发动机排放论文（共8篇）
发动机排放论文 篇1
0概述
天然气是世界上继煤和石油之后的第三大天然能源,其主要成分是甲烷,燃烧后生成二氧化碳和水,污染物排放少[1]。其作为代用燃料广泛应用于汽车上,特别是在商用重型车上应用最广。
目前国家标 准GB17691—2005规定天然 气发动机采用欧洲瞬态循环(ETC)试验规程测定其气态污染物。为了更好控制城市用重型车的排放,北京出台了地方标准DB11/964—2013,规定了国Ⅳ以上压燃式发动机和气体点燃式发动机需要按照欧Ⅳ标准中的全球统一瞬态循环(WHTC)循环方式进行排放测试。
WHTC测试循环与ETC循环相比,更加接近北京市重型车的实际行驶工况,国内外对这两个测试循环在柴油机上的应用展开了大量研究[2,3,4],但对天然气发动机的对比研究较少。另外,目前国家的排放标准主要关注发动机的常规污染物排放,对非常规污染物的排放没有进行规定,而这些非常规污染物通常具有强烈的致癌和促癌性,对人类健康及动植物生长具有极大危害。美国、日本等发达国家已将一些醛酮化合物列入重点污染物名单中[5]。非常规排放物中,VOCs(如苯类、芳烃类物质)会使人慢性中毒[6,7,8],对人体危害巨大,因此研究非常规污染物排放,寻找其排放规律对人类健康的影响是十分必要的。
本文在全流定容稀释采样系统台架上,对一台符合国Ⅴ排放标准的天然气发动机分别进行ETC和WHTC循环的排放测试,并对比两种测试循环条件下,天然气发动机常规气态污染物和非常规气态污染物的排放结果。
1试验系统
天然气发动机的排放测试是在一套具有发动机开发及试验验证功能的排放测试系统上完成的。发动机测 功系统为 奥地利AVL 1NDYS504/3001-1BV-1型500kW交流电力测功机,全流稀释系统为AVL的CVS i60,气体排放分析系统为AMA i60, 非常规污 染物测量 仪为HORIBA的MEXA-6000FT。本测试系统还配备了发动机进气空调、循环水恒温装置、燃油恒温装置等。测试系统测试流程见图1。 其中非常 规污染物 测量仪MEXA6000FT主要测量SO2、HCHO、CH3CHO、C2H4、 C2H6、C3H6、1,3-C4H6、iso-C4H8、C6H6、C7H8等标准的非常规污染物排放情况。
试验发动机为符合国Ⅴ排放标准的天然气发动机,参数如表1所示。试验条件:中冷后温度45℃, 背压28kPa,进气温度20℃,进气湿度35%,CVS流量100m3/min,采样时间800s。
2ETC与WHTC循环排放测试方法的对比
重型汽车保有量仅占机动车保有量的5%,但其氮氧化物(NOx)和颗粒物排放量占总排放量的70% 以上。为此国家推行了越来越严格的排放法规,特别是北京地区,在2008年率先推行了重型车国Ⅳ排放标准。但在实际的测量过程中,由于城市内重型车特别是公交车、环卫车等,实际运行区域在排放标准的非控制区间,排气温度低,排气后处理系统的效率很低甚至不起作用,实际运行中NOx排放严重超标。为此北京市制定了地方标准DB11/964—2013 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法(台架工况法)》,其中对国Ⅳ以上发动机排放规定采用WHTC循环排放测试方法。
图2为ETC与WHTC循环条件下,天然气发动机工况分布图。由图2可看出,在整个ETC试验循环中,发动机平均转速是标定转速的57%,发动机平均功率是标定功率的31%,怠速时间占整个循环时间的6%。而在WHTC循环试验中,发动机平均转速是标定转速的36%,发动机平均功率是标定功率的17%,怠速时间占整个循环时间的17%。由此可看出,WHTC循环更接近实际道路工况。
在测试程序上,相对ETC测试程序,WHTC增加了一次冷起动的排放测试,之后经过10min的热浸期,再进行一个热起动的排放测试。最终测试结果通过加权公式(式(1))得到。
式中,m为WHTC循环最终排放结果;mcold、mhot分别为冷、热起动循环各排放物组分的质量;Wact,cold、 Wact,hot分别为冷、热起动循环的实际循环功。表2为两种测试方法的排放限值。由表2可以看出,CO、 非甲烷碳氢(NMHC)和CH4排放在两种测试方法下的限值要求相同,只有NOx排放限值在WHTC循环中高于ETC循环。
3不同测试循环对常规污染物排放的影响
表3为ETC循环和WHTC循环条件下,天然气发动机常规气态污染物的排放结果。由表3可看出,该国Ⅴ排放的天然气发动机在两种测试循环下都达到了标准的要求,其中NMHC的排放很少,可以忽略不计。由于WHTC循环下发动机平均转速、 负荷低于ETC循环,因此其各排放结果高于ETC循环的排放结果。发动机在冷起动WHTC循环条件下的排放最恶劣,特别是CO和CH4的排放是热起动循环的2倍以上。
4不同测试方法对非常规污染物排放的影响
表4为ETC循环和WHTC循环条件下,天然气发动机非常规气态污染物的排放结果。
由表4可看出,天然气发动机非常规污染物中, SO2和苯的排放量最大。由于天然气中含有少量的硫化氢等物质,因此SO2的排放与天然气的消耗量有关。ETC循环下,天然气消耗量大于WHTC循环,因此其SO2排放量较高。同理,冷起动循环条件下,SO2排放量高于热起动循环。
醛类化合物总体排放较低,其中甲醛排放在ETC循环下高于乙醛排放。WHTC循环下则乙醛排放较高,其冷起动循环醛类污染物排放高于热起动循环。
VOCs类污染物中,苯的排放量最大,且WHTC循环条件下排放高于ETC循环,冷起动条件下排放高于热起动循环。甲苯在ETC循环下排放几乎为零。但在WHTC循环下排放较多,其冷起动循环条件下显著高于热起动。对于乙烯和丙烯的排放,ETC循环高于WTHC循环,且冷起动排放高于热起动。乙烷的排放在ETC循环基本为零,WHTC冷起动循环显著高于热起动循环。1,3-C4H6和iso-C4H8的排放很少。
5结论
(1)试验用国Ⅴ排放天然气发动机,在ETC循环和WHTC循环下的排放都达到了限值的要求。
(2)WHTC循环条件下,常规污染物排放高于ETC循环,其冷起动循环排放量高于热起动循环。
(3)SO2的排放与天然气的消耗量有关,ETC循环下,天然气消 耗量大于WHTC循环,因此其SO2排放量较高。同理,冷起动循环条件下,SO2排放量高于热起动循环。
(4)醛类化合物的排放较少。VOCs中苯和甲苯的排放较多,其WHTC循环下排放量高于ETC循环,冷起动循环下高于热起动循环。
发动机排放论文 篇2
通过改变活塞环岸高间隙的方法研究了活塞环间隙对发动机冷起动HC排放的影响.试验结果表明,在冷起动首循环情况下混合气浓度处于稀燃区时,增加50%的.活塞环岸高间隙,HC排放平均升高了25%;当混合气浓度处于稳定燃烧区域时,增加50%的活塞环岸高间隙,HC排放平均降低了32%;当冷起动首循环混合气浓度处于浓燃区时,活塞环岸高间隙增加50%,HC排放平均提高了18%.
