（动力机械及工程专业论文）预混燃料与柴油复合燃烧改善柴油机排放性能的试验研究.pdf

l 扁 浙江人学坝i ：学位论业 摘要 r l 为了满足 1 益严苛的排放法肌的要求，当代柴汕机1 ：、l k 发胜一t ，眨观j 渺 用预混燃料和广泛应用电子控制系统来实现柴汕机巫女r 运 r f ：能的趋势。虽然 颅混燃料与柴油的复合燃烧试验研究已有一些，似足火j ：复合燃烧模，卜柴油 机的以f 方面的研究却4 i 多：1 ) 不同预混燃料1 j 柴 7 1 1 1 复合燃烧改隆柴油机t l ：能 效果之间的比较，尤其量化比较。2 ) 预混燃料与柴 i l 复合燃烧柴油机最佳运行 范围的研究。3 ) 关于复合燃烧模式柴油机排气q jh c 和c o 排放过商现象及降 低措施的研究。卜可一 本文主要研究了甲醇、乙醇、汽油、和l p g 四种预混燃料应用在复合燃烧 模式柴油机时，不同运行工况下性能变化的详细情况。试验装胃中，电控低压 喷射装置控制的电喷嘴安装在新昌4 9 0 型柴油机的进气歧管一l 。 试验研究表明：在高负荷时，不论预混燃料是哪一种，复合燃烧柴油机的 烟度排放比原机有非常明显的降低效果：并且n o 。和当量柴油比油耗i i 王有相当 地降低。这证实了扩散一预混复合燃烧模式确实是一种高效的燃烧形式。关于h c 和c o 的排放，在整个工况范围内复合燃烧柴油机要比原机差，在低负荷时甚 至会恶化。 基于这些试验研究的结果主要进行了研究： 1 在本文，对四种预混燃料与柴油复合燃烧时的效果，分析了它们的各自的 特点，在试验的基础上应用内燃机性能模糊评估方法进行了比较，甲醇的 方案降低排放最有效。综合多种因素的影响，本文认为预混燃料j 柴油复 合燃烧时，l p g 的方案最可行。 2 指出了制约预混燃料与柴油复合燃烧柴油机的主要凶素是米燃碳氢矧钮 化碳的排放。通过对试验结果的分析，本文优先考虑当量柴油比油耗和碳 氢排放，以负荷和转速为自变量来共同确定预混燃料复合燃烧柴油的最佳 运行范围。 3 本文认为，造成复合燃烧柴油机碳氢排放比较高的e 要的原凶是，e 缸内 的顶岸容积作用的结果。指出项岸问隙内的预混合燃气不能完全的燃烧魁 导致碳氢排放的主要原因，尽管复合燃烧可以提高燃料的利用率。上，一 关键词：柴油机复合燃烧预混燃料顶岸间隙模糊评估 u i - i 浙汀人学顺i 学位论殳 a b s t r a c t i nt h ed i e s e l e n g i n ei n d u s t r y ，t h eg r o w i n gt r e n d s a r et o w a r dw i d e ru s eo fa h o m o g e n e o u sc h a r g ea n de l e c t r o n i cc o n t r o l t o p r o v i d e b e t t e re n g i n ep e r l b r m a n c e ， w h i l ec o n f i r m i n gt ot h es t r i n g e n te x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d s ，a l t h o u g ht h e r ei l a v e b e e ns o m er e c e n ta n n o u n c e m e n t so fad i e s e le n g i n et h a ta p p l i e s a h o m o g e n e o u s c h a r g ee f f i c i e n t l yt op r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o df o rp r o d u c i n gp o w e r w h i l er e d u c i n g e x h a u s te m i s s i o n t h e r ei sl i t t l el i t e r a t u r e p u b l i s h e d a b o u tt h r e e a s p e c t so ft h e c o m p o u n d d u a lf u e lc o m b u s t i o n ( c d f c ) ：1 ) t oc o m p a r e ，e s p e c i a l l yq u a n t i t a t i v e l y t h ee f f e c to ft h ec o m p o u n dd u a lf u e lc o m b u s t i o na m o n gt h ed i f i e r e n tp r e m i x e d f u e l s 2 ) t of i n dt h eo p t i m u mr a n g eo fl p gc o m p o u n d i n gr a t ei nt h ec o m p o u n d d u a lf u e lc o m b u s t i o nd i e s e le n g