（动力机械及工程专业论文）bj483欧Ⅱ柴油机开发研究.pdf

出丕盔堂亟堂笪途塞 摘要 氮氧化物( n 和微粒( p m ) 是柴油机的主要排气污染物，在现阶段柴油机排 放改善主要针对n o , 和p m 排放的降低。所采取的技术方案包括增压或增压中冷、 废气再循环( e g r ) ，排气后处理措施等。 本课题借鉴了当前国内外有关最新研究成果，并结合企业和国内的技术工艺 水平，对b j 4 8 3 型柴油机进行了开发研究，采取的技术方案为在实施机内燃烧过 程优化措施的基础上，利用电控e g r 系统，降低n 0 。排放，使整车排放水平达到 欧i i 排放水平，并且满足生产一致性的要求。 本文重点论述了机内燃烧过程的优化和电控e g r 系统的设计开发。在机内燃 烧净化方面，通过对进排气道、燃烧室、喷油系统、增压器的匹配优化，试验证 明缩口燃烧室在很宽转速范围内保持了挤压涡流强度，通过缩小供油提前角，可 有效降低n o , 排放而不致引起性能和烟度的恶化。 幺e g r 系统将油门位置作为负 载信号，系统的响应性得到了很大提高，并首次采用真空压力传感器，向e c u 提供e g r 阀控制管路真空压力值反馈，对压力输出值及时修正，从而实现了e g r 率的局部闭环控制。 论文还详细分析了影响柴油机排放一致性的公差因素，对油门位置信号提出 了有效的控制方案首次提出了最大n o , 和最大p m 状态的概念，通过公差排放试 验对发动机一致性指标进行了分析预测。 关键词：柴油机，电控e g r 系统，机内燃烧过程优化。公差试验 a b s t r a c t n o xa n dp ma r et h em a i ne x h a u s te m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e s e m i s s i o n r e d u c t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d et u r b o c h a r g i n g t u r b a c h a r g i n g “mi n t e r e o o l i n g , e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) ，a f t e r t r e a t m e n ts y s t e me t e b a s e do i lt h es t a t eo fa r ti nd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h , as t u d yo nb j 4 8 3 d i e s e le n g i n ei sd o n ei nc o n s i d e r a t i o no fd o m e s t i cm a n o f a c t u r i n gt e c h n i q u e s r e s u l t s s h o wt h a t 、航t ht e c h n o l o g i e so fi n - c y l i n d e rc o m b u s t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o na n d e l e c 拄o n i c - c o n t r o l l e de g rs y s t e m ( t or e d u c en o xe m i s s i o n ) n 峙e n g i n en o to n l y m e e t se u r o e m i s s i o ns t a n d a r d b u ta l s of u l f i l l sp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c yr e q u i r e m e n t t l l i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fi r t - c y l i n d e rc o m b u s t i o np r o c e s s o p t i m i z a t i o na n da l e c t r o n i e - c o n t r o l l e de g rs y s t e m f o rt h ei n - c y l i n d e rc o m b u s t i o n o p t i m i z a t i o n , t h em a t c h i n go fp o r t s , c o m b u s t i o nc h a m b e r , i n j e c t i o ns y s t e ma n d t u r b u c h a r g e ri sc r i t i c a l t e s tr e s u l t ss h o wt h a ts q u i s hw h i r li