柴油机排放特性研究及egr电控系统设计论文

上海交通大学 博士后学位论文 YC4112ZQ柴油机排放特性研究及EGR电控系统设计 姓名：张振东 申请学位级别：博士后 专业：车辆工程 指导教师：陈杰 20040401 摘要 增压直喷式柴油机热效率高，配备增压直喷柴油机的车辆可获得比理论配比的 汽油机更低的燃油消耗特性，因而在货物运输、公交、及建筑设备等领域增压直喷 柴油机有着广泛的应用。日益严格的排放法规、改善内燃机经济性及动力性的社会 需要给柴油机提出了越来越严格的要求。近年来，随着设计、制造水平的提高，直 喷式柴油机在燃油经济性和排放控制方面得到了很大改进，并且随着柴油机在噪声 和振动方面获得突破，柴油机的应用和研究迎来了新的高潮，然而柴油机排出的N O 。 和碳烟微粒一直居高不下，却阻碍了其迸一步的发展。目前，对于直喷柴油机来说 其主要困难仍是N O 和P T 排放控制，二者均是喷雾燃烧过程的特性表征。国内外研 究表明，废气再循环( E G R ) 是直接在缸内减少。排救的最有希望的策略之一。E G R 降低了氧浓度、燃烧速度、火焰前锋的最高温度，因而E G R 技术已成为降低柴油机 N 0 。排放的一种最有效的技术措慈。 本文系统地回顾了柴油机E G R 技术的作用及优点，分析总结了国内外柴油机各 种的E G R 技术方寨的优缺点以及增压直喷柴油机实现E G R 控制的技术难点，指睨了 E G R 技术是柴油机满足未来严格排放法规的必不可少的技术措施。 本文结合广西玉柴机器股份有限公司的新产品开发课题，针对Y C 4 1 1 2 Z L O 增压 中冷柴油机开展了E G R 控制技术的研究，在参照和分析国内外各种柴油机的E G R 结 构方案的基础上，为Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机制定了可行的进气节流阀配合E G R 流量阀控 制E G R 率的技术方案。研制了进气节流阀位置和E G R 流量阀升程标定系统，实现了 节流阀位置的数字标定。借助该标定系统，深入研究了不同E G R 率对Y C 4 11 2 Z 。Q 柴 油机性能和排放的影响规律，在此基础上依据柴油机性能和排放的控制要求，对 Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机各个工况下的E G R 率进行了优化，得出了最佳E G R 率三维M A P 图 和控制参数的三维特性M A P 图。自行开发了一套适合于Y C 4 1 1 2 Z 。Q 柴油机的E G R 电 控系统，该系统利用M C S 8 0 C 1 0 6 K C 单片机作为中央控制器( E C U ) ，通过检测发动机 的转速和油门位置确定发动机所处的工况，控制器依据三维m P 图的要求，通过步 进电机对进气节流阀位置、通过电磁阀对E G R 流量阀的升程进行控制，保证了发动 机整个转速、负荷范围内的最佳E G R 率控制要求。 试验结果表明，Y C 4 1 1 2 Z L O 柴油机采用电控E G R 系统以后，在保持原机功率、 油耗及微粒排放基本不变的情况下，1 3 工况N O ，捐 放下降1 9 ，9 ，达到欧2 标准的 要求，H c 、c O 排放略有增加，但均控制在欧I I 标准之内。上述结果表明，作者设计 的E G R 电控系统兼顾了E G R 率与动力性、经济性和微粒排放的折中关系，达到了显 著的控制效果，充分说明了控制方案的合理性和控制系统的有效性。 关键词：增压直喷柴油枫：废气再循环；E G R 率；氮氧化物；控制系统 A b s t r a c t T h em a i na t t r a c t i v ef e a t u r eo ft h ed i r e c t - i n j e c t i o nd i e s e l e n g i n e p a r t i c u l a r l y i ni t s t u r b o c h a r g e df o 舯i si t sh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , w h i c he n a b l e sd i e s e le n g i n ev e h i c l e st o a c h i e v el o w e rf d e lc o n s u m p t i o nf i g u r e st h a ne q u i v a l e n t l yr a t e dg a s o l i n eo n e s T h i sm a k e si t t h ee n g i n eo fc h o i c ef o rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s I no r d e rt om e e ti n c r e a s i n g l ys t r i n g e n t e m i s s i o n sc o n t r o Il e g i s l a t i o na n dt oi m p r o v ef u e lc o n s u m 【p t i o na n dd d v a b i l i t yo fd i e s