a c i t ys m o k e m e t e rc o u l dt e s tt h es m o k ed e n s i t yp r o p e r l y b u tt h e s t a b i l i t yo ft h i si n s t r u m e n ts h o u l db ei m p r o v e dt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to ft h e p r e c i s i o n ， k e yw o r d s ：p o c k e t a b l e o p a c i t ys m o k e m e t e r s i n g l ec h i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文足本人在导师指导下进幸亍的研究一i ：作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包宙为获得墨鲞盘壁或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；杰五签字吼卯4 年占月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘茔有关保留、使用学位论文的划定。 特授权叁盎盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有蓑数撼庠进行检 索并采用影印、缩印或扫描等复伟4 手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校 向国家有关部1 。 或机构送交论文竹复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做储鹕：盏纽 j 签字日期：) 卯平年占月，p 目 导师签名舻岛 签字日期少中年川口习 天津犬学硕士学能论文第一章结论 第一章绪论 随着经济的发展，环境污染闷题变得日益突出，各个国家都开始重视环境 污染对人类生存发展的危害，并纷纷制定了各项环保法规来对付只益严重的环 境污染。在各种污染问题中，车用发动机的排放是造成环境污染的一个重要阑 素。全球因燃烧矿物而产生的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物 ( n o x ) 和颗粒物的排放量，几乎5 0 来自汽油机和柴油机。在城市的中心， 特剐是在拥挤的街道上，车辆交通是造成空气中c o 含量的9 0 9 5 、和h c 含量的8 0 9 0 以及大部分的颗粒物的原因【1 】。对此，国家通过制定相应的 法规对车用发动机中有害于人体和环境的各种排放物进行了严格的限制和治 理。 所以，科学准确的检测车用发动机的排放物就成为了综合治理排气污染、 保护环境的一个重要组成部分。本文所做的课题是研究一种对主要污染物中的 颗粒物( 可见污染物) 进行有效准确检测的仪器设备。 1 1烟度标准 车用发动机的排放中的可见污染物主要是烟度。1 9 8 3 年，国家颁布了一系 列柴油机和柴油车排放限值和测试方法的标准，包括有：g b 3 8 4 3 8 3 柴油车 自由加速烟度排放标准、g b 3 8 4 4 。8 4 汽车柴油机全负荷排放标准、 g b 3 8 4 6 8 3 柴油车自由加速烟度测量方法、g b 3 8 4 7 8 3 汽车柴油机全负 荷烟度测量方法。该系列标准的发布对控制柴油车和汽车柴油机的排气烟度， 促进汽车厂商提高技术水平，保护大气环境起到了重要的作用。在上面的标准 中，首次明文规定了烟度的定义：烟度是一定容量排气所透过的滤纸的染黑度。 同时也规定了“采用滤纸式烟度仪”作为检测仪器。1 9 9 3 年，国家对上述系列 标准作了修订，颁布了：g b l 4 7 6 1 6 - 9 3 柴油车自由加速烟度排放标准、 g b l 4 7 6 1 7 9 3 汽车柴油机全负荷排放标准、g b 3 8 4 6 9 3 柴油车自由加速 烟度的测量滤纸烟度法等标准，主要是向国际标准草案靠拢，对烟度单位、 定义、试验方法等都作了新的规定，在这些标准中，我们可以看到都是舰定采 t - 天津太学硕士学位论文第一章绪呛 用滤纸式烟度仪作为测试依据。 随着我国汽车工业的迅速友展，柴油车的保有量迅速增力旺，其烟度排放对 大气环境的污染越来越严重。由于上述标准限于历史原因，还存在着根多不完 善的地方，影响了我国汽车工业的进一步发展。因此，我国在1 9 9 9 年发布了 新的国家标准g b 3 8 4 7 1 9 9 9 压燃式发动机和采用压燃式发动机的车辆排气可 见污染物限值及测试方法。