（动力机械及工程专业论文）满足低排放法规的两气门电控柴油机燃烧过程研究.pdf

摘要 摘要 随着柴油机排放法规限值r 趋严格及柴油机技术的不断进步，开发满 足欧洲i 号排放标准的柴油机已成为目前我国柴油机工作者的迫切任务。 根据我国柴油机产业技术现状和市场需求，在现有两气门柴油机的基础上 研究满足欧i i l 排放标准的燃烧技术，显得尤为重要。本文利用同本电装公 司的e c d u 2 电控高压共轨系统，在上海柴油机股份有限公司d 6 1 1 4 增压 中冷柴油机的基础上，研究开发了满足欧洲i i i 号排放标准的两气门电控柴 油机。提出利用部分预混合燃烧技术解决了电控柴油机低速范围扭矩输出 提高后产生的黑烟排放，并研究了柴油中硫含量对柴油机无催化装置条件 下颗粒排放的影响。本文开展了如下系统的研究工作： 1 与无锡威孚公司合作开发了电控高压共轨系统，分析了工作原理及其性 能参数。同时，还将试验中所使用的e c d u 2 系统与威孚系统进行了对 比，分析二者差异及产生的原因以及应用在柴油机上将产生的结果。 2 对电控系统进行了标定技术研究，采用e f s 油泵试验台对电控系统进 行了喷油规律及喷油一致性研究，提出了利用软件补偿保证电控喷油系 统在柴油机上的喷油一致性。 3 丌发了电控两气门柴油机燃烧系统和研究了电控高压共轨系统控制策 路，使两气门电控柴油机全面达到欧洲珊号排放标准，测试结果为： n o x ；4 8 7 9 k w h ， c o = i 0 9 7g k w h ，t t c = 0 2 1 2g k w ，h ，p m = o 0 8 5 7 9 k w h 。e l r 试验结果为：0 7 2 m 一。 4 针对电控柴油机低速扭矩输出提高之后碳烟排放升高的问题，分析了碳 烟生成的原因，进行了提高喷射压力和改变喷油定时等措施对电控柴油 机降低低速全负荷烟度的研究，在常规措施不能奏效的情况下，提出采 用预喷射形成部分预混合燃烧来降低柴油机低速全负荷碳烟排放。根据 碳烟产生的燃烧机理，设计试验方案：增加预喷射与主喷射之间的间 隔，使预喷射燃油有足够的时间充分与空气混合增加预喷射燃油量， 减少主喷射燃油量，以减少扩散燃烧。研究结果表明：整个低速范围内， 部分预混合燃烧都能起到降低柴油机全负荷排气烟度的效果，部分工况 降幅达5 0 ，但采用预喷射与仅有主喷射相比，采用预喷射后燃油消耗 有所升高。 5 为了进一步理解部分预混合燃烧在碳烟形成和碳烟氧化过程中的影响 机理，对电控柴油机采用预喷射后的燃烧过程进行了数值模拟。使用 捅璺 a v l 公司的f i r e 软件，建立了燃烧过程数学模型，对有预喷射和无预 喷射两种燃烧过程进行了数值模拟和计算结果分析，并得到结论：预混 合燃烧通过减少柴油燃烧过程中碳烟的形成以达到降低柴油机的碳烟 排放。 6 采用萃取法与离子色谱分析相结合的办法分析了柴油中的硫含量对柴 油机颗粒排放的影响。对柴油机的颗粒排放的物质组分进行测量，采用 萃取技术测量颗粒排放物中的s o f ，采用离子色谱技术测量颗粒放物中 的硫酸盐，采用称重法测量颗粒排放物中的s o o t 。分析测量了d 6 1 1 4 电控柴油机使用不同品质柴油时的颗粒与成分，并得到结论：燃用含硫 量约2 7 3 p p m 柴油( 欧i 标准用油) 与含硫量约8 0 0 p p m 柴油相比，颗粒排 放降低的效果不大( 下降约3 3 ) 。 关t 词t 两气门电控柴油机欧i i i 低速全负荷烟度预喷射预混合燃烧 多维数值模拟颗粒成分分析柴油硫含量 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d so ft h ed i e s e le n g i n ea s w e l la st h ed e v e l o p m e n to ft h ed i e s e le n g i n et e c h n o l o g y , i ti s v e r yi m p e r a t i v ef o r c h i n at od e s i g nad i e s e le n g i n et h a tc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fe u r o 一3e m i s s i o n s t a n d a r d s i nt h i st h e s i s at w o v a l v ed i e s e le n g i n e 、) l ，i 也e c d u 2c o m m o nr a i ls y s t e m f o re u r o 3h a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h ep r o t o t y p eo fi n t e r - c o o l e rt u r b o c h a r g e d d i e s e le n g i n ed 6 11 4 b e c a u s et h ee n g i n es m o k ed e t e r i o r a