i n ed u r i n gt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e 3 ) t or e s e a r c h t h e p h e n o m e n o no fh i g h u n b u r n t h y d r o c a r b o n s a n dc a r b o nm o n o x i d ee x h a u s t c o n c e n t r a t i o n si nt h ec d f ca n dt h em e t h o do fr e d u c t i o n t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ed e t a i l so f as t u d ym a d eo nt h ed i f f e r e n c ea s s o c i a t e dw i t h d i f f e r e n tp r e m i x e df u e l s ( m e t h a n o l ，e t h a n o l ，g a s o l i n e ，a n dl p g ) u s e di nt h ec d f c d i e s e le n g i n e ，d u r i n gt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e ，w i t ha ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d l o wp r e s s u r ef u e li n j e c t i o ns y s t e mi n s t a l l e di nt h ei n d u c t i o nm a n i f o l do fa4 9 0d i d i e s e le n g i n e t h es t u d ym a d ei tc l e a rt h a t ：a tr e l a t i v e l yh i g hl o a d ，w h i c h e v e rp r e m i x e df u e l ， m o r ee f f i c i e n ta n dl o we x h a u s te m i s s i o n ，e s p e c i a l l yp m ，r e l a t i v et ot h ec o r r e s p o n d i n g d i e s e lo p e r a t i o nc a nb ea c h i e v e dw i t ht h ec d f cd i e s e le n g i n e w h i c hp r o v e st h e c d f ci sam o r ee m c i e n te n g i n ec o m b u s t i o nm o d e ；w h i l e a tt h el i g h tl o a d t h ec d f c d i e s e lp e r f o r m a n c er e m a i n sr e l a t i v e l yi n f e r i o r , e s p e c i a l l yt h eh ce m i s s i o ni n c r e a s ea i o t b a s e do nt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t a ls t u d y , t h i s t h e s i s g a i n e d s o m e c o n c l u s i o n s ： b yt h e m e t h o do ff u z z ye v a l u a t i o n ，t h e c o m p a r e ，e s p e c i a l l yq u a n t i t a t i v e l y c o m p a r eo ft h ee x h a u s te m i s s i o na n dt h ee q u i v a l e n ts f co ft h ec d f ce n g i n e a m o n gt h ed i f i e r e n tp r e m i x e df u e l s c o n f i r mt h a tm e t h a n o l i nc d f c i st h eb e s t c h o i c e b u ti f t h ep r a c t i c a b i l i t yi st a k e ni n t oa c c o u n t t h i st h e s i sp r e f e r sl p g i q a v ep o i n t e do u tt h a tt h ec h i e fo b s t a c l eo ft h ec d f cd i e s e le