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车用汽油机稀燃及其净化技术
作者:管理员    发布于:2016-11-26 09:01:59    文字:【】【】【

  车辆与动力技术车用汽油机稀燃及其净化技术李志军,刘书,林建生,刘伍权,王健(天津大学机械工程学院,天津300072)汽油机稀燃及其净化技术所采用的主要措施和手段。

  1车用汽油机稀燃及实现技术稀燃是指发动机在空燃比A/F大于理论空燃比情况下的燃烧。稀燃时,燃料可以燃烧完全,有害排放物CO,HC,NOx和CO2都较少。由于稀燃时燃烧室内的主要成份为O2和N2,它们的比热比较小,多变指数k较高,因而热效率高,燃油经济性好。实现稀燃技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气,空燃比A/F=12处为稀的混合气。可以提高稀燃能力,缩短火焰发展期和燃烧持续时间,但稀燃使火焰传播速度变慢。因此,应采取相应的措施来促进缸内混合气分层及加快火焰的传播,提高燃烧速度,减小燃烧循环波动率。

  11进气道喷射稀燃汽油机进气道喷射稀燃汽油机中,必需使燃油喷射和气流运动相结合。按进气流动形式可分为涡流分层和滚流分层两种技术。涡流进气可实现混合气在缸内轴向分层,在一个气门或两个气门不对称进气时,充量在缸内将形成斜轴涡流。混合气分层的控制因素,一个是进气涡流,一个是喷油时刻。涡流起维持混合气分层的作用,喷油时刻决定着浓混合气区在缸内的位置。一般认为,进气行程初期喷油,燃油随进气进入缸内首先分布于燃烧室下部,随着活塞的运动而逐渐形成均匀混合气;在进气行程后期喷油,浓混合气将占据燃烧室上部空间直至着火。稀燃极限与喷油时刻关系很大,只有在进气行程的某一区间内结束喷油,才能得到理想的混合气分层而燃用稀混合气。

  斜轴涡流实质上是滚流分量和涡流分量的叠加。涡流分量与滚流分量比值越大,越有基金项目:国家自然科学基金资助项目(5993 6130),天津自然科学基金重点资助项目(993803111)。

  利于混合气上下分层,滚流分量可促使燃油与空气混合并实现在水平方向分层。

  日本三菱公司于90年代初先后在3、4气门发动机上利用进气道燃油喷射技术成功地实现了发动机缸内滚流分层稀燃MVV(Mitsubishi-Vertical-Vortex)过程,初期的MVV系统,燃油由双进气门的其中一个气道提供,火花塞布置在正对供油进气门进气流动下游,混合气在滚流轴线方向上出现浓稀分层,火花塞附近有适于着火的混合气浓度,但此种方案不能将火花塞布置在缸盖上的燃烧室中心,仅用于二进一排的3气门汽油机。随后三菱公司在4气门汽油机的两个进气道内对称布置立式隔板,在两个隔板之间喷油,使混合气在缸内滚流轴线方向上形成稀一浓一稀馅饼状3层分布,且为了强滚流,设计了特殊的凸顶活塞。

  日本马自达公司SaitoF等人为提高稀燃过程的潜能,研制了低流阻的进气道使稀燃极限扩大,并成功地开发出一种沸石载体材料,表面覆涂以铂、铑等活性金属的新型TWC(Thiee-Way-Catalyst)使发动机在理论空燃比、稀混合气条件下HC、CO、NOx改善。

  日本InoueT等人应用新设计的燃烧压力传感器,通过检测缸燃烧压力并依曲轴转角信号校正各缸的供油量,配合装有涡流控制SCV阀(SwHntrol-Valve)和螺旋气道的双进气道系统,扩大了稀混合范围,燃油经济性提高10,NOx排放降低30.新开发的丰田第3代稀燃系统将稀混合气区向更大负荷、更高转速区域扩展。

  国内天津大学利用进气道电控二次喷油并配合缸内滚流技术实现了准均质稀薄燃烧。其缸内空气运动采用了直立气道形成的逆滚流方式。喷油器布置在进气道一侧以防止燃油被加热,降低缸内燃烧温度。火花塞布置在中间,活塞顶面带有球形凹坑,配合不同时刻喷油(小负荷时压缩行程后期喷油实现稀燃模态,大负荷时压缩行程初期喷油实现均质稀燃模态)实现两种工作模态的转变。