该标准规定采用不透光烟度披代替滤纸式烟度仪 主要适合于汽车制造厂对柴油车和柴油机的括气可见污染物进行检龌归。 同时这几年我国的摩托车工业发展突飞猛进，已经成为世界摩托车保 有量最大的国家。在这之中，二冲程摩托车占了很大的比倒。我们知遂_ 二神程 摩托车中润滑油参与燃烧，造成二冲程摩托车排蛹严重。其排烟主要是参与燃 烧的润滑油和碳质微粒组成，其中润滑油占9 5 这就造成了二冲程摩托车严 重的排烟污染【3 】。对此，国家相关部门已经开始制定相关的i 击规标准摩托车 和轻便摩托车排气可见污染物限值及测试方法不久以后蒋会正式颁布。 1 2 烟度仪的发展过程 烟度仪作为一个检测车辆捧敢的测试设备，随着法规标准的变化不断的发 展。到目前为止，烟度仪可以按测量原理分为三大类：滤纸 去、消光法和重量 法，常用豹是前两类。其中消光法测量中又可以分为分流式和全流式忡j 。 目前世界上各国和地区对烟度排放制定了不同的限值标准和测量仪器。采 用滤纸式烟度仪的有日本、韩国等：采用全流式耀度仪的有美国、台湾等：其 余地方一般都采用分流式烟度仪，像欧洲、东南亚等国家瞬i 。我国一直以采是 采用滤纸式烟度仪，但是为了使排放法规和国际接轨，2 0 0 0 年开始实施的新标 准规定对压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆的排气司见污染物采用取样 或全流式烟度仪。 滤纸式烟度仪咀b o s c h 烟度坟为代表目前在有些地方仍拣在使用。滤纸 式姻度仪的特点是结构简单、造价低廉。它是通过话塞式的抽气泵帆排气管中 抽取定容体积的排气气体并使它通过一定面积的洁白滤纸，于是排气中的碳 粒就附着在滤纸上，而使滤纸染黑，然后用光电装置测量滤纸上的碳粒的吸光 率，用吸光率的大小来表示烟度，这种烟度仪有德国8 0 s c h 公司的e f m 6 5 型、e f a w 6 5 a 型日本的g s m 一2 a ，国内自行研制的f q d l 0 2 型、f q d l 0 3 皇 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 型以及f b y - 1 型等。但是滤纸式烟度仪只能测量稳态下的以碳质颗粒为主的黑 烟，不能够测量由于发动机不完全燃烧等原因造成烟度，而且在低烟度测量玎寸 灵敏度低，在高烟度的时候由于碳粒在滤纸上多层重叠，使得测得的烟度和碳 烟浓度没有线性关系。从现在来看，尽管滤纸式烟度仪应用很广泛，但是随着 新标准法规的执行，将会逐渐被消光式烟度仪取代。 消光式烟度仪则是利用烟气对光的吸收作用，通过测量光从烟气中的透光 度来测量烟度。首先是将排气全部或部分导入一定长度的烟气通道中，然后用 光电检测装罨发出一柬标准光线，穿过烟柱，光线透过不同烟柱后的强度不同， 所以光电传感器生成的电流也不同，这样，根据电流的不同我们可以获得不同 的烟度值。消光式烟度仪不仅仅能够测量碳烟的烟度，还能测量排放气体中的 水汽和油雾等成分形成的排气烟度( 白烟和蓝烟等) ，确应时间短，能够实 见连 续测量【5 】。 通过上面的介绍，我们可以知道，消光式烟度仪比滤纸式烟度仪有很多优 势。早在上世纪六七十年代，国外就研制并开发出了消光式烟度仪，像英阁的 h a r t r i d g e 烟度仪，同本的n w 型烟度仪。不过，由于相对于滤纸式烟度仪，消 光式烟度仪价格比较昂贵，而且没有滤纸式烟度仪使用简单。所以在排气检测 的初期，滤纸式烟度仪使用非常广泛。但是随着技术水平的发展，滤纸式烟度 仪不断暴露出它的缺点，很多国家萍始墓视消光式烟度仪的研究出现了很多 消光式烟度仪，像德国西门子公司的v a s5 0 6 9 型烟度仪、瑞士p r o t e c 公司 的d q2 6 0 0 s 、d q2 7 0 0 型烟度仪，奥地剥a v l 公司的a v l 4 3 8 、a v l4 3 9 型 烟度仪。由于欧洲的标准采用了分流式烟度仪，所以欧洲公司研制的烟度仪基 本上分流式消光烟度仅：而美国采用了全流式烟度仪作为标准测量仪器，所以 在美国研究更多的是全流式消光烟度仪，像w a g e r 公司的6 5 0 0 、7 5 0 0 系列烟 度仪。 国内大约在上世纪9 0 年代初开始了消光式烟度仪的研制，主要是参考国外 研制成功的用于柴油机烟度测量的全流消光式烟度仪。因为相对于分流消光式 烟度仪来说，全流式烟度仪在结构上要简单，但是全流式烟度仪由于是实时测 量，所以对系统的稳定性要求很高。像北京医用天平厂、湖南湘仪等有过类似 的产品，不过由于种种原因没有在市场上耿得成功。