（动力机械及工程专业论文）多次喷射对柴油机性能和排放影响的试验研究.pdf

摘要 降低有害排放是柴油机研究的关键课题，多次喷射结合e g r 被认为是降低柴 油机有害排放的重要技术途径。本文在一台高压共轨柴油机上进行了多种多次喷 射策略及其与e g r 耦合对发动机燃烧、性能和排放影响的试验研究。 首先研究了预喷- 主喷、预喷一预喷主喷、主喷一后喷和预喷主喷后喷等不同 喷射策略下喷射参数对柴油机性能及排放特性的影响。研究结果表明，小负荷时 采用适当的预喷射可以降低发动机n o 。排放和比油耗，大负荷工况时预喷对n o ” 烟度及比油耗影响较小。中等负荷下采用预喷预喷主喷喷射策略，预喷定时、 预喷油量对发动机的影响一定程度上与单次喷射类似。两次预喷喷射时刻较早且 间隔较小时，可得到相对较好的排放性能。大负荷下采用主喷一后喷喷射策略可 以降低烟度排放，但需要优化主后喷喷射间隔。采用预喷一主喷后喷喷射策略时， 预喷参数和后喷参数对柴油机性能和排放的影响与预喷主喷喷射策略和主喷 后喷喷射策略中得到的结果基本类似。因此，在参数的优化过程中，可以将预喷 和后喷作为两个相对独立的控制参数来分别考虑。 在上述研究的基础上，采用基于、t 的冷却e g r 系统，进行了多次喷射与 e g r 耦合的试验研究。采用优化的多次喷射策略结合e g r ，可以同时降低n o 。和 烟度。对e s c i 烫z j 试循环b 7 5 t 况控$ i j n o ，排放达国v 排放限值( 2 0 9 k w h ) 的研 究表明，对多次喷射参数优化后，s o o t 比排放可比单次喷射降低6 0 以上，而对 比油耗的影响很小。通过多次喷射与e g r 控制的优化，最低s o o t 比排放可以控制 在0 0 1g k w h 以内，这说明采用多次喷射结合e g r ，在减小对p m 后处理依赖的 情况下具有满足国v 排放的潜力。 关键词：柴油机，多次喷射，废气再循环，排放 a b s t r a c t i ti sap i v o t a lt a s kf o rd i e s e le n g i n et or e d u c ee m i s s i o n s m u l t i p l ei n j e c t i o n s c o u p l i n gw i t he g r i sr e g a r d e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fm o d e r n d i e s e le n g i n e t h em a i no b j e c t i v eo ft h i ss t u d yw a st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f m u l t i p l ei n j e c t i o n so nt h ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n sf o rah dd i e s e le n g i n e e x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u to na6 - c y c l i n d e rd i e s e le n g i n ee q u i p p e dw i t hac o m m o n r a i li n j e c t i o ns y s t e m t h ei n j e c t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t 埘e c t i o ns t r a t e g i e s ( p i l o t m a i n , p i l o t - r p i l o t - - m a i n , m a i n - p o s ta n dp i l o t - m a i n - p o s t ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt oh i g h l i g h t t h e i re f f e c t so ne n g i n ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n s r e s u l t ss h o wt h a t ，ar e d u c t i o no f n o 。