t e sw h e ni n c r e a s i n gt h e t o r q u eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e dd i e s e le n g i n e ，ap r e - m i x e dc o m b u s t i o nt e c h n i q u e u s i n gp i l o ti n j e c t i o ni si n t r o d u c e dt or e d u c et h ee n g i n es m o k ea tl o ws p e e da n df u l l l o a d t h es t u d ya b o u t 恤ei n f l u e n c eo ft h es u l f u ri nd i e s e if i l e io nt h ep a r t i c u l a t e e m i s s i o nf r o mt h ed i e s e le n g i n ew i t h o u tc a t a l y s th a sa l s ob e e nc a r r i e do u t t h em a i n c o n t r i b u t i o i l so f t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a ne l e c t r o n i c c o n t r o l l e dh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mh a sb e e n d e v e l o p e dw i t h w u x iw e i f u c o m p a n y i t sw o r k i n gp r i n c i p l e a n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a r es t u d i e di nd e t a i l t h em a j o rd i f f e r e n c e s b e t w e e nt h i ss y s t e ma n de c d - u 2c o m m o nr a i ls y s t e mm a d eb yn i p p o n d e n s oa r ea n a l y z e d 2 t h ee l e c t r o n i c - c o n t r o l l e ds y s t e mw a sc a l i b r a t e do nt h ee f st e s tr i g t h e i d e n t i t yo fi n j e c t o r sa n di n j e c t i n gr a t ea r ei n v e s t i g a t e da n dt h ed i f f e r e n c eo f i n j e c t o r sc a nb ec o m p e n s a t e db ys o f t w a r ep r o p o s e di nt h i sw o r k 3 b yd e s i g n i n gan e wc o m b u s t i o ns y s t e ma n di n v e s t i g a t i n go nt h ec o n t r o l s t r a t e g yo ft h ec o m m o nr a i ls y s t e m ，t h et w o - v a l v ed i e s e le n g i n ec a nm e e t t h ee u r o 3e m i s s i o nr e g u l a t i o nw i t ht h er e s u l t so fn o x = 4 8 7 9 k w h ， c o = i 0 9 7 9 k w h h c = o 2 1 2 9 k w h ，p m = 0 0 8 5 7 9 k w h ，s o m k e 2 o 7 2 m 一。 4 i nt h el o ws p e e dr a n g e ，i m p r o v i n gt h et o r q u eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e d d i e s e le n g i n er e s u l t si ni n c r e a s e ds m o k e a f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o no f s m o k ef r o me n g i n ea n di t sa f f e c t i n gf a c t o r s ，t r a d i t i o n a lt e c h n i q u