（动力机械及工程专业论文）小型非道路柴油机低排放控制技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 小型非道路柴油机在我国应用广泛，而单缸柴油机作为最具代表性的一类，是 工程机械、农业机械、林业机械、渔业机械及发电机组等机械设备的主要动力源， 随着社会对能源与环境问题的日趋关注，单缸柴油机面临着节能环保的巨大挑战。 因此结合我国小型非道路柴油机的发展现状，开展高性能低排放小型非道路柴油机 的研究工作具有重要实用价值及学术意义。 本文针对我国燃料供应现状及单缸柴油机受结构和用途限制的特点，以e f l 2 4 单缸柴油机为研究对象，从机内净化的角度出发，研究分析降低单缸柴油机排放的 方法。一方面改善燃油系统性能，主要通过加大喷油泵柱塞直径与油泵凸轮升程、 优化凸轮型线、减小高压油管直径、改进喷油器类型及参数等措_ 旖，增大了喷油压 力，优化了喷油规律；另一方面优化缸内油气混合过程，改进燃烧室结构，科学设 置燃油喷注在燃烧室内的周向及轴向分布，促成燃油和进气的时间与空间的细化和 配置，同时降低进气道涡流比使之与高压喷油相匹配，改善混合气形成和扩散燃烧 过程。分析得出了单缸柴油机节能减排的途径和措施，改进后的柴油机排放指标基 本达到了美国e p a 第阶段法规限值。 利用三维虚拟仿真技术，对燃油供给系统与燃烧系统参数进行协同匹配设计， 分析了不同参数变化对排放结果的影响，最终找到最优匹配方案：采用5 孔0 2 1m i l l 孔径7 4 。喷雾锥角的p 型喷油器，配合0 8 8 缩口率的燃烧室及进气涡流比为2 5 的 气道，供油提前角推迟至上止点前8 。c a ，在减少n o x 的同时s o o t 排放也明显降 低。对模拟计算的匹配方案进行试验验证，利用油管压力测试仪器验证优化后的燃 油系统性能，结果显示，标定工况时改进方案的泵端压力达到6 2 8 m p a ，嘴端最高压 力达到了7 0 8 m p a ，较原机分别增大了5 2 8 和4 2 5 ，燃油供给系统性能显著提高； 通过燃烧分析及高速摄影等先进手段对优化方案进行进一步分析，更直观地研究了 缸内燃烧过程的变化。整机排放试验结果证明，经过精心设计和细致组织，燃烧过 程得到明显改善，c 0 、h c + n 0 x 、p m 排放分别减少了4 9 、5 8 、7 4 ，燃油耗降低了 6 9 ，探索出了小型非道路柴油机高性能低排放的技术策略，为国内外同类机型的 节能减排提供了切实可行方法。 关键词：柴油机，非道路，燃油供给系统，燃烧系统，排放 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 晰t ht h es u s t a i n e da n dr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t 。t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no f s m a l ln o n - r o a dd i e s e li si n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d ，a n dt h es i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ea s t h em o s tr e p r e s e n t a t i v et y p e ，i st h em a i np o w e rs o u f e ef o ra g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y ，s u c ha s s m a l la n dm e d i u m - s i z e dt r a c t o r sa n dm i n i - f a r m i n gm a c h i n e r y , i ta l s op l a y sac r u c i a lr o l e i ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n a ss o c i e t yi n c r e a s i n g l yc o n c e r n e da b o u te n e r g y a n de n v i r o n m e n t a li s s u e s ，s i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ei sf a c i n gt h ee n o r m o u sc h a l l e n g e o fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e a n da c a d e m i cs i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tr e s e a r c h e so nh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl o w e m i s s i