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同学们好

这节课我们学习

“柴油机有害物机内净化技术”

与汽油机的有害物排放控制相比

柴油机的有害物排放控制难度更大

这主要是因为柴油机

有害排放物中

多了一种颗粒物组分需要控制

另外柴油机是稀薄燃烧方式

不能使用三效催化器

稀燃条件下采用后处理技术

还原氮氧化物面临挑战

柴油机机内净化的

主要目标是NOx和PM

而CO和HC排放较低

相对容易解决

由于NOx与PM的生成机理是相逆的

导致两者之间存在

图所示的相悖关系

即所谓的Trade-off关系

这意味着降低PM的方法

往往会引起NOx的上升

此外

NOx与燃油消耗率之间

也存在这种Trade-off关系

即降低NOx的措施往往

会引起燃油消耗率的升高

不难看出

通过改善缸内燃烧来

同时降低NOx和颗粒物排放

并保持低的燃油消耗

是一件不容易的事

为使NOx和颗粒物

同时降低并保证高的热效率

柴油机应采取

如图所示的燃烧过程控制思想

也就是由实线所示传统的燃烧过程控制

变为虚线所示燃烧过程控制

其中有两个关键措施

也就是抑制预混合燃烧以降低NOx

促进扩散燃烧以降低颗粒物

和改善热效率

这一指导思想将贯穿于

以下讨论的柴油机

有害物排放控制技术中

柴油机的主要机内净化技术

有推迟喷油时间

采用EGR或中冷EGR

增压或增压中冷

高压喷油

优化燃油喷油规律以及燃烧系统等

1）推迟喷油时刻

柴油机通过推迟喷油时刻

也就是减少喷油提前角

可以有效地抑制NOx的排放

且方法简便易行

图所示给出了

直喷式柴油机喷油时刻

对NOx 碳烟和燃油消耗率的影响

随着喷油提前角减小

NOx显著降低

但同时燃油消耗率

和颗粒物排放恶化

呈现出明显的Trade-off关系

需要注意的是

喷油时间过晚

如上止点后5-10°CA喷油

因为活塞这时候在下行

缸内温度会降低

导致着火落后期加长

反而燃烧温度会升高

NOx会再次升高

2）废气再循环

由于柴油机排气中的

氧含量相对汽油机要高得多

而CO2浓度要小得多

因而必须使用更大量的

废气再循环

才能有效地降低NOx

一般汽油机EGR率不超过20%

而直喷式和非直喷式柴油机的

EGR率可分别超过40%和25%

如图所示

采用EGR可以使NOx明显降低

其原因有两个

一是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

二是EGR对进气加热

和稀释造成的实际过量空气系数下降

相对缺氧

因而

随EGR率的增大

在NOx降低的同时

碳烟和燃油消耗率

也会随之恶化

如图中虚线所示

为此

可采用冷却EGR的方法

如图中实线所示

在NOx进一步降低的同时

碳烟排放和油耗的恶化

被明显抑制住了

3）增压及增压中冷

增压可以大幅度

提高进气的密度

使燃料在足够大的

过量空气系数条件下燃烧完全

因而碳烟和颗粒物的产生

很容易被抑制住

CO和HC也会进一步降低

增压还可使柴油机的功率

提高30%～100%

由于增压后燃烧充分

加之泵气过程做正功

因而燃油经济性也好

如图所示

在NOx不变的条件下

通过提高增压度

可使过量空气系数增大

从而使排气烟度

和燃油消耗率都得到了明显降低

但增压导致压缩终了

温度升高和富氧氛围

由此会造成NOx排放量升高

可采用增压中冷的方式

使进气温度降低

从而抑制NOx排放的恶化

4）改善喷油特性

首先看看合理的喷油规律

为了实现理想的燃烧过程

合理的喷油规律应如图所示

也就是初期要缓慢

中期要急速

后期要快断

这种理想喷油规律的形状

近似于“靴型”

具体地说

初期喷油率不要过高

以抑制着火落后期内

混合气生成量

降低初期燃烧速率

以达到降低燃烧温度

抑制NOx生成并降低噪音的目的

中期应急速喷油

即采用高喷油压力

和高喷油速率

以加速扩散燃烧速度

防止颗粒物排放和热效率的恶化

后期要迅速结束喷油

以避免低的喷油压力

和喷油速率使雾化质量变差

导致燃烧不完全

碳烟和颗粒物排放增加

（2）多段喷射

随排放控制技术的提高

柴油机逐渐采用多段喷射技术

如图所示

在主喷射之前有预喷射

1 2表示

主喷射之后有后喷射

用4 5表示

预喷射是一种实现“初期缓慢”