e s ，s u c ha s i n c r e a s i n gt h ei n j e c t i o np r e s s u r e a n dc h a n g i n gt h ei n j e c t i o nt i m e ，a r e e m p l o y e dt od e c r e a s et h es m o k ee m i s s i o n h o w e v e r ，t h e s em e t h o d sh a v en o o b v i o u se f f e c t so ns m o k er e d u c t i o n a sa l la l t e r n a t i v ew a y ，t h ep r e m i x e d 5 6 c o m b u s t i o nb yp i l o ti n j e c t i o ni sa d o p t e dt or e d u c et h es m o k ef r o me n g i n ea t l o ws p e e da n df u l ll o a d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e m i x e d c o m b u s t i o ni sav e r ye f f e c t i v em e t h o dt od e c r e a s et h ed i e s e le n g i n es m o k e i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ed i e s e le n g i n es m o k ee m i s s i o n r e d u c t i o nb yp i l o ti n j e c t i o n ，t h ep r e m i x e dc o m b u s t i o np r o c e s si sc a l c u l a t e d b yf i r e ，ac o m m e r c i a ls o f t w a r ew h i c hc a nb eu s e df o rt h em u l t i d i m e n s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee n g i n e t h ec o m b u s t i o np r o c e s s e sw i t ha n d w i t h o u tp i l o ti n j e c t i o na r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ep r e m i x e d c o m b u s t i o nh a sas i g n i f i c a n tn e g a t i v ee f f e c to nt h ef o r m a t i o no ft h es m o k e i nt h ee n g i n ec y l i n d e r a tt h ee n do ft h i sw o r k ，t h ec o m p o s i t i o n so fp a r t i c u l a t ef r o md i e s e le n g i n e a r em e a s u r e du s i n gs o x h l e te x t r a c t i o na n di o nc h r o m a t o g r a p h y t h es o l u b l e o r g a n i cf r a c t i o n s ( s o f ) w e r es e p a r a t e db ye x t r a c t i o na n dt h es u l f a t ew a s m e a s u r e db yi o nc h r o m a t o g r a p h y t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep a r t i c u l a t e e m i s s i o nf r o md 6 114e l e c t r o n i c - c o n t r o l l e d d i e s e l e n g i n e c a n n o tb e i m p r o v e dd i s t i n c t l ye v e ni ft h ed i e s e lf u e lw i t hs u l f u r2 7 3 p p mi n s t e a do f 8 0 0 p p mi su s e d k e yw o r d s ：t w o v a l v e e l e c t r o n i c - c o n t r o l l e dd i e s e le n g i n e ；e u r o 一3 e m i s s i o n r e g u l a t i o n ；s m o k e f r o md i e s e le n g i n e ；p i l o t - i n j e c t i o n ；p r e m i x e d c o m b u s t i o n ；m u l t i d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p a r t i c u l a t e c o m p o s i t i o n ；s u l f u r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：办l 椎签字日期：卯弘年2 月2 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 参f 堆 签字日期：弘碑年上月二同 导师虢仳芳瞻 签字日期：力舶伊z 月2 ，同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 柴油机自发明之同起，就以其热效率高、经济性好、动力强劲、耐久 可靠等显著优点被应用到社会发展的各个动力领域：车辆、电站、铁路、 海船、工程机械、军工车辆以及其他各种用途。特别是在车辆动力方面， 由于其优越的经济性以及石油资源的同益短缺，目前，除重载卡车全部采 用柴油机以外，一些国家( 如德国、同本) 的中型载重卡车也全部柴油机 化，轻型载货车也大部分采用柴油机，小型客车也逐渐呈现柴油机化的趋 势。上个世纪九十年代，欧洲提出了“3 升轿车”的概念，即每百公晕燃 油耗不大于3 l 的轿车。尽管“3 升轿车”尚无明确的定义，为了实现这个 豪迈的目标，以下两个措施是必不可少的：( 1 ) 显著减轻车辆质量；( 2 ) 采 用小型直喷式柴油机“。据预测，在1 9 9 5 2 0 0 7 年问全世界汽车产量 由4 9 0 0 万辆增至6 4 0 0 万辆，其中汽油车增加2 2 ，柴油车增加5 8 。“。 目前，我国中重型载货车基本上都已实现柴油化，承担着我国公路货运的 重要任务。近些年我国中重型载货车生产发展迅速，2 0 0 2 年中、重型柴油 车的年产量已达到4 1 7 万辆。到2 0 0 5 年，我国重型载货车的保有量将 达到7 0 7 5 万辆，中型载货车的保有量将达到3 4 23 6 8 万辆“。 虽然拥有诸多优点，但随着人们对环境污染越来越重视，柴油机的发 展面临着严峻的挑战。柴油机排气中的有害成分主要有：c o 、h c 、n o 。、硫 化物以及颗粒物、臭气等。由于柴油机燃烧过程中的平均空燃比较理论空 燃比大，故其c o 、h c 排放明显低于汽油机，但柴油机的n o 。和颗粒物排放 远高于汽油机，表l l 比较了装备柴油机的汽车与装备其他发动机的汽 车排气中n o 。和颗粒物的排放结果”。因此，控制n o 。和颗粒物排放成为柴 油机未来技术的研究焦点。 表1 12 t 的柴油车与其他燃料车的n o x 和p m 排放比较( 假定柴油车为1 ) l 币辆种类柴油车汽油车 l g p 至c n g 夺 甲醇乍 n o ，1 0 00 3 2o 3 0o 1 0o 7 0 p m1 o o儿乎为零 第一章绪论 1 2 柴油机主要排放物的形成及危害 柴油机主要有害排放物中的c o 、h c 排放较低而n o 。和p m 的排放较多 的特点与柴油机的燃烧方式是密切相关的，正是柴油机高压缩比的扩散燃 烧方式导致了其排气中较多n o 。和p m 污染物的形成。 1 2 1 柴油机燃烧方式及主要排气污染物的形成 柴油机的燃烧过程非常复杂，燃油在高压的作用下( 8 0 0 1 2 0 0 b a r ) 经过一个或多个喷孔以雾状的、细小的油滴形式飞速进入燃烧室。燃油油 束在燃烧室内的贯穿、扩散、雾化和混合是在高温高压运动的气体作用下 进行的。部分混合好的燃油与空气在燃烧室内的压力和温度满足着火条件 时丌始燃烧，从喷油开始计算，燃烧室达到这个着火条件需要经历几度曲 轴转角，这个过程称为“着火滞燃期”。已经燃烧的油气会使燃烧室内的 温度和压力升高，压缩其余未燃混合气，使之快速燃烧。燃油喷射的过程 需持续一段时间以满足输出功率的需要。先期喷入气缸的燃油的燃烧使得 后喷入气缸的燃油蒸发时间缩短，燃烧速度加快。喷入气缸的全部燃料均 经过不断地雾化、蒸发、油气混合及燃烧等过程，气缸内的空气、未燃柴 油和已燃气体间的混合将贯穿于柴油机燃烧的全过程。因此，柴油机的整 个燃烧过程是一个错综复杂的理化过程。通常认为：在燃烧前期，细小的 油滴与空气掺混形成了均匀的可燃混合气，因此，它们的着火和燃烧同单 相、均匀的可燃混合气一样，属于预混合燃烧( 即动力燃烧) 【1 17 l t l 2 v ；燃 烧中期，部分油气混合物受前期燃烧的影响，扩散速度和反应速度均有相 对提高则视为动力扩散燃烧；燃烧后期由于柴油直接喷入己燃混合气中， 空气稀薄，则接近于纯扩散燃烧。 柴油机中污染物的形 成过程主要取决于燃烧过 程中柴油的分布及其混合 状况。直喷式柴油机的预混 合和扩散燃烧过程以及燃 烧过程中污染物的形成可 用图l 一1 予以说明。