n g i n ei st h eh c e m i s s i o n b a s e do nt h es t u d y , t h i st h e s i s p r e f e r st h eh ce m i s s i o na n dt h e e q u i v a l e n td i e s e lo i lw e a ra st h ew a r r a n t a n dt h el o a da n dt h er o t a t i o nr a t et ob e t h e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s s o a st oc o n f i r mt h e o p t i m u mr a n g e o fl p g a d u l t e r a t i n gr a t ei nt h ec d f c d i e s e le n g i n ed u r i n gt h ed i e s e lp e r f o r m a n c e h a v ec o n f i r m e dt h a tt h et o p l a n d c r e v i c ei nt h ed i e s e lc o m b u s t i o nc h a m b e r r e s u l ti nt h ei n c r e a s e dh ce m i s s i o ni nt h ec d f cd i e s e l e n g i n e t h o u g ht h e e f f i c i e n c yo f t h ec d f c d i e s e le n g i n ei sb e t t e rt h a nt h eu n c h a n g e d e n g i n e k e y w o r d s ：c d f c ，h o m o g e n e o u sc h a r g e ，d i e s e l ，f u z z ye v a l u a t i o n ，t o p l a n d c r e v i c e ，p r e m i x e d f u e l n i 浙江夫学颅卜学位论文 致谢 y 7 6 8 ( , 7 小论文是在导师 = 德兴副教授的悉心指导卜完成的。仡试验和j 论文t ；作阶 段，杜老师的严谨的科研作风、出众的学术造i 旨、i ：佰的典践经验刈找小人址 鞭策、是鼓励、更足帮助。棚信这j 是真正的则宙，将使我受i s 终 1 - ，们i 叱学 位论文完成之际，谨向我敬爱的导师致以由衷的感i f l f 和最0 岛的敞意! 本课题 得到了浙江省自然科学基金的资助，特此表示感c 射! 在课题的实验研究过程中，本所的许多老师都给rj ，我无私的帮助。他们 是，俞小莉教授、何文华教授、严兆大教授、沈瑜铭商i 、哭峰剐教授、孙，j 淦师傅、周文华博士、杨志家博士、和齐放老师。没有他们的启发和帮助，就 不会有试验的顺利进行，在此向他们表示我最真挚的谢意! 当然在这晕不应忘记我热心的同学，是他们的鼓励、和帮助使我克服了 个个的困难。他们是方卓毅、葛林、周重光、王泽民、j f 素贞、j i 兵峰、李! 烘 春、李伟、张鹏、翟忻等。我们之问的学习上的交流使我在两年的学刊t f ，受益 匪浅! 在此向他们表示我山衷的感谢! 最后，我要感谢始终鼓励我、关心我、支持我的父母亲，和所有关心我的 朋友! ! ! 元广杰 二零零一年一月于求是园 第一章绪论 第一章绪论 内容提要：本章综述了柴油机尾气排放的危害，以及为了减少这种危害，人彳1 所采取的主要措施的原理和效果的简介。对目前用双燃料复合燃烧( 即以一种 易挥发的燃料与进气混合在进气过程进入气缸组成预混燃烧的基础，以原柴油 机的燃油喷射系统在压缩上止点附近高压喷入气缸，通过燃料的雾化、蒸发及 扩散与周围的介质混合，然后在可燃的地方完成着火准备后实现着火过程，形 成的着火源后在介质中传播。从而组成既有预混燃烧，又有扩散燃烧的复合燃 烧或称部分预混燃烧模式) 的方法改善柴油机排放的控制技术进行了详细的讨 论，并且对本论文所开展的主要工作进行了简单的介绍。 1 1 前言 人类在进入了2 0 世纪，科学技术以前所未有的速度迅猛发展。人们的生活 水平空前提高，人口也随之急剧膨胀。然而，科学技术这柄双刃剑不仅为人类 文明的进步披荆斩棘，其不平衡发展的消极作用也只益明显。人类不可能也不 可以固步自封，片面地追求所谓的“回归”，我们只能加大智力的投入发展新的 技术或改造已有设备以用来减轻甚至消除科学技术发展的负面影响。这一切都 是为了使人类拥有更和谐、更舒适的生存环境。 环境问题已经为全世界所关注，它已渗透到经济、政治、文化等人类生活 的各个领域。汽车的发明给世界带来经济崛起的契机，也提供给人类生活水平 提高的基础。人们之所以把计算机的发明认为是汽车发明后的人类社会进步的 里程碑，是因为计算机和汽车一样大大推进了社会历史的进步。如今，没有人 会否认汽车早已是人类生活的一部分。然而也正是汽车的广泛应用带来了一系 列的问题，环境污染首当其冲。