作 者：栗工 李理光 Li Gong Li Liguang 作者单位：栗工,Li Gong(联合汽车电子有限公司)
李理光,Li Liguang(同济大学)
发动机主要有害排放物及其控制 篇3
1 尾气的主要成分及危害
1.1 一氧化碳
一氧化碳是燃料燃烧的中间产物, 主要是在局部缺氧环境下或低温条件下的不完全产物, 混在内燃机废气中排出。一氧化碳是一种无色无臭无味的窒息性有毒气体, 人体吸入微量将破坏造血功能, 呈中毒症状;吸入过量的一氧化碳会使人发生气喘、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡;吸入含体积浓度0.3%时, 则可在30min内使人致命。
1.2 氮氧化合物
从燃烧过程看, 排放的氮氧化物95%以上是一氧化氮, 其余是二氧化氮。氮氧化合物的排放量取决于燃烧程度、时间和空燃比等因素, 发生在与燃料燃烧反应相伴的高温与富氧的环境中。一氧化氮的毒性比二氧化氮的小, 但一氧化氮在大气中缓慢氧化形成二氧化氮。二氧化氮是一种褐色有刺激性的气体, 空气中含10～20mL/L时可刺激口腔及鼻道黏膜;50～300mL/L时将使人头痛出汗, 损伤肺组织;在大于500mL/L时, 几分钟就可使人出现肺浮肿而死亡。
1.3 碳氢化合物
尾气中的碳氢化合物包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物, 如多环芳香烃、醛、酮、酸等在内的200多种成分。碳氢undefined化合物约60%来自内燃机废气排放, 20%～25%来自曲轴箱的泄露, 其余的15%～20%来自燃料系统的蒸发。碳氢化合物中的大部分对人体健康不产生直接的影响, 但其中的某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害, 如甲醛等损伤眼睛、上呼吸道及中枢神经。碳氢化合物在阳光的作用下与氮氧化合物进行光化学反应, 形成一种毒性较大的光化学烟雾, 其中最主要的生成物是臭氧O3, 它具有较强的氧化力和特殊的臭味, 使橡胶裂开, 植物受损, 可见度降低, 并刺激眼睛及咽喉。如尾气中的二次污染物臭氧、过氧乙酯基硝酸脂, 可使植物叶片出现坏死病斑和枯斑病;乙烯可影响植物的开花结果。
2 有害排放物的控制
影响机车有害排放物生成的因素很多, 如燃油的品质、混合气成分、吸入的废气量及机车的工况等, 目前消除尾气中这些有害成分的方案主要有以下两种。
2.1 改进发动机的燃烧方式
降低排放的对策主要是改善燃烧, 目前改进发动机的燃烧方式有高压共轨喷射系统、废气再循环系统及增压中冷技术。高压共轨喷射系统主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、ECV (电子控制单元) 和各种传感器组成, 通过对喷油要素的优化控制, 使柴油机燃烧更充分, 从而减少燃烧中有害物的形成。废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多, 当送回气缸的废气与新鲜空气混合后, 该过程导致气缸内氧气浓度降低, 使燃烧速度减慢, 燃烧温度下降, 从而减少有害成分氮氧化物的形成。增压中冷技术就是增加进入柴油机气缸内的空气密度, 并将压缩后的空气温度降低, 使滞燃期缩短, 从而减少排气中有害成分碳氢化合物和氮氧化物的生成。
2.2采用催化转化器
催化转化器是一种内部装有催化剂的装置, 装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种, 一种是催化氧化法, 它以铂, 钯, 黄金, 钴, 镍等金属及其氧化作为催化剂, 使有害成分一氧化碳和碳氢化合物氧化成无害成分二氧化碳和水蒸气。另一种是催化还原法, 它以碱金属, 钴铬合金作为催化剂, 使有害成分氮氧化合物还原为氮气和氧气。目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置。三元催化反应装置一般不用于柴油机, 而只用于汽油机;氧化催化反应装置对柴油机和汽油机都适用。
发动机排放论文 篇4
随着中国经济的高速发展,运输业、制造业等消耗大量的化石类燃料,造成中国对外石油依存度日益增加,使中国的能源安全受到挑战;同时,柴油机、汽油机燃烧过程产生的大量有害排放物和灰尘、水汽等结合悬浮在空中,形成了中国大面积的雾霾天气,严重影响到人民健康。在此背景下,发展清洁燃料减轻能源和环境的双重压力成为中国汽车发展的一个重要研究课题。二甲醚(DME)和传统的化石类燃料相比,由于其分子中不含C—C键,可以实现无烟燃烧。二甲醚可以通过煤化工或生物质能等大量制取,是一种理想的压燃式发动机代用燃料[1,2,3,4]。
二甲醚作为压燃式发动机的代用燃料,其燃烧过程中产生的HC排放较低。随着各国对环境问题的重视,排放法规日益严格,国-Ⅴ、欧-Ⅵ排放法规将陆续实施,严格的欧-Ⅵ排放标准对各种燃料的内燃机都是一种挑战[5]。
二甲醚在常压下为气态,燃料喷射雾化的喷射锥角、贯穿度、粒子粒径和柴油存在较大差别[6,7],雾化后的液滴在缸内的气化速度是柴油的三倍,雾化后油束的锥角比柴油大,因此二甲醚比柴油更容易喷射到缸盖和活塞的壁面,在壁面附近形成蒸发过浓区,从而成为排放生成区,包括碳氢化合物(HC)在内的污染物的生成规律也与柴油机存在一定差异。
本文以直列泵二甲醚发动机为研究对象,通过试验方法研究喷油器启喷压力、喷孔直径、供油提前角和发动机负荷对HC排放的影响规律,为进一步控制二甲醚发动机的HC排放提供一定的理论及试验基础。
1 试验样机及试验装置
1.1 试验样机
以潍柴动力226B二甲醚发动机为试验样机,设计了适合二甲醚燃料的低压燃油供给系统和高压油泵。鉴于二甲醚的动力黏度只有柴油的1/20,在二甲醚中添加体积分数为0.05%的二甲醚专用燃料添加剂,保证燃料供给系统的润滑性。在原柴油机喷油器基础上设计了五孔二甲醚专用喷油器。试验样机的主要参数如表1所示。