e Ie n g i n e t h e a d v a n c i n gd i e s e le n g i n e s o l i c i t sh i g h l yc d t e r i af o ri t so v e r a l lp e r f o r m a n c e s I nr e c e n t y e a r s t h eD Ie n g i n eh a su n d e r g o n ev e r ys i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si nt e r m so ff u e le c o n o m ya n d e x h a u s te m i s s i o n sH o w e v e r , i tl st r u et h a tam a j o rd i f f i c u l t yw i t ht h eD Id i e s e le n g i n ei st o c o n t r o li t se m i s s i o n so fn i t r o g e no x i d e s ( N O x ) a n dp a r t i c u l a t em a t t e r ( P M ) b o t ho fw h i c ha r e c h a r a c t e d s t i cf e a t u r e so ft h es p r a yc o m b u s t i o np r o c e s s E x h a u s tG a sR e c i r c u l a t i o n ( E G R ) i s o n eo ft h em o r ep r o m i s i n gs t r a t e g i e st or e d u c et h e s eg a se m i s s i o n s ，d i r e c t l yw i t h i nt h e c y l i n d e r E G Rl o w e r s t h eo x y g e nc o n t e n t ，t h ec o m b u s t i o ns p e e d 。t h ep e a k t e m p e r a t u r ea tt h e f l a m ef r o n ta n d c o n s e q u e n t l y t h eN O xe m i s s i o n s T h i st h e s i sr e v i e w st h em e c h a n i s mo fE G Rr e d u c i n gN O xe m i s s i o n s ，a n a l y z e st h e d i f f i c u l t i e so fa p p l y i n gE G Rt oD Id i e s e le n g i n e s ，r e f e r sa n da n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fE G Rs y s t e mo fv a r i o u sk i n d so fd i e s e Ie n g i n ea b r o a da n da th o m ea n d c h o o s e s t h eb e s t p l a n f o r Y C 4 1 1 2 Z L Q t u r b o c h a r g e dd i e s e Ie n g i n e t o m a t c hE G R F u n d e db yG u a n g x iY u c h a iM a c h i n e r yC o L t d ，a ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dE G Rs y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e d u s e di nas u p e r c h a r g e d i n t a r - c o o l e dY C 4 1 1 2 Z L Qd i e s e l e n g i n e S o m e t i m e s ，t h ev a r i a t i o no ft h eE G Rv a l v ed i a m e t e rd o e sn o ts u f f i c at om e e tt h et a r g e t v a l u e so fE G Rr a t e I no r d e rt oi n c r e a s et h i sr a t e at h r o t 【I ep l a t ev a l v eh a sb e e na d d e da f t e r t h ea i ri n t e r - c o o l e rI nt h ei n t a k em a n i f o I d Ac a l i b r a t i o ns y s t e mo ft h ep o s i t i o n