n t e n s i t yi sw e l lk e p tb yt h e 1 1 i g hw h i r lc o m b u s t i o nc h a m b e r ( r e e n t r a n ts h a p e ) w i t h i naw i d ee n g i n es p e e dr a n g e a n dt h en o xe m i s s i o ni sr e d u c e ds u f f i c i e n t l y b yf u e li n j e c t i o nd e l a yw i t h o u t d e t e r i o r a t i o no fe n g i n ep o r f o m m c ea n ds m o k e t h ee g rs y s t e mn s e st h e a c c e l e r a t i o np e d a lp o s i t i o ns i g n a lu sal o a ds i g n a la n dt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co f e g rs y s t e mi sg r e a t l yi m p r o v e d av a c u u mp r e s s m e $ e r l s o rs e n d sv a c u u mc o n t r o l f e e d b a c ks i g n a lt oe c ut ot r i mo u t p u tp r e s s u r ev a l u e ，s ot h a tal o c a lc l o s e dl o o p c o n t r o lo f e g rr a t ei sf u l f i l l e d t l l i st h e s i sa l s oa n a l y z e st o l e r a n c ef a c t o r sw h i c ha f f e c te m i s s i o nc o n s i s t e n c yi n d e t a i l ，a n ds u g g e s t sa ne f f e c t i v em e t h o dt oc o n t r o lt h ea c c e l e r a t i o np e d a lp o s i t i o n s i g n a l ab r a n d - n e wc o n c e p to fm a x i m u mn o x & p ms t a t ei si n t r o d u c e d , a n dt h e e n g i n ec o n s i s t e n c yp e r f o r m a n c ec a nb ef o r e c a s t e dt h r o u g ht o l e r a n c ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e , e l e c t r o n i c e g rs y s t e m ，i n - c y l i n d e rc o m b u s t i o n o p t i m i z a t i o n , t o l e r a n c ee x p e r i m e m ， v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窖劢趁幺日期：丝生：曼2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔丕幽师签名：熊蔓 日 期：趁堕羔：j ， 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 柴油机排气污染特点及其危害 目前汽车排放造成的污染问题同益全球化，引起人们对环境保护的 重视。全球矿石燃料燃烧产生的污染物包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合 物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 的5 0 来自发动机川。我国到现在为止虽 然汽车保有量的总量不大，但汽车的分布很不均匀，大城市中的汽车保 有量很大，以北京市为例，2 0 0 2 年汽车保有量1 8 0 万辆，占全国汽车保 有总量的1 1 0 ，虽然汽车数量比欧美一些发达国家城市的要少，但汽车 排放水平普遍偏低，新车相当于国外2 l 世纪8 0 至9 0 年代初的水平，2 0 0 0 年以| i i 的车辆仅为国外7 0 年代的水平，因此空气中有害物质的浓度远远 超过这些城市，根据统计北京市2 0 0 0 年总悬浮颗粒、可吸入颗粒、s 0 2 分别超出国家空气质量二级标准7 6 5 、6 2 、1 8 3 ，与w t o ( 世界 卫生组织) 指导值相比s 0 2 浓度值超出了4 0 ，与欧美国家同期相比， 可吸入颗粒浓度超出2 倍 2 1 ，因此我国城市大气的污染物的降低应放在 减少汽车有害排放物的浓度上，而不是限制汽车的数量 柴油机以其高效低耗，使用可靠，寿命长，污染少等优点，使汽车 柴油化成为汽车工业发展的必然趋势。