到了9 0 年代朱期，随着 国内的一些厂家开始引进国外技术，使得国内的烟度仪研究水平有了很大的提 高，出现了很多分流消光式烟度仪，像佛山佛分生产的f t y - 1 0 0 型不透光烟度 3 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 仪，厦门海腾的a v l4 0 0 0d i s m o k e 不透光烟度及放障分析仪，天津圣威的 s v - 2 y 不透光烟度仪。分流消光式烟度仪是对排气进行采样，把排气在采样时 刻看作是均匀分布的气流，这样就对实际作了“近似”。当然随着技术的发展， 这种“近似”在误差程度上已经能够满足要求。同时，在采样的过程中，需要 保持采样的一致性，这对操作的要求比较高。另外分流式烟度仪随着使用时问 的变长，烟尘会累积在烟室中，当达到一定程度后，会影响测量的精度，这就 需要在结构设计上采用各种措旌来解决【5 】。 全流消光式烟度仪更能科学全面地反映被测排烟的实际成分和动态，这是 因为发动机的排烟气流实际上不是均匀的，在不同的时刻，每个气流截面都刁； 一致，全流式烟度仪对通过烟道的全部排烟进行实时的检测，能够真实的表现 出发动机排烟的变化。基于此全流消光式烟度仪是目前最科学的烟度测量仪 器，国外的全流式烟度仪性能不错，但是价格昂贵。不适合中国的国情。国内 对全流式烟度仪开发研制的单位只有少数的几家，天津内燃机研究所研制的 q n 1 型消光式烟度仪是全流式烟度仪，该烟度仪不仅仅能够测量烟度，还能 够在计算机界面上实时的显示烟度变化曲线。 1 3 课题研究内容和结构 本课题要研究的便携消光式烟度仪就是基于全流消光原理，在思路方面借 鉴了q n 1 型消光式烟度仪，目的是在此基础上研制出一种能够实时的对排烟 进行检测的烟度仪，另外，还要保证该烟度仪的便携性，能够方便迅速的进行 排烟检测。 下面简单介绍一下本论文的结构： 首先，对车用发动机排烟的成分、形成枫理和影响因素进行分析。根掘排 烟的特性，给出了一些解决排烟的措施。然后介绍了烟度测量的原理和方法。 第二，便携消光式烟度仪的硬件结构电路设计。 第三，便携消光式烟度仪的控制软件设计。 第四，整个系统的性能评估。通过一系列的实验，对该烟度仪进行性能【j 的评估。并根据该评估，提出合理的改进措施。 天津大学硕士学位论文第二章苹朋发动机烟度研究 第二章车用发动机烟度研究 为了更好的对车用发动机的烟度进行测量研究，我们首先要了解车用发动机 排烟的形成原理。车用发动机使用的燃料主要有液体燃料和气体燃料两大类。液 体燃料包括：汽油，柴油、重柴油、醇类和植物漓等代用燃料；气体燃料包括： 灭然气、液化石油气、氢气等。其中，汽油和柴油占据了主爱份额。根据使用燃 料的不同，车用发动机可分为汽油发动机、柴油发动机、氯发动机等等l ，j 。本章 讨论是针对汽油机和柴油机。 21发动机的有害排放物及其危害 2 1 1 排放污染物的主要成分 随着社会经济的发展车用发动机对大气环境和人类健康的影响愈米愈大， 已经是大气的主要污染源之一。洛杉矾和东京光化学烟雾污染事件。就是由于汽 车排放的h c 和n 0 在大气阳光作用下形成0 ”过氧乙酸基硝酸鼎和各种游离 基根、醛、酮等二次污染物所造成的严重公害。近年束我国的汽车、摩托车数罱 急剧上升，而且出于以前控制不严，鹾期使用含锫燃料，加f 。城市交通不畅，车 辆经常怠速运行所捧出的污染物已经对大气环境造成了严重危害。一些大城市 如上海、广州均已经出现了光化学烟雾 a l 。 总体来说+ 它对大气有以下4 个方面的污染： 1 排气污染。排气污染占发动机总污染量的6 0 以上，其中有害气 ；4 ；：为c o 、 h c ( 碳氢化合物) 、n o ，( 氨氧化台物) 、s o 。( 硫氧化合物) 以及p m ( p a r t i c u l a t e m a f t e r 微粒) 。 2 曲轴箱通气污染。燃烧室漏入曲轴箱的气体和润滑油蒸发物，主要是h c ， 其次是c 0 、n o ，。 3 蒸发泄漏排放污染。供油系统蒸发泄漏的燃料蒸气，基本上是h c 。 4 铅和磷污染。含铅和磷的燃料所造成的污染。由于无铅燃料的采用。这 类污染已经退居次要地位。 娄污染已经退居次要地位。 走津大学硕士学位论文第二章乍硐发动机j 删鹰研究 第二章车用发动枕烟度研究 为了更妊的对车用发动机的烟度进行测量研究，我们首先要了解车用技动机 排烟的形成原理。车用发动机使用的燃料主要有液体燃料和气体燃料两犬类。被 体燃料包括：汽油、柴油、重柴油、醇粪和植物油等代用燃料：气体燃料包括： 天然气、液化石油气、氢气等。其中，汽油相柴油占据了主要份额。根掘馊用燃 料的不同，车用发动机可分为汽油发动机、柴油茂动机、氢发动机等等f l 。本章 讨论是针对汽油机和柴油机。 