a n db r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ( b s f c ) c a nb eo b t a i n e dw i t ha na p p r o p r i a t e p i l o ti n j e c t i o nu n d e rl o wl o a d h o w e v e r ，p i l o t m a i ni n j e c t i o ns t r a t e g yd o e sn o ts h o w as i g n i f i c a n ti m p a c to ne m i s s i o n sa n db s f ca th i g hl o a d p i l o t - p i l o t m a i ni n j e c t i o n s t r a t e g yw a si n t r o d u c e da tm i d - l o a dw h i c h s h o w s as i m i l a ri n f l u e n c eo ne n g i n e p e r f o r m a n c ew i t hs i n g l ep i l o ti n j e c t i o n a d v a n c e dg e n e r a lp h a s eo f d o u b l ep i l o t i n j e c t i o n sa n ds m a l l e ri n t e r v a lb e t w e e nt h e mc a nl e a dt ob e t t e re m i s s i o n s a no b v i o u s r e d u c t i o no fs m o k ec a nb ea c h i e v e dw i t hm a i n p o s ti n j e c t i o nu n d e rh i g hl o a d ，b u tt h e i n t e r v a lb e t w e e nt h em a i na n dp o s ti n j e c t i o ns h o u l db ec a l i b r a t e dc a r e f u l l y t h e e f f e c t so fp i l o ta n d p o s tp a r a m e t e r s o ne n g i n ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n su n d e r p i l o t - m a i n - p o s t 坷e c t i o ns t r a t e g ya r ec o n s i s t e n tw i t ht h e i re f f e c t su n d e rp i l o t m a i n a n dm a i n - p o s ti n j e c t i o ns t r a t e g i e s t h i sm e a n st h a tp i l o ta n dp o s ti n j e c t i o n p a r a m e t e r sc a nb er e g a r d e da st w oi n d e p e n d e n tc o n t r o lp a r a m e t e r sd u r i n gt h e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o np r o c e s s b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h ec o u p l i n ge f f e c t so fm u l t i p l ei n j e c t i o ns t r a t e g i e s a n de g rw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gah i g hp r e s s u r ee g rs y s t e mb a s e do nv a f f a b l e n o z z l et u r b o c h a r g e r ( v n t ) 。o p t i m i z e dm u l t i p l ei n j e c t i o n sc o u p l i n gw i t he g rc a n s i m u l t a n e o u s l yr e d u c en o xa n ds m o k e t h eb 7 5o f t h ee s ct e s tc o n d i t i o nw a s c h o s e nt oi n v e s t i g a t et h ec o u p l i n ge f f e c t so f m u l t i p l ei n j e c t i o ns t r a t e g i e sa n de g r w h i l ek e e p i n gn o xe m i s s i o na t2 0 9 瓜w hw h i c hc a nm e e ts t a t eve m i s s i o n r e g u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dt oas i n g l e 岫e c t i o n , s o o tc a l lb er e d u c e d m o r et h a n6 0 w i t ho p t i m i z e dm u l t i p l e i n j e c t i o np a r a m e t e r s ，w h i l e w