o n s m a l ln o n - r o a dd i e s e le n g i n e ，s p e c i f i c a l l yc o m b i n e dw i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fc h i n a ss m a l ln o n - m a dd i e s e le n g i n e s i nt h i sp a p e rw et a k ee h 2 4s i n g l e c y l i n d e rn o n r o a dd i e s e le n g i n ea st h ep r o t o t y p e ， f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi n - e n g i n ep u r i f i c a t i o n ，b yu s i n gac o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hm e t h o d st oe x p l o r et h et e c h n o l o g ys t r a t e g yo fs m a l l n o n r o a dd i e s e le n g i n e st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o we m i s s i o n s a c c o r d i n gt of u e ls u p p l ys y s t e m ，w em a i n l yi n c r e a s et h ef u e li n j e c t i o np u m pp l u n g e r d i a m e t e ra n dt h ep u m pc a ml i f t ，o p t i m i z et h ec a mp r o f i l e ，r e d u c et h ed i a m e t e ro ft h e h i g h - p r e s s u r ef u e lp i p e , i m p r o v ei n j e c t o rt y p e sa n dp a r a m e t e r se t c a sar e s u l t , t h eh i g h e r i n j e c t i o np r e s s u r ea n do p t i m i z e df u e li n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e dt oi m p r o v ef u e l a t o m i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dc o m b u s t i o np r o c e s s e s a c c o r d i n gt oc o m b u s t i o ns y s t e m ，w e i m p r o v e t h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs t r u c t u r ea n de m p l o yr e e n t r a n t- c o m b u s t i o n c h a m b e r ，a l s os 仃e n g t h e nt h eb o t t o mo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rc e n t r a lb u l g e a l lo ft h e s e i m p r o v et h ea i rm o v e m e n t i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r ；s c i e n t i f i cs e to ft h ef u e li n j e c t i o n i nt h ec o m b u s t i o nd l a m b e ro ft h ec i r c u m f e r e n t i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o n w h i c hc o n t r i b u t e d t o “q u a n t i t y , t u n e ，s p a c e r e f m e m e n ta n dc o n f i g u r a t i o no ft h ef u e la n da i ri n t a k e ，r e a l i z ea m o r eh o m o g e n e o u sm i x t u r ei nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n df a s te f f i c i e n tc o m b u s t i o n ； m a t c h i n gl o w e ri n t a k es w i dr a t i ow i t hh i g h e ri n j e c t i o np r e s s u r et oi m p r o v em i x t u r e f o r m a t i o na n dd i f f u s i o nc o m b u s t i o np r o c e s s b yu s i n g3 dv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ， m a t c ht h ef u e ls u p p l ys y s t e ma n dc o m b u s t i o ns y s t e mp a r a m e t e r s ，a n a l y z et h ei m p a c to f d i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h ee m i s s i o n sr e s u l t s ，a n du l t i m a t e l yf i n dt h eo p t i m a lm a t c h i n g p r o g r a m s ：5n o z z l eh o l e s 、0 2 1m mn o z z l ed i a m e t e r 、 7 4 。s p r a ya n g l ep - t y p ei n j e c t o r , c o m b u s t i o nc h a m b e rw i t ht h e0 8 8r e e n t r a n tr a t ea n di n t a k es w i r lr a t i oo f2 5 ，f u e ls u p p l y a d v a n c ea n g l eo f8 。c ab t d c a sar e s u l t ，s o o ta n dn o xe m i s s i o n sa r eb o t hd e c r e a s e d n l 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 a tt h es a m et i m e ，s ot h a tc o m b u s t i o nt e n d st oc l e a na n de n e r g ys a v i n g t h em a t c h i n gp r o g r a m so fs i m u l a t i o na r et e s t e d ，f u e lp i p ep r e s s u r et e s ti n s t r u m e n t s a r eu s e dt ov e r i f yo p t i m i z e ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep u m p s i d ep r e s s u r e c o u l dc o m eu pt o6 2 8 m p ai nt h er a t e dc o n d i t i o no fi m p r o v e m e n tp r o g r a m ，t h e n o z z l e - s i d eh i g h e s tp r e s s u r ec o u l dr e a c h7 0 8 m p a , r e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y5 2 8 a n d 4 2 5 a sc o m p a r e dt ot h ep r o t o t y p e ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ef u e ls u p p l ys y s t e m p e r f o r m a n c e ；t h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mi sf u r t h e ra n a l y s e db yc o m b u s t i o na n a l y s i sa n d h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h ya n do t h e ra d v a n c e dm e a n s ，m o r ei n t u i t i v ec y l i n d e rc o m b u s t i o n p r o c e s sc h a n g e sa r eo b t a i n e d ；t h ee m i s s i o nt e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ec o m b u s t i o np r o c e s s h a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yc