n o 。主 要形成于预混合燃烧及扩 散燃烧的火焰前锋，在这些 区域油气混合接近理论空 图1 - ! 直喷式柴油机燃烧过程【7 第一荦绪论 燃比，燃烧温度高。碳烟形成于火焰区内包含有燃油油束的未燃富燃料区 域。 1 2 2 氮氧化物( r o 。) 柴油机尾气中的氮氧化物( n o 。) 排放主要是指一氧化氮( n o ) 和二氧 化氮( n o ：) ，总称n o 。其中，n o 约占9 5 ，n o ：约占5 。n o 是无色无味 气体，只有轻度的刺激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经轻度障碍。 n o 。是一种棕红色强刺激性的有毒气体，其浓度为0 1 1 0 “时即可嗅到，1 1 旷6 4 1 0 。6 就可以感到恶臭，浓度更大时会引起人的呼吸困难、胸痛 恶心甚至肺水肿和死亡f 引。另外，h e 和n 0 。在强阳光的照射下会产生光化 学反应，形成有害的光化学烟雾。 1 2 3 颗粒( p m ) 柴油机颗粒排放中的成分主要由碳烟( s o o t ) 、可溶有机物( s o l u b l e o r g a n i c f r a c t i o n s 。s o f ) * n 硫酸盐( s 0 4 ) 三部分组成【b 4 1 。柴油机燃烧过程中微 粒的形成首先是气相的燃油分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热 裂解，生成各种不饱和烃类，这些烃类不断脱氢形成碳粒子，并逐渐聚合 成直径2 r i m 左右的碳烟核心。气相烃和其它物质不断凝聚在碳烟核心的表 面，以及碳核间的聚合使得碳核不断增大，继而形成直径2 0 3 0 n m 的碳 烟基元，并最终形成直径l1 tm 以下的球状或链状的多孔性聚合物1 9 j 。同 时，部分未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附聚集，最后形成柴油机 颗粒。已经生成的碳烟，只要能够遇到足够的氧化氛围和高温，也会发生 氧化反应，使得最终排出柴油机体外的颗粒总量减少。 颗粒对人体健康的危害和颗粒的大小及其组成有关。颗粒愈小，悬浮 在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例愈 大，危害愈大。由于颗粒存在孔隙且吸附s o ：、未燃h c 、n o z 以及苯丙芘等 有毒和致癌物质，它们不仅破坏人体的呼吸系统，还能对人体健康造成更 大的危害。柴油机的颗粒直径大多小于o 3um ，而且数量比汽油机高出 3 0 6 0 倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的颗粒危害更大邛j 。 1 3 控制柴油机排放的迫切性及难点 正是由于内燃机工业的快速发展和内燃机废气排放的危害性，使得汽 车内燃机所造成的环境污染问题越来越严重。汽油机在采用电喷技术和三 元催化转换技术等先进措施后，其排气污染已经大大降低。柴油机的燃油 第一章绪论 经济性优于汽油机2 0 3 0 ，但其排气中较高的n o 。和p m 已经成为柴油机 发展的主要障碍，如何有效地降低柴油机汽车的排放就显得越来越迫切。 为了限制汽车尾气的排放，各个国家都在制定越来越严格的汽车排放法规 以减少汽车排气污染，保护大气环境。 1 ，3 1 柴油机排放法规的建立和发展 自从1 9 7 0 年美国洁净空气法颁布以来，全世界开始了控制汽车排 放的历程，经过几十年的努力，目前已经形成了以美国、欧洲和同本为代 表的三大汽车排放法规体系。世界上许多国家都不同程度的采用这些法 规，表卜2 ，表示了美国、欧洲和同本的重型车用柴油机排放法规【1 0 】i 1 】1 1 2 】。 表1 2 重型车用柴油机排放法规 n o xp m 国家和地区年份测试循环 ( 注1 )( 注j ) 1 9 8 81 0 7 0 6 0f t p 1 9 9 06 o0 6 0f t p 1 9 9 15 oo 2 5f t p 美国1 9 9 45 oo 1 0f t p 1 9 9 8 4 0 0 1 0f t p 2 0 0 42 00 1 0f t p 2 0 0 70 20 0 1 f t p 1 9 9 2 8 5 k w8 o0 6 1 2e c e r 4 9 e u r oi 1 9 9 2 8 5 k w8 oo 3 6e c e r 4 9 1 9 9 6 1 07 oo 2 5e c e r 4 9 欧e u r o i i 洲 1 9 9 8 1 07 00 1 5e c e r 4 9 e u r o l l l2 0 0 0 1 05 00 ，1 0 e s c ( + e t c ) e t l r o i v2 0 0 5 1 03 5o 0 2e t c e u r o v2 0 0 8 1 0 2o0 0 2e t c 1 9 9 4 注2 o 7 01 3 工况 1 9 9 7 1 9 9 84 50 2 5l3 工况 日本 2 0 0 33 3 8 0 1 813 工况 2 0 0 52 00 0 2 713 工况 注1 ：美国单位为：g b h p ，h r ，欧洲、日本单位为：g k w h ；注2 ：直喷式柴油机为 6 0 ，副室式柴油机为5 0 。 