汽车发动机原理课后答案 王建昕 帅石金 清华大学出版社 下载本文

9-11 何谓Pilot喷射,其目的和基本原理是什么?分析采用Pilot喷射时PM恶化的原因。 解:预喷射指在主喷射前,有一少量的预先喷射,预喷射时针阀升程较小,典型预喷射油量为1.5mm3。其目的是降低NOx排放。原理为,通过预喷射,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,使初始放热速率和最高燃烧温度降低,因而可明显降低NOx排放。

预喷射造成PM的恶化的原因是PM和NOx存在Trade-off关系。预喷射使燃烧温度降低的同时,会造成燃料氧化速度减慢、缓燃和后燃的燃油量增加的问题,从而使PM排放恶化。

9-12 简述三效催化器的基本工作原理;何谓三效催化器工作的“窗口”?汽油机应具备什么条件才能有效使用和发挥三效催化器的作用?

解:在三效催化剂(TWC)中,当混合气浓度正好为化学计量比时,CO和HC与NOx互为氧化剂和还原剂,发生氧化还原反应,生成无害的CO2、H2O及N2。

对于空燃比,TWC只有在化学计量比附近的狭窄区间内对CO、HC和NOx的转化效率同时达到最高。这个区间被称为“窗口”。

汽油机为了有效使用和发挥TWC的作用,需要考虑催化转换器的空燃比特性、起燃特性、空速特性,以及催化剂的耐久性以及催化器的流速特性。具体的说,需要注意的事项包括控制化学计量比的空燃比、是TWC保持较高转换效率的温度、合理设计TWC空速特性以及流动特性等。

9-13 三效催化剂为何不适用于柴油机?

解:根据TWC的工作原理,只有当空燃比在化学计量比附近狭窄的范围内,TWC才能同时降低CO、HC和NOx的排放。而柴油机工作在空燃比较大的区间,而在这个区间TWC不起作用。

9-14 汽油车使用三效催化器后,THC排放主要出现在什么运行条件下?有何解决对策? 解:汽油车在冷启动时,由于TWC未达到合适的工作温度,导致THC排放较大。

相应的对策有:

(1)推迟点火时间,提高排气温度,使催化剂快速起燃; (2)提高催化剂低温活性;

(3)采用紧凑耦合催化器或采用两级催化器;

(4)在后处理系统中串联HC吸附器,吸附冷启动时的HC排放。

9-15 柴油机为满足国Ⅲ及之后排放法规,一般都需要采用电控燃油喷射系统。为什么? 解:在实行国III及以后的排放法规后,为了满足日益严苛的排放法规,一般采用电控燃油喷射系统。这是因为:

(1)可以灵活的控制喷油时间(喷油提前角),而推迟喷油时间可以减少NOx排放;可以采用合理的喷油规律、灵活的使用预喷、多段喷射等喷油策略,从而实现比较理想的放热速率,降低最大压升率和燃烧温度,改善柴油机NOx排放。

(2)电控燃油喷射可以配合电控高压喷射,提高喷射压力有利于燃油的气化与混合均匀,从而可以改善柴油机PM排放。

9-16 重型柴油机满足欧Ⅳ排放法规的主要技术路线有哪些?并分析其利弊。其中哪些柴油机后处理技术需要同时使用低硫柴油?为什么?

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解:主要技术路线有SCR和DPF两种。采用SCR技术路线时,机内采用电控高压喷射和增压中冷等机内净化技术降低PM至法规要求,机外再依靠高效的SCR后处理系统降低NOx排放水平;采用DPF技术路线时,机内采用冷却EGR降低NOx,机外采用DPF降低PM排放。

利弊分析:采用SCR技术路线由于取消推迟喷油和EGR,好处是可以改善油耗,同时对柴油硫含量要求低;弊端是需要增加复杂、成本昂贵的SCR后处理系统,且尿素消耗也会增加成本。采用DPF技术路线,好处是后处理系统成本低;弊端是油耗增加,同时DPF要求使用低硫柴油。

