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内燃机排放控制原理 版权信息
- ISBN：9787030567406
- 条形码：9787030567406 ; 978-7-03-056740-6
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
内燃机排放控制原理 本书特色
内燃机和排气后处理器的优化匹配是满足严格的汽车和内燃机排放标准的前提。内燃机技术的发展也会对排气后处理器的匹配方案提出新的要求。针对当前国内外内燃机和排气后处理器的发展趋势，本书选取了部分能反映当前国际内燃机和排气后处理器技术发展方向的代表性成果和前沿技术进行编著。《BR》 全书共5章。第1章简要介绍内燃机污染物的生成原理和不同汽车排放测试循环下发动机的运行工况特征，为后续章节的讨论提供必要的基础知识。第2章重点介绍燃烧系统设计和控制参数对汽油机排放的影响规律，为从源头上降低汽油机排放提供理论指导。第3章着重介绍汽油机排气后处理器的工作原理和相关匹配技术。第4章主要介绍燃烧系统设计和控制参数对直喷柴油机排放的影响规律，为降低柴油机排放提供理论和技术支持。第5章系统地介绍柴油机排气后处理器的工作原理和相关匹配技术。
内燃机排放控制原理 内容简介
内燃机和排气后处理器的优化匹配是满足严格的汽车和内燃机排放标准的前提。内燃机技术的发展也会对排气后处理器的匹配方案提出新的要求。针对当前靠前外内燃机和排气后处理器的发展趋势，本书选取了部分能反映当前靠前内燃机和排气后处理器技术发展方向的代表性成果和前沿技术进行编著。
全书共5章。靠前章简要介绍内燃机污染物的生成原理和不同汽车排放测试循环下发动机的运行工况特征，为后续章节的讨论提供必要的基础知识。第2章重点介绍燃烧系统设计和控制参数对汽油机排放的影响规律，为从源头上降低汽油机排放提供理论指导。第3章着重介绍汽油机排气后处理器的工作原理和相关匹配技术。第4章主要介绍燃烧系统设计和控制参数对直喷柴油机排放的影响规律，为降低柴油机排放提供理论和技术支持。第5章系统地介绍柴油机排气后处理器的工作原理和相关匹配技术。
内燃机排放控制原理 目录
目录
前言
第1章 内燃机污染物 1
1.1 内燃机污染物的生成 1
1.1.1 CO 1
1.1.2 HC 2
1.1.3 NOx 5
1.1.4 颗粒物 7
1.2 汽车和内燃机排放标准简介 18
1.2.1 轻型汽车排放测试方法及排放限值 19
1.2.2 重型车发动机排放测试方法及排放限值 21
参考文献 24
第2章 设计和控制参数对汽油机排放的影响 29
2.1 汽油机混合气的形成 29
2.1.1 进气道喷油汽油机混合气的形成 30
2.1.2 直喷汽油机混合气的形成 32
2.2 不同控制参数对汽油机排放的影响 37
2.2.1 混合气浓度和点火时刻 37
2.2.2 喷油时刻 44
2.2.3 气门定时 45
2.3 结构参数对汽油机排放的影响 49
2.3.1 燃烧室形状 49
2.3.2 压缩比 50
2.3.3 火花塞位置 50
2.3.4 行程/缸径比 51
2.3.5 喷油器安装角度 52
2.4 汽油机在整个运行工况范围内的排放 52
2.5 EGR 55
2.6 稀燃技术 65
2.7 高能点火系统 68
2.8 汽油机低温燃烧技术 70
2.9 汽油机颗粒物排放 73
2.9.1 混合气浓度和点火时刻对汽油机颗粒物排放的影响 77
2.9.2 喷油时刻对汽油机颗粒物排放的影响 81
2.9.3 EGR对汽油机颗粒物排放的影响 84
2.9.4 喷油压力对直喷汽油机颗粒物排放的影响 86
2.9.5 降低直喷汽油机颗粒物生成的措施 90
2.10 燃料特性对汽油机排放的影响 93
2.11 汽油机冷起动时的排放控制 94
2.11.1 HC排放控制 95
2.11.2 颗粒物排放控制 98
参考文献 101
第3章 汽油机排气后处理 109
3.1 催化器的组成 110
3.2 汽油机TWC 115
3.2.1 TWC的工作原理 118
3.2.2 TWC失活 124
3.3 稀燃NOx催化器 130
3.4 汽油机颗粒物排放控制 138