第一章绪论 图1 2 为美、日、欧等国家的汽车尾气中颗粒和n 0 。的排放法规限值变化 趋势，可以看出，各国对p m 和n 0 。的排放限值是越来越严格d 3 d 4 。 图1 - 2 美、日、欧等国汽车p h i 和n o 。的排放限值变化趋势 我国的排放法规体系是在全面等效采用欧洲e c e 技术和部分采用e e c 技术基础上形成的，虽然制定较晚，但推进迅速。2 0 0 1 年国家环保局颁布 实行了一系列汽车排放限值法规，载重车用柴油机采用的排放污染物限值 标准为g b l 7 9 6 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，如表卜3 所示m 1 。 表1 3g b l7 9 6 1 - 2 0 0 1 柴油机型式认证实验排放限值 实施 实施同期 c oh c n o x p m ( g k w h ) 阶段 ( g k w h 、( g k w h 、( g k w h 、8 5 k w 8 5 k w 12 0 0 0 9 14 51 18 o0 6 1o 3 6 22 0 0 3 9 14 01 17 00 1 50 15 据传媒报道，到2 0 0 8 或2 0 0 9 年，我国可能开始实施第3 阶段标准( 相 当于欧i i i 标准) ，并且北京、上海等大城市实施第3 阶段标准的时问还要 提前0 1 6 l 。 1 3 2 柴油机排放控制难点 图l 一3 为柴油机燃烧过程中，碳烟与n o 。形成的温度和过量空气系数 条件，及在上止点附近混合气燃烧前后的温度【”】。由图中燃烧产物曲线可 知，对于柴油机喷射油柬的扩散燃烧而言，从五= 0 6 开始，随着五的减少， 碳烟的生成量增大；受温度的影响，在温度1 6 0 0 k 1 7 0 0 k 范围内出现最 大值，而且温度过高或过低时碳烟都有所下降。当a 0 6 时，虽然不会产 苗30山r耳妻b暑l 第一章精论 生碳烟，但n o 的生成量会随着五的增加而增多，大约在五= 1 1 ，温度为 2 4 0 0 2 6 0 0 k 时达到峰值。这样，在柴油机的碳烟和n o 。排放之间就形成了 规律不同而又相互矛盾的变化趋势。因此，许多降低碳烟排放的有效方法 往往会引起n o 。排放的上升，这就是同时降低柴油机碳烟和n o 。排放的难点 所在。由图1 3 可以看出，如果将柴油机油束燃烧时的见控制在0 6 0 9 之间，则有可能在不产生碳烟的同时。使n o 。排放的生成量也很少。但目 前在实际应用中，如何将柴油机扩散燃烧的a 控制在这样一个狭窄的范围 内，尚未有可行的技术方案。 丑量空气系量1 图1 3 柴油机燃烧中的碳烟与n o x 形成的温度和过量空气系数奈件【1 7 1 1 4 柴油机的技术发展及满足低排放法规的先进柴油机 为了降低柴油机的废气排放以达到日趋严格的排放法规限值，增压 中冷技术、多气门技术、电控高压喷油技术、废气再循环、排气后处理技 术及各种新概念燃烧等等一系列先进技术被应用到现代柴油机上来 【18 2 2 1 。目前欧、美、同等发达国家的车用柴油机通过采用这些先进技术， 已经满足了各国政府颁布的排放法规要求，而且正在努力达到下一阶段的 法规限值。 1 4 1 柴油机先进技术 增压及增压中冷 用户对柴油机的需求主要是获得动力性和经济性，政府对柴油机的要 求是不断地减少废气排放，增压中冷技术就集中体现了柴油机在这两个方 生碳烟，但n o 的生成量会随着 的增加而增多，大约在 = 1 1 ，温度为 2 4 0 g 2 6 0 0 k 时达到峰值。这样，在柴油机的碳烟和n o 。排放之间就形成了 规律不同而又相互矛盾的变化趋势。因此，许多降低碳烟排放的有效方法 往往会引起n o ；排放的上升，这就是同时降低柴油机碳烟和n o 。排放的难点 所在。出图1 3 可咀看出，直【l 果将柴油机油束燃烧时的 控制在o 6 0 9 之间，则有可能在不产生碳烟的同时，使n o ，排放的尘成量也很少。但目 前在实际应用中如何将柴油机扩散燃烧的五控制在这样一个狭窄的范围 内，尚未有可行的技术方案。 试量空气帚簟 图l 一3 柴油机燃烧中的碳烟与n o x 形成的温度和过量空气系数条件【。7 1 4 柴油机的技术发展及满足低排放法规的先进柴油机 为了降低柴油机的废气排放咀达到口趋严格的排放法舰限值，增压 中冷技术、多气门技术、电控高压喷油技术、废气再循环、排气后处理技 术及各种新概念燃烧等等一系列先进技术被应用到现代柴油机上柬 1g 2 2 】。目前欧、美、同等发达国家的车用柴油机通过采用这些先进技术， 已经满足了各国政府颁稚的排放法规要求，l 而且f 在努力达到下一阶段的 法规限值。 141 柴油机先进技术 增压及增压中冷 用户对柴油机的需求主要是获得动力性和经济性，政府对柴油机的要 求是不断地减少废气排放，增压中冷技术就集中体现了柴油机在这两个方 求是不断地减少废气排放，增压中冷技术就集中体现了柴油机在这两个方 第一章绪论 面的进步。