在我国，1 9 9 0 至2 0 0 0 年间，柴 油车的年产量由7 5 8 力辆增加到6 1 4 万辆，在汽车总产量中，柴油车比 重由1 4 9 增加到2 9 7 ，在载货车中比重达到6 7 。由于柴油机使用 的混合气的平均空燃比比理论空燃比大，故其c o 及h c 排放明显低于 汽油机，n o x 的排放二者相当，而颗粒物的排放远高于汽油机。根据文 献【2 】提供的1 9 9 5 年中国城市道路机动车污染物谗放量的数据，柴油车 的n o x 和p m 排放量分别占机动车n o x 和p m 排放总量的4 3 和8 3 ， 而h c 和c o 上述的统计数据仅分别为5 和1 3 。因此针对柴油机及 其配套的柴油车辆排放控制的重点应放在n o x 和p m 排放的控制上。 排气中的氮氧化物是出燃烧室内高温燃烧富氧而产生，空气中的氮 经过氧化首先产生n o ，然后与大气中的氧相遇又生成n 0 2 。高浓度的 n o 能引起中枢神经的瘫痪和痉挛，而n 0 2 是一种褐色气体，有特殊刺 激性臭味，使人中毒的症状是发生肺水肿，同时引起闭塞性纤维性细支 气管炎。n o x 除了本身对生物产生危害外，还与h c 生成光化学过氧化 物。 颗粒中的重要成分是碳烟、油雾和铅化物。柴油机和汽油机所排放 的颗粒是不同的，柴油机排放微粒的数量要比汽油机多得多，一般要高 出3 0 6 0 倍。碳烟除了致癌作用外，如吸入肺部，会导致慢性病，肺气 山东大学硕士学位论文 - 肿、皮肤病及变态性疾病。铅化物进入人体，可导致贫血、神经麻痹， 而且提高了血管病、肾病的发病率。 光化学烟雾是n o x 和h c 在太阳光能的作用下进行光化学反应聚集 而成的烟雾。光化学烟雾只有在夏季且当汽车废气排量较多的地方，在 太阳光线的照射下和特殊的大气对流不通畅的地理环境情况下彳可能产 生。一般每天日出后激增，午后l 2 时最多。光化学烟雾会引起人肺的 机能减弱、头疼、麻痹，甚至死亡。 内燃机排气中的s 0 2 的量由燃料中含硫量决定。一般柴油机比汽油 机的s 0 2 的量要多s 0 2 对人体的呼吸系统有很强的刺激作用。当使用 催化净化装置时，很少量的s 0 2 也会在催化剂表面堆积下来，使其中毒， 降低使用寿命。 1 2 氮氧化物及微粒的主要生成机理及控制措施 由i j i 面所述，柴油机由于所用燃料和燃烧方式的不同，排放的c o 和h c 相对汽油机要少的多，n o x 排放与汽油机相比基本是一个数量 级，微粒排放比汽油机多几十倍，因此柴油机的排放控制重点是n o x 与 微粒。 1 2 i 氮氧化物的生成机理 在内燃机排放的氮氧化物中占压倒多数的是n o 。n o 的主要来源是 供给发动机的空气中的分子状的氦。柴油本身含氮很少。不足以产生显 著的n o x 排放。n o 的生成机理是按泽尔杜维奇反应机理产生的，主要 由下面三个反应式来表示： o + n 2 = n o + n ( i - 1 ) n + 0 2 = n o + o ( i - 2 ) n + o h = h + n o ( 1 3 ) n o 的生成速度远远低于燃烧速度，大部分n o 在燃烧完成后才形 成。在靠近火焰主要反应区的下游划出一个火焰后区，将n o 的生成过 程与燃烧过程分开，然后假设燃烧过程达到了平衡状态，可以计算出n o 的形成速度。将质量定律及正逆反应的反应速度代入泽尔杜维奇反应式， 可以得到简化的n o 生成速度( d c n o d t ) 1 通过计算表明，在稀混合 气区中主要是温度起支配作用，而在浓混合气中主要是氧浓度起作用。 d c t _ o d t = 6x1 0 mxt c 17 2 e x p ( 6 9 0 9 0 t c ) xk f i ( c o ) c 彪x ( c n 2 ) e c m 3 ( c m 3 s ) ( 1 4 ) 式中 2 山东大学硕士学位论文 k n ：正向反应常数，c m 3 ( m 0 1 s ) ( c o ) 。、( c n 2 ) 。：平衡时的o 和n 2 的浓度，m o l c m 上式表明n o 的生成速度与温度有密切关系。在高温和富氧条件下， n o 的生成速度高，即d c n o d t 的数值较大。影响n o 生成量的主要因素 是温度、氧气的浓度和停留时间。 燃烧过程中生成的n o ，除了可与含n 原子中间产物反应还原为n 2 外，还可与各种含氮化合物生成n 0 2 ，与n o 的生成量相比，n 0 2 的生 成量较少。在柴油机的排放中n 0 2 与n o 之比为1 0 3 0 。生成n 0 2 的主要化学反应可以认为是n o 和h 0 2 之间的反应。即 n o + h 0 2 = n 0 2 + o h ( i - 5 ) 实验表明，生成的n 0 2 中除被冷流体淬冷的n 0 2 外，由此反应形成 的n 0 2 可与燃烧区的氧原子反应，重新生成n o 。