so ft h et h r o t t l e v a l v ea n dt h eE G Rv a l v eh a sb e e nd e v e l o p e dl oO b t a i nt h ec o n t r o Ip a r a m e t e r so ft h e s e v a l v e si nt h ed y n a m o m e t e r t e s t s D i g i t a lr e s u l t so ft h e t h r o t t l ev a l v ec a nb eg o tb yt h es y s t e m W i t ht h eh e l po ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e m ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tE G R r a t eo nt h ep e r f o r m a n c e s a n de m i s s i o n so ft h ee n g i n eI nd i f f e r e n c eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sh a v eb e e nr e s e a r c h e db y e n g i n et e s t s a n dt h eE G R r a t e so fd i f f e r e n te n g i n em o d e sh a v eb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt o t h et e s tr e s u l t sf o rm e e t i n gt h ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nr e q u i r e m e n t s ，t h e nt h ec o n t r o I p a r a m e t e r su n d e r t h eo p t i m u mE G Rr a t e sh a v eb e e nc a l i b r a t e d T h eM a p so fo p t l m u mE G R r a t e sa n dc o n t r o I p a r a m e t e r s h a v e b e e nd e t e r m i n e d b yt h e r e s u l t s A n e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dE G R s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n du s e dt op r e c i s ec o n t r o It h eE G R r a t e si n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s T h e d y n a m o m e t e r t e s t ss h o wt h a tu s i n gt h eE G Rc o n t r o Is y s t e m t h eN O xe m i s s i o no f t h ee n g i n ec a nb er e d u c e db V19 9 w mn Od e t e d o r a t i o no ft h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o na n d s l i g h ti n c r e a s i n go fH C C Oe m i s s i o n s E x c e p t o fp a r t i c u l a t e ，t h ee n g i n e So t h e re m i s s i o n so f 13m o d e sh a v em e tt h er e q u i r e m e n t so ft h eE U R O I Ie m i s s i o ns t a n d a r d T h ea b o v er e s u l t s s h o wt h a tt h eE G Rc o n t r o Is y s t e md e v e l o p e db yt h ea u t h o rh a sO b t a i n e dt h ea p p r o p d a t e t r a d e o f fb e t w e e nt h eE G Rr a t ea n dt h ep o w e r , e c o n o m ya n dp a r t i c u l a t ee m i s s i o no ft h e e n g i n e ，a tt h es a m e t i m es h o wt h a tt h ec o n t r o la l g o r i s mi sr e a s o n a b l ea n dt h ec o n t r o ls y s t e m i se f f e c t i v e K e yW o r d s ：t u r b o c h a r g e dD Id i e s e le n g i n e ；E G R ；E G R r a t e ；N O x ：c o n t r o ls y s t e m 第一章绪论 1 1 国内外应用E G R 技术的现状及发展分析 随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，汽车有害排放已成为我国大气环 境的主要污染源，并成为一个影响经济发展和人民生命健康的重大问题【1 】。