废气涡轮增压和进气中冷，使发动机每循环地进气充量密度增 大，即增加了新鲜空气的进气量，从而可以增加循环油量，提高发动机的 输出功率。气缸内充量密度的增大，还促进了燃油油束的扩散，加速了燃 油和空气的混合，因此增压压力越高，着火滞后期越短，预混合燃烧期缩 短，扩散燃烧期活跃。可以通过调整，在保持n o x 排量不变的情况下，降 低p m 排放。在整个柴油机的运行范围内，提高涡轮增压器的瞬念响应能 力，优化涡轮增压器匹配还可显著改善燃油经济性。此外，增压中冷降低 了进气温度，也有利于降低柴油机n o x 排放。 s i m o nk c h e n 和d a nm a t h e r 通过优化柴油机增压中冷系统，提高增 压压力，将柴油机的升功率从2 4 k w l 提高到3 4 k w l “。t a k a s h i m i k o g a m i 等人也通过开发新型的增压系统使得：柴油机在低速范围内烟度 降低6 ，燃油消耗减少2 ；柴油机在高速范围内烟度下降2 ，燃油消 耗减少7 “。目前，几乎所有的重型车用柴油机都采用增压中冷技术， 该技术成为柴油机达到欧i i 排放的最主要手段之一，同时也是柴油机满足 欧i i i 甚至更高排放标准的重要技术措旖。 可变喷嘴截面涡轮增压 增压柴油机是回转式机械的涡轮增压器与往复式机械的柴油机配合 运行，由于两种机械本身的特性不同，涡轮流通截面固定的涡轮增压器与 发动机难以在发动机整个运行范围内保持合理匹配，当两者按某一工况参 数取得优化匹配，在工况参数变化后就很难满足最佳匹配的要求。特别是 在增压度较高时，增压匹配不能兼顾发动机的高速和低速性能，如一台按 标定工况参数匹配的增压柴油机，在降低转速时，增压压力的降低就会造 成进气量不足以满足气缸燃烧所需的空气量要求，从而产生冒黑烟、排气 温度过高等不良后果。另外传统增压发动机与自然吸气发动机相比还存在 瞬时响应性能差和加速性不好等缺点。因此，必须采取一些补救措施，爿 能弥补其高低转速工况不能同时满足较佳匹配的不足，满足应用的要求。 改善增压柴油机低转速工况性能的措施有很多，其中可变喷嘴截面涡轮 增压器( v a r i a b l e n o z z l e t u r b o c h a r g e r ，简称“v n t ”) 是近十年来发展起 来的有效措施之一。其工作原理如图1 4 所示，在发动机低速时，让喷 嘴环出口截面积自动减小，使得废气流出速度相应提高，增压器转速上升， 压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大， 增压器转速相对减小，增压压力相应降低，以避免过高的增压压力。采用 变截面涡轮增压的优点是：在不损害高转速经济性的条件下，增大低速 扭矩；扩大了低油耗率的运行区；使柴油机的加速性提高；可以满 笫一章绪论 足越来越高的动力性、经济性和排放要求。当然，要使可变截面涡轮达到 实用化，必须满足：从涡轮调节结构往外漏气应尽可能少，且当喷嘴面 积改变、使气流流向偏离时，不致使涡轮效率降低过多；结构及操作系 统简单，操作方便；所有结构及操作系统具有较高的可靠性等。 图1 - - 4 可变喷嘴截面涡轮增压原理 v n t 技术一般与废气再循环技术结合使用，以满足欧i 及欧i i i 以上的 排放标准。r s g b a e r t 等人在一台d a fw f4 气门增压中冷柴油机( 满足 u s l 9 9 8 标准) 上安装v n t 增压器和废气再循环装置进行试验，结果表明：柴油 机采用v n t 技术后，在a v l 8 工况的4 、6 、8 点稳态运行时，n o x 排放可以减 少至u s 9 8 标准的5 0 ，p m 减少至u s 9 8 标准的3 0 ，但是此时燃油消耗上升 近15 9 k w h ，如果同时采用盯和废气再循环技术，n o x 排放可以减少至u s 9 8 标准的5 0 ，p m 减少至u s 9 8 标准的3 5 ，而此时柴油机的燃油消耗几乎保持 不变。试验结果证明两项技术结合，可以使柴油机达到u s 2 0 0 4 排放标准“。j g _ h a w l e y 等人也通过优化v n t 和废气再循环，使得柴油机在颗粒排放不恶化的 前提下，n 0 x 排放减少5 0 “”。 废气再循环技术 废气再循环技术( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，缩写为：e g r ) 就是将 发动机排出废气的一部分重新引入发动机进气支管，让废气再次参与循环 燃烧。由于排气中氧含量很低，主要由惰性气体n 2 和c 0 2 构成，一部分排 气经e g r 阀还流回进气系统，与新鲜空气混合后，稀释了混合气中氧的浓 度，导致燃烧速率降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。这两方面的 第一苹绪论 作用都可以降低柴油燃烧温度，抑制n o x 的生成。 废气引入的量用e g r 率表示，其定义如下： e 瞅率= 丽蒙圳。 