3.4.1 GPF的特点 139
3.4.2 影响GPF性能的因素 141
3.4.3 GPF的再生 145
3.5 汽油机催化器的布置 146
3.6 降低汽油机冷起动排放的后处理技术 149
3.6.1 汽油机排气热流量控制 150
3.6.2 排气后处理器匹配技术 152
3.6.3 排气系统的热管理 157
参考文献 157
第4章 设计和控制参数对直喷柴油机排放的影响 168
4.1 影响柴油机排放的关键因素 168
4.2 直喷柴油机燃烧系统 171
4.3 柴油机燃油系统 178
4.3.1 高压共轨燃油系统简介 179
4.3.2 喷油器 181
4.3.3 喷油控制 184
4.3.4 喷油压力 195
4.4 进气系统 197
4.4.1 气流运动组织 197
4.4.2 增压中冷技术 202
4.5 EGR 207
4.6 柴油特性 215
4.7 柴油机冷起动 216
4.8 柴油机新型燃烧方式 219
参考文献 223
第5章 柴油机排气后处理 232
5.1 氧化催化器 234
5.2 柴油机NOx后处理器 240
5.2.1 柴油机NOxSCR催化器 240
5.2.2 稀燃NOx捕集催化器 256
5.3 柴油机颗粒过滤器 268
5.3.1 DPF材料 269
5.3.2 DPF过滤机理 272
5.3.3 DPF中的排气压力损失 274
5.3.4 DPF再生 277
5.3.5 DPF再生控制 285
5.3.6 DPF中灰分的危害 291
5.4 柴油机排气后处理系统的集成 292
参考文献 303
文摘
第1章 内燃机污染物
内燃机主要以化石能源为燃料，通过燃料的燃烧放热，*终把燃料中存储的化学能转化为机械能。但是，受到混合气的形成方式、可燃混合气极限和气缸边界层热力状态的影响，在每个工作循环有限的燃烧时间内，燃料实际上难以在内燃机中完全燃烧，会形成一氧化碳(carbon monoxide，CO)、碳氢化合物(hydrocarbon，HC)和颗粒物(particulate matter，PM)等有害物。此外，在高温条件下，气缸内空气中的氮气也会参与化学反应，生成氮氧化物(NOx，包括NO和NO2)。目前，与汽车排放标准相关的内燃机污染物主要有CO、HC、NOx和颗粒物等。
1.1 内燃机污染物的生成
影响内燃机污染物生成的因素有很多，如内燃机的类型(冲程数、火花点燃或压缩着火)、进气温度、燃料的种类和品质、后处理器的配置、驾驶条件(市区或城郊、车速、加速/减速以及混合气浓度)等。尽管如此，内燃机各种污染物的生成都遵循一定的规律。
1.1.1 CO
CO是烃类燃料在氧化成CO2和H2O的过程中生成的中间产物。在内燃机中生成的CO的后续氧化程度取决于氧化反应动力学过程和冷却方式[1]。在浓混合气中，由于没有充足的O2来实现燃料的完全燃烧，所以内燃机的CO水平高。只有在充足的O2和足够高的温度下，CO才能被完全氧化。但是，不完善的混合使CO从稀混合气中逃脱，甚至在均质预混混合气燃烧条件下也是如此。此外，在火焰中，CO的平衡浓度高，也会产生相对高的CO排放。
在烃类燃料燃烧时，CO氧化的主要反应是。这是一个化学反应动力学控制的过程。在低温下，CO+OH的反应常数对温度的依赖性不强，它对温度的依赖性主要来自于温度对OH平衡浓度的影响。因此，影响CO氧化的主要因素是温度。在内燃机的膨胀和排气过程中，当气缸内气体温度低于1450K时，CO浓度偏离局部平衡值，在1000～1100K时，CO完全冻结[1]，即实际CO浓度高于气缸内温度所对应的CO平衡浓度，*终以CO形式排出气缸。在冻结时，CO浓度强烈地依赖于偏离化学反应中间产物的平衡浓度。
CO冻结时的浓度与CO+H2O＝CO2+H2平衡时的浓度相当。因此，可以用式(1-1)计算：
(1-1)
由于火花点火发动机与柴油机在缸内混合气的形成特点上存在较大的差异，影响CO生成的因素也有所不同。对于火花点火发动机来说，CO主要在富油燃烧区和高温已燃区中生成。其中混合气燃空当量比是影响CO生成的重要因素。随着混合气燃空当量化增加，CO生成量急剧增加，即混合气越浓，排气中CO的浓度越高。对于柴油机，在燃烧开始时，CO*早在喷雾的边缘处形成，因为那里的温度不够高，不能把CO进一步氧化成CO2。通常，CO是在柴油机预混浓混合气燃烧时产生的。但柴油机气缸内的混合气更稀，不利于CO的生成。只有当混合气浓度接近于冒烟极限时，柴油机的CO排放才会大幅增加。所以柴油机的CO排放比汽油机低得多。而在理论燃空当量比和稀燃条件下，CO主要是由CO2分解生成的。因此，随着燃烧温度的降低，柴油机的CO浓度也降低[2]。