图1为二甲醚发动机试验台架布局示意图。排放用Horiba MEXA.7000排气分析仪测量,排气中HC体积分数测量精度为±1×10-6,氧含量的测量精度为±0.01;采用长沙湘普测试企业有限公司生产的FC2000发动机自动测控系统,转速测量精度为±1r/min,负荷测量精度为±0.4%F.S,排气温度测量精度为±1%;二甲醚消耗量用科氏流量计测量。由于受二甲醚的物理特性的影响,采用科氏流量计测量二甲醚的质量流量时主要存在以下原因导致的误差:二甲醚回油导致其温度升高而出现两相流;溶解在二甲醚中的气体析出形成气泡;流量计放置在发动机台架基座附近,由于振动出现测量误差。本研究中对二甲醚冷却降温以避免两相流及气体的析出,科氏流量计放置在试验室远离试验台架的位置以避免振动对测量精度的影响。并用量程为100kg、精度为0.002kg的电子秤对测量结果进行标定,以保证测量结果的准确性。
2 试验结果及分析
2.1 发动机转速、喷油器启喷压力对HC排放的影响
图2为试验发动机外特性下喷油器启喷压力对HC排放的影响及排气含氧量。试验中喷油器的结构及运行参数为:五孔喷油器,喷孔直径0.38mm,喷油器的静态供油提前角为11°,喷油器启喷压力分别为14、16、18MPa。
如图2中曲线所示:外特性1 000~2 300r/min范围内,三种喷油器启喷压力下的HC排放均随发动机转速的增加呈先增加后减小的趋势;整个外特性转速范围内,燃烧一直处于富氧状态,且随着转速的提高,增压器的增压能力增强,进入气缸中的新鲜空气量增加,排气中的氧含量升高。
外特性HC排放随发动机转速的变化主要是由以下原因造成的:发动机低速运行时,虽然进气过程中形成的缸内涡流强度较弱,气流的湍动能较低,不利于二甲醚和周围空气的充分混合,但二甲醚的燃烧时间长,有利于其充分燃烧,HC排放低;随着发动机转速的提高,缸内气流运动增加,二甲醚的雾化混合过程较低速时改善,但燃烧时间变短,后燃倾向增加,燃烧不充分,HC排放升高;随着转速继续升高,进气过程中形成的缸内涡流运动及活塞上行运动形成的气流运动强度较强,二甲醚的雾化、蒸发和混合更加充分,有利于二甲醚的充分燃烧,同时发动机的排气温度与低速、中速时相比升高较多,虽然转速高导致二甲醚的燃烧时间较短,但在富氧、高温条件下,燃烧的后氧化过程使大部分HC被燃烧掉,其排放比中速时低。
由图2可知:喷油器启喷压力14~18MPa范围内,随喷油器启喷压力的升高整个外特性转速下HC排放呈降低趋势,启喷压力从14 MPa提高到16MPa比从16MPa提高到18MPa对HC排放的影响程度大。分析其原因为:喷油器启喷压力的变化影响燃料的喷射压力、喷射持续期和雾化质量等,这些因素综合影响发动机的HC排放。图3为不同喷油器启喷压力情况下,外特性1 000r/min转速下缸内示功图及放热率。
由图3可知:随着喷油器启喷压力的升高,示功图中缸压曲线脱离纯压缩线时刻推迟,且在燃烧后期缸压曲线下降较快,喷射压力升高后,放热推迟,放热结束时刻提前。这说明随着启喷压力的升高,二甲醚喷射开始时刻推迟,喷射结束时刻提前,燃料的喷射持续期缩短,燃烧持续期随之缩短,后燃倾向减小,燃烧完善程度增加。另外,二甲醚HC排放的化学动力学研究表明,HC排放主要产生于空气和燃料混合不完全形成的富燃料区域[8]。试验过程中启喷压力是通过调节高压油泵出油阀弹簧的预紧力实现的,随着启喷压力的提高,整个喷射过程中的压力升高,二甲醚的喷射速率增加,喷射雾束粒子的直径减小,加快了二甲醚的蒸发过程,改善了二甲醚和空气的混合,减少了燃料过浓区,HC生成量减少,因此相同转速下HC排放随启喷压力的提高呈降低趋势。
2.2 喷孔直径对HC排放的影响
图4为发动机外特性工况不同喷孔直径下的HC排放曲线。图5为外特性不同喷孔直径下放热率曲线。试验过程中保持静态供油提前角为11°,喷油器启喷压力为16MPa。
由图4可知:外特性1 000~1 300r/min范围内,采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器发动机HC排放低;转速1 500~2 300r/min范围内,采用五孔喷孔直径0.36mm喷油器发动机HC排放低。这说明在低速和中、高转速时喷孔直径对HC排放的影响不同。由图5可知:发动机转速为1 000r/min、喷孔直径为0.36mm时,二甲醚放热提前,但放热持续期增长;发动机转速为为1 900r/min时,小喷孔直径的放热率稍早,但放热持续期差别很小。
HC排放的这种变化规律是由喷孔直径对二甲醚喷射、雾化及燃烧过程的综合影响导致的。当发动机低速运行时,缸内涡流运动弱,采用五孔喷孔直径0.38mm的喷油器的油束贯穿度比采用五孔喷孔直径0.36mm喷油器大,低速运行雾化混合和燃烧时间长,加上二甲醚良好的蒸发性,有利于提高燃烧室内空气的利用率,改善二甲醚的扩散燃烧过程,HC排放降低;而采用0.36mm的喷孔直径时,由于喷射持续期增长,燃烧时间增长,HC排放升高。
发动机转速较高时,燃烧时间缩短,但缸内涡流运动增加,有利于燃料的雾化混合。采用五孔喷孔直径0.36mm的喷油器,由于喷孔直径的减小,节流作用增加,喷射压力和喷射速率比0.38mm喷孔直径时增加,喷射雾束的索特直径减小,燃料与空气接触面积增加,蒸发速率加快。相关化学动力学研究表明:改善喷射雾化后,二甲醚燃烧后期的扩散燃烧阶段缩短[9],因此虽然五孔喷孔直径0.36mm的喷油器喷射持续期增加,但放热持续期和喷孔直径0.38mm喷油器差别较小,燃烧的完善程度提高,HC排放降低。
2.3 喷射时刻对HC排放的影响
图6为供油提前角对HC排放的影响。试验中采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,喷油器启喷压力为16MPa,静态供油提前角分别为13°、11°和8°。
由图6可知,供油提前角由13°推迟到11°,外特性转速1 000~2 300r/min范围内HC排放呈降低趋势;喷油器启喷压力由11°推迟到8°时,HC排放呈升高趋势。这表明试验样机外特性不同工况点下,对于HC排放而言存最佳的喷射提前角。
这是因为,二甲醚发动机的HC排放是由HC的生成量和其后氧化的完善程度共同决定。供油提前角增大较多时,燃料喷射过程中部分二甲醚喷射到活塞挤气区和缝隙区域,燃烧室中氧的利用率降低,燃烧不完全。特别是早期喷射到缝隙区域的二甲醚由于较低的氧含量和壁面散热造成较低的燃烧温度,导致HC生成量增加[7,10]。相反,如果过度推迟供油提前角,二甲醚在活塞下行过程中喷入的比例增加,这时进气过程中形成的涡流已经被破坏,这部分二甲醚和空气混合的几率降低,形成局部燃料的过浓区,HC生成量增加,同时二甲醚的后燃倾向严重,燃烧不充分,虽然后氧化的比例增加,HC排放仍升高。