即 n 0 2 + 0 = n o + 0 2 ( 1 6 ) 在火焰后区，由于氧原子减少，因而生成n 0 2 的反应比n 0 2 又转换 为n o 的反应进行得快。 1 2 2 微粒的生成机理 柴油机排气微粒( p m ) 由碳烟( s o o t ) 和有机可溶成分( s o f ) 组成。 当排气温度超过5 0 0 时，排气微粒基本是很多碳质微粒的聚集体，称 为碳烟。当排气温度低于5 0 0 时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称 为有机可溶成分( s o f ) 。一般来说，s o f 占p m 质量的1 5 一3 0 。 柴油机碳烟的生成和长大过程分为两个阶段： l 、烟粒生成阶段。期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌 生凝聚相这些气相物质的凝聚反应导致最早可辨认的碳烟粒子。( 常称 为晶核) 2 、烟粒长大阶段。这包括表面生长和聚集两个方面。表面生长指用 烟粒表面粘住气相的物质。聚集过程是指通过碰撞使烟粒长大，生成链 状或团絮状的聚集物。 降低柴油机微粒排放问题的关键是碳烟排放。碳烟生成的重要条件 是高温下燃料严重缺氧实验证明，过量空气系数小于0 5 的混合气， 燃烧以后必定产生碳烟。在柴油机的中小负荷情况下，由于混合气的空 燃比很大，生成碳烟的可能性不大，微粒的排放随着负荷的增加缓慢上 升。但当柴油机负荷接近全负荷时，微粒排放急剧增加，俗称接近冒烟 极限。这是因为虽然此时的过量空气系数尚大于l ，但是由于燃烧室内 可燃混合气混合不均匀，局部区域出现过量空气系数小于o 6 的现象， 山东大学硕士学位论文 导致碳烟大量生成。因此改善燃烧室内混合气的均匀性。是降低碳烟排 放的根本 1 2 3 降低n 0 。及p m 捧放的主要控制措施 改善柴油机的微粒排放和n o x 排放常常是相互矛盾的。通过涡轮增 压等措施能够大大提高充气量，提高空燃比，能够显著降低烟度和微粒 排放，但是随着进气温度和可燃混合气浓度的增加，n o x 的排放显著增 加。同样，采取e g r 阀等措施降低n o x 捧放会增加微粒的排放，因此 要在保持良好性能的同时，降低n o x 和微粒的排放，很多技术方案需要 折中，通常采取的技术措施有： 1 、优化匹配燃烧系统：针对燃烧系统的合理匹配是形成晶质优良的 混合气，优化燃烧过程的基础，柴油机缸内气体运动的形式必须结合机 型条件和采用的燃油系统的形式进行调整和匹配。一般来讲，小缸径直 喷柴油机进气涡流比要高于重型车用大缸径柴油机，这是因为小缸径柴 油机的燃烧室容积很小。燃油很容易喷到室壁上，需要很强的气流运动 加快油膜的蒸发。对于喷油压力偏低的传统的机械式喷油系统，一般要 求较强的进气涡流，以促进燃烧室中的燃油喷雾和空气的混合，而对于 电控共轨系统和泵喷嘴系统，由于能够实现可变定时喷射和喷射压力的 提高，对进气涡流的要求相对减弱。 小缸径双气门高速柴油机由于工作转速范围很大，而进气系统产生 的涡流比是基本恒定的，因此不能兼顾高低转速工况，造成不可避免的 燃烧损失。采用4 气门技术，发动机气门流通面积可增加5 0 左右，使得 实际进气过程中进气量增加，充气效率提高，泵气损失减少；喷油器和 燃烧室中心布置，使油柬均匀，促进雾化，改善燃烧；采用2 个进气道， 4 气门缸盖采用长切向气道和短螺旋气道的组合，能够根掘转速和负荷 改变迸气涡流，并有利于组织进气涡流：另外4 气门柴油机具有良好的 扭矩和排放性能由于具有以上优点，四气门柴油机目前得到了越来越 广泛的应用”， 2 、推迟喷油定时：根据缸内快速取样技术和全气缸取样技术的测量 结果，柴油机的n o 几乎全部在燃烧丌始的2 0 0 c a 内生成的。推迟喷油 后，燃烧开始较晚，n o 几乎同时丌始生成，因为燃烧温度较低，因此 n o 的生成量较少这是降低n o x 最简单有效的方法”1 。其代价是燃油 消耗率有所升高，微粒及烟度排放上升，低温起动性受到影响。 4 山东大学硕士学位论文 3 、优化放热规律：传统的放热规律在预混合区域出现一个很高的放 热尖峰，后面是扩散燃烧造成的平缓的放热规律。前者生成了大量的 n o x ，后者导致热效率恶化，微粒排放增加。低排放的放热规律一般在 上止点后开始放热，第一峰值较低，使n o x 生成较少，中期扩散燃烧尽可 能加速，使燃烧过程 提前结束，不仅提高 效率，降低温度，而 且也降低微粒排放 要实现这种优化的 放热率，必须进行合 理的供油规律控制， 即初期缓慢，中期急 速，后期切断。初期 喷油速率不要过高， 以抑制在滞燃期内 形成的混合气，降低 初期燃烧速率，以达 到降低最高燃烧温 格籍差碧墨警格搴优篙曩嚣蓥；搴 、 k l ijl ，、i 、 八 i t 如棚 输糟c a 一 ( b ) 圈l l 不同喷油规律对放热规律的影响 ( a ) 传统的柴油机供油速率及其放热率 佃1 优化后柴油机供油速率( 带预喷射) 及其放热率 度和压力升高率、抑制n o x 的生成及降低燃烧噪声的目的。在中期应急 速喷油，尽快达到较大的最高喷油速率，以加速扩散燃烧，防止生成大 量碳烟微粒和热效率的恶化。在喷油后期要迅速结束喷射。