2 发动机的有害排放物及其危害 2 1 1 排放污染物的主要成分 随着社会经济的发展车用发动规对大气环境和人类健康舶影响愈米惠大， 已经是大气的主要污染源之一。洛杉矾和东京光化学烟雾污染事件，就是由于汽 车排放的h c 和n 0 在大气阳光作用下形成0 3 、过氧乙酸基硝酸赫和各种游离 基根、醛、酮等二次污染物所造成的严重公害。近年来拄国的汽车、摩托车数量 急剧上升而且由于毗前控制不严，长期使用含铅燃料，加上城市交通不畅，车 辆经常怠速运行所排出的污染物已经对大气环境造成了严重危害。一些大城市 如上海、广州均已经出现了光化学烟雾吼 总体_ 柬说，它对大气有以下4 个方面的污染： 1 排气污染。排气污染占艘动机总污染量的8 0 咀上，其中有害气# 为c 0 、 h c ( 碳氢化合物) 、n o 。( 氪氧化台物) 、s o 。( 硫氧化合物) 以及p m ( p a r t i c u l a t e m a t t e r ，微粒) 。 2 曲辅箱通气污染。燃烧室漏_ 八曲轴箱的气体和润滑油蒸发物，主要是h c ， 其次是c 0 、n o 。 3 蒸发泄漏排放污染。供油系统蒸发泄漏的燃料蒸气，基本上是h c 。 4 铅和磷污染。台铅和磷的燃料所造成的污染。由于无铅燃料的采用，这 类污染已经退居次要地位。 5 天津大学硕士学位论文第二二章乍垌发动机划度研究 从上面可以看出，车用发动机的污染主要是排气污染。 对于汽油机来说，其废气中n 2 占7 2 ，c 0 2 占1 7 ，0 2 和其他占9 3 6 ： 有害排放占1 6 4 。在有害排放中，c o 占8 5 ，h c 占5 ，n o x 占8 ，其 它占2 【8 】。 对于柴油机来说，其废气中n 2 占7 5 2 ，c 0 2 占7 1 ，0 2 和其他占1 68 8 ； 有害排放占0 8 2 。在有害排放中，c o 占3 5 4 ，h c 占8 5 4 ，n o x 占3 5 4 ， 其它占2 0 6 6 吼 表2 1 给出了各类排放污染物的比较脚。 表2 1 发动机排放物比较 污染物 c oh cn o 。 s 0 。 微粒 类型 镑氧化物碳姻油雾 四冲程汽油机多中多很少多少少 二冲程汽油机多多少很少多少多 柴油机少少 中 少 无 多 中 l p g 、c n g 发动机少 中中无无 少 无 氢发动机 无无 多 无无无无 甲醇发动机少少少 无无无少 2 1 2 排放污染物的危害 前面已经介绍了主要的排放污染物，下面具体分析一下主要排放污染物的危 害【8 1 。 1 c o 的危害。 c o 是不完全燃烧的产物，是一种无色、无味、无刺激性的气体。c o 与血 液中血红蛋白的亲和力是与氧的亲和力的3 0 倍，人体吸入后，会在血液中取代 氧而形成牢固的血红蛋白，影响氧气输送，使人由于缺氧感到疲劳，引起头晕、 恶心等症状，甚至导致窒息死亡。大气中各种浓度的c o 的毒害见表2 2 。 c o 的另一种危害是促使n o 向n 0 2 转化，使光化学烟雾增加。 6 天津大学硕士学位论文第二章车朋发动帆烟应研究 表2 2 各种浓度c o 对人体的毒害 c o ( x 1 0 - 6 m u l ) 危 害 1 0 使人慢性中毒，贫血，使心脏与呼吸道疾病恶化 3 0 引起麻木或植物神经麻痹 5 0 0 移动身体时会引起呼吸急促和头痛 1 0 0 0 导致死亡 2 h c 的危害。 燃油是由各种碳氢化合物形成的烃类物质组成。大部分烃类化合物坩凡体健 康无直接的影响。h c 是燃烧后生成的多种碳氢化合物的总称其中含响少量醚 类( 甲醛和丙烯醛) 和芳香烃( 最后组成苯并芘) 。每种化合物的量根少， 其 共同作用十分明显。甲醛、稠烯醛具有强烈气味，对彝、眼呼吸道的的粘膜有刺 激作用，可引起结膜炎、鼻彘等。苯井芘是一种致癌物质。另外，碳氧化台物弓 氟氧化物发生光化学反应台形成化学烟雾。 表2 - 3n o ，对人体的影响 浓度( 1 0 苦m u l ) 影响 0 0 2 5 m i n 内多数人能感觉到 0 2 肺的机能减弱肺部有紧缩感，眼睛红疼 0 2 0 53 h - 6 h 内会使视力减弱 0 5 1 0 1 h 内呼吸紧张气喘病恶化 1 - 2 2 h 内出现头露，胸闷、肺活量减少、慢性中毒 5 1 0 全身疼瘸、麻痹、肺气肿 1 5 2 0 小动物2 h 内死亡 5 0 人在仆 内死亡 3 n o 。的危害。 发动机排气中排出的主整是n o 和n 0 2 这类氮氧化物统称为n o 。 n o 是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能生成n 0 2 ，但是商浓度 的n o 对血液有毒性，能使神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛。 