图7为ESC十三工况点工况的二甲醚消耗率及HC排放。试验中采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,启喷压力为16MPa,静态供油提前角分别为11°和8°。
如图7可知,发动机在不同工况点运行时,静态供油提前角为11°的二甲醚消耗率比8°低,其第4工况点到第13工况点的HC排放也更低。经计算,供油提前角为11°时ESC的HC比排放量为0.288g/(kW·h),而供油提前角为8°时HC比排放量为0.332g/(kW·h)。
2.4 发动机功率对HC排放的影响
图8为发动机功率对HC排放的影响。试验过程采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,启喷压力为16MPa,静态供油提前角为11°。
由图8可知,在1 000r/min低转速、1 700r/min中等转速和2 300r/min高转速时,发动机的HC排放均随负荷的升高呈降低趋势。这是因为:随着负荷的增加,增压压力增加,发动机的吸气量增加,缸内气流运动速度增加,有利于二甲醚的雾化、蒸发及与空气的混合,抑制HC排放的生成;当发动机负荷较低,特别是负荷低于30%时,二甲醚的喷射量很少,过量空气系数很大,二甲醚在蒸发及和空气的混合过程中形成燃料浓度过稀区,这些区域的浓度低于燃烧下限,HC的生成量较多。不同负荷燃烧后期HC后氧化率的差别如图9所示。随着负荷的增大,发动机排气温度升高,燃烧后期在富氧条件下进行使燃烧前期生成的HC被氧化的比例升高,其排放降低。另外,如图9可知,低速1 000r/min时排气温度较中、高转速时高,这是因为低速时增压器的增压压力较低,发动机的过量空气系数比中、高速时小导致的。
3 结论
(1)外特性1 000~2 300r/min范围内,HC排放随发动机转速的增加呈先增加后减小的趋势,随喷油器启喷压力的升高HC排放呈降低的趋势。
(2)外特性转速1 000~1 300r/min范围内,采用喷孔直径0.38mm喷油器的发动机HC排放较低,转速在1 500~2 300r/min范围内,采用喷孔直径0.36mm喷油器的发动机HC排放较低。
(3)静态供油提前角由13°推迟到11°时,外特性的HC排放呈降低趋势;静态供油提前角由11°推迟到8°时,HC排放及二甲醚消耗率呈升高趋势。
(4)随着二甲醚发动机负荷的升高,其HC排放呈降低趋势。
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发动机排放论文 篇5
机动车排放因子是指单辆机动车行驶单位里程排放的污染物量,一般以g/km为单位来表示。它是反映机动车排放状况的最基本参数,也是确定机动车污染物排放总量及其环境影响的重要依据,确定机动车排放因子的意义,在于量化机动车的污染状况,为进行机动车污染控制的科学决策提供重要依据[1]。机动车排放因子的确定方法有很多,目前国际上比较常用的有以下几种:台架测试法、模型预测法、遥感遥测、公路隧道法、实际行驶工况测试法、车载测试法等[2]。
由于目前对重型车实际道路排放的研究非常有限,本文以实际行驶工况测试法为基础,运用车辆动力学相关理论,使用MATLAB建立了整车排放与发动机排放之间的转换模型,并利用发动机动态实验台进行了整车排放的的瞬态模拟实验,根据实验结果得到了整车的排放因子,最后分析了车辆实际行驶的排放特点。
2 整车行驶工况与发动机运行工况的关系研究
2.1 理论基础
当汽车在实际道路上行驶时,必须克服地面的滚动阻力Ff和空气阻力Fw,以及坡道阻力Fi和加速阻力Fj,汽车行驶方程式可表示为[3]:
其中:Ttq——发动机的输出转矩,N·m;
ig——变速器传动比;
i0——主减速器传动比;
ηT——传动系效率;
r——车轮的滚动半径,m;
G——车重,G=mg,N;
f——滚动阻力系数;
CD——空气阻力系数;
A——车辆迎风面积,m2;
ua——车辆行驶速度,km/h;
i——道路坡度;
δ——旋转质量换算系数;
m——车辆的质量,kg;
du/dt——车辆的加速度,m/s2。
汽车在行驶过程中,根据车辆传动系统之间的机械传动关系可以推导出汽车发动机的转速与汽车行驶速度的关系[3]:
其中:n——发动机转速,r/min。
由公式(1)、(2)可以看出,如果已知车辆的技术参数、车辆行驶的环境参数与车辆的实际行驶状况,就可以计算得出车辆所搭载发动机的转速和转矩。
2.2 工况转换程序设计
程序设计时考虑到程序所要达到的功能,将程序分成了三个部分。
(1)数据输入部分
这部分由车辆参数、行驶环境参数、车辆行驶工况构成。车辆参数包含车辆的总质量、各档位速比、迎风面积等;环境参数包含道路的滚动阻力系数,坡度等;车辆行驶工况包括车辆行驶时的瞬时速度与瞬时加速度。
(2)转换计算部分
这部分由整车至发动机的转换计算构成,在第一部分输入数据的基础上,以公式(1)、(2)为计算依据,将整车行驶工况转换为发动机运行工况。
(3)数据输出部分
这部分是将第二部分计算所得的数据进行保存,并绘出发动机工况曲线,为进一步试验研究做好准备。
2.2.1 程序参数选择与计算
公式(1)、(2)中所涉及到的参数较多,参数的取值直接影响到程序的计算精度。为了使程序的输出能更真实地反应汽车的实际行驶工况,对程序中各个参数的选择与计算就显得十分必要。
(1)滚动阻力系数f
对于重型车辆来说,由于车速不高,滚动阻力系数与车速的关系接近于直线,据研究表明,在良好道路上,货车的滚动阻力系数与车速有下面的关系[3]:
(2)迎风面积A
车辆的迎风面积由车辆的几何尺寸确定,据研究表明,载货汽车的迎风面积与汽车总宽与总高有如下近似关系[5]。
其中:b——车辆总宽,m;
h——从地面计的总高,m。
(3)旋转质量换算系数δ
旋转质量换算系数所受的影响因素很多,各种影响因素也比较复杂,精确取值比较困难,图1为货车的旋转质量系数与传动系总传动比之间的关系。
为了能更精确的得到不同质量、不同总传动比下的旋转质量换算系数,结合公式[5]。
其中:Iw为车轮的转动惯量;If为飞轮的转动惯量。
对图1上的曲线进行拟合,得到旋转质量系数随传动系总传动比和汽车总质量变化的二维曲面。不同车辆的旋转质量系数δ通过对曲面插值求得,图2为拟合后的二维曲面。
2.2.2 换档规律的确定