例如：洛杉矾的光烟雾、希腊的酸雨、墨西哥 的烟雾、巴西使用醇类燃料产生的醛类排放污染等已成为公害。在美国，汽车 废气占大气污染总量的2 2 - - 一5 5 ，闩本占3 6 i ”。到1 9 9 3 年全球的汽车保有量 约为6 亿辆。预计到2 0 0 0 年，我国的汽车保有量将达到1 5 0 0 力辆。2 0 1 0 年将 达到3 0 0 0 - - 4 0 0 0 万辆。因此，汽车排放问题已引起世界各国的普遍重视。圜家 环保总局的统计数据表明，汽车排放已成为我国城市空气的主要污染源。1 9 9 8 年世界卫生组织对5 7 个国家的2 7 2 个城市进行调查，全球5 0 个空气污染最严 重的城市中我国占了3 1 个，世界空气污染最严重的1 0 个城市中我国占了8 个【2 】。 而且，我国的单车排放污染物比国际水平高出十倍，并且城市街道面积约为国 外的l ，5 ，行驶车辆中，货车和大客车的比例约为国外的2 3 倍，所以，我们可 以理解为什么洛杉矶的汽车数量是北京的十倍，而北京的污染比洛杉矶还要严 重。 为了遏锔4 环境恶化的速度，各国政府逐渐制定日益严格的摊放法规；汽车 浙江人学硕i ：学位论立 生产厂家不断应用先进的汽车开发技术。现代汽车j r 发技术的目标首先是面刈 用户的，比如：安全性、舒适性和经济性。这些目标的满足很1 丁能与j i ： ：保的h 标的实现相矛盾。这也就是说，人们对汽车排放技术的要求足以政府环保弁| i fj 和汽车工业发展中矛盾协调的程度为基础的。遗憾的足，我现阶段的乍辆排 放法规与发达国家相比还有很大差距。根据国外治理- 一7 i 污染的成功经验，随 着我国汽车保有量迅速膨胀，排放法规将r 益，7 格。机动1 ：排放治理l 三经成为 我国环境工作的重点p i 。 国内外许多专家预测，在2 1 世纪的相当长的时m 内，内燃机作为热效率最 高的动力机械，仍将是最重要的交通动力。而车辆排放问题，实质上是内燃机 的排放问题。新的历史时期对车用内燃机的要求已从传统的“动力性、经济性、 耐久性”发展到“高适应性、高效率、低排放、低噪声”的综合性指标，特别 是低排放，这是社会和环境对内燃机提出的新的挑战”】。 美国、欧洲、日本等发达国家，自七十年代初开始制定了分阶段实现的不 断严格的排放法规以来的3 0 年中，内燃机的清洁燃烧研究取得了巨大成功。以 美国轿车尾气1 9 9 6 年的排放指标为例，与7 0 年代初相比，未燃烃h c 减少了 9 6 ，c o 减少了9 7 ，n o ，减少了9 0 。以轻型卡车为例，h c 和c o 各减少 了9 7 ，n o ，减少了8 9 口l ，可以毫不夸张地说，j 下是排放法规在引导着内燃机 技术当前的进步。在此推动下，人们在控制内燃机排放方面已取得了显著的成 就。先进的内燃机技术使内燃机基本上能满足目前的排放标准，但仍有许多工 作要做。因为，未来的排放法规会更加严格， 内燃机的排气中危害人类健康的有害成分包括c o 、n o x 、h c 及颗粒( 在 柴油机中主要是碳烟颗粒) 等，内燃机排气中碳烟和n o x 的排放危害比较严重。 n o 、是引起酸雨、光化学烟雾等破坏地球生态环境，损害人体健康的主要空气污 染物。全球每年排入大气的n o ，总量达到3 0 0 万吨，而且还在持续增长。n o 。和 h c 在强烈的阳光照射下生成基态的臭氧，产生光化学烟雾，造成次级污染1 6 i ，1 9 4 3 年和1 9 5 4 年美国洛杉矶两次严重的烟雾事件，使很多人受到伤害i ”。1 9 9 5 年5 月，成都出现了我国首次光化学烟雾，紧接着6 月在上海又出现了光化学烟雾口i ， 国家环保局公稚的“9 6 中国环境状况我国环境污染加重”文指出：全国 大城市汽车尾气加重，n o x 已成为少数大城市空气的主要污染物1 9 1 。因此，如何 有效地消除氮氧化物对大气的污染已经成为环保中的一个重要课题。 1 2 氮氧化物( n o x ) 和颗粒( p m ) 的来源及危害 1 2 1 氮氧化物( n o j 的来源 氮氧化物包括一氧化氮( n o ) 、二氧化氮) 、氧化亚氮( i 叱o ) 、三氧化二氮 第一幸绪论 ( n 2 0 ，) 和四氧化三氮( n ，0 4 ) 等。出于后两种物质不稳定，氧化亚氮在大气中的 含量又较少，一般意义上的n o 。是表示n o 和n 0 2 两种物质。人类活动所产生的 n o 。主要来源于化石燃料的燃烧，一般地，可以分为移动源( 如汽车的尾气) 和 吲定源( 如燃烧煤的火力发电厂和一些化工生产过稃的】：业废气) 。n o 。人体l ： 通过以f 三种机理形成i i ： 1 游离的氮和氧在诸如火焰燃烧这样的高温条件f 发r 反应而形成，般称 为t h e m a ln o 。( 热机理) 。 2 一些化石燃料，尤其煤和石油中，存在含氮化合物。在燃烧过程中，它们 在一定条件下转化为n o ，称之为f u e ln o ，( 燃料机理) 。 3 在火焰温度下，一些燃料碎片与氮气发生反应形成含氮化合物，并进而转 化为n o 。，由于这类n o 。的形成一般发生在火焰的根部，故称之为p r o r n o t n 0 l ( 瞬时机理) 。对于大多数碳氢燃料，这类n o 。含量比较少。 n o 。