7 天津大学硕士学位论文 第二章车用发动机划度研究 n 0 2 是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气体，被吸入肺部时，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。在强烈阳光下还 能发生光化学反应，形成二次污染。 n o 。在大气中几天内就可以扩敞，下雨时可被溶解，其累积浓度不会过高， 其危害虽不如c o 那么严重，但也不可忽视。表2 3 中为n o ，对人体的影响。 4 光化学烟雾的危害 h c 和n o 。混合在一起，在强烈阳光照射作用下会产生一一系列复杂的光化学 反应，产生0 3 ( 臭氧) 和各种化合物。0 3 具有很强的氧化性和毒性，如果空4 i 中0 3 的浓度在5 x 1o _ 5 以上，人在1 小时内就会死亡。化合物中含有甲醛、丙 烯醛、硫酸等，这些化合物会产生毒性较大的浅蓝色光化学烟雾。光化学烟雾会 阻碍视线，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌还能使植物枯篓。 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s 0 2 。s 0 2 是一种无色气体，有强烈气味。具有很强的腐蚀性，会刺激呼吸系统粘膜，引发 喉管发炎。s 0 2 氧化后生成s 0 3 ，s 0 3 与空气中的水发生作用生成硫酸，随雨雪 降落形成酸雨、酸雾、腐蚀建筑物、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。 表2 - 4 碳烟对人体的危害 碳烟颗粒直径 危害 ( p m ) 2 1 0 吸入气管后，可排出体外，对人体危害不大 2 吸入后，在肺部沉积 吸入肺部后，导致肺气肿；引起皮肤病，变态 o 1 。0 5 性病、致癌，危害最大 6 碳烟的危害 碳烟是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 常夹附有其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯并芘等。不同直径的碳粒剥 人体的影响不闻，如表2 4 所示。碳粒的颗粒越小在空气中悬浮的时间越睦， 8 天津火学硕士学位论文 第二章乍用发动机烟度研究 最小的颗粒可以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。碳烟主要是柴油机造成的； 汽油机尤其是四冲程汽油机，排出的碳烟很少。 2 2发动机排烟生成机理与影晌因素 2 2 1 微粒 所谓微粒( p m ) ，主要是固体颗粒，是指+ 切在接近大气条件下存在于燃烧 废气中的分散颗粒。按e p a ( 美国标准) 定义为：在废气温度最高为5 2 。c ，并 在空气稀释的情况下，用t e f l o n ( 特氟龙) 涂层的过滤器收集到的废气中的物质。 发动机的微粒排放有3 种：铅( 使用含铅汽油时) 、有机微粒( 包括碳烟) 、 硫酸盐( s u i f a t e ) 。8 0 的微粒直径小于2 0 p r o ，4 0 的直径小于0 2 p m 。 汽油机中，含铅汽油中的铅和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。如果使用无铅汽油，并且汽油的含硫量很低的时候，汽油机的微粒 排放降到2 0 m g k m ，一般认为基本上不排放微粒。 对于柴油机来说，其微粒主要成分为固体碳( s o l ，起始的固体碳球的直径 为0 0 1 0 0 8 p m ，由它们组成固体质点并凝聚碳氢化合物生成o 0 5 10 1 j m 的 s o l ) ，在s o l 外面吸收了一层可用有机溶剂溶去的碳氢化合物( 称为可溶有机 成分，s o f ，s o l v a b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) ，以及可溶于水的硫酸赫【1 。 2 2 2 柴油机排烟生成机理与影响因素 1 液体 白烟和蓝烟都含有类似油状物质的液体微粒。 白烟中含有直径为1 。3 0 p m 左右的液体微粒，一般在寒冷季节、冷启动和怠 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 油和润滑油以液漓状排入大气形成白烟。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，温度升离，白烟也随之消失。 