汽车尾气排放 成分H C 、C O 、N O 。和汽车耗油量直接有关的C 0 2 给城市空气带来的污染问题已经到了破 坏环境、危害生命的程度。为了最大限度地降低汽车尾气所造成的排放污染，在近三十年 的时间内，国际社会普遍采用了各种降低排放的控制措施以满足日益严格的汽车排放控制 法规的要求口1 。 以欧洲标准为例，从1 9 9 2 年的欧洲1 号标准到2 0 0 5 年的欧洲4 号标准，其排放控制 法规限值的发展极为迅速并极为严格。随着我国加入世界贸易组织，为了提高产品的竞争 力，我国的汽车排放法规要逐步和西方发达国家的排放标准接轨，这给我国汽车工业在摊 放控制方面带来了极为沉重的压力。 在实际运输领域中，增压直喷柴油机以其优良的经济性和动力性受到用户的普遍关注， 柴油机的油耗及C 0 2 排放量可比同排量的汽油机低3 0 0 0 - 3 5 ，仅从C 0 2 排放性能和经济 性能方面的优点来看，柴油机比汽油机具有更广泛的应用前景。这也是近几年来随着柴油 机技术的完善和发展，柴油机正在各种机械动力装置中日益取代汽油机的原因。目前，欧 美、日本等发达国家的太、中型载重汽车已全部柴油机化，特别是近年来由于广泛采用增 压技术，使其升功率达到了汽油机水平，从而大大改善了柴油机的动力性，因此在轿车和 轻型车上也开始逐步应用柴油机。从全世界多缸柴油机的产量统计结果中可以看出，世界 范围内汽车柴油机化将在各种车型上继续发展。这主要是由于直喷式柴油机在保持其良好 的经济性的同时，提高了升功率，优化了燃烧过程，改善了排放特性。 但柴油机排出的N o x 有害气体和碳烟数量一直居高不下，是阻碍其进一步推广应用的 一个主要原因。从总体上来说，柴油机尾气排放中的主要污染物为C O 、H C 、N O 。和P T 。 与同类型的汽油机相比，由于柴油机的混合气较稀，使得C O 和H C 的排放量一般比汽油 机低得多，但柴油机的N o x 排放较高，潜在的有害微粒排放量很大，微粒排放比汽油机高 数十倍。因此N O 。和微粒排放成为柴油机亟待解决的两大主要污染物，其生成机理与生成 环境又基本上相反，二者之间存在着折中关系，这成为柴油机排放控制所面临的主要技术 难题【3 】。柴油机空燃比大，含有大量的氧，从原理上难以使用三元催化剂。因为要求耐久 性和可靠性，对排气后处理装跫的开发也极为困难。以往控制N 0 。的传统方法是采用增压 中冷和推迟喷油始点，但迟后喷油会使燃油经济性恶化，直接影响到车主的利益，并导致 C O ：排放增加，因此这种措施最终也会被放弃。所以任何降低N O 。排放的策略必须保持目 前占优势的直喷式柴油机的效率。 从发达国家控制汽车排放的历程来看，早期采用的主要是机内调整措施，中期则以废 气再循环技术为主，后期为了大幅度降低排放指标，满足严格的排放法规，对汽油机还采 用了三元催化技术，最终将汽油机各有害排放成分大大降低，对柴油机则采用了高压燃油 喷射、微粒后处理技术及E G R 等技术相结合的控制措施来提高性能、降低有害排放卜”】。 由此可见，在排放控制的历史上，采用废气再循环( E G R ) 装置是非常重要的一步。 在目前国际上诸多的降低汽油机有害排放的措施中，采用废气再循环装置、三元催化装最 与闭环电控喷射系统相匹配的技术被公认为是一项降低排放效果最全面、降低幅度最大的 综合技术措旌，其降低排放的效果可达9 0 r 9 5 以上【1 6 】。 国内外的研究表明，废气再循环( E G R ) 技术也是降低柴油机N O 。排放的一种最有效 方式，其工作原理是将一部分废气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸内燃烧。E G R 系 统的作用是将部分废气引出排气系统，再送入进气系统，并对废气量进行最佳的控制与调 节。国外一些汽油机早在七十年代就开始使用E G R 系统，目前E G R 系统在国外汽油机上 的应用已相当普及，并取得了良好的降低N 氓排放的效果。九十年代初，E G R 技术开始用 于柴油机，近年来国外的柴油机越来越多地采用E G R 系统，耳前欧洲大多数的直喷式和非 直喷式轻型柴油机均采用E G R 来降低N o x 排放。在重型柴油机中，随着世界各国对重型 柴油机制定出更严格的N O x 排放标准，E G R 技术也越来越受到重视，当前国外己针对重型 柴油机开发出了用于E G R 控制的新型涡轮增压器【1 ”。 E G R 技术具有成本小、改动少、上马快、降低N O 。效果明显的特点，同时其适用范围 广，既可用于电控喷射式发动机上，也可广泛用于我国现阶段的普通柴油机。