的生成与氧的分压、燃烧温度、燃料种类、燃料与空气的比例和燃料 的滞留时间等密切相关。 1 2 2 内燃机中n o 。的生成机理 由于氮气是构成新鲜空气的主要成分，在内燃机燃烧过程中不可避免存在 商温、高压的环境，所以燃料燃烧时生成n o , 是不可避免的。 氮氧化物的生成机理： n o 形成的反应过程如下( 泽耳多维奇z e l d o v i c 链反应) ： 0 1 - v - ) 2 0 v 2 + d o n o + n 0 2 + h n o + 0 o h + nh n o + h 其动力学方程为： 1 d i n 厂o = 2 ke x p ( 一面e a ) ：】 伊】 上述动力学方程表明这一生成n o 的反应对温度和原子氧的浓度敏感。 这个反应发生在很薄的火焰锋面上，由于反应时间较短，所以生成量很少。 n o 的形成主要是在火焰锋面后的已燃气体中。尽管温度很高，这个反应还是很 慢，不能达到化学平衡。在燃烧期间，n o 的浓度低于化学平衡浓度。n o 的浓 度在达到最大值以后，由于膨胀过程开始后的温度降低而开始少量下降，但是 由于n o 的还原反应在2 2 0 0 k 以下就停止了，所以其浓度很快就冻结不变了。 因此，n o 的浓度不能用化学平衡来计算，而只能由化学反应速度来计算。燃烧 浙江人学硕f 学位论文 过程和混合气的均匀程度都会对排气中的n o 的浓度产生很大的影响i i “。 由上所述，可以看出，高温、富氧和氮和氧在高温环境i | l 滞留时n u 长足柴 油机燃烧过程中n o 。生成率大小的三要素。 另外，燃烧过程中生成的n o 。，其r l 的氮t 要来i i 卒7e ，f i l 是米f i 燃料。l ，的 氮也不可忽视。柴油中的氮易于分解，活性强，所以柴油机排1e f jn o 。排放浓 度与所用的柴油含氮量之问有密切关系。内燃机在稳定运转状态时，n o ，的排放 较低；冷启动时n o 。排放量也很低：暖机过程n o 、的排放毪逐渐增人。 一般说来，直喷式柴油机的n o ，的排放最人_ j 二问接喷射式柴油机。这是凶 为间接喷油式柴油机燃烧前期的燃烧发生在过浓混合气的预燃室或涡流室内， 由于缺氧，n o 的形成受到抑制。在主燃烧室1 1 = 1 的燃烧丌始得较晚，而目在较低 的温度下进行。因此，一般间接喷射式柴油机排气中n o ，的浓度只有直接喷射 式的一半左右。 1 2 3 氮氧化物( n o 。) 的危害 一种物质对人体的有害程度，与其被人体接触的量，接触的时问长短以及 接触的方式有关。n o 和n o ：都会对人体健康产生直接或问接的危害。 一氧化氮( n o ) ：无色的气体；在空气中被氧化成二氧化氮。在空气中的 含量超过1 5 i 驴时，它会和血红蛋白结合，若超过2 0 x 1 0 。时会影响肺 的功能。 二氧化氨( n q ) ：具有强烈的刺激性气味，对肺和心肌等都有很强的损害 作用。二氧化氮是地面附近大气中形成臭氧的主要因素之一 e 2 1 。 n o 的毒性不大，但当它进入大气后经过图1 1 所示的一系列变化形成了毒 性很强的物质，包括n o ，、光化学烟雾、酸雨等。空气中n o ，的含量3 5 p p m 持 续一小时，开始对人体有影响：含量2 0 5 0 p p m 时，对人眼有刺激作用；含量达 到1 5 0 p p m 时，对人的呼吸器官有强烈刺激，容易引发胂气肿，甚至致命。n o ， 图卜1m x 在g z 气中的转化 一 ， 雏争绪论 经系列变化可产生光化学烟雾，可使人眼肿红、视力减堪、呼吸急健、头痈、 伞身麻醉、肿水肿等。n o ，与o ，、o h 、h o 。等自由基作用牛成n 0 2 、h n o ，、h o n 0 3 等i ，进而形成酸雨。酸雨会严重破坏江川湖泊的生念环境，腐蚀建筑物，并 埘t ：壤、森林、农作物都有严重的损害作用，给人类带来极人的利a 损火。 现代柴油机具有效率高，经济实| j ，环保性能好，l f j f 阳术米的优点。随竹 眦界各陶努力履行他们遵守联合国关j ：气候变化框架协定降低c o ! 排放的乐 诺，这种优点己变得越来越重要。此外，柴油t j l _ e 作更可鞯，j c o 、h c 的排 放量只相当于汽油机的几十分之- - i ”i 。相对r 汽油机，柴汕机排川，的氮氧化 物最大值较低。随着向富氧区偏移，n o ，在n o ，中的比例增人，l l j 达到5 1 5 。 虽然柴油机的优点很多，但是柴油机的颗粒( p m ) 排放比汽汕机严重得多。 1 2 4 颗粒( p m ) 的来源 柴油机排气中的颗粒主要以一种类似石墨的形式存在，以碳为基本成分， 并凝聚和吸附了相当多的有机物和无机物。柴油机燃烧过程中形成颗粒的根本 原因是存在非均相燃烧( 异相燃烧) ，其形成过程经历成核、凝聚、吸附、附聚 等过程。颗粒的大小差别很大，大颗粒亲和力较强，般带j 下电，表面积大， 具很强的吸附力。吸附在颗粒中的可溶性有机物有毒，影响排气中颗粒浓度变 化的主要因素有柴油机的负荷，燃油品质和柴油机及其燃烧系统的结构等。 颗粒是在取样状态下，排气中除水分以外的所有分散( 固、液态) 物质的 总称。颗粒包括排气中一切有边界的物质。包括：固态碳基颗粒、液态碳氢颗 粒、无机物等。颗粒分原始颗粒和再生颗粒。