i t h o u t s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo n b s f c s o o tc a nb er e d u c e dt oo olg & w hw i t ho p t i m a l m u l t i p l e i n j e c t i o na n de g r , w h i c hm e a n s i th a sap o t e n t i a lt om e e tt h es t a t ev r e g u l a t i o n sw i t hl e s sd e p e n d e n c e0 na f t e r t r e a t m e n ts y s t e m s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，m u l t i p l ei n j e c t i o n s ，e g r , e m i s s i o n s 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：西帮匕签字日期：砷7年扫月i - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼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：易柱翩签名：雹讯 签字日期： n 3 年 b 月r 日签字日期： 妒7 年6 月厂日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机是现代工业文明的产物，经过一百多年的不断发展和完善，其能量转 换效率高、功率范围宽广、升功率高以及应用灵活等优点更加突出，同时其动力 性、经济性、可靠性和使用方便性等已经达到了很高的水平，被广泛应用于交通 运输( 公路运输、铁路运输、水上运输和空中运输) 、农业机械、工程机械、发 电等各个领域，对人类生活和社会发展起到了巨大的推动作用，是现代社会不可 或缺的动力源i l j 。 我国内燃机工业虽然起步较晚，但随着科技的不断进步、生产能力和工艺水 平的逐渐提高以及市场需求量的迅速增长，近年来也经历了前所未有的高速发 展。图1 1 中给出了1 9 9 0 年2 0 0 8 年我国车用发动机的产量，同时还分别给出了 汽油机和柴油机的年产量。从图中可以看出，自1 9 9 0 以来，我国发动机总产量 每年都在递增，而且从2 0 0 2 年开始，在高速发展的汽车工业的带动下，我国的 发动机产量更是呈现了快速增长的趋势。根据有关部门预测，2 0 1 0 年我国车用 发动机的产量将会再次大幅度增加，其中单缸柴油机将达到6 0 0 万- 7 0 0 万台， 多缸柴油机( 含代用燃料发动机) 和多缸汽油机( 含代用燃料发动机、混合动力) 将分别达到4 2 0 万台和5 7 9 万台。 图1 1 中国车用发动机年产量 作为内燃机的一种，柴油机在节能与c 0 2 排放方面的优势，是包括汽油机 第一章绪论 在内的所有热力发动机无法取代的。2 0 0 1 至2 0 0 2 年，美国通用汽车、英国石油、 埃克森及壳牌等几大跨国公司在欧洲及北美开展了“w e l lt ow h e e la n a l y s i s ”项 目，其研究结果表明，柴油机汽车每公里能源消耗约为2 0 1 万焦耳，汽油机汽车 每公里能源消耗为2 6 4 万焦耳，在同等条件下，柴油机节能性明显优于汽油机 t 2 。同时，大量研究结果表明，柴油机c 0 2 的排放量要低于汽油机，环境效益十 分显著【3 】。欧洲和日本在7 0 年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。 从8 0 年代后期开始，柴油机除了在大中功率船舶、发电、工程机械、铁路交通 和农业机械等领域继续占据统治地位外，在乘用车上的使用也在逐年提高。据统 计，欧洲1 0 0 的重型车、9 0 的轻型车采用柴油发动机。同时，欧洲柴油轿车 己占轿车年产量的3 2 ，奥地利、法国、比利时、西班牙、意大利等国高达5 0 以上，其中法国和比利时为6 7 、奥地利则超过了7 1 1 4 。 尽管拥有诸多优点，但随着人们对能源匮乏和环境污染问题关注度的增加， 柴油机的发展遇到了空前的挑战。 1 2 柴油机面临的问题 随着经济与社会的发展，世界能源消耗不断增加，能源短缺状况日益严重， 能源问题愈来愈突出地摆在人们面前。人类社会发展到今天，任何国家的经济发 展都与能源问题密切相关。 内燃机主要以各种化石能源如石油、天然气、煤等为燃料，这些燃料是无法 短期再生的资源。近年来国内外许多学者和研究机构对石油枯竭和峰值的预测进 行了研究和讨论，有数据显示，世界石油资源2 0 2 0 年左右达到峰值，随后下降， 4 0 年后将枯竭。与此同时，随着全球汽车保有量的飞速增加，石油需求量必将 大幅增长，与石油资源和产量下降形成极大的矛盾，全球范围内的能源危机问题 将日益突出。自1 9 7 3 年第一次石油危机以来，在过去3 0 多年里，多次发生过石 油危机导致全球性经济衰退的严重情况，使各国的工业发展受到了巨大冲击。 随着近年来内燃机工业的飞速发展，我国对能源的需求也日益强烈。