在程序设计中,汽车实际的换档规律也会直接影响到程序的计算结果。由于车辆以及驾驶员驾驶习惯的不同,造成实际驾驶的换档规律千差万别,很难对实际的换档规律进行精确模拟。因此参考《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅱ)》(GB 18352.2-2001)中的测试循环,对程序中的换档速度点作了规定,表1为程序中规定的各个换档点的速度值。
2.2.3 程序流程
经过前面对程序的详细设定,编写整车至发动机的转换计算程序,图3是转换程序的流程图。
2.2.4 程序计算实例
选择一辆装备增压中冷柴油机的货车作为计算样车,表2是样车的主要技术参数。
由于目前国家标准中没有对重型车规定具体行驶工况,因此借鉴采用“GB 18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法”中规定的试验循环进行重型车整车的动态模拟实验,整个循环工况包括4个运行时间为195s的市区运行单元和1个运行时间为400s的市郊运行单元,总运行时间1180s,总的行驶里程10.646km[6]。由于重型车的行驶最高车速限制,400s市郊运行单元的最高车速选择为90km/h,图4是车辆行驶速度与加速度的分布。
图5是程序计算得到的整车行驶时所装配发动机的瞬态工况。
3 基于发动机台架的整车排放试验
3.1 试验设备
试验研究在SCHNECK动态试验台上进行,用PIER-BURG-AMA4000排放分析仪测量排气中的气态成分,用AVL439烟度计测量排气中的可见污染物,用DEKATI-ELPI颗粒物采集分析颗粒物的排放。
3.2 试验方法
按照图5得到的发动机瞬态工况进行试验,测功机采用转矩-转速模式控制发动机,使其每秒的转速与转矩达到瞬态工况的要求,排放总采样时间为1180s。
发动机每作单位功排放的污染物的质量称为发动机的比排放量,单位用g/(kW·h)表示,可以客观地评价不同种类、不同大小发动机机的排放性能;机动车的排放因子是指单辆机动车行驶单位里程排放的污染物质量,单位用g/km来表示[7],利用相关理论可折算出整车的排放因子[6]:
其中:mi——污染物的排放因子,g/km;
Mimass——污染物的瞬时质量流量,g/h;
s——车辆的行驶距离,km。
3.3 试验结果分析
图6是计算得到的各种污染物的瞬时质量流量,可以看出污染物质量流量的分布与所模拟的整车运行工况之间有较好的对应关系:加速过程排放浓度增大并出现峰值;匀速状态时,排放浓度比较平稳;减速时排放浓度从峰值开始回落。总的来说,在市区低速工况的排放分布具有一定的重复性,而低速工况的排放分布与高速工况的排放分布之间区别较明显。在4个低速工况下,各种污染物的平均质量流量相差不大;与低速时相比,高速工况下的质量流量有明显的变化。NOx和HC的流量与低速工况相比都有增加,NOx增幅较大,约为145%,HC增加60%左右;CO和PM的情况正好相反,CO降低8%,PM降低了12%。
表3是各种污染物的比排放量。可以看出,由于发动机的运行工况有很大差别,所以瞬态工况下各污染物的排放与认证工况下的相比有明显的不同。与认证工况相比,HC的排放低64.1%,NOx低34.5%,CO高8.6%,瞬态工况最大烟度与ELR烟度相比高33%。因此,重型车在实际行驶工况下的排放情况与发动机排放认证工况下的排放情况有比较大的差别,不能简单使用认证试验的排放测量结果代表重型车的实际排放。
表4是计算得到的整车排放因子,图7是各种污染物在每个工况下的排放因子,其中工况1、2、3、4为低速市区工况,工况5为高速郊区工况。可以看出,在同一工况下NOx的排放量最大,其次是CO,然后是PM,HC最少。对每种特定污染物来说,高速工况下的排放状况均好于低速情况。
4 结论
(1)根据汽车动力学的基本理论,结合选定的整车排放循环,分析得到了整车的行驶工况和所搭载柴油机的转速、转矩之间的分布关系。设计了工况转换程序,选择了实际的柴油车进行整车-发动机的工况转换分析。
(2)在发动机实验台上进行整车动态实验模拟,进行发动机动态工况的排放研究。分析了各种污染物瞬时流量的分布规律,将整车模拟工况的排放结果与柴油机认证工况下的排放限值进行了比较,并根据发动机的比排放量计算得到了模拟实验条件下整车的排放因子。
(3)利用发动机动态试验台完全可以模拟整车的实际行驶工况进行排放实验,得到整车的排放因子,这是研究重型车排放因子一种行之有效的方法。
参考文献
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发动机排放论文 篇6
随着汽车工业的发展,汽车在方便人们出行的同时,也在严重威胁着人类赖以生存的生态环境。据统计,一些大城市的大气污染物中,约80%的CO和40%以上的NOx来自于汽车尾气,一些较小城镇也在承受着汽车尾气带来的严重后果[1]。为了有效降低汽车污染物排放,限制汽车排放水平,美国、欧洲、日本等国家和地区相继建立了严格的排放法规,对污染物成分的排放水平做出了严格规定。相应地,各大汽车厂商也逐步加大技术和资金投入,用以开发有效的排气污染物控制技术,并取得了显著成效[2]。
我国汽车工业起步较晚,相应的排放法规也滞后于欧、美、日等发达国家和地区。我国汽车排放标准实施进程与欧洲对比见表1。
从表1中可以看出,我国汽车排放标准与欧洲相比还存在一定的差距,这一方面与发动机技术水平存在一定联系,同时也受到油品质量的限制。但值得关注的是,由于大气污染问题的日益严峻以及国家对于汽车尾气危害的持续关注,我国正在逐步缩小与欧洲等发达国家和地区的差距。
由于柴油发动机具有动力强劲、经济节油、安全可靠等特点,在商用车尤其是重型商用车上得到了非常广泛地应用。但是,柴油发动机也存在自身的不足之处,与汽油机相比,排放污染物中碳烟颗粒物的排放量大大升高,加之商用车一般选用大排量发动机,因此碳烟颗粒物的排放量相当大,这也进一步加剧了雾霾的产生[3]。为了降低柴油发动机的排气污染物水平、满足日益严格的排放标准,需要对柴油发动机的排放控制进行多方面研究,其中就包括柴油发动机排放污染物的种类与生成机理,以及柴油机机内净化、排放后处理等关键技术。
1 车用柴油机排放污染物的种类与形成机理
车用柴油机的排放污染物主要包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、碳烟颗粒物(PM)和硫化物[4]。其中,一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物以气体形式存在,硫化物以液态形式存在,固体污染物则包括碳烟颗粒物以及其表面附着的碳氢化合物和硫化物。下面将分别介绍不同污染物成分的形成机理。
