Unburned hydrocarbons对人体健康和环境的影响是什么?
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动机排气口快速取样及示踪HC喷射的研究卞晓明 孙志远 张淑蕊 杨伟莹
摘要 采用快速取样阀在一台单缸发动机排气口进行HC取样，对排气口HC取样浓度曲线进行分析，并采用向排气口喷射HC示踪气体来研究滞留在排气口附近的HC的氧化情况及其影响因素。试验表明：在排气开始阶段，HC浓度高峰是由于上一循环排出并停留在排气口附近、HC浓度较高的气体倒流产生的。此外，排气口处的温度对HC的氧化也有较大影响。
关键词 快速取样阀；碳氢氧化；喷射；示踪气体
Time Resolved Sampling and Tracer Injection Studies
Related to Exhaust Port Hydrocarbon Oxidation
Bian Xiaoming
(Drexel University)
Sun Zhiyuan Zhang Shurui
(Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute)
Yang Weiying
（Drexel University）
Abstract Exhaust port time resolved sampling study was conducted in a single cylinder engine using a fast active sampling valve．Time resolved data were analysed and then a tracer injection study was performed to investigate the hydrocarbon oxidation in the exhaust port．Results show that the peak of HC concentration at the beginning of an exhaust stroke is because of the backflow of the exhausts，produced from the last cycle，having stayed at the exhaust port and with a dense HC compotent of them．Furthermore，the port temperature plays a significant role on HC oxidation．
Key words Fast active sampling valve；Hydrocarbon oxidatin；Injection；Tracer
引言
由于HC排放对人体健康有很大的危害，人们对其来源及在环境中的分布日益关注。发动机HC排放物生成的机理主要有两大类：一是部分燃料从主燃烧过程中逃逸，另一类是未燃燃料在缸内和排气过程中被部分氧化及传输的过程。这些机理可以总结为〔1〕：
（1） 混合气被压进入燃烧室的缝隙；
（2） 燃料被润滑油层吸收；
（3） 火焰在气缸壁处熄火；
（4） 由于发动机不良工况导致部分循环失火；
（5） 燃料融入缸内颗粒；
（6） 液体燃料不良挥发；
（7） 排气门泄漏。
虽然人们对缸内未燃HC的形成及后期氧化进行了广泛研究，但对排气口处HC氧化的过程认识还不充分。以前的研究只局限于向排气口喷射CO2来阻止排气口的HC氧化〔2～4〕。本文利用快速取样阀在一台单缸试验发动机的排气口附近取样，然后在同一位置向排气口喷射HC燃料，从而深入地研究了发动机排气口处的氧化过程。
1 设备及主要试验过程
发动机：单缸，四冲程，风冷；缸径×冲程：76.2mm×82.6mm；压缩比：5.2；连杆长度：203.20 mm；气门定时为(压缩上止点后)：进气门352 ℃A开，665 ℃A关；排气门：133 ℃A开；364 ℃A关。取样阀：日本产SOKKEN Poppet取样阀，取样时间：3ms～4ms。排放分析仪：CO／CO2：西门子Ultramat 22P；NO／NOx：Thrmo Electron 12A；HC：J．U．M FID VE7；O2：Teledyne 326R。喷射装置：天然气发动机喷嘴，SERVOJET SP051，电感驱动。气体存储器：16环气体储存装置，每环容积10 mL。一次试验可采集16个样本。气体分析仪：3600 Varian气相色谱仪。