根据中 国石油和化学工业协会的统计，2 0 0 8 年我国原油表观消费量为3 6 5 亿吨，同比 增长5 8 ，是仅位列于美国之后的世界第二大石油消费国【5 】。国际能源机构 ( i e a ) 发布的( ( 2 0 0 7 全球能源展望报告中预计，中国到2 0 1 0 年以后将取代 美国成为全球头号能源消费1 雪t 6 。自1 9 9 3 年以来我国已成为石油净进v i 国，2 0 0 0 年时对于石油进口依存度达到3 6 6 ，已超过警戒线。国家发改委2 0 0 9 年2 月 2 5 日发布的( 2 0 0 8 年石油行业运行情况及2 0 0 9 年趋势预测中称，2 0 0 8 年国 2 第一章绪论 内石油消费对外依存度达到4 9 。8 【7 j 。国家信息中心2 0 0 8 年9 月2 2 日发表了题 为( 2 0 0 0 年以来中国能源经济形势分析的报告，预计国内石油消费量到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年将分别增加到4 2 5 亿吨和5 7 2 亿吨，对进口石油的依存度将达到 5 5 和6 6 t 引。这将严重威胁我国的能源安全，制约我国经济社会持续健康发展。 因此，除了积极探索代用燃料和新型能源外，对进一步提高内燃机的能量转 化效率、改善内燃机燃油经济性的先进技术的探索也受到了政府部门和生产厂商 的广泛关注【9 】。美国、日本、欧洲各国相继制定了燃油消耗法规和计划。我国政 府对汽车燃料的消耗也非常重视，早在8 0 年代就制定了喝3 8 0 9 8 4 载货汽车 燃料消耗量限值，2 0 0 5 年7 月1 日，乘用车燃料消耗量限值强制性国家标 准正式实施【j 。 另一方面，发动机排放已经成为大气环境的一个主要污染源，其排放物包括 氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、微粒( p m ) 、醛类和苯等许 多有害成分，对环境造成了严重污染，并对人类健康造成了极大的威胁。 柴油机总是在稀混合气下运转，c o 排放量要远远低于汽油机，只有在负荷 很大接近冒烟界限时才急剧增加。同时，由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃 油停留在燃烧室中的时间比汽油机短得多，受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸 附、沉积物吸附作用很小，因而h c 排放也较低。 然而，柴油机缸内燃烧温度较高，最高可达到2 0 0 0 以上，使氮气氧化生 成氮氧化物( n o x ) 。柴油机排放物中绝大部分是n o ，少量是n 0 2 。n o 在低浓度 时对人体健康无影响，高浓度时能造成人体中枢神经障碍。n 0 2 呈褐色，具有强 烈的刺激味，吸入人体后与血红蛋白作用，使血液的输氧能力下降，对人体的眼 睛、鼻子、咽喉、支气管和肺部等会带来极大的损害。 同时，柴油机的微粒p m ( p a r t i c u l a t em a t t e r ) 排放量要比汽油机大几十倍。柴 油机的微粒是一个复杂的、动态的“系统”，包括碳烟、未燃燃料和润滑油( 可 溶性有机部分s o f ) 以及包含在燃料中的硫燃烧后生成的硫酸盐和未燃的h c 等。 由于柴油机燃烧包括有喷雾的非定常紊流扩散燃烧，即在燃烧室所限制的狭窄空 间内的高温、高压环境下，经高压喷射的高浓度燃料喷雾在空间分配不均的状态 下，在极短的时间内进行的一种燃烧。因此，尽管总体是富氧燃烧，但局部高浓 度的混合气在高温缺氧的环境下极易不完全燃烧，产生微粒和碳烟。柴油机排出 的微粒主要是碳及其吸附的有机物质，由于其粒径极小，约为0 0 1 - 4 ) 2 p m ，能 长期悬浮于空气中，易于通过呼吸系统而沉积于肺泡内，而且可通过食用受微粒 侵害的动植物食品后进入人体。许多研究己经证实，柴油机微粒可以引起慢性肺 病，其中可溶性高分子有机物中9 0 以上具有不同程度的致癌作用。1 9 9 2 年， 世界卫生组织( w h o ) i e 式将柴油机微粒列为可能的致癌物质。 第一章绪论 因此，从上世纪6 0 年代以来，世界各国相继制定了排放法规来限制有害排 放。美国是第一个颁布汽车排放法规的国家，随后世界其他国家相继出台了相关 的法规。经过几十年的努力，目前已经形成了美国、欧洲和日本三大排放标准体 系。其中，美国和欧洲排放标准体系为各国广泛应用，代表了世界排放控制的发 展趋势和前沿水平。表1 1 、1 2 分别为欧洲和美国的重型车用柴油机排放限制 标准。 