以避免低的 喷油压力和喷油速率使燃油雾化变坏，导致燃烧不完全，使微粒排放增 加。在极端的情况下，如图卜1 ( b ) ，初期低速喷射与后期高速喷射分开， 构成有预喷射和主喷射组成的二次喷射模式。将初期的喷射率控制在必 要的最小限度，使得放热率的第一个峰值明显降低，有效的缓和了爆炸 式的预混合燃烧强度。 常规的机械式喷油系统要优化喷油规律，特别是实现与主喷射分丌 的预喷射是很困难的。只有用电磁阀控制喷油的电控喷油系统，才能实 现灵活的喷油规律控制。如电控共轨喷油系统、泵喷嘴系统等，可以实 现柴油机高转速下的精确的预喷射。 4 、增压及增压中冷：涡轮增压是提高柴油机动力性，降低排放的主 要手段柴油机采用排气涡轮增压，主要特征是进气量大，燃烧平均空 燃比大，因此碳烟及微粒的排放下降。虽然较大的过量空气系数可以改 善氮氧化物的排放，但由于增压后进气温度的升高( 增压后温度可达 1 0 0 1 5 0 ) ，同时混合气中氧浓度增加，n o x 的排放会增加。增压后 鼍管奢摹 矗垂鬈 柚帕 一 c m 山东大学硕士学位论文 n o x 的排放增加，一般采用e g r 系统及推迟喷油等措施来弥补。 采用增压中冷降低进气温度，不仅降低柴油机的热负荷，又进一步 提高空气密度，从而提高了功率，降低燃烧温度，减少n o x 的生成。 5 、废气再循冤( e g r ) ：废气再循环的作用是通过向气缸中添加一 定量的已燃气体，一方面由于废气的惰性，不参加化学反应，使进入缸 内的混合气被稀释，减小了可燃气的发热量，另一方面由于废气中大量 的h 2 0 和c 0 2 等三原子分子的热容量高，增大了混合气的比热容，所以能 比同量的0 2 和n 2 更有效的降低缸内的高峰温度。两者均使最高燃烧温度 下降，从而使n o x 排放降低，废气再循环率的增大还使燃烧速率下降，同 样降低燃烧温度和n o x 排放，根据文献”1 ，通过高速摄影证明e g r 较低 时的缸内的燃烧火焰亮度明显高于e g r 率高时，着火延迟时日j 也比较短。 根掘文献 7 的对比试验证明，再循环废气的稀释作用是降低n o x 排放的 主要原因。由于柴油机是在较大的过量空气系数下运转，它对e g r 的耐 受力比汽油机强，允许采用较大的e g r 率。 e g r 技术是且前降低发动机n o x 排放的最实用和有效的措旌，如果 要满足更加严格的欧排放法规，除了在机内净化需要做大量工作之外， e g r 系统可能是必不可少的技术。如福特公司在其1 8 lt c i 、奔驰公司 在其1 5 l o m6 0 5 以及大众汽车公司的1 9 l t d i 轿车柴油机上都采用 了e g r 系统以减少其n o x 的排放1 。首先e g r 在所有负荷条件下都可 以有效抑n n o x 的排放试验研究表明，引入e g r 以后，n o x 排放最 大可降低9 0 以上】其次，采用e g r 技术一般并不需要对发动机的主 要结构包括燃烧室、喷油系统等作出重大改动。即便是采用较复杂的电 控e g r 系统，其e c u 和许多传感器都可以同原发动机的电控系统共用或 整合，并不需要增加多少额外成本。 目前e g r 技术主要存在的问题有； ( 1 ) 采用e g r 系统后，若e g r 率控制不当，极易造成发动机烟度 增大，h c 和c o 排放量增加，燃油经济性恶化 ( 2 ) 在低负荷时。e g r 将影响发动机的工作稳定性。 ( 3 ) 在高负荷时。e g r 将影响发动机的动力性。 ( 4 ) e g r 还可能造成发动机活塞环、气缸套等部件磨损加剧，发动 机的可靠性和寿命可能会受到影响。通过试验可以确定e g r 中的微粒对 活塞摩擦力的影响最大有两个原因；一是直接进入了摩擦表面，二是 进入了环的侧隙中，增加了它们的负荷【o l 。同时，润滑油品质的好坏对 磨损的影响也较大。 ( 5 ) e g r 的废气温度过高，会影响发动机的充气效率，并会有降低 6 山东大学硕士学位论文 燃烧温度的效果，若采用e g r 冷循环，则会增加冷却系统和温度控制系 统的复杂性。 ( 6 ) 各缸e g r 分配均匀性和瞬念响应性不易同时兼顾。 6 、排气后处理技术：采用排气后处理技术可有效地降低柴油机的有 害排放，它已成为满足柴油机未来更严格法规的最重要的排放控制措施 之一。主要的排气后处理措施主要有氧化催化器、微粒过滤器及富氧降 n o x 催化器等。 降低p m 最有效的措施是微粒捕集器，微粒捕集率可在9 0 以上【5 1 ， 但目前其过滤器的再生尚未找到既经济又方便的方案，因此目前尚未得 到广泛的应用。 氧化催化器能够有效的降低c o 、h c 、p m 的排放，其反应机理如 以下反应式所示： c o + 0 2 c 0 2 ( 1 - 7 ) c x h v + 0 2 一c 0 2 + h z o ( 1 8 ) s o f + 0 2 一c 0 2 + h 2 0 ( 1 9 ) s 0 2 + 0 2 一s 0 3 ( 有害，不希望发生) ( 卜1 0 ) 根掘氧化催化器厂家提供的对比数据，可使柴油机中的c o 排放下 降8 0 以上，h c 排放下降5 0 以上，尽管柴油机排气温度低，微粒中 的碳烟难以氧化，但是氧化催化剂可以氧化大部分的s o f ( 使s o f 下降 4 0 9 0 ) ，从而得到微粒排放降低的效果另外，氧化催化器可净化5 0 以上的p a h 和5 0 1 0 0 的醛类，并减轻柴油机的排气臭味【 目前 氧化催化器对n o x 的排放影响很小 氧化催化器的优点是不需要技术复杂成本较高的再生系统，其转化 效率取决于起燃温度和燃油品质。