近年来，日、 美、德等国为了满足欧I 或以上更为严格的N o x 排放标准，即使在应用电控系统、高压 共轨和后处理器技术的车型上，仍然同时匹配E G R 系统 1 8 ”2 6 】，因此E G R 技术已成为柴油 机N O 。排放控制的必备技术。 与西方发达国家相比，我国内燃机工业相对落后，这不仅体现在发动机性能指标差， 而且布局也不合理，大部分载重车仍用汽油机。近二十年由于受到发达国家汽车发动机柴 油机化、直喷化的冲击，已开发了一系列载重车用直喷柴油机，提高了柴油机的比例。在 载重车上开展了汽油机到柴油机的改造，现在生产的载重车上已全部用直喷式柴油机，取 得了可喜的成绩。但自主开发的轿车柴油机还是一片空白有待于进一步研究开发。 在柴油机废气排放控制方面，我国起步较晚，对柴油机E G R 技术的研究尚处于探索阶 段，采用E G R 技术降低N q 排放是柴油机领域的一个新课题。从整个柴油机排放控制的 发展来看，E G R 技术是现阶段国内柴油机满足欧I I 以上标准的最有效和最快捷的方法之一。 由于国产柴油机排放超标严重，国家对柴油机有害排放的限制也越来越严格，排放法规发 展很快，与国外发展水平的差距正日益缩短。我国2 0 0 0 年执行的排放法规已达到欧洲I 号 标准，2 0 0 5 年将全面达到欧洲号标准水平，这给排放控制刚刚起步、控制水平落后的我 国内燃机工业带来了严峻的挑战p ”。 依据国外柴油机排放控制技术的发展状况结合柴油机企业的实际，作者旨在通过对增 压直喷柴油机E G R 技术的深入研究，来开发可靠实用E G R 电控系统，力求对我国柴油机 的排放状况有突破性的改善，缩小国产柴油机与国外先进水平的技术差距，以应对当前我 国内燃机行业所面临的严峻技术挑战。 1 2 车用柴油机排放法规的现状和发展目标【2 8 l 随着汽车工业的飞速发展，汽车保有量急剧膨胀，汽车排放问题日趋严重。汽车的有 害排放影响着生态环境、人身健康，制约着经济的发展。据统计，大气中的污染物5 0 来 2 自汽车排放，而且随着汽车保有量的增多，对汽车有害废气不能很好控制的情况下，这一 比例还会继续增大。特别是在阳光照射下H C 和N o x 作用，形成光化学烟雾，以及柴油机 的排气微粒中含有苯并芘( B a P ) 和多环芳烃( P A H ) 等强烈致癌物质，造成对人体及动植 物的严重危害。为了能更好地治理环境污染，世界各国相继制定了一系列的环境保护法规， 其中包括车辆排放法规，以期达到以法的形式来治理空气污染的目的。特别是近十年来， 由于环境意识加强，对车用柴油机的低污染要求越来越突出，美国、日本和欧洲等国家相 继颁布了越来越严格的排放限制法规。表1 1 给出了这些国家的载重车用柴油机的排放限 值。 表1 1 载重车用柴油机排放标准 排放置单位、实 国家及年份排放标准 验程序及说明 美联邦1 9 9 0 N O 。H C C 0 P T6 ，1 3 1 1 5 5 0 6 烈h p h ) ，美国重 1 9 9 1N O ；H C C 0 m T5 1 3 1 1 5 5 1 0 2 5 型柴油机瞬态工 1 9 9 4N O ；H C c o P T5 1 3 1 1 5 5 0 1况 1 9 9 8N O 。t H C C 0 P T 美加州1 9 9 0N O ，H C P T6 1 1 3 0 6趴h p h ) t 美国重 1 9 9 IN O 。H C P T5 1 3 1 0 2 5型柴油机瞬态工 1 9 9 4N O ；H CI P T4 1 3 0 1况 1 9 9 5 ( T L E V ) N O ：+ N 删C P T3 9 0 1 1 9 9 8 ( L E V ) N O ，+ N 旧C P T I H C H O3 5 0 1 t 0 0 5 1 9 9 8 ( U L E V ) N 0 ，+ N M H Ct P T H c H 02 5 0 0 5 1 0 0 2 5 日本1 9 9 4N O 。H C c 0 P TD I ：6 2 9 1 7 4 0 7 g ( k W h ) ，日本十 m I ：5 2 9 1 7 4 1 0 7三工况循环 2 0 0 0N O 。H C C 0 t P T4 5 f 2 9 7 4 0 7 欧洲1 9 9 0 ( 欧0 )N O ；H C C 0 P T1 4 4 2 4 1 1 2 g ( k W h ) ，E C E 1 9 9 2 ( 欧1 )N 仉H c C O P T8 0 1 1 4 5 0 3 6R 4 01 3 工况循环 1 9 9 5 ( 欧2 )N O 。H C C 0 P T7 o ，1 1 1 4 0 0 1 5 2 0 0 0 ( 欧3 )N O ，H C C O P T5 0 0 6 ，2 0 0 A 0 注：T L E v 一过渡低排放车辆；L E v 一低排放车辆：U L E v 一超低排放车辆；N M H C - - 非甲烷碳氢化合物；H C I q O 一甲醛 美国、日本和欧洲的排放限值基本上代表了世界上排放控制的总发展趋势。从表I 1 中可以看出，载重车用柴油机排放限值逐年加严，特别是体现在N o x 和盯的控制上，这 就使排放控制和提高柴油机经济性的矛盾越来越大，所以柴油机排放控制研究是二十一世 纪研究的核心问题。 