表1 - 1 欧洲重型车用柴油机排放标准1 ( 单位：g k w h ) 标准等级 e u r oie u r o i ie u r o i t ie u r o e u r o v 1 9 9 2 实施年份1 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 52 0 0 8 8 5 k w 8 5 k w e s ce s ce s c 测试循环e c e r 4 9e c e r 4 9e t c e l re l re l r c o4 54 5442 15 4 51 51 5 h c1 11 11 11 1o 6 60 4 6 0 4 6 n m h co 7 8 排c 也 1 6 放 n o x 8 08 o775 o5 o3 52 o 限 0 1o 1 6 p mo 6 1o 3 60 2 50 1 5o 0 20 0 2 值0 1 3 0 2 1 动态烟 0 8 m 10 5m 10 5 m 一1 度 适用于单缸排量 3 0 0 0 r p m 的柴油机 只对气体燃料发动机限制 表1 - 2 美国环境保护署( e p a ) 对重型车用柴油机的排放限值( 单位：g h p h ) 年份1 9 9 01 9 9 l1 9 9 41 9 9 82 0 0 42 0 0 7 h c1 3 1 3 1 31 - 31 3 排 c o1 5 51 5 51 5 51 5 51 5 5 放 限 n o 。 6 0 5 o5 o4 o2 00 2 p mo 6o 2 50 1o 1o 1o 0 1 值 n m h c0 50 1 4 注：l b p = 7 4 5 7 0 0 w ；l g h p h = 1 3 6g 位w h 4 第一章绪论 除了上述局部污染以外，以温室气体排放为代表的全球性污染也日益受到人 们的重视。由于含碳化石燃料的大量使用大气中c 0 2 的体积分数从工业时代 的28 1 0 4 增加到了现在的3 6 x 1 矿。为了遏制温室气体捧放量的快速增长和 与之而来的日益加剧的温室效应，1 9 9 7 年1 2 月世界上1 4 9 个国家和地区在日 本东京簦署( 联台国气候变化框架公约) 京都议定书。承诺到2 0 1 0 年，所有 发达国家排放的c 0 2 等6 种温室气体的数量，要比1 9 9 0 年的排放量减少52 ， 包括中国和印度在内的发展中国家依照“共同但有区别的责任”的原则，制定自 愿削减温室气体排放目标”m 。 我国政府也颁布了相应的排放法规。在世界三大排放标准体系中，欧洲法规 在标准的松严程度、道路交通情况等方面相对较适合用于我国的实际情况，因此 我国主要借鉴了欧洲排放法规。 从1 9 9 9 年 开始，我国对小 型车执行欧i 的排放限制标 准，2 0 0 4 年7 月 开始执行相当 于欧洲号标 准的排放法规， 到2 0 0 8 年7 月1 日，在全国范围 内实施相当于 欧洲第三阶段的 圈斛= = - 兰r 。：) 可- 曼。一：! ? 图1 2 中国重型柴油机排放标准 排放控制水平，2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。图l 一2 为中国重型车 用柴油机排放标准。这意味着中国内燃机制造业要用l o 年的时间完成国外先进 国家2 0 年在排放上的技术进步。 因此减少有害排放豹同时提高燃油经济性，发展新一代清洁高效的内燃机， 成为内燃机行业的重点研究课题和未来方向。 1 3 柴油机排放控制技术”“ 如前所述，迫于石油资源枯竭和日益严格的排放法规两方面压力，世界各国 政府都先后采取一系列措施，积极鼓励清洁、高效内燃机产品的研究与使用，促 0 第一章绪论 进了内燃机技术的发展，包括电控燃油系统、电控废气再循环( e g r ) 、增压中 冷、多气门和可变进气系统等技术的开发和应用，有效地改善了柴油机的经济性 和排放特性。 柴油机控制有害排放物的重点在于控制n o 。和p m 。废气中的微粒p m 由碳 烟( s o o t ) 、可溶性有机成分( s o f ) 以及硫酸盐( s u l f a t e ) 3 部分组成，其中碳烟是微 粒的主要组成部分。碳烟生成的条件是高温和缺氧。一般认为碳烟形成的过程如 下：燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯 和聚乙烯，乙烯和聚乙烯在不断脱氢后，聚合成为以碳为主的直径2 n m 左右的 碳烟核心。气体中的烃在这个碳烟核心表面不断凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚， 使得碳烟核心的表面增大，成为直径2 0 3 0 n m 左右的碳烟基元。最后，碳烟基元 堆积成直径l l x m 以下的球团状或链状的聚集物。n o 。则是氧和氮在燃烧室的高 温高压作用下反应生成，随反应物n 2 、0 2 、n 、o 的浓度增加，火焰的高峰温度 升高，燃烧室内持续高温的时间延长，n o 。的生成量增加。对于传统的柴油机燃 烧过程来说，由其燃烧特点所决定，柴油机p m 和n o 。排放之间存在着t r a d e o f f 关系，降低其中一种排放的措施往往会导致另一种排放的升高。因此，如何同时 减少p m 和n o 。的生成，是柴油机面临的重大技术挑战。 现阶段柴油机的排放控制技术主要包括三方面：燃料改质，机内净化和采用 适当的排气后处理技术。 1 3 1 燃料改质2 7 乏8 】 柴油机的排放与柴油中十六烷值、密度、黏度、芳烃含量、s 含量等有直接 关系。提高柴油的十六烷值能有效地降低发动机排气p m 、c o 和n o x 排放，降 低燃油中s 的含量可降低1 3 2 2 的颗粒排放，减少燃油中的芳香烃成分可以 减少n o 。排放。因此，改善柴油机的排放应该从这些成分着手。 1 、降低硫含量 硫含量直接影响柴油机的烟度与p m 排放浓度，也影响柴油机排气催化净 化器的净化效果。