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降低车用稀燃汽油机有害排放物NO_X的排气再循环的研究

作　者: 邱先文
导　师: 史绍熙；刘书亮
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 车用汽油机稀薄燃烧排气再循环三效催化转换器斜轴涡流滚流
分类号: TK411
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

日益严峻的能源和环境问题使得汽车工业的发展面临着严重的挑战，开发出高效、节能和超低排放的车用汽油机产品是当今发动机工作者们的首要任务。稀薄燃烧因其良好的燃油经济性和排放特性，已成为车用汽油机发展的一个重要方向。但由稀燃造成的富氧尾气使传统的三效催化转换器对有害排放物NOX的还原比较困难，专用的稀燃三效催化转换器目前还很不成熟。鉴于此，本文设计了一套车用汽油机排气再循环（EGR）系统，该系统将废气引进气缸后，废气与燃烧室内的混合气产生了分层。该系统不需对发动机作任何改变，只需将其安装在原来的发动机上，成本增加不多。将此系统与电控燃油喷射系统、可变涡流进气结构以及三效催化转换器一起组成了一套比较完整的“电控燃油喷射＋斜轴涡流＋EGR＋分层稀燃+三效催化转换器”NOX净化系统。将其应用在夏利2000车用8A型4缸16气门稀薄燃烧汽油机上，进行了一系列的性能和排放试验。　　空气运动对稀薄燃烧汽油机燃烧特性的影响的试验研究表明，相对于纯滚流运动，适当强度的斜轴涡流运动，更有利于降低HC排放和NOX排放、促进燃烧过程的改进，提高稀薄燃烧的燃油经济性，其中NOX排放的下降幅度最大达40.3%，燃油消耗率的下降幅度达7.23%。但斜轴涡流对CO排放的影响比较小，尤其在稀燃时影响非常小。　　排气再循环（EGR）对稀薄燃烧汽油机燃烧特性的影响的试验研究表明，加入适量的EGR，能使NOX排放显著地降低而对HC排放和燃油经济性影响不大。随着EGR比率的增加，NOX排放大幅度降低，下降幅度达90%以上，而HC排放和燃油消耗率都随着上升，但排气再循环对CO排放的影响不是很大。　　相对于纯滚流时采用排气再循环，排气再循环与斜轴涡流相结合，更有利于改善发动机的燃烧过程，使发动机的有害排放和燃油经济性都有不同程度的改善。因此，为了在不恶化发动机燃油经济性的基础上，能最大限度地降低有害排放物NOX，在采用排气再循环时有必要采用适当强度的斜轴涡流运动。三效催化转换器对稀薄燃烧汽油机三种有害排放物的转化效果的试验研究表明，三效催化转换器对NOX、HC、CO的转化效果只是在理论空燃比附近才能同时达到最佳。当空燃比小于14.7时，HC与CO的转换率很低，而当空燃比大于14.7以后，NOX的转换率很低。因此，在稀薄燃烧汽油机中，要想在稀燃状态下将NOX降低到非常低的值甚至完全净化掉，在优化发动机结构、采用斜轴涡流运动、采用诸如EGR等机内废气净化措施的同时，必须尽快开发出性能优良的稀燃三效催化转换器。目前，EGR技术或者更进一步说“分层稀燃＋EGR”<WP=7>技术可以说是降低车用稀燃汽油机NOX排放的一种简单而有效的方法，而“分层稀燃＋EGR+三效催化转换器”方案可以说是一种比较好的同时降低稀燃时三种有害排放物的措施。通过进一步的分析得知，不管发动机是处于纯滚流状态及还是斜轴涡流状态，采用排气再循环以后，发动机的排放均达到了EUⅡ标准。而采用“排气再循环＋三效催化转换器”方案以后，发动机的排放不但均达到了EUⅡ标准，有些工况甚至接近了EUⅢ标准。