a r e f u ld e s i g na n dd e t a i l e do r g a n i z a t i o n ，c o ，h c + n o x ，p me m i s s i o n sw e r er e s p e c t i v e l yr e d u c e db y4 9 ，5 8 ，7 4 ，f u e lc o n s u m p t i o n d e c r e a s e db y6 9 t h ee m i s s i o np e r f o r m a n c ew i t ho p t i m a ls c h e m eo b v i o u s l yi m p r o v e d w h i c hm e e t se p ai vn o n - m a dd i e s e le n g i n ee m i s s i o nl i m i t t h i sp a p e rh a se x p l o r e da l o w - e m i s s i o na n dh i g h - p e r f o r m a n c e s t r a t e g yf o rs m a l l n o n r o a dd i e s e le n g i n e s ，a n d p r o v i d e da r e f e r e n c ef o rt h ee n e r g ys a v i n go fs i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ea sw e l l k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n o n - r o a d ，f u e li n j e c t i o ns y s t e r m ，c o m b u s t i o ns y s t e m ， e m i s s i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 近年来，我国内燃机行业发展迅猛，随着国家出台一系列规划意见，内燃机行 业迎来了史无前例的发展良机。截止2 0 1 0 年末，我国内燃机年总产量突破7 3 0 0 万 台，总功率突破1 3 5 亿k w 。 非道路柴油机主要是指适用于工程机械( 装载机、推土机、挖掘机等) 、农业机 械( 拖拉机、联合收割机等) 、林业机械、渔业机械及发电机组等自行或非自行机械 设备上的柴油机。小型非道路柴油机作为其中的一部分，是指功率小于1 8 k w 的非 道路用动力，一般多为单缸柴油机。我国是世界上单缸柴油机产量最大的国家，目 前，我国单缸柴油机产销量占全球单缸柴油机总量的9 0 ，单缸柴油机年出口2 0 0 万 台，占国外市场总量的6 5 【2 l ，2 0 1 0 年单缸柴油机产量达到了8 6 5 万台，比2 0 0 9 年 增长1 1 3 【3 】。由于其结构简单，价格便宜，使用维修方便等特点，因而深受广大农 民的喜爱，有着广阔的市场，是各种农业机械、小型工程机械等非道路机械的主要 配套动力，在新时期农村经济大发展和农业现代化的进程中，单缸柴油机发挥着极 其重要的作用，在我国的基本国情下具有特殊意义【4 】。 随着社会对环境和资源问题的日益关注，“环保与节能等问题成为了当今世界 的主流热点问题，内燃机的节能与减排也已成为行业发展的焦点问题。车用动力节 能与减排受到关注较早，也一直是学术界和社会舆论讨论的热点，通过多年的治理， 车用发动机领域已取得了一定的成效；而在非车用柴油机领域的节能减排起步较晚， 但随着社会的进步与日益严峻的环保和能源压力，非道路柴油机的能耗与排放问题 已受到国内外人们关注与重视。以美国与欧盟为代表的发达国家先后制定并实施了 严格的非道路排放法规，2 0 0 8 年美国开始执行最为严格的e p ai v 阶段排放法规f 5 1 ， 欧盟同年执行同水平的i i i h 阶段排放法规【6 】，设置了强大的技术壁垒。而我国2 0 0 7 年开始执行第一个非道路排放标准g b 2 0 8 9 1 2 0 0 7 ，在2 0 0 9 年实施国i i 阶段限值， 但需要指出国i i 阶段排放与美国e p ai i 排放限值相当，与国际先进水平仍有近十年 的差距同。在节能、减排政策指引下，新一代单缸柴油机已成行业讨论的热题。2 0 0 7 年6 月中机联召开了“第二代单缸柴油机研讨会，会上提出传统单缸柴油机的更 新换代计划，鼓励在5 年左右时间淘汰原有机型，大力发展的新一代单缸柴油机在 1 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 排放、节能与强化等指标有了巨大的提升 g l 。国家发改委产业办 2 0 0 8 1 3 9 8 号文件又 对新一代产品的排放、油耗与比质量等指标做出了详细规定，指标与国际先进水平 同步【9 】。在国家、各省制定的2 0 0 9 2 0 1 1 年“装备制造产业 重点产业调整和振兴规 划纲要以及国家近年来大力实施的农机补贴政策中，均鼓励发展“绿色、节能、环 保 的柴油机产品，这为单缸柴油机发展指明了方向。