喷油规律的方法

如图所示

由初期喷油速率

比较急的方案（1）

变化至预喷射加较低

初期喷油速率的方案（4）

NOx排放依次逐渐降低

图所示给出了有预喷时的

燃烧特性变化

在主喷射前

有一少量的预先喷射

见图中针阀升程

因而在着火落后期内

只能产生有限的可燃混合气量

这部分混合气形成较弱的

初期燃烧放热

并使随后的主喷射燃油的

着火落后期缩短

使初始放热率

和最高燃烧温度降低

因而可明显降低NOx排放

图所示的第一个后喷射

是为了促进大负荷工况时的碳烟氧化

第二个后喷射是

为了后处理系统的再生

或NOx还原反应

关于第二个后喷射

在后面柴油机后处理部分

会进行详细的介绍

这幅图给出了

第一个后喷射的应用实例

将30%左右的柴油在

主喷射之后喷入缸内

可以促进燃烧后期的混合气形成

及燃烧速度

因而后期燃烧压力升高

燃烧持续期缩短

碳烟降低

（3）提高喷射压力

加速燃油与空气混合的

主要方法之一是

使燃油喷雾颗粒进一步细化

以增大燃油与空气的接触表面积

为此

近年来高压喷射技术

在直喷式柴油机上

得到了广泛应用

喷射压力由传统直喷式柴油机的

300~500bar

提高到600~800bar

近年来已达1600～2000bar

这样高的喷射压力

加上喷孔直径的不断缩小

使喷雾的索特平均直径

由过去的30～40μm

减少到10μm左右

油气混合界面显著增大

再加上高速燃油喷射

对周围空气的卷吸作用

使混合气形成速度大大加快

混合气浓度分布更均匀

这幅图给出了一例燃烧过程

高速摄影的对比

当喷油压力

由600bar提高到1200bar时

可以看出着火落后期缩短

着火开始时刻

由过去的喷油器附近

向壁面附近转移

燃烧速率明显加快

高压喷射造成的这种高温高速

以及混合能量很大的燃烧过程

使颗粒物和碳烟排放以及热效率

都有了明显改善

如这幅图所示

当喷油压力由800bar

提高到1600bar时

大负荷时φa=1.3

它的烟度由1.7

降到0.5波许烟度以下

中等负荷时接近0

如果不采取其它措施

一般高压喷射会使NOx增加

但如果合理利用高压喷射时

燃烧持续期短的特点

并且同时用推迟喷油时间以及EGR等方法

有可能使颗粒物和NOx同时降低

5）优化燃烧室设计

（1）看看合理组织燃烧室内的

涡流和湍流运动

通过增强涡流和湍流运动

可以加速混合气形成速率

避免局部混合气过浓

以降低碳烟生成

应特别重视压缩上止点附近

及燃烧过程中的气体流动

（2）控制滞燃期内的混合气生成量

为降低NOx排放和燃烧噪音

应减少滞燃期内的混合气生成量

可用气体运动和燃烧室形状来进行控制

如第7章所述的挤流口式燃烧室

以及球型燃烧室的设计思想

都有减少滞燃期内

混合气生成量的因素

（3）紧凑燃烧室形状

与汽油机相同

柴油机的燃烧室也应尽可能

作到形状紧凑面容比小

这样可使散热损失减小

难以进行燃烧的死角减少

和燃烧持续期变短

尤其可以提高柴油机的

空气利用率

紧凑的燃烧室设计

可以降低碳烟 THC和CO排放

同时降低油耗

常用的方法尽可能减少

活塞顶与汽缸盖之间的顶隙也叫余隙容积

减少第一道活塞环以上的

环岸容积等

使空气集中在燃烧室凹坑里

（4）加强燃烧期间和燃烧后期的扰流

为了降低NOx和燃烧噪声

而又保证燃油经济性不恶化

在采用较缓的初期燃烧放热率的同时

加强扩散燃烧期的气体扰动

可以加强燃烧后期的混合气运动

加速碳烟的氧化和再燃烧

以降低排气碳烟和PM

关于“柴油机有害物机内净化技术”

就介绍到这里

同学们 再见