凡是在一定的取样条件和取样方 法下，能收集到的有物质边界的碳烟和碳氢均属颗粒。 燃烧火焰温度特别是壁面温度与积炭量存在复杂的关系。温度升高既能使 积炭量减少，也可能使积炭量增加。燃油的挥发性和沸点、馏分以及含芳香烃 量等，对燃烧室内壁面的积炭量也有明显的影响；一般地，燃油中重馏分越多、 芳香烃、烯烃的含量越大，在同样的壁面温度条件下，积炭量也就越多。另外， 积炭量的多少还与喷注是否碰到燃烧室壁面有关( 燃烧室的壁面温度一般在1 8 0 , - - 2 5 0 左右，正是碳烟生成量较多的温度) 。 柴油中不可避免地有烯烃存在。烯烃是不饱和烃，是一种不稳定的化合物， 很容易与空气中的氧气化合成皮状物质，这些皮状物质或胶状物质附于燃烧室 零件的表面，就成为积炭的雏形，然后经脱氢反应而形成碳。 在颗粒组成中，可能包括：在低温启动时燃料的雾粒、润滑油的微粒以及水 蒸气等；在低负荷下，由于燃油和润滑油经部分燃烧或是处于热分解状态的生 成物；在高负荷状态下，由于局部的高温、缺氧，燃料裂解和脱氢而产生的以 炭粒为主的固态颗粒。 - ，。 浙 i 人学坝l ：! 学位论史 1 2 5 碳烟的生成 碳烟是在燃烧过程和排气后的悬浮物质，俗称“黑煳”。它1 i 喽址北柴汕机 高j 压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氧j n j 成的以碳为j ：婴成分的川念 微小颗粒。柴油的非均质、异相燃烧，特别是燃烧州燃科分j i 件i i i 傲，：1 b 濉火好j 或燃烧产物包围这一特点，决定了碳则i - j , 蛇的必然。陀。人们投力j + 减少碳州n 1 m 成潋，并使已经q 三成的碳烟张：每循环的燃烧后_ ! j j e 化抻。抄i 以，碳圳的乍成 机理t 嘶幺包括生成后的氧化机理。 碳烟的核心( 不计其附表物质) 是以多环芳烃( 人j i 环) 为l i 体的人f f 】 片状品体。其组分绝大多数为碳，含少量氢。柴油的氰碳原j ，数的比 h c = 1 7 5 1 8 5 ，而脱氢、聚合后生成的碳烟、其氧碳原r 数比h c - 0 1 一- 0 3 5 。 卡克拉波梯( b bc h k r a b o r t y ) 和郎格( r l o n g ) 提出了碳烟形成的过牲为m o ： 开链烃 j 高温裂解脱氢 烯烃，主要是乙烯( t i t 2 = c h 2 ) 进一步裂解脱氢 炔烃，主要是乙炔( c h c h ) 0聚合脱氢 乙烯基乙炔( c t t c c h 跏，) 或连乙炔( c h = - c - c = c “) 0进一步裂解脱氢、基团聚合 小y - 1 0 0 0 时 低温f 广聚缩乙烯具有多个( 弋；c 一) ，它很不活泼，誉此 l己形成嘟体碳初核 ij 经聚合 聚合物 环构化爿：进一步脱氢( 人丁1 0 0 0 c 高濉时) 含氢的多环碳络合物或不溶性多环碳氢化俞物 聚品、扩人 人方品格的碳品体，这是碳烟的实体 ；表面吸附异物，本身附聚 碳烟 1 2 6 碳烟的氧化 在燃烧过程( 尤其是扩散燃烧期) 中生成的碳烟，并不全部被排出机外， 而是相当大的部分在燃烧的后续期被烧掉。所以，要减少柴油机的排烟，除了 减少碳烟的生成以外，还必须使已生成的碳烟在燃烧中，尤其后续期尽可能的 6 鹅一尊绪论 烧掉。碳烟的核心足高碳、高 分r 烃类或碳粒，它们都足州岛 燃的。| i 本的神小武扯和松冈 信等【。“研究了碳炯的氧化问 z 2 2 题。他们在燃烧过程t j 定点 。20 i ) 【样分析燃烧着的气体，测定 了碳：i l | j 、火焰温度和燃空当量 一 比随i t h j l l t 转角的变化关系( 如 一 图l _ 2 所示) ：神本等人认畜 。 为：在燃烧过程中生成的碳 烟，大部分在该循环的燃烧过 ： 程中被烧掉，只有一小部分的 一0 2 0 1ot d cl i ) 2 【) 湘4 0 碳烟被排出机外。从图中可以 。号2 燃筝警芽毋。1 著掣；管磬署量五 看出：( d = 9 5 m m ，s = 1 10 半开燃烧_ f ， i ) 碳烟在边喷油、边燃 烧的期间迅速增加。这说明碳烟从一厅始就生成，它与燃烧现象儿乎 是伴生的； 2 ) 在喷油结束后不久，碳烟达到了峰值。此后，j f ：始迅速下降。这与碳 烟的氧化和局部( 取样处) 稀释有关： 3 ) 燃烧过程中，取样处碳烟下降的趋势与该处火焰温度f 降的趋势以及 燃空当量比下降的趋势大体一致，后二者恰恰是碳烟生成的不利条件： 4 ) 在高速直喷式柴油机中，在上止点3 0 c a 时，碳烟已从它的峰值下降到 接近于最低点。 神本和松冈还指出，随着温度的降低，碳烟氧化的速率迅速f 降。火焰温 度降至1 8 0 0 k 以下时，碳烟的氧化速率趋近于零。呵见，碳烟的q 三成温度和氧 化温度( 含局部温度) 均相当高。速率都强烈地取决于温度。 格罩伏斯( g g r e e v e s ) m 1 等人用克恩的模型计算了碳炯r i g q - 成和氧化随曲 轴转角的变化，根据他们的计算结果：在上l r 点3 。c a 左并1 殳b ，累汁生成碳烟已 接近最高值：而累计净碳烟( 即生成量减去氧化量) 值达到峰值。此后净碳烟 值有一定程度的下降。大约在上止点后i o 。