9 天津大学硕士学位论文 第二章车用发动机烟度研究 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入缸内而又 未燃烧的润滑油微粒，其颗粒直径比自烟的小，在0 4 0 p m 以_ f 。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，燃烧条件不起所产生的。 白烟和蓝烟在成分上没什么不同，只是由于微粒蛮径不同，在光散射作用f 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，因此还伴有对限、鼻、喉有强烈刺激性的臭味。 2 固体颗粒 柴油机排出的固体微粒主要是比重大、颗粒细微的碳粒及附着于其表面的有 机物所形成的碳烟( s o o t ) 。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1 1 1 1 。 柴油进入气缸后几乎全部破裂成c 1 一或c 2 一碳氢化合物，然后这些微小的碳氢 化合物的碎片再组成高分子重碳氢化合物，其中重要的一类是多环芳香烃( p a h ， p o l y c y c l i c a r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ) ，这类化台物通常是在富燃料( r i c hf u l e ) 区生成的( 存在于浓的预混火焰和通常出现在非预混火焰之中) ，p a h 中的苯并 芘( b e n z p y r e n e ) 有致癌作用。目前，通常认为p a h 是s o o t 生成的先导物， 而在富燃料状态下大量生成的乙炔c 2 h 2 又是p a h 生成的最重要的先导物【 1 】。 根据f r e n k l a c h 和w a n g 的理论【1 创，p a h 的生成过程大致如下： ( 1 ) p a h 的生成是从丙炔c 3 h 4 的分解。或者由c h 或c h 2 和乙炔c 2 h 2 反应所生成的丙炔基c 3 h 3 开始，它生成第一个环( 苯c 6 h b ) ，在成环的过程中 由于c 3 h 3 完全氧化过程很缓慢，因此先组成无坏的c s h e ，然后通过波林共振状 态，再重新排列成环形苯。 ( 2 ) 从芳香烃分予中脱氢生成芳香烃( 苯) 基a r ( a r o m a t i cr a d i c a l ) 和 h 2 。 c 6 6 + 胃 c 6 月5 + 2 ( 2 1 ) ( 3 ) 向a r 加入乙炔分子，生成苯乙炔基和h 原子 r + c 2 日2 爿r c 兰c h + ( 2 2 ) ( 4 ) 由环化作用( c y c l i z a t i o n ) 生成芳香环烃。 以上过程不断重复，不断加入c 2 h 2 。导致分子成长，导致各种p a h 的生成。 此外也可通过碰撞和粘合生成二聚物( d i m e r s ) 、三聚物( t r i m e r s ) 、四聚物 0 天津火学硕士学位论文第二章1 - j 制蕞动机潮度研究 ( t e t r a m e r s ) 等等的不同的p a h s 。 目前基本认为p a h 的继续生长就是导致s o o t 的生成 1 1 】。第一一步由分子的积 聚( c o n g l o m e r a t i o n ) 生成质点状( p a r t i c l e l i k e ) 结构，起始质点的分于质量 在5 0 0 至2 0 0 0 a m u ( a t o m i cm a s su n i t ) ，然后质点由于表训生长而长大( 一卜 要依靠加入c 2 h 2 ) 在与含氧气体混合的同时也伴随着s o o t 的氧化。陶2 1 给 出了碳烟生成的示意过程。由下往上看，燃料和氧化剂的预混台气，燃烧后生成 c 0 2 、h 2 0 、c o 、h 2 以及多余的0 2 等常规产物，由此从左至右。在分予区，生 成丁二按、丁烯炔、乙炔、苯炔基、直链戊烷、苯( 第1 排) ，接着形成d * o 5 n m 的蔡及萘的衍生物( 第2 排) ，然后生成多环芳香烃( 第3 排) ，进入质点区以后， 经历质点生成的起始阶段，质点表面生长以及凝聚( c o a g u l a t i o n ) 作用，生成 直径d 一5 0 n m 的碳粒。 ：辫簧髓毒_ j 鼢回 哩p 眦0 5 n m - l 毒队0 c 0 2 o ： c o h z o 。 分子区 碟烟的生成可以用以下3 个参数表示： ( 1 ) 碳烟的体积分数( s o o t v o l u m ef r a c t i o n ) 一，它用碳烟体i ! 