当柴油中的硫含量较多时，燃烧后生 成s 0 2 ，经氧化催化器氧化成s 0 3 ，然后生成硫酸盐，成为微粒的一部 分。另外柴油硫含量过高，还会造成氧化催化剂中毒因此采用氧化催 化器时，必须使用含硫量低的高品质柴油。 1 3b j 4 8 3 型欧i i 柴油机开发的重要意义和技术方案分析 1 3 1 国内外汽车环保法规的要求 一些先进工业国家早在6 0 年代起就先后制订了汽车的排放标准和 试验法规，以限制汽车的污染物排放，目前已经形成了美、r 、欧三大 汽车排放法规体系，其它国家都不同程度的借鉴上述的法规体系。在亚 洲，除日本、韩国及我国台湾外，以欧洲法规为主。我国从1 9 8 3 年起陆 7 山东大学硕士学位论文 续颁布了一系列的汽车排放标准并在全国实旌，之后对法规进行了多次 修订。2 0 0 0 年制订了相当于欧i 标准的g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 轻型汽车污染 物排放限值及测量方法( i ) 及g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污 染物排放限值及测量方法，要求2 0 0 1 年4 月1 6 同执行。同时提前发布 了相当于欧i i 的g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 ( i i ) 。其中要求第一类车的型式认证实验自2 0 0 4 年7 月lr 起实施， 生产一致性实验实施时间为2 0 0 5 年7 月i 闩。 下表为该标准总重3 5 吨以下装直喷柴油机的车辆的型式认证i 型 试验排放限值( 未包含劣化系数) ： 表1 1总重3 5 吨以_ 卜直喷柴油下辆i 型排放试验限值 曜值( g k i n ) 车辆类型 基准质量r m ( k g ) c o h c + n o x p m 第一类车全部 1 o0 9o 1 0 r m 1 2 5 01 oo 9o 1 0 第- 二类车 1 2 5 0 1 7 0 01 51 6o 2 0 1 3 2b j 4 8 3 型柴油机机型介绍和主要设计指标 b j 4 8 3 型柴油机主要配套车型为最大总质量不大于3 5 t 的轻型汽 车，包括皮卡、轻客和轻卡车等，随着上述车型销量的增长，该机型具 有非常广阔的市场前景。尤其是由b j 4 8 3 柴油机配套的柴油皮卡车型， 以其优良的性价比和低燃油耗深受用户的青睐。目静该机型的排放达到 了欧i 水平本课题的技术目标是为了适应国家环保法规的需要，针对 b j 4 8 3 发动机进行整车排放水平的改进研究，在不大幅度增加生产成本 的前提下，达到g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 l 法规( 欧i i ) 的要求。该机型的主要技 术参数设计指标如下： 型号 型式 缸数缸径行程( m m ) 总排量( l ) 最大功率转速( k w r m i n o ) 最大扭矩转速( n m r r a i n q ) 最低燃油耗( g k w h ) 排放 b j 4 8 3 直列、水冷、四冲程、直喷、增压 4 8 3 1 0 0 2 2 4 6 3 3 0 0 l6 0 2 2 0 0 2 3 5 达到g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 法规要求 8 山东大学硕士学位论文 1 3 3b j 4 8 3 型欧i l 柴油机丌发的技术方案分析 现代柴油机降低排放采用的主要措施包括高压直喷、4 气门、可变 增压、增压中冷、可变配气相位、废气再循环、共轨以及排气后处理措 施等【川。 提高发动机的排放水平，是靠牺牲其动力性、经济性为代价的，为 了保持其原有性能或在原有基础上有所提高和改善，就必须采取一些技 术措施，但是这又增加了发动机的成本。 排放法规从欧i 提高到欧i i ，n o x 和p m 的限值均有很大程度的下 降，以第一类车为例，p m 的限值下降了一倍，h c + n o x 的限值下降了 3 4 。根据b j 4 8 3 型柴油机现有排放水平与欧i i 法规的差距，本课题工 作重点应放在降低n o x 和p m 的排放，并防止在降低p m 和n o x 的同时， 使h c 排放量恶化。在匹配，优化的具体过程中，要折衷处理好p m 和 n o x 的矛盾，在满足欧i i 限值的前提下尽量少用一些降污装置和技术措 施以最大限度地降低成本。受到b j 4 8 3 型柴油机匹配车型的限制，增压 中冷管路布置困难，因此无法采用增压中冷方案，高压共轨技术研制生 产成本均较高，主要考虑用于下阶段欧i 排放技术通过多次方案论证， 本课题采用机内优化改进结合匹配电控e g r 系统等技术措施。