c a 起，累计的碳烟生成量和净碳烟 生成量都变化不大。 1 2 7 颗粒( p m ) 的危害和未燃碳氢 柴油机排放颗粒包括碳烟和可溶性有机质( s o f ) 。s o f 包括多核的芳烃混合 物( p a h ) ，p a h 主要形成于柴油机中的扩散燃烧阶段，在预混燃烧阶段不会形成 f f 5 】 ， 浙江人学琐f ：学位论文 早在1 9 7 7 年美闺环保局( e l ，a ) 颁发文告提醒人们小婴存通风小允分的场 合接触柴油机的排气之f m a m e sq - 物试验就已经发现柴油机的排放颗粒i 所含 的有机物的提取物是诱变性的。其中含有苯并( n ) 芘( b a p ) 的硝化物年禽讯 衍牛物，是直接致癌物。颗粒i j2 - 1 0u m 的颗粒吸入人体7 i 僻历，j 以摊， 对人体健康舶i 对危害较小；但足小j ：2m 的颗粒吸入人体后，会以m h 和7e 钳内 沉杉 起来，危害健康。订项研究，川不同荆f - 的、稀释了的柴 l | | 机枷7e 水f 1 褴体动物的i 吸入试验。试验1 1 1 对几乎是4 0 0 0j l l i l i 齿动物进i j 了持续按露j ：抓7i 1 5 个月的试验，发现所有动物的肺部被染黑。颗粒排放的危。蚌从健【，i f 的f f j 度来 看，在某种意义上可以晓是和吸烟的危害类似的i 川。 另外，在局部地区高浓度颗粒的存在，不仅对人体健康订很人影响，还刈 人们的生活造成危害，例如：臭昧、对眼的刺激、浑浊视线、和增加污秽等。 这也就是为什么在绝大多数隧道、地下停车场、和所有地下矿道安装强力通风 设备的原因l “1 。 在混合燃烧过程降低碳烟和氮氧化物排放的同时，有一种污染物特别值得 我们注意，它就是h c 。白烟和蓝烟主要是未燃的碳氢、水蒸气以及不完全燃烧 的中间产物。混合气的富燃极限和稀燃极限与燃料性质、缸内温度和压力有关。 温度和压力越低，则混合气的可燃极限范围也就越小，即混合气的富燃极限变 小；而稀燃极限变大，所以混合气过浓或者是过稀都能生成h c 。另外，混合气 过冷或骤冷会导致不完全燃烧，造成h c 量的增加。但是，混合气的过冷或过 热都是相对的，这种现象一般形成在靠近气缸壁或者燃烧室其它壁面附近的混 合气中。一般说来，h c 的排放中，除了燃油的成分以外，润滑油的成分也占相 当的比例。对于复合燃烧柴油机来说，h c 的排放是制约复合燃烧柴油机实用化 的障碍之一，所以有必要了解以下影响未燃碳氢排放的诸因素。 影响h c 排放的诸因素： 1 ) 喷嘴压力室容积对h c 排放浓度的影响： 喷嘴压力室容积中的燃油量不是以高压喷射方式进入燃烧室的。而足在 主喷射结束以后，由于燃烧使喷嘴加热，引起压力室和喷i l 内积存的燃 油受热膨胀，汽化而排至燃烧室内的。由于这部分燃油进入燃烧室比较 晚，因而混合质量差；进入燃烧室时就遇到高温火焰和缺氧的状态，所 以压力室中的燃油是h c 的重要生成源。压力室的容积与h c 的排放浓 度呈方次关系；并且转速越高则由压力室内的燃油转化为h c 的比例也 越高，所以要尽量减少喷嘴压力室的容积v 。 2 ) 过量空气系数对h c 的影响： h c 的浓度随过量空气系数q 的变化存在一个谷值。当大于这个谷值时， h c 的浓度明显上升；当小于这个谷值时，h c 的浓度急剧上升。 0 笫一章绗沦 3 ) 燃烧室壁温对h c 排放浓度的影响： 气缸内的温度升高可以扩火稀燃范围，促进 技l 处的泓仑。i 仃效燃烧， 同时又能扩大富燃极限的范，促进浓混合7 i 的燃烧。所以y t l ；1 “燃烧 i 的壁温能使相当宽的空燃比范日司内使h c 浓度降低。 4 ) 增压和燃烧室的类型对h c 浓度的影响： 1 增胍时的h c 的浓度低 二非增瓜时的h c 浓艘。 2 间接喷射式的柴油机的h c 浓度低f 伸喷式柴汕十j 【的浓度。 3 增压问喷式柴油机的h c 浓度最低；而l i ：增k 阳填柴油机的h c 浓度 最高。 5 ) 喷油提i j 角对h c 的浓度的影l 响： 对h c 浓度来说，存在一个最佳喷油提前角0 。，此时h c 浓度最低，i f i j h 负荷越低则h c 浓度随。的变化的急剧程度越大。喷油提前角对h c 浓度 的影响的本质是导致了滞燃期的变化，从而问接地影响了h c 浓度的变化。 6 ) 燃油品质对h c 浓度的影响： 因为滞燃期越大则h c 浓度也越大。在不同的芳烃含量燃油之间比较时， 滞燃期大的燃油必须用加大。值来匹配，以获得较小的h c 排放浓度。燃 油的十六烷值越高，滞燃期越短，其未燃碳氢和裂解碳氨越少。一般地， 十六烷值越高，芳烃的含量越低。 7 ) 涡流强度对h c 浓度的影响： 涡流强度对h c 浓度的影响存在一个最佳值。涡流过强或是过弱都会导致 h c 浓度的提高。 8 ) 发动机排量对h c 浓度的影响： 一般地，发动机排量增大会使得气缸的面容比减小，并且发动机的设计转 速会降低，所有这些都会使h c 浓度的降低。 9 ) 喷注贯穿距离对h c 浓度的影响： 喷注贯穿距离过大时，其贯穿率也过大，使未燃h c 的排放浓度增加。 1 3 汽车发动机降低n o 。和p m 的排放控制技术 要满足排放法规的要求就要不断运用新技术、新方法。可以认为，控制发 动机对大气环境污染的技术大体上是从以下两个方面入手的。