DOC、DPF和LNT要求使用低硫柴油。对于DOC,如果不使用低硫柴油,会导致硫酸盐的大量生成,甚至使PM排放有所上升;对于DPF,由于其催化再生过程中广泛地使用的CRT系统要求柴油硫含量极低才能正常工作,高硫柴油会影响DPF的再生;对于LNT,硫含量过高会导致催化剂中毒、失去催化活性。

9-17 轻型柴油车满足欧V排放法规应采取何种技术路线(机内与机外净化)?可从净化效果、整车布置、成本以及燃油经济性等方面分析。

解:净化效果:采用两种技术路线都能够满足欧V排放法规要求。

整车布置:采用DPF技术路线,在整车布置方面结构更紧凑,节省空间;而采用SCR技术路线,由于增加了SCR后处理系统,特别是增加了尿素水箱,占用了较大的空间。

成本:就后处理系统本身的成本而言,SCR系统成本比DPF系统高很多;同时,采用SCR系统需要消耗尿素水溶液,也会增加成本。

燃油经济性:采用SCR技术路线可以取消机内控制NOx的技术,如推迟喷油和EGR,从而可以降低油耗;而采用DPF技术路线,由于大量使用EGR以及排气阻力升高,油耗反而会升高。因此采用SCR技术路线比DPF技术路线燃油经济性要好。

欧洲的轻型柴油车基本上都采用SCR技术路线。结合上面的分析,主要原因如下: (1)采用SCR技术路线比采用DPF技术路线油耗降低不少,在欧洲油价高昂,而尿素水溶液价格相对低廉。

(2)虽然SCR系统成本高于DPF,但是采用SCR技术路线相对于之前的柴油机而言,对发动机的改动较小,无须重新对发动机进行设计;而采用DPF技术路线,由于要采用大量EGR,以及推迟喷油等技术,对发动机的改动很大。如果考虑发动机变动和研发的成本,显然采用SCR更具有经济性。

(3)考虑到欧洲从欧IV法规提高到欧V法规时,对PM的限值基本没有变化,而对NOx的限值降低了。在这种情况下,采用SCR系统的柴油车只需提高SCR系统的转化效率即可达标;而采用DPF系统的柴油车则面临着如何进一步降低NOx的问题。这也是使欧洲轻型柴油车市场大量使用SCR技术路线的一个原因。

9-18 对比分析哪些柴油机后处理技术需要同时使用DOC?为什么?

解:DPF、PFT、SCR需要同时使用DOC。对于DPF连续催化再生的CRT系统,需要使用DOC净化CO和THC,同时将NO氧化为NO2;NO2可以连续的将随后的微粒捕集器中的微粒氧化。PFT和DPF类似。对于SCR系统,使用DOC一方面可以净化CO和THC,另一方面DOC可以将NO氧化为NO2,通过控制NO和NO2的比例可以提高NOx的转化效率。

9-19 一台六缸重型车用柴油机,一般使用十六烷值为52的柴油可正常工作,若使用了十六烷值为45的柴油,其炭烟和NOx排放会增加还是减少?并解释原因。

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解:使用较低十六烷值的柴油后,NOx排放增加,PM排放减少。这是因为使用较低十六烷值的柴油后,由于柴油的自燃性变差,使得柴油着火时刻推迟,滞燃期加长,滞燃期内形成的预混合气量增加,使得燃烧温度增加,增加了NOx的排放。而根据PM和NOx的Trade-off关系,PM排放会相应减少。

9-20 为什么在SCR催化剂前串联一个氧化催化剂DOC可以提高NOx转化效率?结合化学反应机理解释。

解:如果SCR系统前不串联DOC,由于柴油机NOx排放中90%以上是NO,因而NOx还原反应主要途径是“标准SCR反应”,亦即式(9-21)。而串联DOC后,部分NO被氧化为NO2,在NO2存在的条件下可以发生式(9-25)的“快速SCR反应”。低温时,快速SCR反应速率比标准SCR反应快17倍。因此,在SCR前串联DOC可以提高NOx的转化效率。