与总体积 之比束表示。 v ：v 。4 | v 。 t 天津火学硕士学位论文第二二章乍川餮动机恺度研究 ( 2 ) 碳粒质点数密度( s o o tp a r t i c l ed e n s i t y ) 讳l 。，它是碳粒质点数和总 体积之比。 卜l ，。= h ，p o ，= 。c 。， ( 2 - 3 ) 式中的。为a v o g a d r o 数，l 。为碳粒浓度( 单位体积的m o l 数) 。 ( 3 ) 碳粒直径( s o o tp a r t i c l ed i a m e t e r ) d 设碳粒为单体弥散( m o n o d i s p e r s e ) 则 d 。=( 2 , 4 ) 以上兀、k l 。和d 。的值可以在有关文献中查得。从总体束说， 随压力p 、 c o 比的增加而增加，温度r 对办的影响成抛物线形状，大约在1 6 0 0 一 r 8 0 0 k 时 最大。温度过高，形成碳烟的先导物热解和氧化，垃碳熘生成下瞥，同样， 温度过低，先导物也不易生成。一般来醢，碳烟生成的温度范围为1 0 0 0 k 到 2 4 0 0 k 之间。 由于碳烟的生成过程的本质了解尚不够完善，已经提出的计算模型包括碳烟 生成的起始阶段碳烟的表面生长、碳烟的凝聚、碳烟的氧化、碳烟的积聚等阶 段，在模拟计算的公式中大量引入了经验系数，使计算不方便，且所列公式还不 能反映压力、温度、燃空比、燃料种类对碳烟生成的影响，i 蛆此有待作进一步的 研究。 在这儿只介绍碳粒生成的方法。 柴油机上纯碳蜊( n e ts o o t ) 生成速率是出生成速率和氧化速率耐部分所组 成。 冬：掣一譬( 2 - 5 ) d ld td t 式中m 。，m 。和m 。，分别为纯碳烟质量，碳烟生成质量军l 】碳烟氧化质量。 在经验模式中t 碳烟生成率等采用k h a n - h i r o y a s u _ b e l a 喇i n i n 公式，碳烟 的氧化速率墼采用n a g l e s t r i c k l a n d c o n s t a b l e 公式。 车咄， a t ( 2 6 ) 天律大学硕士学位论文 第一章 乍用发动机蚓度可l ：究 铲 e 坤f 一引 ( 2 ，) 碳烟的生成是一阶反应( f i r s t - o r d e rr e a c t i o n ) ，生成率正比于燃料蒸气质量 。对子柴油，其活化温度0 根掘h i r o y a s u 的建议取0 = 6 2 9 1 k 而a r r h e n i u s 式的前置常数，根据b e l a r d i n i 的建议取。= 15 0 s 。 关于碳烟的氧化，根据n a g f e 和s t d c k l a n dc o n s t a b f e 的建议，碱粒表面上 按易受氧化反应的程度分成两类位置，即较易反应的a 位置和不易反应的b 位 置，随温度的升高，a 类型位置将重新排列成8 娄型位置。表面反应速率以：i ”： ( gc a r b o r v s c m 2 ) 为 k 极卜”z ， 弘8 ， 式中的z 为a 类型位置所占碳烟表面的分数 一c 1 + 去j 弘9 ， 式中的p 。为0 2 分压( 单位a t m ，下面所有单位均不化为国际单位。 1 a t m = l0 1 3 k p a ) 屯= 2 0 e x p ( 一】5 1 0 0 1 t )g ( c m 2 s a t m ) k 目= 4 4 6 x 1 0 1e x p ( - 7 6 2 5 t )g ( c m 。s a t m ) t = 1 ，5 i x l 0 e x p ( - - 4 8 8 3 0 t )g ，( c m 。s ) k 2 = 2 1 3 e x p ( 一2 0 5 4 t ) a t m 。 这样，碳烟的氧化速率可以表示为： 警= 豢毗。 ( 2 - 1 。) 式中m 。为纯碳烟质量，嵋为碳相对分子质量，碳烟密度n = 2o g c m 3 ，碳粒平 均直径d = 3 l 0 6 c m 。 以上公式仍属经验性的，要根据试验结果对有关常数进行调整，人蜘预测存 今后十年内可以提出完整的模拟碳烟生成的公式。 2 2 3 二冲程汽油机排烟生成机理 前面已经提到，相对于柴油机来说，汽油机的排耀很少。这是由于汽油机和 3 天津火学硕士学位论文第二章车刚发动机烟度研究 柴油机不同的工作原理造成的。柴油机是通过柴油和空气在气缸内形成的混合气 通过压缩达到自燃温度后自行着火燃烧做功。柴油机混合气的形成存在于燃油喷 入气缸之着火及燃烧的全过程中，这是一个燃油粒子破碎、雾化、气化，并与气 缸内的空气相互渗透和扩散的过程。