在排气口采样试验中，以正丁烷为燃料，发动机转速750 r／min，相对燃空比为0．9，进气压力80 kPa，冷却水温363 K，点火提前角为上止点前13 ℃A。发动机工况稳定后，在所选定的曲轴转角时刻开启采样阀，将样气储存到气体存储器中。取样位置在排气口下游40 mm处。试验完毕，样气送到气相色谱仪中分析。
在排气口喷射示踪气体试验中，发动机工况不变，缸内燃料为甲烷，在排气口喷射正丁烷。因为喷射的正丁烷不可能是缸内甲烷的燃烧产物，所以可用正丁烷作为示踪气体来研究排气口的氧化情况。喷射在排气门关闭期间进行，流量为2．5 L／min，喷射量约为7 mL／每循环，可在高温下充满整个排气口10 mL～15 mL。同时在排气口下游2．2 m处收集样气。然后倒拖发动机，喷射同样的示踪气体，在相同的排气管位置收集样气，这些样气在试验后都由色谱分析仪作分析。通过比较在点火和倒拖情况下发动机排气内正丁烷浓度的变化，利用校正计算可推导出有多少喷射的正丁烷在点火情况下反应掉了。
2 试验结果的分析与讨论
发动机排气口快速取样结果如图1所示，在排气门开启前(上止点后133 ℃A)到排气门关闭(上止点后364℃A)，正丁烷浓度约为850×10－6。在整个排气门关闭期间相当稳定。这表明在这段时期内，取样点没有明显氧化。当排气门打开时，正丁烷浓度有一个高峰，然后降到低于100×10－6。这个高峰可能来源于储存在气门座间隙内的未燃正丁烷，或者排气门泄漏。接下来的正丁烷浓度剧降是由于缸内大量燃后气体的排出。当排气门关闭后，正丁烷的浓度又恢复到相对稳定状态。
图1 排气口测得的正丁烷浓度曲线
在180 ℃A到300 ℃A之间，正丁烷浓度先升高，在240 ℃A达到峰值，然后开始下降。这个现象在以前很多的研究中都曾观测到〔5～8〕。尽管还没有确切的定论，但人们提出了两种解释：第1种是与膨胀冲程中第1道活塞环以上间隙内的气体流动有关。在压缩与燃烧过程中，由于缸内压力很高，第1道活塞环与环槽下部压紧，这样就隔离了第1道活塞环以下与第2道活塞环以上之间的间隙。这间隙中气体压力低于缸内压力，高于曲轴箱内压力。在膨胀冲程或早期排气冲程中，摩擦力和压力的作用使第1道活塞环从其环槽下部移到顶部。在这个过程中，第1、2道活塞环之间的空间与缸内连通。这种情况下会有不同流动产生。Green和Clautman〔9〕通过摄影观察到，在靠近活塞环开口处，有喷射状气体流动现象发生。虽然很难判定这是否是造成图1中HC浓度出现小高峰的原因，但是这个喷射状气体流动很可能使缸壁附近边界层内未燃HC与缸内气体混合并排出体外，使得HC浓度出现一个小高峰。
在一个有趣的试验中，Thompson和Wallace〔10〕观察了活塞环开口对HC排放的影响。在试验中，当第1道活塞环开口增大，第2道活塞环开口减小时，他们发现图1中的那个小高峰增大。因而得出结论，通过改变活塞环，在膨胀冲程中可增强活塞环开口处的喷射状气体流动，这样使更多的气缸壁附近边界层中HC与缸内气体混合。
第2种解释与发动机排气口附近气体流动有关。根据发动机的工况和设计，在膨胀冲程末期缸内气体压力下降，低于排气口和排气管内气体压力。一部分气体倒流回气缸内，所以在固定取样点，缸内气体被推出气缸之前，有可能观察到HC浓度的升高。
为了验证这些假设，作者仔细观察了缸内压力的变化，来寻找任何可能由于喷射状气流或气体倒流而引起的缸内压力升高现象。压力信号的变化如图2所示。压力在排气门打开时刻(上止点后133 ℃A)附近平缓下降，在230 ℃A以后，有2个压力高峰。第1个在上止点后230 ℃A到270 ℃A之间，第2个在上止点后300 ℃A到330 ℃A之间。第1个高峰可能造成上止点前180 ℃A到240 ℃A之间HC排放升高。气缸压力和HC取样结果在曲轴转角上的差异是由于取样阀在压力传感器之前经历了气体倒流流动。这个结果支持了上面第2种解释。
为观察排气门关闭期间停留在排气口附近HC在排气口打开之后与缸内气体混合的氧化情况，采用了在排气口附近喷射示踪HC燃料的方法。试验中采用一种天然气喷嘴，但由于这种喷嘴不耐高温，将一根直径为1．59 mm的细钢管通过取样阀的采样口伸到排气口，使其尽可能地靠近排气门，距离排气门约3 mm。细管的另一头与喷嘴相接，这样喷射的示踪HC通过细钢管可传到排气门附近。