9-21 某一轻型汽油车按新欧洲驾驶循环(NEDC)在转毂试验台上的排放测试结果如下表。环境温度296.2 K;大气压力101. 33 kPa;相对湿度60%;饱和蒸气压2.81 kPa;校正至标准状况下的稀释排气容积170. 224 m3。假设在标准状态下HC、CO和NOx污染物的密度分别0.619,1.25和2.05 g/L,试计算HC、CO和NOx比排放(g/km),并判断该车是否满足国Ⅳ排放法规。 排放物成分 HC CO NOx CO2 稀释排气 12.7×10-6 (C) 58.9 ppm 3.8 ppm 0. 85%(V/V) 稀释空气 3.2×10-6 (C) 1.0 ppm 0.3 ppm 0. 048%(V/V) 解:按照教材式(C-1),气体污染物排放量的计算公式为:

Vmix?Qi?kH?Ci?10?6Mi?

d其中,

Vmix?170.224m3?170224L

对于HC、CO、NOx,Qi分别为0.619、1.25、2.05g/L。

kH为用于计算NOx排放质量的湿度校正系数,而对于HC和CO煤油湿度校正,应该

忽略。

根据式(C-7),绝对湿度为:

H?6.211?Ra?pd6.211?60?2.81??10.51g(水)/kg(空气)

pB?pd?Ra?10?2101.33?2.81?60?0.01根据式(C-6),

kH?11??0.993

1?0.0329?(H?10.71)1?0.0329?(10.51?10.71)即对于NOx,kH为0.993。而对于HC和CO,kH为1。

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根据式(C-5),(C-4)

DF?CCO213.413.4??15.63 ?4?4?(CHC?CCO)?100.85?(12.7?58.9)?10Ci?Ce?Cd(1?1)?Ce?0.936?Cd DF根据上式求得HC、CO、NOx的Ci分别为9.7、58.0、3.5ppm。 NEDC循环车辆实际行驶的路程为10.997km(约等于11km),其中ECE15工况4.052km,EUDC工况6.955km。即d=11km。

将以上数据带入Mi的表达式,求出HC、CO、NOx的Mi分别为0.093、1.122、0.110。 查国IV排放法规可知,HC、CO、NOx的排放限值分别为0.10、1.00、0.08g/km。 所以该车的HC满足国IV排放法规,而CO和NOx的排放均不满足国IV排放法规。

9-22 某重型柴油机ESC测试13工况点的转速、转矩、油耗、湿基进气量及气态污染物排放量测试结果如下表。测试中的环境参数为:环境温度296.2 K;大气压力101. 33 kPa;相对湿度60%;饱和蒸气压2.81kPa。颗粒采样设置采样比0.1%,每1%权重对应的采样时间为30s,滤纸采样前质量为0.19824g,采样后质量为0.19901g。试计算ESC的加权功率和HC、CO、NOx、PM的比排放量(g/kW·h),并判断该机是杏满足国Ⅳ排放法规。

解:查GB17691-2005可知,对于重型柴油机ESC测试,其CO、HC、NOx、PM的排放限值分别为1.5、0.46、3.5、0.02g/(kW*h)。

按照Pe???n?Ttq30?10?3计算各工况点的功率,并按照权重计算加权功率,得ESC的

加权功率为53.9kW。

对于HC排放,按照教材式(C-12)进行计算,计算结果为1.53/53.9=0.028g/(kW*h),达到国IV排放标准。

对于CO排放,按照教材式(C-11)进行计算,计算结果为61.78/53.9=1.14g/(kW*h),达到国IV排放标准。

对于NOx排放,按照教材式(C-10)进行计算,但需要进行湿度和温度校正。具体步骤如下:

先求得进气湿度Ha=10.53kg(水)/kg(干空气)。 再求出各个工况下的NOx的修正因子,最后根据式(C-10),计算结果为152.2/53.9=2.82 g/(kW*h),达到国IV排放标准。

对于PM排放,采样时间为50min,采集的PM质量为0.19901-0.19824=0.00077g。故计算结果为0.00077*1000/(53.9*50/60)=0.017 g/(kW*h), 达到国IV排放标准。

故该机满足国IV排放法规。

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