主要通过 理论分析、计算机三维模拟、试验对比等方法确定技术方案。其中包括； l 、机内燃烧过程优化措施：通过对燃烧室、燃油喷射系统、增压系 统及压缩比的对比改进，确定能够兼顾性能和排放指标的最佳匹配方案。 2 、在完成柴油机机内优化的基础上，匹配标定电控e g r 系统，通 过精确控制e g r 率，降低n o x 排放，保持其他排放性能基本不变。 3 、机外辅助净化措施。整车安装匹配氧化催化器，以降低h c 和 p m 排放。通过以上措施联合作用的效果达到同时降低柴油机n o x 和p m 排放的目的，使整车排放试验达到欧i i 法规的要求 本课题还进行了公差试验的研究。目标是通过对比试验分析确定各 主要零部件的公差对排放性能产尘的影响程度，以获得实际生产中可控 制的零部件及整机公差值。 9 山东大学硕士学位论文 第二章机内燃烧过程优化措施 b j 4 8 3 机型的技术目标是在不影响动力指标和燃油耗的前提下，使 整车排放水平达到或优于欧i i 限值采取的技术改进路线是：首先以机 内燃烧过程优化工作为基础，确定各种系统的最佳匹配方案；然后通过 匹配电控e g r 系统，精确控制e g r 率，有效降低n o x 排放为了使批 量投产后的机型满足生产一致性指标的要求，在欧h 限值的基础上加严 1 5 作为样机试验的技术目标值，以降低批量生产排放指标超标的风险。 尽管这将引起成本的增加( 例如需在整车上匹配氧化催化器，以降低p m 的排放值) ，但还是非常有必要的。另外一项重要工作是进行公差试验的 研究。通过详细分析内燃机重要零部件的公差以及装配因素对柴油机排 放特性的影响程度，从而预测未来批量生产状态的排放水平。在必要的 情况下，对部分公差加严要求，以控制可能出现的排放超标现象。 机内燃烧过程优化措施中，实现柴油机的燃烧与燃油喷射系统的良 好匹配是改善柴油机排放性能的基础。主要包括进排气道的评价和改进， 燃烧室、压缩比参数的对比优选，喷油泵喷油嘴的参数的优选等。另外 还对增压器和供油提l i f 角进行了对比优化，以确定最佳配簧方案 ， 2 1 进排气道的评价和改进 进排气道稳态模拟试验按照a v l 公司推荐的方法进行评价进气道 流动特性的参数包括流量系数和涡流比。提供能够产生合适流动特性的 气道是内燃机开发的重要任务。进气涡流可提高燃油与空气的混合速率 和混合质量，并与压缩挤流相互作用调整缸内的流动结构，提高湍流水 平，以提高扩散燃烧阶段的燃烧速率，缩短燃烧持续期。但过高的进气 涡流可能会造成燃油被卷吸集聚在燃烧室中心和帽邻油柬日j 的油雾重 叠，使燃烧恶化。文献l 推荐，各缸涡流比的散差应控制在5 以内。 以气门喉口面积为基准，某一升程下的气道流量系数定义为实测空 气流量与理论空气流量之比，用盯表示。即： ， p o = ( 2 1 ) 式中： 0 山东大学硕士学位论文 小一实测空气流量( k g s ) ， m t h 一理论空气流量( k g s ) ， = z 竿p 后匈 式中： z - - 气门数， d v 一气门座内径( m ) ， p 2 测量压差( p a ) ， p 一空气密度( k g m 3 ) 。 气道对比试验采用假想的“标准”气门升程来对比不同的气道，+ 这 种抛物线形式的曲线作为不同气门升程的平均值，能够对比不同尺寸气 道的平均流动特性，当然通常这种标准曲线是不能应用于内燃机上的。 平均流量系数0 仃) 。考虑了气l - j 升程和活塞位移因素的影响，其表达式 为： ( ，灯) = ( 2 - 2 ) 式中： c ) 一对应于曲轴转角q 的活塞的实际速度( m s ) ， 气一活塞平均速度( m s ) ， 口一曲轴转角。 可以看到，平均流量系数缸) _ 是受凸轮外形和气门喉口直径影响的 气道流动参数。另外定义了一个流量系数缸盯) 一，式中，= ：咖2 d 2 ( z 为进气门或排气门的数量，d 为气缸直径) ，即，该流量系数将气缸直 径做为参考截面尺寸 缸内气流的旋转用风速仪来测量，实验装置采用哑铃型叶片。涡流 比丝定义为风速仪速度和实测空气流量内燃机当量转速的比值，气门升 程范围内的平均涡流比( 鲁) 与平均流量系数一样，考虑到了气门升程 和活塞速度的影响，这个参数受到冲程缸径之比的影响，因此定义简化 山东大学硕士学位论文 涡流比为f 鱼l 。计算当冲程缸径比为l 的情况，上述参数的表达式 k 一_ 州 如下： 甩。n = n 1 ) p v h 3 0 m ( 2 3 ) 慨= 妻净c 挚2 d a ( 2 4 ( n o 埘单詈 ( 2 - 5 ) 式中： 一风速仪转速( s 1 ) ， 一气缸工作容积( m 3 ) ， ，卜内燃机转速( s 1 ) ， s 一内燃机冲程( m ) 。 气门座内径咖和气道喉i = 1 形状对流通系数产生很大影响，如前所 述，定义，= z x d v 2 d 2 ， 以下为b j 4 8 3 柴油机进排气道，值与a v l 推 荐经验值的对比： 表2 1 进捧气道，值与a v l 推荐值的对比 进气道 排气道 推荐值 o 1 5 5 一o 1 6 5o 1 3 5 0 1 4 5 b j 4 8 3 机型o 1 5 8 o 1 2 2 进气道值在推荐值的范围内，而排气道则低于推荐值，因此可能 会对气道性能产生影响，这体现在后面的流量特性曲线中。 