  此外,将一次循环供油量分两次喷入气缸不仅可以拓宽稀燃范围,而且可以抑制爆燃发生。日本的首藤登志夫等人利用压缩行程前、终了进行两段(二次)喷油获得了宽广的分层稀气混合气燃烧,在中等负荷与理想预混合燃烧相比,热消耗率降低30NOx降低50左右。日本马自达公司TabataM等研制了一种混合气喷射汽油机,在两个进气门和两个排气门的4气门汽油机基础上,附加一个小气门与预燃室,燃油喷入预燃室与空气形成混合气,在进气行程后期至压缩行程初期将混合气喷入燃烧室实现混合气分层,A/F达4i10. 2降低NOx排放技术21利用废气再循环EGR降低稀燃过程NOx排放EGR(废气再循环)技术是降低NOx的有效措施,由于废气的引入提高了工质的比热容,降低了燃烧高温度Tz而使NOx下降,同时泵吸损失、冷却散热损失及燃烧产物离解反应降低,油耗率减小。但EGR率高时会降低火焰传播速度从而使燃油消耗率大。采用滚流分层的EGR系统可提高EGR容受力。实现稀燃废气分层燃烧系统,可有效地降低汽油机排放并改善油耗。国外在火花点火稀燃发动机上应用EGR技术在燃油消耗率不恶化的情况下,使NOx排放得到控制,并比较了稀燃与EGR技术对降低NOx和燃油消耗率的影响。里卡多公司新研制出“润控分层燃烧系统(CCVS CombustionControlledby VertexStratification11,利用4气门可变气门定时,可变气门升程机构产生可变的扰流进气,EGR量依工况不同与进气道组合,使缸内混合气实现良好的排气分层燃烧,EGR率大达到空气量的70并使开启气道的扰流比大25倍。天津大学在CA11025气门车用汽油机上研究了稀燃情况下EGR降低有害排放物(主要是NOx)的可行性汽油机尾气中采用的NPX催化器。NOx捕集型是利用某些化学物质在稀燃条件下具有存储NOx的能力,而在当量比偏向浓混合气时又重新释放它,使NOx还原。车用汽油机以稀燃状态运行(过量空气系数=1.后以浓燃运行(过量空气系数=0.7、时间t=0.3s)使在稀燃下储存的NOx还原,即在贵金属催化器中加入碱和碱土金属,后者在富氧下使NO转化为N2,再与碱或碱土氧化物生成硝酸盐,捕集NOx(贮存)过量空气系数a小时硝酸盐分解出NOx在催化器上还原为N2.这种NOx捕集型催化器虽然产品新时NOx净化效率高,但受汽油中硫份影响大,其净化性能会急速下降终会完全失效,虽然在NOx捕集型催化器前安装了硫捕集器(S-trap),但仍不能防止在NOx捕集型催化器上形成硫酸盐,因此对于不同含硫量的汽油应采用不同形式的NOx催化器。M.S.Brogan等指出,降低汽油中的含S量是克服催化器S中毒的根本措施。

  对于稀燃情况,除了采用上述NOx催化还原方法外,近来,NOx的直接催化分解正引起人们的广泛兴趣,但在研究过程中,人们一直被反应体系中存在的“氧阻抑”现象所困扰,即催化剂表面易吸附氧而失去活性,日本北海道大学Iwamot.等发现铜离子交换型沸石分子筛Cu-ZSM-5,Cu-Y,Cu-M对NO的分解具有良好的活性,尤其是Cu-ASM-5催化剂在反应中表现有较强的抗氧阻抑性。日本町田正一研制出一新型催化剂能高效率地将NOx分解为H2和N2,但需添加氢,在250C左右反应效率高,有氧气存在时也能高效率分解NOx.而一般催化剂在温度小于500 C无法发挥作用,汽车尾气中含约5的氢气,该催化剂稍加改良就可以用于清除汽车尾气中的NOx.Teraoka研究表明:比表面较高的钙钛矿型复合氧化物如Lac.8Sr.2Co3具有较高的NO活性。

  国内韩一帆等研究了NO直接催化分解指出Cu-ZSM-5型沸石分子筛催化剂在相同制备条件下进行多次离子交换,其催化活性将大很多,并制备了能在650C下具有较高活性要是NOx.

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