我国目前商用燃油硫含量多在2 0 0 0 - - 3 0 0 0 p p m ，而欧洲日前市 场上的燃油硫含量基本在3 0 p p m 以下。据研究表明，当柴油中硫的质量百分比 从1 2 降低到0 0 5 时，p m 排放量减少8 1 0 。对重型车进行的日本十三工况 试验亦表明，采用硫含量为2 p p m 燃油时的p m 排放仅为采用硫含量为4 0 0 p p m 燃油时p m 排放的一半。 2 、提高柴油的着火性能 衡量柴油着火性能的指标是十六烷值。十六烷值不足即着火性差，会使滞燃 期加长，预混合燃烧量过多，导致运转粗暴，噪声加大，n o 。排放增加。而过高 6 第一章绪论 的十六烷值，会使燃料的稳定性变差，极易裂解为碳烟，使柴油机排气烟度较高。 低排放柴油要求十六烷值控制在5 0 - - 6 0 之间。 3 、减少燃油中的芳香烃成分 芳香烃由于c h 比高、着火性差，使柴油机的c o 、h c 和p m 排放增加。 低排放柴油机要求芳香烃体积分数在l o 以下。 4 、使用代用燃料 现在比较被关注的代用燃料有植物油、天然气、醇类燃料、氢气等。除了天 然气直接取自一次能源外，其余都取自植物、煤炭、太阳能、风能、水能、核能 等。柴油机燃用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时n o x 的 排量也很低。但如果不采用适当措施，柴油机排放的h c 、甲醛将成为重要的排 气污染物。燃用压缩天然气( c n g ) 或液化天然气( l n g ) 时，n o 。和微粒排放可同 时减少7 5 8 0 。二甲基乙醚( d m e ) 作为最新出现的液体燃料，其燃烧后无微 粒产生，而且n o ，的排放很低。 1 3 2 机内净化 柴油机排放机内净化的核心是提高混合气的形成质量，优化燃烧过程，使燃 料、空气和燃烧室达到良好的配合，降低污染物的生成，具体措施包括电控燃油 喷射、增压中冷、废气再循环、新型燃烧方式等。 1 、燃油喷射系统2 弘3 4 】 柴油机燃油喷射系统是柴油机实现高效、清洁燃烧的核心技术，是燃烧过程 优化的基础，其发展总趋势是：高喷射压力、多次喷射以及喷油规律的灵活柔性 控制。 对于传统的泵管一嘴燃油喷射系统，其喷油压力和控制灵活性都无法满足现 代柴油机对燃油喷射系统的要求。柴油机的电控技术已从第一代的位置控制、第 二代的时间控制发展到目前的共轨式电控高压喷射。如图1 3 所示为电控高压燃 油喷射系统的发展趋势。 其中电控共轨式燃油喷射系统( c o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m ) 从2 0 世纪9 0 年代中期进入市场以来得到了迅速的发展，并显示出了巨大的发展潜力， 被认为是达到欧及更低排放标准的必要技术手段。它集计算机控制技术、现代 传感检测技术以及先进的喷油结构于一身，代表性系统有：德国b o s c h 公司的 u n i j e t 系统、日本电装公司的e c d 。u 2 系统和e c d u 2 p 系统、美国c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 系统等。 7 第一章绪论 1 9 9 41 ? 0 0 0，0 0 32 0 0 62 0 0 9 图1 3 电控燃油喷射系统的发展趋势 据文献介绍柴油机共轨燃油喷射系统的最高喷射压力己经超过了2 0 0 m p a ，甚至达到了2 6 0 m p a 的超高压力，这是普通直列泵和转子泵所不能达到的。 高压喷射能够使喷雾更加细化，油束的贯穿速度更快，因此使柴油机的油气混合 更加均匀，缩短了着火滞燃期、喷油持续期和燃烧持续期，使扩散燃烧速度明显 提高是降低p m 排放的主要措施。同时，传统的分配泵、直列泵、单体泵、泵 喷嘴共同的缺点是喷油压力随转速降低而降低，而高压共轨喷射系统的喷油压力 不随转速变动，可任意调节喷射压力，以获得最佳的混合气形成。同时，高压共 轨喷射系统能够自动调节喷油量，自由调节喷油时间，实现预喷射、后喷射、多 次喷射等，可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油速率、预喷射与发动机转速 和负荷之间的关系进行连续调节，并且发动机的过渡工况排放性能也可以得到显 著改善。 2 、增压中冷技术盼蚓 采用增压中冷技术，使发动机每循环进气充量密度增大，即增加了发动机每 循环新鲜空气的进气量，从而可以增加循环油量，提高发动机的输出功率，有效 地提高了柴油机的动力性和经济性。同时。气缸内充量密度的增大，促进了燃油 油束的扩散加速了燃油和空气的混合，因此能够有效地改善柴油机p m 的排放。 此外，增压中冷降低了进气温度，也有剥于降低柴油机n n 排故。 目前，增压中冷技术已广泛应用于现代柴油机上，并向高增压、商响应性能 发展。该技术是柴油机达到欧l i 排放的最主要手段之一，同时也是柴油机满足欧 甚至更高排放标准的重要技术措施。随着排放法规的严格和科技水平的进步， 一系列先进的增压技术被研发并投入应用，如可变涡轮喉口截面积增压器v g t 、 可变喷嘴环增压器v n t 、两级增压等新技术。采用v n t 技术可在不损害高速经 济性的条件下增加低速转矩并扩太了低油耗的运行区，使柴油机的瞬态响应和 加速性能提高。同时，盯技术还能有效地改善柴油机的排放。