1.1 一氧化碳
一氧化碳的产生主要源于柴油机燃料混合气的不完全燃烧,即燃气混合不均匀以及燃烧缺氧所致。因此,一氧化碳可以认为是柴油机燃烧的中间产物。
烃类燃烧一般可以用式(1)表示:
当混合气中的氧气足够充足时,CO和H2进而发生以下反应,用式(2)和式(3)表示:
可以看出,在缺氧条件下,混合气主要进行反应,如式(1),随着氧气含量的增加,部分CO反应生成CO2,燃烧产物中CO和CO2同时存在;当混合气中的氧气足够多时,CO完全转化成CO2。
CO和人体血液中的血红蛋白具有极高的亲和力,会生成碳氧血红蛋白,进而阻断氧气与血红蛋白结合,导致人体缺氧窒息,严重时危机人体生命。
1.2 氮氧化物
在柴油机排气污染物中,氮氧化物主要包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)两种形式,其中一氧化氮所占比重较大。氮氧化物主要是由于N2和O2在高温高压环境下发生化学反应生成的。NO和NO2的形成过程可以参见表2。
NOx具有很强的毒性,其溶于水后会形成硝酸,是酸雨的成分之一;此外,在特定条件下,会造成光化学烟雾。
1.3 碳氢化合物
碳氢化合物(HC)主要是由于混合气未燃烧或燃烧不充分、润滑油窜漏以及曲轴箱窜气所致。
混合气未燃烧或燃烧不充分主要是由于发动机运行过程中混合气过浓或过稀所致,使部分混合气未进行燃烧或燃烧不充分;润滑油窜漏主要是通过影响可溶性有机物(SOF)来影响HC产生的数量,润滑油使SOF的数量上升,进而促进HC的产生;曲轴箱窜气则是指混合气通过活塞组与气缸之间的缝隙窜漏至曲轴箱中,导致大量的未燃燃料直接排放到大气中,其中就包括未燃HC。
1.4 碳烟颗粒物
碳烟颗粒物主要是由混合气中的碳生成的,并且燃油的种类、燃油分子的碳氢比会对碳烟颗粒物的生成产生影响。一般认为,碳烟颗粒物是不完全燃烧的中间产物,同时也是混合气在高温缺氧条件下裂解脱氢后形成的化学反应产物。
碳烟颗粒的形成可以归纳为颗粒生成和颗粒长大两个阶段;生成阶段,在高温富氧的混合区域,柴油通过裂解和脱氢,形成先期产物,在低温区域,通过聚合和冷凝生成碳烟微粒;长大阶段,通过表面生长和聚集作用,使得颗粒物体积和质量不断扩大。
碳烟颗粒物极易被人体吸入,沉积在肺部,导致癌症肿块的形成,对人体造成极大的危害;同时,碳烟颗粒物也是形成雾霾的重要来源。
1.5 硫化物
硫化物主要来源于混合气和润滑油当中的硫,与氧气反应生成硫氧化物,如式(4)。硫氧化物溶于水会形成硫酸,因此硫化物也是酸雨形成的来源之一。
2 车用柴油机排放控制技术
排放控制策略应综合考虑柴油机的固有特点,包括混合气的形成方式以及燃料燃烧特点。柴油机与汽油机不同,柴油是通过喷油泵和喷油嘴直接进入气缸内与空气混合,受到压缩使空气温度升高,进而柴油自燃[5]。
在柴油机的排放污染物中,一氧化碳、碳氢化合物的含量相对较少,硫化物的含量主要取决于燃油当中硫的含量。相比之下,碳烟颗粒物和氮氧化物的含量则相对较高,因此也成为了排放控制的重点内容。
柴油机排放污染物的控制技术可以从以下2个方面出发。
2.1 提高燃油品质
燃油品质对排放污染物的产生具有决定性的作用[6]。柴油机排放的氮氧化物、一氧化碳和碳烟颗粒物可以通过增加柴油当中的十六烷值来降低。其中,氮氧化物的含量与油品中芳香烃的含量有关,因此,减少芳香烃的含量可以有效降低氮氧化物的排放;而减少油品中硫的含量则可以有效降低硫化物的排放量。
改善油品质量可以从以下4个方面进行:
(1)适当增加柴油的十六烷值,并控制在合理范围内,同时减少燃油中芳香烃的含量。十六烷值是用以表征柴油自燃能力的一项重要指标。通过增加柴油的十六烷值,柴油的着火延迟期就会缩短,燃烧更加缓和,因此燃烧室内的温度和压力得到降低,氮氧化物、一氧化碳和碳烟颗粒物的排放就会降低。
但是,十六烷值不能过高,否则将会导致燃油和空气混合不均与,混合气燃烧不充分,进而导致碳烟颗粒物排放增多。因此,柴油的十六烷值必须控制在合理的范围之内,一般在50~60之间。
芳香烃作为柴油的组分之一,其十六烷值非常低,因此自燃的能力也较差。柴油中芳香烃的含量增加会降低柴油的自燃能力,导致燃烧初期未燃燃油增多,随着燃烧进程的推进,集聚的未燃燃料会发生骤燃现象,导致气缸内的温度和压力急剧升高,发动机工作极其粗暴,氮氧化物的排放量也会急剧增加[7]。
因此,控制十六烷值在合理的范围内、降低油品中芳香烃的含量是减小碳烟颗粒物和氮氧化物排放的有效途径。
(2)对柴油进行乳化处理。柴油乳化是指在标准柴油中,加入水和生物柴油的处理过程。一般情况下,标准柴油、生物柴油和水的比例可以按照式(5)确定。
乳化柴油=80%×(70%标准柴油+30%生物柴油)+20%×水式(5)
乳化柴油中,水主要用来降低氮氧化物和碳氢化合物的生成量,其原理是:
①利用水气化过程中吸收大量的热量,进而降低燃烧室温度,从而达到降低氮氧化物生成。
②水在气化过程中,会加快气缸内气流的流动,进而加速燃油与空气的混合,促进燃烧的快速进行,破坏了激冷层的生成条件,从而抑制了碳氢化合物的生成。
(3)利用脱硫技术降低柴油的硫含量。柴油当中的大部分硫会在燃烧过程中转化为,部分会进一步与反应生成硫酸盐颗粒,增加柴油机排放颗粒物的生成。试验证明:柴油中硫含量与颗粒物排放之间存在着正相关关系,且近似呈线性关系。颗粒物排放量与硫含量的关系如图1所示。
因此,降低柴油当中硫的含量可以有效降低颗粒物的排放量,同时对硫化物排量的降低具有显著的作用。
2.2 柴油发动机机内净化技术
柴油发动机机内净化技术的实质是采用相应的化学、物理方法合理优化柴油机的燃烧过程,力求燃料与空气的充分混合与燃烧,同时缓和发动机的工作环境,进而降低排气污染物的产生。
现阶段,使用最为广泛、技术最为成熟的机内净化技术总结如图2所示[8]。
(1)HCCI技术是均质充量压燃技术(Homogeneous Charge Compression Ignition)的简称。均质是指混合气的混合比例非常均匀,既可以在进气系统中进行前期混合,又可以在气缸内混进行混合,但无论哪一种混合方式,燃料和空气的混合一定要足够充分和均匀。当均匀的混合气形成之后,发动机通过压缩冲程所产生的高温和高压引燃混合气,达到均匀燃烧的效果。HCCI发动机将柴油机和发动机的优点相结合,可以有效降低排气污染物的产生,尤其是对氮氧化物和碳烟颗粒物的生成起到了非常显著的抑制作用。