与内燃机相关的其他参数如点火和/或喷油时刻、压缩比和转速对CO排放的影响较小。因为在膨胀过程中，CO复合反应主要依赖于压力，而上述参数对膨胀阶段气缸压力的影响较小[3]。
1.1.2 HC
HC是内燃机排气中各种未完全燃烧或部分燃烧的燃料和少量润滑油的总和。其中，润滑油是高分子HC排放的主要贡献者。排气中HC的成分和量级依赖于燃料和限制氧化的因素。
影响内燃机HC排放的原因如下。
(1) 当火焰接近冷的壁面时，火焰前锋熄灭。
(2) 火焰前锋过度冷却，在缝隙处熄灭。
(3) 在膨胀阶段，气缸内温度快速下降，火焰传播速度不够而引起熄灭。
由于混合气形成方式的不同，不同类型的内燃机HC排放源的贡献有所不同。
1. 汽油机HC排放
汽油机，尤其是进气道喷油(port fuel injection，PFI)汽油机的HC排放主要来源如下。
1) 不完全燃烧
(1) 在怠速及高负荷时，过量空气系数λ＜1，造成燃料的不完全燃烧。此外，在怠速时，气缸内的残余废气系数大，又会加重燃料的不完全燃烧。
(2) 在冷起动和小负荷时，气缸内混合气的温度低，火焰不能在整个气缸中传播，造成失火(misfire)。
(3) 加速或减速造成短时间内混合气瞬时变稀或变浓。
(4) 在λ＞1时，缸内混合气分布不均匀，造成不完全燃烧。
2) 壁面淬熄效应以及缝隙效应
汽油机气缸内的淬熄层(quenching layer)厚度随着工况、混合气湍流程度和壁面温度的不同而不同。在冷起动和怠速时，淬熄层很厚，在小负荷时淬熄层较厚，此时，淬熄层对汽油机HC排放的贡献率加大。
影响HC排放的气缸内缝隙包括活塞环隙、气门座圈缝隙、火花塞螺纹、中心电极缝隙以及气缸垫缝隙等。但燃烧室缝隙对汽油机HC排放的敏感性强烈地依赖于气缸内的流场和燃烧。火焰在缝隙中的淬熄距离(dq)与壁面温度(Tw)和*大气缸压力(Pmax)有关。在没有废气稀释的理论燃空当量比混合气燃烧条件下，dq的计算分式为[4]
(1-2)
式中，的单位是mm；Pmax的单位是MPa；Tw的单位是K。
混合气的稀释率增加会急剧地增大熄灭距离，因为层流火焰速度减小。因此，在有废气再循环(exhaust gas recirculation， EGR)和怠速条件下，火焰的淬熄距离增加。
在汽油机暖机后的稳态工况下，活塞上部的环隙是原始HC排放的主要贡献者[5，6]。活塞环隙大约贡献50%的原始总HC排放[7]。对活塞头部进行倒角或减少**道活塞环上的环岸高度，可以减少汽油机原始HC排放。其中，倒角是减少汽油机原始HC排放的*有效手段之一，有两个原因[6]：一是倒角允许火焰平滑地进入缝隙区；二是缝隙中未燃燃油避开气缸壁，流入燃烧室内大量的热气体中，促进了它与缸内热气体混合和后续的氧化。
3) 壁面油膜和积碳吸附
在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面以及进气门和排气门上的多孔性积碳，会吸附气缸中未燃的燃油蒸气，在膨胀和排气过程中逐步释放出来。
在汽油机稳态工况下，HC存储在气缸中，并逃过燃烧，成为HC排放的重要来源。图1-1给出了冷起动时，进气道喷油汽油机HC存储机理。它主要包括[8]：①燃油存储在燃烧室缝隙中；②燃油吸附到沉积物和润滑油层中；③气缸中液体燃油太浓而不能燃烧；④火焰在燃烧室表面淬灭；⑤燃油部分燃烧。
图1-1 冷起动时汽油机HC存储机理[8]
汽油机HC排放主要来自于火焰淬熄层、缝隙和润滑油膜。其中，润滑油吸附对汽油机HC排放的贡献率为5%～10%[9]；活塞环缝隙对HC排放的贡献从30%[5]到高达70%～90%[6，10]。活塞环缝隙是均质混合气汽油机HC排放的主要来源。现代商用发动机缝隙容积占余隙容积的1%～2%[11]。此外，淬熄层的外侧也是CO和醛类排放的来源[2]。尽管排气门泄漏也是HC排放的来源之一，但这是内燃机保养问题，而不是HC排放的根本来源。