这样所形成的混合气在气缸内进行燃烧产生 的废气除了c o 、h c 、n o ，外，还包括微粒。 汽油机工作时，汽油在气缸内或是气缸外与空气形成可燃混合气，然后在气 缸内被压缩，压缩比为8 1 2 ，使气缸内混合气的压力达到2 - 4 m p a ，温度达到 4 0 0 6 0 0 ( 低于汽油的自然温度) ，在火花强制点燃后燃烧做功。燃烧后排放 的c o 、h c 、n o 。占总的排放污染的9 8 以上。所以对于汽油机来浣，排放控 制的重点是c o 、h c 、n o 。 尽管排烟不是汽油机排放控制的重点，但是我们确实看到排烟也是汽油机产 生的一个污染源，尤其是二冲程汽油机。 1 二冲程汽油机工作原理 二冲程汽油机和四冲程汽油机不同，其一一个工作循环只包括两个冲程。活塞 自下止点向一e 止点运动是一个冲程，及辅助冲程，在此冲程中主要完成压缩、吸 气与点火：活塞自上止点向下止点运动是第二：个冲程，即做功冲程，在此冲程中 主要完成膨胀做功、扫气、排气和预压。其具体工作过程见图2 - 2 ”】。 ( 1 ) 扫气和排气如图2 2 ( a ) 所示。当活塞由上止点运动到接近下止点时， 排气口打开，废气开始由排气口排出。与此同时，气缸下部的体积减少到最小， 使曲轴箱内的可燃混合气受到压缩有压力的新鲜混合气经扫气道( 曲轴箱与气 缸之间的通道) 进入气缸上部( 活塞上方) ，驱除废气。在驱除废气的过程中， 一部分新鲜混合气与废气混合，并随同废气道逃逸机外，造成浪费和大气污染。 这是二：冲程发动机运动原理上的固有弊端和致命弱点，电是造成二冲程发动机油 耗较高，排污严重的主要原因。与此同时，燃烧室顶部及死角还保留部分残余废 气与新鲜混合气混合后作为下一冲程的可燃混合气因此，二冲程发动机扫气不 彻底、不完全，从而降低了新鲜混合气的品质，造成燃烧不充分，导致功率下降、 油耗增加、排污加剧。此两个现象称之为油气短路，即新鲜混合气进入燃烧室后 直接流出排气口，而废气仍留在燃烧室上部。 ( 2 ) 压缩如图2 2 ( b ) 所示。当活塞自下止点向上止点运动时，活塞上部 天津大学硕士学位论文 第二章1 i 用发动机烟度研究 的混合气开始压缩，当活塞继续上升时，扫、排气口均关闭，停止扫气和排气。 由于活塞的密封作用，上方混合气不可能下逸，而被挤压在燃烧室内，压力迅速 增长，其最大平均有效压力可达0 5 1 0 4 m p a 。 ( 3 ) 点火如图2 - 2 ( c ) 所示。活塞向上运动过程时，下方产生了真空，于 是从化油器而来的可燃混合气被吸入曲轴箱。活塞继续上升，气缸下部容积增大， 可燃混合气进入气缸下部曲轴箱内由于真空度的作用继续进气( 此时扫、排气 口仍关闭) 。当活塞上升到上止点附近的点火位置时，燃烧室内的火花塞产生电 火花将混合气点燃。 ( 4 ) 做功如图2 2 ( d ) 所示。点燃后的气体体积迅速膨胀而做功追使活 塞下行，强制推动曲轴旋转。活塞下行时，活塞下方的混合气受到压缩产生的 压力将进气口自动关闭，停止进气。活塞继续下行时，排气口一旦打开降压后， 曲轴箱内有压力的新鲜混合气经扫气道进入气缸上部开始扫气，进行下一一工作循 环。 圈2 - 2 二冲程发动机i ：作过程刚 1 5 走津大学硕士学位论文 第二章乍刚发动机烟度研究 2 二冲程汽油机的润滑原理 二冲程汽油机一般没有油底壳，常采用混合润滑或分离润滑方式5 1 这两种 方式均需汽油与润滑油按一定的比例混合，形成油雾进行润滑。 ( 1 ) 混台润滑 将燃油按一定比例预先充分润滑，通过化油嚣的雾化作用，形成细微的油滴， 并通过换气过程使含有润滑油的新鲜混合气将润滑油带到发动机的各个摩擦部 位进行润滑。过种润滑方式形式简单、成本低，但不能随发动机转速和负荷变化 两增减润滑油造成润滑油的浪赞、清静性恶化和排烟增加。 ( 2 ) 分离润滑 分离润滑是把润滑油与燃料分开，润滑油以独立的系统随羞动机转速和负荷 的需要输送到适当的部位。 分离润滑一般有两种方式：一种是通过化油器空气通道把润滑油直接加注到 进气口前，通过换气过程进行澜滑，用发动机带动油泵，用油门开度控制润滑油 的流量。另一种是将润滑油直接加注到发动机曲轴主轴承及气缸的主承受力面 上直接对摩擦部分进行充分润精。目前绝大部分的二冲程发动机部采用分离润 滑方式。 进入二冲程发动机的润滑油分四个方面消耗： 一部分润滑油由于气流的惯性从馄台气中分离出来形成颗粒状的油滴| 付着 在主轴承、连杼轴承、虹套等部位，进行低温摩擦部位的润滑。 一部分润滑油随气流进入发动机气缸，其中的一部分附着在缸壁、活塞、活 塞环、活塞销等部位，进行高温摩擦部位的润滑。 一帮分润滑油睫燃油一起进入燃烧室，完全燃烧。 一部分润滑油进入燃烧室后未完全燃烧或未燃烧而随