2 0 1 1 年，国家出台了新的高 效单缸柴油机技术条件( g b t2 6 7 2 8 2 0 11 ) ，对高性能柴油机提出了更严格的要求【1 0 l 。 因此做好单缸柴油机转型升级工作，开发满足国家节能减排要求以及适合国情、市 场的产品，是单缸柴油机行业持续走强的努力方向。 由于单缸柴油机的结构、使用对象及用途的限制，加之非道路柴油机的运行工 况恶劣，因此像车用动力上的增压、电控等技术不适宜采用，同时由于农用柴油的 含硫量高，成本较高的氧化催化等后处理也不宜采用，单缸柴油机节能减排技术的 实施难度较大【1 1 】。 我国现有单缸柴油机生产厂家众多，产品种类繁杂，虽是生产大国，但不是制 造强国，行业内存在重复性、同质化生产现象，在节能、减排、噪声与可靠性等技 术领域，缺乏具有优势的关键技术，与国际先进水平仍有较大差距【1 2 1 。国内外学者 围绕单缸柴油机节能减排也开展了不少研究，但尚未形成单缸柴油机节能减排的共 性关键技术。随着环保法规的不断完善以及石油资源的日益紧缺，开发节能环保型 新一代单缸柴油机己成为摆在行业面前的刻不容缓的任务。如何通过自主研发实现 产品的全面升级、换代，是摆在我国单缸柴油机行业面前的巨大课题。 在自然吸气方式下，选择机内净化措施，提高燃油供给系统的性能，优化燃烧 系统内各参数的匹配，合理组织好柴油机的燃烧过程，是小型非道路柴油机减排与 节能的必经之路，已成为小功率非道路柴油机产品技术进步关注的热点1 1 3 d 4 】。因此 结合我国小型非道路柴油机的发展现状，开展高性能低排放小型非道路柴油机的研 究工作具有重要实用价值及学术意义。 1 2 非道路用柴油机排放法规 目前世界上制订非道路柴油机排放法规的国家和地区主要有美国、欧洲、日本、 印度、俄罗斯、中国等，但对于1 8 k w 以下的非道路柴油机，只有美国、印度、中国 三个国家制度了相应法规。美国是世界上排放法规最严格的国家，对各功率段的发 动机均制定了严格的排放限值，印度和中国由于本国小型非道路柴油机的产量较大， 2 江苏大学硕士学位论文 用途广，因此也制定了相应的排放标准。虽然各国排放法规限制参差不齐，但日益 严格是各国排放法规发展的共同特点。 1 2 1 美国e p a 法规 目前美国对非道路柴油机的排放法规分为4 0c f rp a r t8 9 新生产及在用的非道 路压燃式发动机排放控制和4 0c f rp a r t1 0 3 9 新生产及在用的非道路压燃式发动机 排放控制。第阶段新生产及在用的非道路柴油机排放控制( 4 0c f rp a r t1 0 3 9 ) 是 美国第阶段标准【1 5 l 。美国对功率小于1 9 k w 的小型非道路柴油机排放法规第1 阶段 t i e r l 从2 0 0 0 年开始实施，2 0 0 5 年开始实施第1 i 阶段排放法规，而到了2 0 0 8 年美国跳 过了第1 i i 阶段排放直接对小型非道路柴油机实施第阶段排放法规。美国将在2 0 1 4 年全面实施非道路柴油机排放法规第阶段限值，第阶段最终版的目标是与欧盟 第阶段和日本非高速公路特种车辆标准协调一致，在现有排放水平基础上将n o x 和 p m 再降低9 0 ，使非道路柴油机排放值接近“零。预测至i j 2 0 3 0 年美国市场上的发动 机每年可以减少1 2 9 0 0 0 t 的p m 2 5 和8 0 0 0 t 删旧。表l 为美国小型非道路柴油机 排放法规标准。 表卜1 美国e p a 小型非道路柴油机排放法规标准( g k w h ) s l t a b l e 1 1u s ae p an o n r o a dd i e s e le n g i t l e se m i s s i o ns t 硼d a f d s fg ：姆泊1 功率( k 、) 起始时间( 年)阶段 c on m h c + n o xp m 1 2 2 印度法规 从2 0 0 0 年起印度对道路用柴油机开始采用欧盟排放和燃油标准。从2 0 0 5 年起 印度在欧盟标准的基础上制订非道路排放标准替代印度前一阶段标准，之间时间间 隔5 年。由印度道路和高速公路运输部( m o r t h ) $ u j s t 道路和非道路标准，而环境和 林业部( m c 旺劲f ) 制订发电机排放和噪声标准【1 7 1 。印度的非道路法规较严，近年来我国 出口印度的单缸柴油机量逐年上升，但是国内仅有三、四家企业的样机能达到印度 排放标准。印度发电机组用柴油机排放标准和印度农林拖拉机耕耘机用柴油机排放 标准如表i - 2 和卜3 所示。 3 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 表卜2 印度发电机组用柴油机排放标准( g k w h ) i t 8 1 t a b l e 1 1i n d i ag e n e r a t o r sd i e s e le n g i n ee m i s s i o ns t a n d a r d s ( e k w h ) 功率 、聊 起始时间 c oh c n o x p m 表卜3 印度农林拖拉机耕耘机用柴油机排放标准( g k w h ) 【1 9 1 t a b l e 1 3i n d i at r a c t o rw o r km a c h i n ed i e s e le n g i n ew i t hf o r e s t r ye