j gh a w l e y 等 人的试验证明，通过优化v n t 和废气再循环，可使柴油机在p m 排放不恶化的 翥一一。 第一章绪论 前提下，n o 。排放减少5 0 。两级增压( 两级中冷) 技术可进一步提高升功率， 特别是提高低速扭矩，降低最大扭矩转速，并降低低速大负荷烟度和油耗，改善 发动机的瞬态响应性能，实现发动机全工况范围增压优化。图1 - 4 为b m w 公司 发动机采用的两级增压技术。 惩藕 1 i 鲨娑 顾弱蘅 雩 璺蚕一蠓= 习肄 b e l o w l m 十i n b e t w l n m t 8 0 0 - 3 加0 m m b e y o 州3 0 0 0r p m ，o m r b o t h t u r b o s w o r k ；o p e n岫i a r 俨t u r b os u p p l i e s ( v d l i e l e h u n c h l a i ra n d 州j l a t n a f l a pf r e s hc h a r g e 图l - 4 b m w 公司发动机采用的两级增压技术 3 、废气再循环( e g r ) 技术1 4 0 删 废气再循环( e g r ) 技术是降低n o 。排放的一项极为有效的措施是未来发动 机燃烧过程控制的重要手段和必要技术。采用e g r 将废气引入新鲜空气来降低 燃烧过程中混合气的氧浓度，同时还使新鲜混合气的比热容提高从而使燃烧速 度减慢，燃烧最高温度降低，减少了n o ，的生成。由于柴油机排气中氧含量比 汽油机高，所以柴油机允许并需要较大的e g r 率来降低n o 。的排放。 为了保证e g r 系统在最大程度降低n o ，的同时不影响柴油机经济性和h c 、 p m 排放，对e g r 系统的控制有定的要求：暖机过程中为防止废气回流破坏 燃烧的稳定性，一般冷却永温度 5 0 时不进行e g r ；患速和小负荷时不进行 e g r 中低负荷时用较大的e g r 率；接近全负荷时，为使发动机保持足够的动 力性能，不进行e g r ；要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。与电控技术 相结合的电控e g r 可根据柴油机负荷、转速及冷却水温度传感器等提供的各种 信号，由电控单元( e c u ) 对e g r 率进行灵活柔性控制，使柴油机减少n o ，的 同时不影响其经济性和h c 、c o 、p m 排放。 4 、多气门技术” 在柴油机上采用多气门技术是满足严格排放指标的有效途径，其主要优点是 扩大进、排气门的总流通截面积，因而降低了进排气阻力，提高了充量系数。由 于缸盏上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央不仅优化了进气涡流 和油雾分布，还改善了活塞热应力和喷油器的冷却情况并可实现涡流比在不同 转速下的变化，使混合气的形成进一步优化，有利于燃油在燃烧室空间中均匀分 第一章绪论 布，在提高动力性和经济性的同时减少了n o 。排放。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 ，同时在保证相同的 n o 。排放时，燃油消耗下降5 ，p m 排放也有大幅度的降低。 5 、新型燃烧方式 传统的柴油机采用燃料喷雾扩散燃烧的燃烧方式，依靠发动机活塞压缩到接 近终点时的高温使混合气自燃着火，由于其燃烧过程是由局部当量比为l 的扩散 燃烧所控制，局部火焰温度高达2 7 0 0 k ，同时燃料喷雾与空气的混合时间很短， 燃料与空气的混合严重不均匀，因此形成了局部的高温火焰区和高温过浓区，导 致了大量n o 。和p m 的生成，而且n o ；和p m 排放控制相互矛盾，很难同时较 大幅度降低，因此柴油机存在降低n o ；和p m 排放的极限。为了突破传统内燃 机排放和经济性的局限性，近几年来国际内燃机界广泛开展了内燃机新燃烧技术 的研究，其中比较有代表性的有美国西南研究院( s w r j ) 的均质充量压燃燃烧 方式( h c c i ) 、日本交通安全研究院的“均匀充量柴油机燃烧过程”( h c d c ) 、 日本新a c e 研究院的“稀薄预混合柴油燃烧系统( l p d c ) ”、日本丰田公司的“均 匀松散燃烧系统( u n i b u s ) ”、日产的“调谐动力( 凇) 燃烧系统 、天津大学 苏万华教授提出的“m u l l n b u m ph c c i 复合燃烧技术”m 】以及大连理工大学 胡国栋教授提出的“伞喷闪急蒸发混合控制燃烧技术”等。 1 3 3 排气后处理 4 7 巧5 】 由于机内控制排放并不能完全起到净化效果，同时，机内净化成本和复杂程 度越来越高，因此对己排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理、采取机外 控制技术显得很有必要。 1 、n o 。后处理技术 目前研究开发中的柴油机n o 。后处理技术有：选择非催化还原( s n c r ) 、非 选择催化还原( n s c r ) 、选择催化还原( s c r ) 、吸附还原催化剂( n a c ) 、稀n o 。催 化还原技术( l n c ) 和低温等离子技术( n t p ) 。 