我国自行研制开发的中型载货车用柴油机在结构设计、燃油经济性、噪声等方面还比 较落后，特别是在排放控制方面同国外差距更大。我国在1 9 9 6 年7 月召开了柴油机及柴油 机排放物控制法规研讨会，会上对柴油车和柴油机排放做出了明确规定，自1 9 9 7 年l O 月 1 曰起，对柴油机的C O 、H C 、N O 。排放制定正式限值，如不合格便不准进入市场，并对 P T 排放提出参考性限值，作为生产厂家的努力目标。还规定从1 9 9 7 年1 0 月起实行过渡标 准，2 0 0 0 年1 月1 日起实行欧1 标准。表1 2 为我国的柴油机限值标准( 按E C ER 4 91 3 工况实验循环进行测试) 。 表1 2 我国柴油机限值标准，单位：g ( k W h ) P T 实施日期实验类型C OH CN C k P e 8 5 k WP e 8 5 k W 2 0 0 0 1 。l型式认迁4 51 18 OO 6 1O 3 6 0 1 2 0 0 0 1 1产品一致性4 91 2 39 0O 6 80 4 0 2 0 0 5 1 1型式认证4 O1 17 00 1 5 0 2 2 0 0 5 1 1产品一致性4 0l ，17 OO 1 5 由此可以看出，我国载重车用柴油机开始从单纯烟度控制发展到气态污染物与微粒排 放的综合控制，全面引入了欧洲排放法规制定我国的排放控制标准。这标志着我国的载重 车用柴油机排放控制工作已步入正轨，必将大大促进各柴油机生产厂家投入力量开展柴油 机排放控制工作。同样的限值标准，我国执行年限要比欧洲晚十年，这也从另- N 面反映 出我国柴油机排放控制工作还很落后，需从根本上采取有效措施控制排放，使我国的柴油 机发展水平同国际接轨。 1 3 直喷式柴油机有害排放物的控制措施1 2 9 1 减少发动机N O 。排放的措施及其相应的技术见表1 3 所示。 减少N O 。的方法可分为两种，一种是抻制它的生成，二是对排出的N o x 进行后处理。 在发动机燃烧室内N O 的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的控制。因此，为了减少N o x 的生成，就要采取使燃烧室内温度降低和降低氧浓度的方法。降低燃烧温度的方法有推迟 喷油、冷却进气、废气再循环等。此外，控制喷射率、采用小喷口喷嘴、延长喷射时间、 引燃喷射、提高压缩比使着火滞后、减少快速预混合燃烧的比例等方法对减少N O 。的排放 也是有效的。采用E G R 降低N O x 排放是提高降低燃烧室内温度和氧浓度来完成的。此外 提高压缩比、缩短着火延迟期、减少初期喷射率以减少在着火延迟期内形成的混合气等措 施，对减少N O x 也是有效的。 后处理的典型方法是采用N o x 催化净化剂，目前在研究直接分解N O ；、用氨、尿素作 还原剂等等。此外，还在研究不采用催化剂而采用氨基酸直接还原的方法，以及用等离子 分解N O 。的方法等。但是，柴油发动机往往是在高负荷下长时间工作，要求有高的可靠性 和耐久性，因此开发耐用的后处理装置极为困难。 P T 由炭、可溶性有机物( S O F ) 、燃料中的硫份生成的硫酸盐及其结合永构成。硫酸 4 盐的形成基于燃料中的硫份，所以在发动机方面就必需采用措施减少烟灰等炭素物质，首 先是抑制它的生成，一旦生成了炭灰，在燃烧后期使其氧化是非常重要的。为使以上的设 想成为现实，应使燃料或生成的炭灰与空气充分混合，具体的方法可通过增压和多气门技 术增加吸入的空气量，采用小喷孔喷嘴和增加向油雾内导入的空气量，缩小燃烧室内的无 效容积提高空气利用率、采用高压喷射和改进燃烧室形状从而加强紊流的形成等等。此外， 喷油嘴布置在燃烧室的中心，使燃料均匀分散，不产生局部过浓的部位，对抑制P T 的产生 也是有效的。S O F 是由束燃烧的燃料和润滑油产生的一些成分构成的。对源于燃料的成分 采取减少在燃烧室上的燃料附着量和降低喷射喷嘴的尾滴等措施来解决。对源于润滑油的 成分主要采取改进活塞环、缸套，减少润滑油消耗量的措施来解决。 表1 3 控制N O , 的技术措籀 减少排放的措施减少排放的技术 控制喷射时间 推迟喷油 控制喷射率波形 引燃喷射 控制燃烧率小喷口喷嘴 降低燃烧温度 高压缩比 进气冷却中冷器 抑制生成 E G R 添加非活性物质 减少水喷射 N O 。E G R 降低氧浓度添加非活性物质 水喷射 控制稀薄混合气控制涡流 消除生成区 区喷嘴中心布置 催化剂 还原催化剂 化学处理 分解催化剂 后处理氨基酸 其它 氨化合物 电化学处理电化学处理等离子处理 P T 的后处理方法主要是采用消除S O F 的氧化型催化嗣及捕集微粒再加以焚烧的D P F ( 柴油机微粒捕集器D i e s e lP a r t i c u l a t eF i l t e r ) 。催化剂要解决的问题是抑制燃料中的硫份所 产生的硫酸盐，对于D P F 所要解决的问题是捕集器的再生方法及其耐久性和可靠性。 众所周知，柴油机的排放与燃料的性质有密切的关系。近几年，随着对排放限制越来 越严格，除改进发动机本身减少排放外，在燃料方面也有必要采取措施。从燃料方面采取 的一些措施见表1 5 。 