首先喷射了浓度大约为1 000×10－6的正丁烷与氧气、氮气的混合物，正丁烷与氧气的当量比是0．9。缸内燃料采用甲烷，发动机进气口的燃空比为0．9。进气压力减少到65 kPa。加热进气从323 K到473 K。这个试验是为观测排气口温度对正丁烷氧化的影响。用热电偶在距排气门18 mm处测量排气，并运用一个热力学模型来计算排气门打开时的缸内气体温度，结果如图3所示。在缸内气体温度达到1 200 K左右时，正丁烷开始反应，但主要生成小分子HC化合物；当温度达到1 400 K左右时，一部分HC被完全氧化成CO2和H2O。结果显示温度对正丁烷的氧化有重要影响，在这个温度范围内，正丁烷主要的不完全氧化产物是乙烯与丙烯。
在接下来的试验中，向排气门附近喷射两种混合气，一种是正丁烷与氧气、氮气的混合物，另一种是正丁烷与氮气的混合物。正丁烷浓度仍为1 000×10－6，前一种氧气浓度是6 600×10－6，正丁烷与比例仍是0．9，结果如图4所示。可以发现，当正丁烷与氧气的混合物喷射到排气口时，有27%的正丁烷参与反应。而当喷射不含氧气的正丁烷与氮气的混合物时，只有7%的正丁烷参与反应。27%与7%这个不小的差异显示了在喷射气体中增加氧气的确提高了正丁烷的反应程度。即使在含氧喷射试验中，也只有27%的正丁烷被反应掉。若喷射气体与缸内排气混合良好，正丁烷的反应比例应该大大提高。因为缸内排气有足够高的温度和足够的氧气(22 000×10－6)。这个试验表明排气口不良混合状况限制了HC氧化。
在第3个试验中，甲烷为缸内燃料，进气相对燃空比为0．9。向排气口喷射了4种不同的HC燃料与氧气、氮气的混合物，HC与氧气的当量比为0．9。这4种不同HC燃料为：丙烷、丙烯、1-丁烯、正丁烷。试验结果显示在图5中。尽管这4种燃料反应的比例与其化学反应活性顺序相同：丙烯＜丙烷、正丁烷＜1-丁烯，但差距很小，为26％～33％。同时，气相色谱仪分析结果显示这4种HC有不同的不完全氧化产物(表1)。
图2 排气过程中缸内压力变化曲线
燃料：正丁烷；发动机转速：750 r／min；相对燃空比：0．9
图3 排气温度、HC变化与进气温度的关系曲线
－●－测得的排气温度 －□－已氧化的正丁烷比例
－■－计算的缸内气体温度 －×－不完全氧化产物(烷类和烯类)
喷射物
喷射物
图4 含氧与不含氧正丁烷的氧化
图5 4种不同示踪气体的氧化
表1 4种示踪HC不完全氧化产物(烷类和烯类)
示踪碳氢 不完全氧化产物
丙烯 乙烯／乙炔
丙烷 乙烯／丙烯
1-丁烯 1，3-丁烯
正丁烷 乙烯／丙烯
3 结论
(1) 在排气门关闭期间，有浓度较高的HC停留在排气口附近，浓度较为稳定。
(2) 快速取样阀测得的排气过程中HC浓度高峰是由于排气倒流产生的。
(3) 排气口的温度对HC氧化有较大影响。
(4) 排气口处的HC与缸内排出气体的不良混合限制了HC的氧化。
(5) 综合以前研究结果，缸内燃料后燃期氧化受燃料化学特性影响较大，但在排气口则主要是受混合状况限制。
作者单位：卞晓明 Drexel University； 孙志远 张淑蕊 天津内燃机研究所； 杨伟莹 Drexel University
参考文献
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〔5〕 Thompson N D，Wallace J S．Effect of Engine Operating Variables and Piston and Ring Parameters on Crevice Hydrocarbon Emissions．SAE Paper 940480
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〔10〕 Thompson N D，et al．Effect of Engine Operating Variables and Piston and Ring Parameters on Crevice Hydrocarbon Emissions．SAE Paper 940480
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抚顺县13377622314： adobe这个单词该怎么读? - ？
钱施锋珠： adobe: [ ə'dəubi ] 美国Adobe公司
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钱施锋珠： 这增加的燃料流量是合并的结果,该未燃的气体是通过misfiring缸和增加燃油消耗,其余气瓶必须拿起额外加载.