(2)VNT技术是指可变喷嘴涡轮增压技术(variable nozzle turbine)。该技术是在传统的涡轮增压器上增加了一片导流片,该导流片的位置是可移动的,以保证在不同的转速条件下提供最佳的进气压力和流速。这对于提高低转速条件下的进气压力具有显著的效果,从而保证平缓的扭矩和功率输出。VNT发动机的平均有效压力和平均压力均得到提高,碳烟颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物的排量大大降低。
(3)多气门技术能够增加进排气道的总截面面积,对于改善喷油器的冷却效果以及活塞热应力具有突出效果,同时能够有效提升柴油的喷雾效果,加快混合气的均匀形成,进而降低碳烟颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物的生成。
(4)废气再循环技术(Exhaust Gas Re-circulation,EGR)是指将发动机产生的部分废气重新运送至进气歧管处,经与新鲜混合气混合后,一同进入气缸的发动机进气技术。该技术主要是利用了废气中CO2比热容较高的特征,同时废气的加入有效降低了混合气当中氧气的浓度,从而有效降低混合气燃烧的速度、燃烧室的最高温度和平均温度,进而抑制了氮氧化物的生成。
(5)燃烧室与涡流优化技术主要是指将燃烧室的形状尺寸、供油系统、进气气流等参数进行合理优化,进而达到最佳匹配的效果。该技术可以使高压喷射条件下的涡流比降低,从而减少碳烟颗粒物的生成。
3 结语
对柴油机排气污染物的种类、生成机理进行阐述,并总结了现阶段调高柴油机排放水平、降低柴油机排放污染物生成的有效途径,得出以下结论:
(1)提高燃油品质是提高柴油机排放水平的最根本途径,是有效降低排气污染物生成的关键。
(2)降低排气污染物中CO生成的有效途径有VNT技术;降低排气污染物中生成的有效途径有HCCI技术、多气门技术和废气再循环技术;降低排气污染物中HC生成的有效途径有VNT技术、多气门技术;而HCCI技术、VNT技术、多气门技术和燃烧室和涡流优化技术对碳烟颗粒物的生成具有较好的抑制作用。
摘要：文章介绍了汽车排气污染物的危害以及我国汽车排气污染物控制法规的实施进程,同时总结了柴油发动机的应用特点和在排放领域存在的问题,对柴油发动机排气污染物的种类、生成机理进行阐述,并总结了现阶段调高柴油发动机排放水平、降低柴油发动机排放污染物生成的有效途径。
关键词：柴油发动机,排气污染物,排放控制,机内净化技术
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发动机排放论文 篇7
关键词：汽车,排放,污染
截止到2015年,我国汽车产销量已经突破了2450万辆,并且连续7年位列世界第一。与此同时产生的汽车尾气排放问题也对人们的生活环境造成了极大的影响,严重地威胁到人们的身心健康。因此,处理好汽车的尾气排放污染问题已经迫在眉睫。另外为了贯彻《中华人民共和国大气污染防治法》,国内也逐步实施机动车国五标准,国内企业将面临发动机排放技术升级的困难。本文将综合发动机排放技术的研究现状,并展望未来的发展趋势,为企业相关技术升级提供依据。
1 国内外发动机排放标准的发展过程
自从20世纪70年代以来,人们对汽车排放日益重视,在发动机排放控制方面主要通过优化发动机工作过程、不断改进燃料质量、提高尾气排放处理水平和使用清洁能源动力系统等,来减少汽车尾气排放对环境造成的污染。欧美等发达国家从20世纪60年代就开始了对汽车排放污染物的研究和控制。由最开始仅限制CO,发展到不仅限制CO、HC、NOx以及微粒(PM),而且对蒸发排放也作了一定地限制。这样,同以前没有排放规定时相比,汽车尾气的排放降低了97%以上,并且这个趋势将在今后相当长的一段时间内保持下去。
我国现行的汽车排放标准与国外标准相差很大,仅接近美国20世纪70年代的水平(图1)。显然,这样低的标准很难激励和促进我国十分落后的汽车工业的发展。此外,我国汽车尾气排放法规起步较晚、水平较低,从80年代初期开始采取了先易后难分阶段实施的具体方案,其具体实施至今主要分为四个阶段,也就是我们常说的国I、国II、国III、国IV。我国和欧美的排放标准的发展过程如图1所示。截至目前国内正逐步分区域实施国Ⅴ排放标准,预计2018年1月1日全面实施。
2 国外汽车排放控制技术现状
欧洲、美国和日本及其他发达国家在汽车污染物排放控制技术方面做了大量的研究工作,也做出了很大贡献。自从世界上第一个汽车排放标准于1966年在美国实施后,40多年来全世界在排放控制技术方面取得了巨大进步,人们也越来越关注汽车污染的排放控制。
目前全世界的新车市场都装有三效催化器和控制装置,而且各国汽车的技术装备也基本趋于一致,比如多点燃油喷射系统、废气再循环、氧传感器等复杂的发动机微处理控制系统并且配有三元催化器。随着这些发动机技术的开发和应用,汽车污染物的排放在相当大程度上得到了有效地控制[1]。但由于排放法规要求越来越严格以及对发动机排放污染物的生成机理研究的不断深入,发动机排放控制技术的要求也越来越苛刻。
国外的一些相关研究数据表明,在汽车的排放污染物中,有60%~80%来自冷起动后的前120s。全世界的科研机构和汽车制造厂在改造发动机内部结构和改进催化器等方面都进行了大量的研究工作。在改造发动机内部结构方面,对于冷起动时混合气偏浓的问题,日本本田公司研制的气门升程控制和可变气门正时发动机,在空燃比为15.5~16.0的稀混合气下仍可以使发动机维持正常稳定的燃烧,从而使冷起动后排放的污染物大大降低。在改进催化器方面,对于因催化器温度低,活性变差而不能正常工作的问题,福特公司开发了新型电加热催化器,具有良好的排气净化性能,成为降低汽车污染物排放的最佳技术之一,但仍需要解决其可靠性、成本以及电池寿命等问题。上述这些技术虽然在技术上均能满足低排放的排放限值,但这些系统的一些部件的可靠性,排气净化性能的稳定性以及成本高等问题都有待进一步解决。
3 国内汽车排放控制技术现状
我国在汽车污染排放控制方面的研究起步比较晚,始于20世纪70年代,一般可分为机内净化技术、机外净化技术和燃料处理技术三个方面。