5 表1 4 控制P T 排放的减少措施 减少排放的技术 减少排放的措施 措旌 促进空气进而喷 小喷孔喷嘴 控制涡流 雾内 增压 多气门 增加吸入空气增压 改进进气系统 促进燃料空 减小无效容积 抑制生成提高空气利用率改进燃烧室 气混合 高压喷射 高紊流燃烧室 加强紊流 控制涡流 减少使燃料均匀分布 喷嘴布置在中心 I S O F 位置 小喷孔喷嘴 使喷雾微粒化 高压喷射 促进空气进入喷 小喷孔喷嘴 控制涡流 雾内 增压 多气门 促进S O O T促进燃料后 增加吸入空气增压 改进进气系统 氧化期混合 减小无效容积 提高空气利用率改进燃烧室 高压喷射 高紊流燃烧室 加强紊流 控制涡流 后处理捕集、焚烧D P F 抑制燃料附 促进微粒化 小喷孔喷嘴 着壁面高压喷射 小室喷嘴 减少 抑制生成防止尾滴减小室内容积 V C O 喷嘴 S O F减少润滑生改进活塞环、 成S O F 减少润滑油消耗 缸套 促进氧化催化剂氧化催化剂 后处理 捕集、焚烧 D P F 对排放有很大影响的代表性燃料性质有十六烷值、密度、馏程特性、硫份、芳香烃族 等等。当采用E G R 时，为防止腐蚀磨损而导致的耐久性下降的问题，必需采用低硫燃料。 柴油的低硫化是世界性倾向，预计世界主要国家将采用含硫量达到O 0 5 以下的低硫燃料。 但是，排放法规越来越严格，在必需使用催化荆时，有人认为硫份为O 0 5 仍然不够，需 6 进步降低硫含量。 十六烷值低，着火延迟期长，初期燃烧比例增加，N O 。的排放量也增加。所以，各国 正在研究将十六烷值的下限值纳入燃料标准中，以减少N o x 的排放量。日本对N o x 排放的 限制相对比较严格，为达到N O 。低排放，必须维持现在比较高的十六烷值。燃料中的芳香 族碳氢化合物易生成炭灰，特别是对P T 的排放有影响。9 0 馏出温度( T 9 0 ) 是影响排放 的因素，T 9 0 与燃料密度、粘度关系密切，可以认为它是燃料重质化的指标。燃料重质化 导致燃烧室内的燃料喷雾蒸发不好，是增加P T 、C O 、T H C 的一个因素，所以燃料的重质 化对排气净化有害无益。 表1 5 改善燃料性质减少排放 减少排放措施减少排放技术 高十六烷值燃料 抑制初期燃烧 低硫化( 减少磨损) 减少降低燃烧温度采用E G R N O x水溶性燃料 添加水 低硫化 低硫化 防止催化剂中毒 低芳香族化 低硫化 减少硫酸盐( 燃烧室内催化剂) 低芳香族化 变更燃料成分 轻质化( 粘度、馏程特性) 减少 抑制S O O T 生成 含氧燃料 P T 促进微粒化、促进蒸发低十六烷值燃料 变更燃料基因轻质化 减少未燃成分减少多环芳香族 减少S O F 变更燃料成分 1 4 E G R 降低N O 。排放的机理1 3 0 I 1 4 1 N O ，的生成机理 一般普遍认为N O ；的产生是由于高温燃烧过程阶段因离解反应同时生成氧和氮的原子 及分子，根据Z e l d o v i c h 的理论，这些分子和原子接着形成了氮氧化物，即N O 。其反应式 为： 0 2 2 0 ( 1 ) o + N 2 一= N O + N ( 2 ) N + 0 2 一N O + O ( 3 ) 链反应是从反应式( 2 ) 中的氧原子开始，此氧原子是在燃烧的高温下，通过反应式( 1 ) 由氧分子分解所生成。反应开始以后，根据反应式( 2 ) 和( 3 ) ，分子状态的N 2 与原子状 态的O 或分子状态的0 2 与原子状态的N 碰撞生成N O 。反应式( 2 ) 左边的氧原子除了一 7 小部分由反应式( 3 ) 右边生成的0 供给外，大部分由分解反应式( 1 ) 生成。反应式( 3 ) 左边的N 主要靠反应式( 2 ) 右边生成的N 供给，反应式( 2 ) 与反应式( 3 ) 生成的N O 是同一量级的。 N O 的生成量在很大程度上取决于温度。由化学平衡式可以看出，因为反应起始于氧 原子的生成，所以N O 浓度与氧的浓度有很大关系。由此分析，在稀燃混合气条件下N O 生成主要取决于0 2 的浓度。即使燃烧温度很高，若0 2 浓度很低，o 原子少，N O 的生成量 也不会很大。所以N O 浓度最高点应出现在混合气稍稀、火焰温度较高点。燃烧温度很高 的偏浓混合气也不会产生很高的N O 。 由理论计算和试验结果可以发现，N O 的生成与N 的变化都十分缓慢。因此，当燃烧 火焰穿过混合气时。N O 不可能在燃烧区域内直接形成，而是在火焰之后，在已燃混合气 体中慢慢生成。所以N O 的生成量除取决于温度和0 2 的浓度外。在高温的滞留时间也是一 个重要因素。 膨胀冲程的燃烧产物温度要降低，若依然从化学平衡角度来考虑，N O 应当分解一部 分，但试验表明N O 浓度几乎不变。理论分析可得，当废气温度降低到一定值时，N O 浓度 会发生“冻结”现象，即N O 分解反应速度降低为0 ，N O 浓度“冻结”在其燃烧温度水平。 所以，N O 分解反应相对于发动机的运转来说是相当缓慢的，以至于大量的N O 分解并未发 生，N O 浓度也就与高温平衡时的浓度相差无几了。 从以上对N O 。生成机理的简要分析中可以看出，为了降低发动机N O 。的排放量，可以 采取降低燃烧室火焰最高温度，降低N O 生成阶段的0 2 浓度和缩短燃烧气体在高温下的滞 留时间三种方法。显然，这样做的结果将使发动机的热效率下降。因此，提高发动机的经 济性指标与提高发动机的排放指标间存在着矛盾。 由于N 仉主要是在燃烧期间、燃烧区域附近，特别是在高温和富氧的情况下生成的， 所以控制N O 。在缸内的生成需要同时控制两方面的因素，即与局部氧，氮浓度有关的混合及 燃烧过程和局部温度及其变化历程。 