m i s s i o ns t a n d a r d s ( e k w h ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一m l i r a 一 功率 叼 起始时间 c o h c + n o xp m 1 2 3 中国法规 g b2 0 8 9 1 - - 2 0 0 7 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法( 中 国i 、阶段) 是修改采用欧盟但u ) 指令9 7 6 8 e c ( 截止到修订版2 0 0 2 8 8 e c ) 关 于协调各成员国采取措施防治非道路移动机械用压燃式发动机气态污染物和颗粒物 排放的法律的有关技术内容川。其中与2 0 0 2 8 8 e c 修订版相比主要变化和特点简 介如下： 1 ) 适用范围中增加了对农、渔业机械的要求； 2 ) 根据美国标准补充了安装在道路车辆上只驱动车载装置的发动机的定义； 3 ) 第1 阶段增加了对小于3 7 k w 的柴油机的排放控制，控制目标直接指向年产 8 0 0 万台单缸柴油机，这也是我国特有现象； 4 ) 在第1 i 阶段增加了对小于1 8 k w 的柴油机的排放控制，继续加强对单缸柴油 机的排气污染控制。 我国第1 、i i 阶段非道路移动机械用柴油机排放污染物限值标准如表1 - 4 和1 - 5 。 表1 - 4 我国第1 阶段非道路移动机械用柴油机排放污染物限值标准( g k w h ) 【刁 额定功率( k w ) c oh c n o x h c + n o xp m 4 江苏大学硕士学位论文 表1 5 我国第1 i 阶段非道路移动柴油机排放污染物限值标准( g k w h ) r 7 l 额定功率( k w ) c o h c n o x h c + n o x p m 1 3 小型非道路柴油机排放控制技术研究 柴油机排放污染物控制的焦点主要是对n o x 和颗粒的控制。柴油机排放中n o x 的形成条件是高温、富氧以及氧与氮在高温下的滞留时间，因此降低燃烧峰值温度、 缩短高温持续时间和采用适当的弧长都有利于降低n o x 的排放。对颗粒排放的控制 集中于合理组织燃烧过程与后期处理、降低机油消耗，做好其与n o x 的权衡。 现有的柴油机排放控制技术措施通常可以分为机内净化与机外净化两种。机内 净化是根据技术要求，研制柴油机高性能、低排放的工作过程，使柴油机燃烧充分， 排放合理。机外净化包括前处理和后处理，即燃料和空气在进入柴油机气缸前进行 处理或排气在排入大气之前采取过滤或催化反应等技术，以减少排放的有害成分 2 0 - 2 1 1 0 对于小型非道路柴油机来说，由于受结构和价格限制，不适合像车用柴油机那 样使用e c u ，共轨系统，增压中冷、e g r 等先进技术，只能从机内净化出发，优化 燃油供给系统内各零部件参数，改善燃油供给过程，协同匹配柴油机燃烧系统的各 参数，精心设计、合理组织燃烧过程，实现小型非道路柴油节能减排的目标1 1 3 1 。 国内外单缸柴油机所涉及的节能与减排技术主要有： 1 ) 直喷化技术 直喷式柴油机铸造容易，现有的单缸柴油机喷油器倾角普遍较大，大约在1 7 。 至2 1 。之间，因此，减小喷油器倾角至1 0 。至1 5 。，同时缩小喷油器相对于气缸中 心的偏心距离，使喷雾油线在燃烧室内趋于均布是单杠柴油机直喷化技术发展的趋 势之一。相比于涡流室燃烧系统，直喷化技术可以达到节油约1 5 左右，是一项节 能技术。国内单缸柴油机中，缸径9 0 r a m 以上的机型基本采用直喷燃烧技术，在缸 径9 0 m m 以下的机型中，由于燃烧室结构和尺寸设计空间的限制，直喷化燃烧过程 组织比较困难，涡流室燃烧方式仍占较大的比例。 5 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 2 ) 涡流室燃烧系统 涡流室燃烧系统要比燃油经济性直喷式燃烧系统差，且启动较直喷式的困难， 但其工作柔和，具有较好的排放特性【2 2 】。在满足e p a i v 的排放技术中，日本久保田 公司采用一种“三涡流室燃烧技术，三涡流室是介于传统涡流室与直喷之间的燃 烧系统，虽能改善一定的燃油经济性，但是仍然比直喷技术要差【2 3 1 。 3 ) 燃油系统优化改进与匹配 燃油高压喷射及良好的喷雾性能是直喷柴油机改善燃烧，减小排放的关键技术。 满足严格排放法规的要求，通过燃油系统优化改进与匹配，提高单缸柴油机燃油系 统的喷射压力与雾化性能，已成为必然趋势。目前国内单缸柴油机燃油系统在油 泵与油泵凸轮的匹配上存在较多问题，由于油泵与油泵凸轮分属不同的企业制造， 因此两者的协调匹配问题一直无法解决，行业内的研究人员在此方面也未开展细致 的工作。 推迟喷油是最常用的改善n o x 排放的措施，但是会带来燃油经济性变差，同时 会影响冷起动性能瞄l ( 单缸柴油机多为人力起动，冷起动性能相当重要) 。单缸柴油 机上无供油提前角自动装置，静态提前角调整则伴随着供油预行程的改变，供油速 率也随之改变，所以常规单缸柴油机的燃油系统对于配套机械的工况适用性较差。 因而，开发具有冷起动加浓以及供油提前角自动调节功能的单缸柴油机燃油系统是 行业发展的趋势陶。 4 ) 直喷燃烧室油气混合 直喷柴油机喷雾特性与燃烧室的匹配是影响柴油机性能的最重要的因素之一。 