测量了同一个缸盖的4 个进气道的流动特性，各个进气道的涡流比 和流量系数偏差很小，各缸的平均流量系数和涡流比对比如下： 表2 - 2 缸盖样品进气道流动特性数据 气缸序号平均涡流比n d ，疗l平均流鼙系数扣k l2 9 30 3 2 9 2 2 8 60 3 3 6 山东大学硕士学位论文 3 2 8 40 3 3 4 42 8 30 3 3 8 平均值 2 8 70 3 3 4 涡流比的最大偏差3 5 由上表可知，各缸涡流比的最大偏差为3 5 ，优于小于5 的差值 要求。其中2 缸( 该缸的流动特性数掘接近l 至4 缸的平均值) 的流量系 数曲线与a v l 推荐值的对比见图2 - 1 ( 图中横坐标以d , 为气门升程与气 门座内径之比) 。可以看到，在中小气门升程段，随着气门升程的增大， 0 0 0 10 20 30 4 h v d v 幽争1 进气道流量系数弓a v l 推荐值的对比 气道流量系数得到了有效的提高，但是随着气门升程的增加，札d , 值的 增大，流量增大的趋势趋缓，当达到最大气门升程附近( 以d ，= o 2 8 ) ， 流量系数已基本不受气门升程的影响。该图表明进气道的实测流量系数 数掘在a v l 的推荐范围内。 山东大学硕士学位论文 进气道的稳态流动数据与a v l 气道实验统计数据的对比见图2 2 。 0 1 0 0 0 盆0 0 7 b 10 0 5 i n 0 5 0 0 4 0 0 0 q 51 01 52 02 53 0 ( 咿) 删 图2 - 2 进气道稳态流动实测值与 v l 气道试 验统计数据的对比 水平轴为简化涡流比o 。行l 。值，垂直轴为流量系数口) 一的数值。 图中的斜线为由a v l 柴油机型统计数据获得的衰退线，可以看到，b j 4 8 3 机型进气道数据的位置与衰退线非常接近，因此其流动特性的质量是令 人满意的，同时由于考虑到了面积比1 3 值的因素，说明气门的尺寸也是 合适的。 如前所述，排气道的，值为o 1 2 2 ，低于a v l 推荐值( 0 1 3 5 - 0 1 4 5 ) ， 因此适当加大了气门和气门座圈直径，消除了气道和座圈问的过渡台阶， 气门座圈圆锥角由3 0 。改为6 0 。( 如图2 3 所示) ，减小了气流阻力，调 整后的，值为0 1 4 0 ，在a v l 的推荐值范围内。 1 4 山东大学硕士学位论文 乒戍晴篁崮 争连岳翟两 ! i l ! 一一 豳2 3 改进前后气j 座圈形状的对比 图2 4 为改进前后气道流量系数曲线的变量匕，可以看到，排气道在 中小气门升程时( o 2 h ，a ，) ，实测流动系数值低于a v l 推荐值的下限， 皇 1 w d v 幽2 - 4 改进前后捧气道流量系数曲线的对比 这说明气道尺寸的薄弱点在气门座圈区域，通过加大座圈尺寸，流量系 数曲线得到改善，在中小气门升程区域，基本上接近于下限值。 2 2 燃烧室结构和压缩比的改进对比试验 车用直喷柴油机被推荐并己被广泛采用的燃烧室是缩口燃烧室，这 种燃烧室在喷射压力6 0 1 3 0 m p a 范围内工作较好【i2 1 。与传统的 型燃烧 室或四角型燃烧室相比，缩口型燃烧室通过对燃烧室结构的改进，使燃 烧室空间形成双涡流型当活塞进行压缩冲程时，进入气缸的空气在燃 烧室内形成强大的挤气涡流相对进气涡流，这种涡流不易衰减，在整 山东大学硕士学位论文 个燃烧过程中能保持一定的涡流强度，即涡流强度的保持性比较强，所 以有助于混合气的形成和扩散燃烧，而且随内燃机转速的增加这种挤气 涡流强度也增加。另一方面，缩口型燃烧室底部中央突起的部分比- ，型 燃烧室大得多，因为燃烧室底部中央气流运动较弱，燃料喷注油雾不易 到达，空气利用率较差，因此此种结构改善了空气利用率根据文献【13 】。 燃烧室形状对火焰速度的传播有很大影响，缩口型带中央突起结构的燃 烧室内的火焰速度快，且能够有效防止火焰扩散到燃烧室外的压缩余隙 中。由于缩口型燃烧室内空气流速的提高，加速了混合气形成速度，最 佳供油提前角可以适当减小，这对降低n o x 排放值是非常有效的 缩口燃烧室的容积、缩口口径以及中央突起部分尺寸对柴油机的性 能和排放影响较大，为了确定最佳方案，需要结合其他系统进行大量的 对比试验。图2 5 显示了参照某两种国外机型设计的两种结构方案，分 别编号为i 型和i i 型燃烧室。两种燃烧室容积相同( 2 2 2 m 1 ) ，主要区别 型燃烧室 口4 。气孵 l 0 4 型枣 ：；：室 图2 5i 型和i l 型燃烧室方案对 比 在于缩口的口径和中央突起部分。 1 6 l一 01， 山东大学硕士学位论文 缩口型燃烧室的挤气涡流强度主要与其燃烧室的口径与气缸直径之 速度场( m s ) 遗度场( n s ) -1兰43273 = n9 5 8 l l 幽2 - 6i 型燃烧室速度场分布特性 ( a ) r a l 上止点前2 0 。c a伯、上止点j l 亓 比有关，通过适当调整口径比和中央突起部分的高度，可调整室内的涡 流强度，以达到降低排放的目的。为了分析两种燃烧室方案的气体流动 特点，利用f i r e 软件进行了计算分析。