改革开放以来,我国在这些方面进行了比较深入地研究,也取得了相当可观的成果,在汽车制造的指导、汽车污染的控制方面都发挥了很大的作用。从20世纪90年代以来,电控技术得到了广泛地应用,各种电控装置也开始逐渐取代了机、液调控装置。自从发动机的电控系统得到成功应用以后,发动机的燃烧状态和实时工况都得到了非常好地匹配,使现代发动机不仅具有良好的动力性、经济性和安全性,而且还兼顾了排放法规等方面的要求。
为了解决越来越严峻的环境和能源问题,目前,在机内控制技术的研究方面的重点是对燃烧方式进行改进。汽油机主要是改进缸内直喷式稀薄燃烧方式,而柴油机主要是研究均质混合燃烧方式,前者是为了最大可能提高发动机的热效率,后者则是为大幅度降低NOx及PM排放。在机外净化技术的研究方面主要集中在发动机尾气催化净化器。从1982年开始的对催化剂优化配方技术、催化剂生产中部分设备改进技术及柴油机消除烟尘和催化燃烧再生技术等都进行了长期地研究和开发,部分核心技术已接近国际先进水平。在燃料处理方面主要集中在代用燃料的研究开发上,如压缩天然气、液化石油气、氢燃料和生物燃料等,其中压缩天然气、液化石油气己经得到了比较广泛地应用,而氢燃料、生物燃料等仍在继续研究和开发之中[1]。
4 发动机排放技术的发展趋势
掌握最新的汽车发动机排放控制技术,对汽车企业来说,不但可以满足日趋严格的排放法规的要求,而目可以在一定程度上使产品的市场竞争力有所提高。目前发动机排放技术主要向以下几个方向进行发展。
4.1 清洁代用燃料
最近几十年以来,国内外在努力研究降低汽车发动机污染物排放技术的同时,也在不懈地探索和开发更加理想的动力装置和污染物排放较低的代用燃料。这些先进技术的研究不仅是为了降低汽车污染物的排放,同时也是为了节约有限的石油资源和开发新的汽车能源。目前,清洁燃料如液化石油气、压缩天然气、二甲基醚和甲醇等,在汽车上已有很多实际性的应用。但是由于行驶范围比较有限,投资大而且性能差,目前清洁代用燃料汽车仍没有商业化。就技术的可行性和使用费用方面而言,液化石油气、压缩天然气、甲醇燃料汽车在技术方面已经比较成熟,所以是目前清洁燃料车的最佳选择;就车辆排放方面而言,压缩天然气和液化石油气的C含量较低,CO和HC的排放量较低;由于二甲基醚和甲醇是含氧燃料,所以NOx的排放量较少,因此可以根据具体的燃烧技术选择燃料。
4.2 改变汽油烃的组成
烃类有机物的辛烷值很高,但在阳光的照射下,极容易发生光化学反应,产生“光化学烟雾”,对环境和人的身体健康造成威胁。如果汽油中的芳香烃含量过高,不仅在燃料过程中容易产生积碳,而且还会使排放污染物中未燃烧的HC和NOx含量增加。因此,为了降低排放污染物,应该尽量降低汽油中芳香烃和某些轻烯烃的含量。但值得注意的是,苯的光化学活性虽然不是很强,但因其有毒,所以也必须进行合理地使用。
4.3 降低汽油蒸汽压
据统计,汽油蒸发的HC约占汽车污染物排放HC总量的15%~20%。汽油蒸汽压不仅关系到汽油的高温气阻和低温流动性,而且还是造成大气污染的重要因素之一。此外,一些轻烃的蒸汽压高,极容易发生光化学反应,易生成“光化学烟雾”。因此,为了降低汽车排气污染,除必须调整汽油成分外,还应降低汽油的蒸汽压,以减少轻烃挥发和未燃烃的含量。
5 结束语
为了营造一个美好的生活环境,分析发动机排放技术的应用,严格控制发动机污染排放已经成为当下需要认真研究的重要课题。企业只有进一步发展汽车发动机排放技术,才能满足日益严格的汽车尾气排放标准,提高企业自身的产品竞争力。
参考文献
发动机排放论文 篇8
一、改善混合气的调制
要求混合气尽量化油良好、各缸分配均匀、燃空比适当。在改进化油器方面, 提高化油器各量孔和各关键部件的加工精度;精确调整和控制混合气, 使燃空比保持在排放污染成分综合评价时在最佳范围内, 或采用与机外净化手段相配合的调整以满足排放要求;采用稀混合气以减少CO、HC排放量, 并采用汽油喷射、分层燃烧等方法以改善燃烧;采用降低燃烧温度的方法减少NOx生成量, 如排气再循环法等;采用化油器附加装置以解决非稳定工况时的污染成分增多问题, 这些非稳定工况如启动、暖车、冷态快怠速、热怠速、强制怠速、加速、急减速等, 解决办法都是通过各种装置消除或补偿由于气流或燃料的惯性和机件的热惯性造成的混合气成分偏离过大, 使混合气成分保持与稳定工况接近, 这些装置如自动阻风机构、节气门缓冲器、节气门定位器、怠速限制器、热怠速补偿器、调温怠速螺钉、减速燃料供给装置、温度调节的加速泵柱塞等;化油器上还附设了浮子室燃油蒸汽回收系统、防止断电后自行炽热点火的电磁阀等其他防污染的装置。在进气系统上采用恒温预热装置供给热空气以保证燃油迅速蒸发, 联接了油箱蒸发排放控制系统, 进气管结构应使各缸混合气分配均匀。采用电子反馈化油器或微电脑控制的节气门前单点汽油喷射系统、进气门前多点喷射系统则是近年来得到进一步发展, 使每一工况都可得到最佳燃空比, 达到最佳的性能组合, 从而大大降低排放污染。采用排气再循环装置是目前很普遍的一种办法, 即把少部分 (约15%以内) 的排气再导回而混入新混合气, 重新进入气缸燃烧, 这样可以降低燃烧最高温度, 降低O2的浓度, 抑制NOx的产生, 使燃烧延续较长时间, 减少HC的生成, 但这种方法对发动机经济性是不利的。还有经常采用把曲轴箱窜气强制吸入进气管, 进入气缸再次燃烧的曲轴箱强制通风装置。
二、改进燃烧过程
燃烧室结构应该满足尽量少的排放污染物的生成, 有尽量小的面容比以减少HC的生成。为了降低汽油机使用高辛烷值汽油的铅化合物污染, 曾经有过一段控制汽油机压缩比的发展, 但这显然与提高热效率相抵触。采用稀混合气可以大大改善燃烧, 提高性能, 减少排放污染, 适于汽油机经常不满负荷运行的特点;稀混合气的非均质燃烧 (分层燃烧) 是发展中的一个重要内容, 对于降低汽油机的几种主要排放污染物和提高经济性效果显著, 这种方案的复杂性是必须有主副燃烧室的浓混合气, 并用火花塞点燃, 火焰使主燃烧室的稀混合气燃烧, 必须有主副燃烧室和两套供油系统, 往往与汽油喷射系统相结合;另外还有均质稀燃和高压缩比的稀燃等方案以改进燃烧过程、降低污染排放。改进点火系统, 随转速和负荷的不同工况精确控制点火时刻和燃烧过程也是一个重要内容, 采用双膜片式分电器使怠速及小负荷时延迟点火, 并可降低燃烧温度, 延长燃烧时间, 降低排放污染物生成, 采用无触点感应式晶体管点火装置以提高点火可靠性, 可减少由于某些循环不着火而大量排放HC的情况。
三、尾气处理