c h ， a d m i rm k r e s o 等人“通过在重型柴油机上进行e g r 试验，得到结 论：采用e g r 技术可以有效的减少柴油机n o x 排放，在进行e p a l 3 工况试 验中的第9 和第1 1 工况稳态运行时，当e g r 率为2 0 ，其n o x 排放相对于 没有e g r 分别降低5 6 和2 9 ；不过与此同时，当e g r 率为1 0 8 时，柴 油机第9 3 - 况的颗粒排放增加了1 6 。此外，他们还认为：采用e g r 技术 后柴油机颗粒排放的增加主要是因为s o o t 排放的增加，而s o f 排放会有所 降低。 s u s u m uk o h k e t s u 等人在一台6 缸1 2 l 重型柴油机上的e g r 试验结 果如图1 5 所示，当柴油机转 速为1 3 2 0 r i m i n ，负荷为8 0 时，采用1 0 e g r 可以在排气 烟度和燃油消耗少量恶化的情 况下，大幅度地减少柴油机 n o x 排放。但随着e g r 率的增 加，尽管柴油机的n o x 排放继 续降低，此时燃油消耗和烟度 排放都会有快速增加“”。因 此，需要根掘柴油机工况变化 精确控制所采用的e g r 率。 e g r 对发动机性能的负面影响 剃瞧瑟至墓篆三； 粪鞭0 4 三j ! 三蕈瑟j ! i ! j j 智蜷”r r 一：。4 j 晕甓：琵：二釜童壬照：j ：j 嚣幢兰薹萎堇熏墓 麓晕2 卜卜，z 一j 霉f ：占= ：；：弑要：= = = = 未：! 疆匿兰藿薹兰誊 。 瓷r 奉( 菇 “ 图1 - - 5e g r 率对比油耗、烟度和 主要表现在大中负荷，此时发动机的过量空气系数小，为了保证其动力性 和经济性不宜采用大的e g r 率删。小负荷时，采用较大e g r 率不仅可 以降低n o x 排放，甚至会使燃油消耗率和h c 略有改善。”。所以，在实际 应用时，e g r 率应随工况的不同而改变。 可变进气涡流及多气门技术 适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧 更迅速更完全。对于运行范围较宽的高速直喷式柴油机来说，根据发动机 的运行工况来优化缸内的气流运动，即控制其涡流比，可以减少发动机的 废气污染物排放并改善发动机的动力性经济性。但是如果柴油机每个气缸 只有一个进气门，要改变由进气道形状决定的进气涡流比是很困难的。 9 第一荦绪论 可变进气涡流和四气门技术的应用从根本上改变了这种状况”。3 1 圉卜一6 表示了四气门技术中随发动机工况变化而改变进气涡流的基本原 理。如图所示，整个系统包含两个独立的进气道，一个产生高的进气涡流， 另外一个产生较低的进气涡流，在产生低涡流的气道前安置一个蝶形阀。 当柴油机在低转速运行时。需要较高的进气涡流，此时关闭蝶形阀，会得 到较高的涡流比；当发动机在高速运行时，打开蝶形阀，就会得到较低的 涡流比。 图1 6 可变进气涡流与多气门技术原理 四气门还可以扩大进排气门的总流通面积，一般可以比二气门柴油机增大 1 5 2 0 ，因而降低了进排气阻力，提高了充量系数。f e v 公司的h - o h e r r m a n n 等人通过采用四气门技术，使得新机在中、高速范围内的充气效率较 两气门原机提高了8 ，最高平均有效压力从1 2 m p a 提高至1 5 m p a 。研究中还 发现，柴油机2 0 0 0 r m i n 平均有效压力0 2 m p a r 时，获得相同的n o x = 4 0 9 k w h 排放时，四气门柴油机相比两气门柴油机，燃油消耗下降5 ，p m 排放由 o 5 9 k w h 减少至几乎为零。1 “。 另外四气门结构可以使喷油器布置在气缸中央，没有倾斜角，有利于 喷嘴油孔的均匀分匆和改善燃烧室内的空气利用。 电控高压喷射 为了满足现代柴油机技术发展的需要，柴油机燃油喷射系统应该满足 以f 要求：3 1 e 3 7 3 高的喷射压力，独立的喷射压力控制； 独立的喷射正时控制； 第一荦绪论 柔性的喷油速率控制； 可进行多次喷射，即：预喷及多次预喷，后喷及多次后喷： 高精度的油量控制，包括预喷、后喷以及最小油量的控制精度； 快速断油能力； 低的驱动扭矩和冲击载荷。 总之，要求柴油机燃油喷射系统的喷射压力、喷油定时、喷油量及喷 油速率在全工况范围内实时灵活可调。柴油机电控喷射技术就是在这种发 展背景下应运而生的。自从2 0 世纪7 0 年代电控喷射技术被应用于柴油机 以来，经过近3 0 年的迅速发展，到目前为止，电控柴油喷射技术已经经 历了位置式控制系统、时间控制式电控系统和压力时间控制式系统三个发 展阶段。目前，先进的电控喷油系统，喷射压力超过2 0 0 m p a ，可以在每循 环内完成5 次喷射。 3 8 4 0 】 废气后处理技术 随着排放法规的越来越严格，柴油机仅靠改善发动机内的燃烧过程已 经难满足超低污染排放法规的要求。从2 0 0 4 年将要实施的欧洲i v 排放法 规丌始，柴油车不可避免地要安装使用机外废气后处理技术。机外后处理 研究是一个多学科交叉的研究领域，涉及电子、物理、材料、化学和化工 等众多学科。主要的研究工作集中在三个方面：n o x 催化还原技术【4 1 【4 2 】 【4 3 】【“】 4 5 1 ，微粒捕集和净化【4 6 】【4 7 】1 4 8 】以及n o x 和p m