全文目录

中文摘要  6-8
英文摘要  8-13
第一章绪论  13-36
  1．1 引言  13-15
    1．1．1 环境问题  13-14
    1．1．2 能源问题  14-15
  1．2 汽油机有害排放物HC、CO、NO_X的生成机理及其控制策略  15-17
  1．3 降低汽油机有害排放物、改善其燃油经济性的主要技术措施  17-18
  1．4 车用汽油机稀薄燃烧技术  18-26
    1．4．1 稀薄燃烧技术的研究状况  19
    1．4．2 稀薄燃烧技术的优势  19-20
    1．4．3 稀薄燃烧存在的问题  20-21
    1．4．4 改善稀薄燃烧过程的主要措施  21-22
    1．4．5 分层稀燃技术  22-25
      1．4．5．1 涡流分层稀燃系统  22-24
      1．4．5．2 滚流分层稀燃系统  24-25
    1．4．6 其它稀薄燃烧技术  25-26
  1．5 排气再循环（EGR)  26-32
    1．5．1 EGR的特点及其局限性  26-27
    1．5．2 提高EGR比率的措施  27-28
    1．5．3 EGR的研究开发现状  28-29
    1．5．4 分层EGR系统  29-32
  1．6 催化转换技术  32-34
    1．6．1 氧化催化转换器  33
    1．6．2三效催化转换器  33-34
    1．6．3 稀燃三效催化转换器  34
  1．7 问题的提出及本文的主要内容  34-36
第二章排气再循环系统的设计及试验装置总体布置  36-45
  2．1 概述  36
  2．2 排气再循环系统的设计  36-37
  2．3 其它试验装置  37-40
    2．3．1 可变涡流进气结构  38-39
    2．3．2三效催化转换器  39-40
    2．3．3 试验设备  40
    2．3．4 发动机主要参数  40
  2．4 试验系统总体布置  40-41
  2．5 稀燃极限的定义  41-42
  2．6 排气再循环（EGR）率的定义  42
  2．7 排气再循环（EGR）极限的定义  42
  2．8 准均质稀薄燃烧的概念  42-43
  2．9 试验方案  43
  2．10 本章小结  43-45
第三章空气运动对稀薄燃烧特性的影响分析  45-58
  3．1 概述  45-46
  3．2 本章试验内容  46
  3．3 斜轴涡流对稀薄燃烧特性的影响分析  46-52
  3．4 空气运动对稀混合气燃烧及当量比混合气燃烧的影响对比  52-56
  3．5 本章小结  56-58
第四章稀薄燃烧汽油机排气再循环的试验及结果分析  58-84
  4．1 概述  58
  4．2 本章试验内容  58
  4．3 排气再循环对稀燃汽油机排放和燃油经济性的影响  58-79
    4．3．1 发动机处于纯滚流状态下排气再循环（EGR）的影响  58-66
    4．3．2 发动机处于斜轴涡流状态下排气再循环的影响  66-74
    4．3．3 发动机处于纯滚流与斜轴涡流时排气再循环的影响程度对比  74-77
    4．3．4 发动机处于经济油耗区时排气再循环的影响程度比较  77-79
  4．4 排气再循环对发动机排放特性的改善程度分析  79-82
    4．4．1 纯滚流状态下排气再循环对发动机排放特性的改善程度分析  79-81
    4．4．2 斜轴涡流状态下排气再循环对发动机排放特性的改善程度分析  81-82
  4．5 本章小结  82-84
第五章稀燃汽油机“排气再循环+三效催化转换器”的效果分析  84-100
  5．1 概述  84-86
  5．2 本章试验方案  86
  5．3 “排气再循环＋三效催化转换器”的转化效果  86-98
    5．3．1 纯滚流状态下“排气再循环＋三效催化转换器”的转化效果  86-89
    5．3．2 纯滚流时发动机处于经济油耗区内NOX的转化效果比较  89-91
    5．3．3 纯滚流状态下经“EGR＋三效催化转换器”后NO_X排放分析  91
    5．3．4 斜轴涡流状态下“排气再循环＋三效催化转换器”的转化效果  91-94
    5．3．5 发动机存在斜轴涡流及在经济油耗区时NO_X的转化效果比较  94-96
    5．3．6 纯滚流与斜轴涡流状态，经济油耗区内NO_X的转化效果比较  96-97
    5．3．7 斜轴涡流状态经“EGR＋三效催化转换器”后NO_X排放分析  97-98
  5．4 本章小结  98-100
第六章全文总结与工作展望  100-103
  6．1 全文总结  100-101
  6．2 工作展望  101-103
参考文献  103-110
附录Ⅰ车用稀燃汽油机有害排放物单位的换算  110-114
  Ⅰ．1将三种有害排放物的单位换算成g/kw．h的方法  110-112
    Ⅰ．1．1根据国标GB/T14762-93计算NO_X、CO、HC的质量排放  110-111
    Ⅰ．1．2根据国标GB/T14762-93补充件计算Kh  111
    Ⅰ．1．3发动机在某一工况下的有效功率Ne计算  111-112
  Ⅰ．2由g/kw．h换算成g/km的方法  112
  Ⅰ．3举例说明  112-114
致谢  114

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