( 一) 降低污染源 排放量：这里涉及到( 1 ) 汽车技术；( 2 ) 交通道路的规划设计；( 3 ) 汽车的行 驶情况：( 4 ) 维修和保养；( 二) 改善在环境中的扩散和吸收：( 1 ) 地理环境如 地理位置、风向、风力、温度以及光照度等；( 2 ) 城市的总体规划，如城市建 筑物、绿化等。因此，降低汽车废气排放是一个系统工程，需要各部门协调和 共同努力。从降低汽车废气排放技术方面看，根据国内外长期的研究结果表明， 9 浙江人学顺i j 学位论义 采川不同的技术措施都有可能减少排放。但同时也会增加系统的复杂r 睇l 影i i 向 j 他性能，所以必须兼顾各种性能指标。降低汽1 i 废。讨m 放小仪。j 发动t m , i i 能 f r 火，而且与汽车传动系的匹配、整车参数的优化密切的联系。，j 外，也：* 翌；楸掷当时的技术状况及汽车废气排放法规的限f i j | m 指定俞圳的技术路线和研 究外发策略。降低汽1 ：的有害排放量，尤其是n o 、, i l lp m ，j 仃j 乃佝7 争化 持 施：( 1 ) 提高燃油品质( 包括采用4 j l j 燃料) ：( 2 ) 改进发动机的燃烧和i 。作过 程：( 3 ) 排气后处理。 1 3 1 提高燃油品质( 包括采用代用燃料) 从目前的情况来看，以碳氢化合物为主的燃料( 汽油干柴油) 在未米的2 0 年内仍然是交通运输中广泛使用的燃料，这是由于其能量密度商、供应体系完 善、价格低廉、石油资源的有效开采、在全世界范围内供应量充足等因素决定 的。 清洁燃油是净化排放的必要条件。只有提高燃油品质，【能有助于在全世界更 ，1 的范围内采用更先进的发动机技术，二者是紧密相联系又互相影响的。壳牌 ( s h e l l ) 公司研究人员最新的一些文章总结了内燃机燃油质量对排放影响的主 要因素，发现含硫量、十六烷值、密度是影响排放的关键因素。含硫量对颗粒 排放具有一定的影响，仅仅通过降低燃油中硫的含量，便可以使颗粒的排放降 低1 0 - 2 0 ：如果再降低多环芳香烃( 多环芳香烃对颗粒形成影响巨大，总芳香 烃最大为1 0 ，应降至1 0 ) 的含量并降低终馏点( 应降至3 5 0 c ，同时t 9 5 应 降至3 4 0 c ) ，可以使颗粒排放降低3 0 6 0 。燃油品质关系到社会的经济和环保 ( 例如：燃油消耗，车辆排放，人身健康和材料的可持续性) 。控制燃汕质量， 提高燃油品质对降低发动机的排放水平至关重要。 在一些技术先进的国家，使用代用燃料和先进汽车驱动技术( 电动汽车、 混合动力汽车、燃料电池汽车) 已使排放指标达到极低的水平，具有很好的应 用前景。能源问题是中国发展代用燃料的推动力，原因是我圉原油进口量逐年 增加，而能源分布很不平衡；另一个重要原因是城市空气质蹙的恶化及：氧化 碳造成的大气温室效应越来越明显。因此，世界许多国家都对代用燃料应用进 行了积极地探索，并已取得很多成绩。 表1 1 代用燃料的特性 柴油甲醇乙醇天然气丙烷二甲基醚 d i e s e lm e t h a n ee t h a l l o lc n g p r o p a n e d m e 化学方程式 c x h yc h 3 0 h0 2 h 5 0 hc h 4c 3 h 8c 2 h 6 0 十六烷值4 0 + 1 5 1 56 0 + i辛烷值2 0 1 0 6 1 1 01 2 09 5 i n 5 0 第一章绪沦 低热值 4 2 5 1 9 9 1 62 6 7 7 84 8 5 04 63 5 7 8 i( m j k g ) 4 2 8 表卜l 中所列的是世界上具有代表性f t c j ) l , l q j j 燃料。儿霸衍仃的代川燃 料都h 有潜在的低氧化氮排放、低微粒排放、低删度的特”。c n ( ；( j 、缩人然7c ) e 仆燃料足以i j 烷为kj 含有少最的其它成分，j ：j e 分r f 待小，i w 胀j ：比 l 西达4 ，是汽油、柴油的2 倍左打。产生同样的热啭，烷燃烧7 l - ) m l , j 瓴化碳 要比柴油或汽油少3 0 左右。加之较高的辛烷值，i 蚓然机的j i j 缩比j 以比较“， 从而有利于提商内燃机的热效率，并u j 以叫显降低自害排放物：m 汽1 i 运 行时更稳定、噪音更低。【。i ) g ( 液化石油气) 以丙烷为主要成分，以及j 烷等纠【 成的混合物，h c 原子比也比汽油或柴油高很多，也具有较- 啊的中烷值和燃烧热 值，因此，燃烧性能也较好。不过燃用气体燃料的发动机要达到较好的排放水 平，匹配是非常重要的，否则可能造成n o ，的升高。c n g 、l p ( ；与汽油机比较c o 可降低7 0 ，n o 。和非甲烷烃类可降低8 0 啪】，c o ：可降低3 0 0 , 6 ，h c 可降低7 0 s o ，可降低9 0 ，完全可以消除铅、苯、芳香烃、和某些燃料添j j n 齐j j 等严重危害 物质。 应用二甲醚( o d e ) 也是一条新途径，西安交通大学的试验已证明它具有达 到欧i i i 和u l e v 的排放水平的潜力“”。对于我国来说，天然气的储量相当丰富， 原油的储量相对不足，而天然气是制造二甲醚的原料，所以在我国有比较好