1 4 2 E G R 系统降低N o ，排放的机理 从作用原理上看，E G R 技术仍是一种“机内”净化方式的机外排放控制装置。E G R 系 统的作用是将一定量的发动机燃烧废气，引出排气管，并通过一个控制阀将其导入进气管 中与新鲜混合气混合，再引入燃烧室中参与燃烧，从而实现循环。它是通过增加气缸内的 残余废气系数，降低燃烧反应温度，从而抑制N o x 排放的生成条件。同时，一定压力的废 气对新鲜气体的稀释作用，使进气混合气中0 2 的浓度下降，也造成了No ) c 排放的降低。 研究人员对于E G R 降低N q 排放的原因进行了探求并提出了几种解释。这些理论解 释主要集中在E G R 降低缸内燃烧火焰温度上。因为缸内最高火焰温度是影响N o x 生成的 主要因素，E G R 是控制缸内火焰温度的有效方式。E G R 对缸内燃烧温度的影响有以下三种 较为普遍的解释：即增加进气混合气比热容、用惰性废气稀释进气中的氧浓度和增加了点 火延迟。 l 、比热容假说认为发动机的进气可燃混合气中参入一部分不易燃烧的惰性废气，即不 活性气体，其主要成分为C 0 2 、H 2 0 、N 2 ，这三种废气成分的比热容均高于新鲜混合气。 所以，新旧气体混合后的混合气的总的热容量也随之增大。加热这种经废气稀释后的混合 气，温度每升高1 0 C 所需热量也随之增加。在单位气缸内总燃料放热量不变的条件下，混 合气的总的热容量增加，混合气燃烧产生的最高温度就会降低。 2 、稀释假说认为E G R 对N o x 的影响是由于增加了混合气中惰性气体数量，这些惰性 气体降低了绝热火焰温度。一方面惰性气体的引入影响了新鲜混合气进入气缸的总量：另 一方面，单位气缸内的惰性分子数的增加，又稀释了氧的浓度，从而使单位气缸内的氧含 量下降，惰性分子阻截了链反应的能量，从而使N O 。的生成量下降。这种结论由富氧原理 研究的结果与惰性稀释理论的结果相反得以证实。 3 、点火延迟假说认为E G R 将一定压力一定数量的惰性气体引入进气管，造成进气管 真空度略下降，从而使真空提前角滞后，引起了点火延迟，造成N O 。下降。 但E G R 会使缸内混合气燃烧变得不稳定，发动机的油耗及H C 排放也随之恶化，因此 E G R 的控制必需适量，才能取得良好的综合效果。 1 5 本文研究的主要内容和意义 结合广西玉柴机器股份有限公司的新产品开发课题，针对Y C 4 1 1 2 Z L Q 增压中冷柴油机 开展E G R 控制技术研究，参照和分析国内外各种柴油机的E G R 控制系统的优缺点，优化 选取适合Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机的E G R 系统配置方案。深入研究不同E G R 率对Y C 4 1 1 2 Z I Q 柴油机性能和排放的影响规律，在此基础上对该柴油机各个工况下的最佳E G R 率进行优 化，得出E G R 率三维控制M A P 图，并开发一套适合于Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机的E G R 电控系 统，根据该机型E G R M A P 图的要求，实现整个转速、负荷范围内对E G R 率的自动控制。 9 第二章Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机E G R 系统控制方案 2 1 增压柴油机实现E G R 控制的难点 随着环境意识的不断增强。世界各国的排放法规越来越严格。表2 1 列出了美国、日 本和西欧十几年来的重型柴油机排放法规的演变，从其发展趋势中可见今后的法规将重点 强调对N O 。排放的控制。 表2 I 重型柴油机的排放法规总览 国家实验法规年份 H C N O 。微粒 单位 1 9 8 81 - 3 l O 7O 6 1 9 9 01 3 6 0O 6 U S AU S F Tg 帅h 1 9 9 1I 3 5 0O 2 5 1 9 9 41 3 5 O0 1 1 9 9 02 ，41 4 4 西欧 R - 4 91 9 9 21 I8 O0 1 3 6 e k W h ( E E C )1 3 - M o d e1 9 9 5l ，l7 0O 1 5 1 9 9 90 7 峋 蛔 钞。 图3 7 步进电机控制子程序框图( 续) 3 3 4 系统控制软件 控制软件框图见图3 8 所示。 图3 8 系统控制软件框图 其中，3 B H 单元存放电机转向标志，3 A H 单元存放电机上次的通电状态，3 C H 单元存 放电机转动步数，5 A H 单元存放循环显示次数，8 8 H 单元存放电机上次相对于0 位的步数， 8 0 H 单元存放电机本次相对于0 位的步数，8 0 H 和8 8 H 单元内容之差的绝对值即为3 C H 单 元的内容，代表电机的实际转动步数。 第四章Y C 4 1 1 2 Z L Q 柴油机E G R 率测试及优化 E G R 系统的工作原理是将一部分废气引入进气管与新鲜充量混合后进入气缸内燃烧， 从而实现废气再循环。E G R 系统的作用是将部分废气引出排气系统，再送入进气系统，并 对废气量进行最佳的控制与调节。E G R 系统设计的关键是使足够的废气回流到进气管，并 依据发动机的不同工况给出一个最佳的E G R 率。 增