汽油机的大多数HC排放是在冷起动和暖机阶段排出的。在汽油机充分暖机后，有相当一部分HC在火焰过后被氧化。试验[10]和模拟[11]表明，火焰过后50%～90%的未燃HC在排气门打开前被消耗，而且在气缸中火焰过后的HC消耗要在高于1500K的温度下进行，在低于这个温度时，主要的反应是将大分子HC转化成小分子HC。在高于1500K的温度下，从边界层到高温已燃气体中的HC扩散决定了火焰过后HC消耗的速率。
火焰过后HC氧化必须要满足以下三个条件[8，12]：①在已燃气体中要有足够的O2(＞4000×10–6)；②必须要达到1500K的温度，以保证在发动机可用的时间尺度里发生反应；③在1500K以上的温度中滞留足够长的时间(＞10ms)，以便让燃油与燃烧产物混合。
汽油机HC排放随着的增加而减小。但当混合气的燃烧能力下降后，增加又会引起汽油机HC排放的增加。
2. 柴油机HC排放
与汽油机有所不同，柴油机气缸内的空燃混合气分布是不均匀的。但总体上，柴油机的HC排放比汽油机低[3]。柴油机HC排放的主要来源有以下四个。
(1) 富油区：不能充分地与空气混合，阻碍了柴油的氧化过程。富油区主要出现在喷油产生的油束中心区。
(2) 过稀区：由于混合气浓度低，柴油不能被完全氧化。这些区域主要在喷雾的外侧稀熄火区。
(3) 靠近壁面的冷区：火焰不能传播，形成火焰淬熄。
(4) 喷油器压力室中的燃油：在膨胀阶段，气缸内的温度低于燃料能氧化的温度后，从压力室内蒸发或喷出来的燃油以HC形式排出。
柴油机的HC排放主要来自于没有燃烧的燃料。这是因为：①柴油与空气过度混合，出现λ极高区。λ越大，当地的温度越低，化学反应越缓慢或不能进行，形成不能燃烧的过稀混合气；②柴油没有与足够的空气混合，过浓而不能燃烧。
1.1.3 NOx
汽车是城市大气中NOx排放的重要来源之一。在汽车排出的NOx中，柴油机大约占85%[13，14]。内燃机NOx排放主要是NO，NO2含量较少，其中，汽油机的NO2/NOx体积比为1%～10%，而柴油机的NO2/NOx体积比为5%～15%。高NO2浓度出现在低排气温度的小负荷工况[15]。除了在内燃机气缸内生成NO2，在排气后处理器中也会生成少量的NO2。
在内燃机燃烧过程中，NO有以下三种生成机理。
1) 高温NO机理
在1946年，Zeldovich首先提出了高温NO(thermal NO)机理[16]。高温NO生成路径可以用扩展的Zeldovich化学反应动力学机理来描述，其反应如下：
(1-3)
(1-4)
(1-5)
(1-6)
式(1-4)和式(1-5)是Zeldovich机理。
式(1-3)对温度很敏感。在高于2200K温度的已燃区，O2才能分解成O[15]。式(1-4)要打破键能高的N2三键，因此，需要高的活化能，这使它成为限制Zeldovich机理反应速率的关键一步。在接近理论燃空当量比混合气区或浓混合气区，式(1-6)对NO的生成也起着重要的作用[17]。因此，NO生成的**个条件是当地高温，第二个条件是当地要有充足的O2，第三个条件是高温持续的时间。
在λ≥1的条件下，式(1-4)和式(1-5)向正向进行[18]。在燃油浓的区域，式(1-3)的重要性比在稀混合气条件下小。
在内燃机膨胀过程中，燃烧室内的温度降低，引起式(1-4)和式(1-5)“冻结”。当温度低于2000K时，NO不会显著地生成。因此，内燃机排气中的NO排放浓度要低于其平衡浓度[15]。
在NO与过量空气混合的过程中，通过式(1-7)和式(1-8)反应生成NO2：
(1-7)
(1-8)
2) 快速NO机理
在1971年，Fenimore**个发现了这个快速NO(prompt NO)机理[19]。由这个机理生成NO早(在火焰里，而不是火焰过后的气体中)，因此，常把它叫做快速NO[20]。快速NO机理在低温、浓混合气和短的停留时间条件下发生[1]。快速NO的生成时间是毫秒级[21]的。
快速NO机理反应如下[19，22，23]：
CH+N2→HCN+N(1-9)
C+N2→CN+N (1-10)
氰基化合物随后生成胺类产物(NH， NH2， NH3)
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