a ) 选择性非催化还原( s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s n c r ) ，即通过在 柴油机膨胀工作过程中向气缸内喷入氨水或尿素来还原n o 。，净化效果并不理 想。 b ) 非选择性催化还原( n o n - s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，n s c r ) 在催化剂存在的条件下，若还原剂优先与气相中的氧发生反应，再与n o ；发 生反应的还原过程称为非选择性催化还原，由于废气中含氧量较高，还原剂很容 l o 第一章绪沦 易直接被氧化因此还原剂的消耗量较大。 e ) 选择催化还原( s e l e c t i v ec a t a l y t i er e d u c t i o n ，s c r ) 其基本原理是以氢作为还原剂，在催化剂存在的条件下，将废气中的n o 还 原成n 2 。利用尿素( n h 3 ) 作为还原剂进行催化还原n o 反应的催化剂有贵金属、 贵金属氧化物和沸石体系，其催化反应是： c o ( n h 2 ) 2 + 2 h 2 0 - 2 n h 3 + c 0 2 + h t o 4 n h 3 十2 n o + o - 3 n 2 + 6 h 2 0 4 n h 3 + 4 n o + o 一4 n 2 + 6 h 2 0 但该种技术的缺点在于n h 3 需要定时填充来维持正常工作，且选择催化转 化器的体积大、成本高，需要动态计量控制还原剂，在低负荷时，由于废气温度 较低，催化效率下降。另外，需要高流量的氨气才能使n o 转化效率最高。 d ) 吸附还原催化荆( n o x a b s o r b e r c a t a l y s t ，n a c ) n a c 技术就是指用能吸附n o ；的催化剂( p 0 在富氧的条件下对n o ，进行吸 附反应，而后在催化剂作用下还原剂( h c 、c o 、h ) 在缺氧条件下将n o 。( ) 1 ) 还原成水和n 2 ，同时也是吸附剂的再生过程。影响n a c 技术应用的最关键因素 是废气中的硫会使催化剂中毒，影响再生过程。同时其控制系统也较为复杂。 e ) 稀n o 、催化还原技术( l e a n n o ；c a t a l y s t ，l n c ) l n c ( l e a n n o ，c a t a l y s t ) 技术是近年来发展的一种较新的d e n q 技术，它利 用h c 作为还原剂脱除n o ，。l n c 系统一般按t i c 的来源分为主动l n c 和被动 l n c 。j 动式l n c 系统通过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的h c 量，h c 、 n 0 x 的晶大转化效率可增加到3 0 以上。被动式系统利用发动机废气中的h c 作 为还原剂。由于柴油机排放的h c 浓度很低，因此被动式系统n q 转化效率较低， 目前只有2 0 左右。l n c 技术的进一步研究工作主要集中在增加催化荆的运行 温度范围及转化效率上。i 州t 装置的关键部件是具有吸附n 0 x 能力的碱金属化 合物，其净化原理示意图见图1 5 。 固童心 图1 5l n c 净化原理示意图 第一章绪论 f ) 低温等离子技术( n o n - t h e r m a lp l a s m a ，n t p ) 这种方法的工作原理是：局部高能电场使排气分子电离，从而产生高能电子。 由于电离的时间很短，电子和排气不能达到热平衡，因此排气温度保持不变。通 过电子撞击造成排气分子的分裂和电离，生成一些活性反应物质如o h 和n o ， 从而使氧化或还原反应能够容易进行。该方法的优点是对燃料含硫量几乎没有要 求，可以在相对较低的温度下进行，但是整个系统的体积大，能量消耗大，价格 昂贵。 2 、p m 后处理技术 对柴油机p m 的后处理技术主要有氧化催化转化器( d o c ) 和颗粒捕集器 ( d p f ) 。 a ) 氧化催化转化器( d i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t ，d o c ) 柴油机氧化催化转化器的工作原理为废气流过载有催化反应剂的整体式载 体，使废气中的h c 、c o 、s o f 及碳烟微粒等得到某种程度的净化处理。其载 体主要有陶瓷单体和不锈钢金属两种，使用的氧化催化剂为蜂窝整体直通式，主 要成分为铂( p t ) ，能够颗粒中的可溶性有机成分得到催化氧化，最终获得降低颗 粒排放的效果。氧化催化器在国内外的柴油机上应用较多，但存在催化器的热老 化和催化剂中毒问题，且对微粒的净化作用较d p f 低。 b ) 颗粒捕集器( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ，d p f ) 颗粒捕集器( d p f ) 是降低p m 排放的重要手段，主要由过滤装置、再生装置、 控制装置三部分组成。其工作过程为：过滤器在排气道中用滤芯收集颗粒排放物， 当过滤器的过滤阻力达到一定程度，再用一定方法使收集的颗粒物燃烧，以再生 它的过滤性能，一般过滤体对碳颗粒的过滤效率可达到6 0 - 9 0 。过滤材料和 过滤体再生是d p f 的关键技术。目前国内外常用的过滤材料