喷雾油束在燃烧室内的分布应能充分利用燃烧室内的每一处空气，使燃油与新鲜空 气在燃烧室内尽量以等空燃比混合，通过细致组织气缸内气流运动，使局部混合气 尽可能均匀。 依据充分利用燃烧室空间、保证油气混合均匀的原则，江苏大学刘胜吉提出了 以下匹配理论：直喷柴油机喷雾油线应对称布置于燃烧室中心和油嘴中心的连线上； 活塞位于上止点时油线形成的锥面应轴向等分燃烧室有效空间；相邻油线间在活塞 顶燃烧室投影面积应与喷油嘴各油孔的设计角造成的各喷孔流量差异相一致阳。 5 ) 机油消耗 柴油机机油耗的大小将直接影响整机的颗粒排放性能。从改善机油耗的角度出 6 江苏大学硕士学位论文 发，国内外研究人员对柴油机机体、缸盖、活塞等关键零部件进行不少研究工作， 以求减少颗粒的排放。 综上所述，在单缸柴油机所涉及的燃烧机内净化技术中，涡流室燃烧系统工作 柔和，n o x 排放低，具有较好的排放性能，但是其燃油经济性要比直喷式燃烧系统 差1 5 左右。直喷式燃烧系统具有明显节能的特点，但其对喷油系统要求高，工作 过程组织复杂，工作粗暴，n o x 排放高，排放达标比较困难。对于单缸直喷柴油机 解决n o x 排放主要靠推迟喷油，这会牺牲一定的燃油经济性，研究表明，推迟喷油 1 0 。c a ，油耗会恶化1 0 左右。所以，在较好燃油经济性的条件下，同时符合低排 放的要求，是本课题研究的难点。 1 4 本文主要内容 本文以8 6 3 计划项目( 2 0 0 9 a a 0 4 5 1 0 2 ) 单缸柴油机关键技术与产品开发为支撑， 以e h 2 4 单缸非道路用柴油机为研究样机，从改善缸内燃烧过程的角度出发，采用理 论分析与实验研究相结合的方法，通过对燃油系统一维液力过程仿真优化、燃烧系 统三维虚拟匹配、缸内燃烧过程分析及高速摄影等先进手段，对柴油机燃油供给系 统及燃烧系统进行多参数综合优化改进，以达到提高柴油机性能，降低排放的目的。 本文主要工作如下： i ) 针对燃油燃油供给系统，以提高喷油压力，优化喷油规律，改燃油雾化效果 为目的，利用a v l - h y d i s m 软件建立样机燃油系统的一维液力过程仿真计算模型， 分析了系统内喷油泵柱塞直径、油泵凸轮升程、凸轮型线、高压油管直径、喷油器 参数等几个重要因素对燃油系统液力过程性能影响，并确定燃油系统优化匹配改进 方案； 2 ) 针对燃烧系统，对燃烧室结构与形状优化，配合进气系统以及与燃油喷雾之 间的匹配进行优化研究，科学设置燃油喷注在燃烧室内的周向及轴向分布，促成燃 油和新鲜空气的时间、空间的精细配置，为实现燃油在燃烧室周向和轴向的均布混 合与高效快速燃烧奠定基础； 3 ) 基于燃油供给系统和燃烧系统优化的基础上，利用建立的a v l - b o o s t 和 a v l - f i r e 模型对整个燃烧系统的参数进行虚拟优化匹配，计算不同方案下的n o x 和 s o o t 的变化，根据计算结果确定最终优化匹配方案； 4 ) 对模拟计算的最终优化匹配方案进行试验研究，在试验台架上通过对喷油过 程测试、燃烧过程分析及高速摄影等先进手段对优化方案进行进一步研究，分析燃 7 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 油系统和燃烧过程组织的合理性，并根据美国e p a i v f l 放标准对整机进行排放试验 验证，确定最终优化方案达到了提高柴油机性能，降低排放的目的，为实现小型非 道路柴油机高性能低排放提供参考。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章研究样机与理论建模 本章主要根据样机基本参数建立燃油供给系统和燃烧系统的仿真模型，通过对 试验值与模拟计算结果分析对比，一方面验证理论模型的正确性，可以用来进行优 化设计工作，另一面，以此分析样机改进前的基本情况，为燃油供给系统及燃烧系 统的优化匹配指明方向。 2 1 研究样机 本文以常州柴油机股份有限公司生产的e h 2 4 单缸柴油机为研究样机，其主要技 术参数见表2 1 。 表2 1e h 2 4 柴油机主要参数 t a b l e 2 1p r i m a r yp a r a m e t e r so fe h 2 4d i e s e l 项目技术参数 型式 缸径行稃( m m ) 连杆长度( 衄) 排量( 】0 压缩比 标定功率转速( k w r m i n ) 最大转矩转速( k w r m i n ) 喷油器孔数x 孔径( r a m ) 供油提前角( 。c a ) 单缸水冷四冲程 1 1 5 1 2 0 1 8 5 1 2 4 6 1 7 5 1 7 2 2 2 0 0 8 3 7 ，1 7 6 0 5 0 2 9 1 4 2 2 燃油供给系统建模与验证 以a v l - h y d i s m 软件为平台，建立e h 2 4 柴油机燃油供油系统的一维工作过程的 仿真模型，模拟计算样机标定工况的燃油供给性能，将模拟计算结果与试验值进行 比较，验证模型的准确性。 2 2 1 h y dis m 仿真模型 a v e 仿真平台中的h y d i s m 软件，是以流体力学理论和多刚体系统的振动为基 础，用于液压系统和液力一机械系统动态分析的程序。现主要应用于燃油喷射系统的 模拟计算。 利用h y d i s m 软件建立燃油供给系统的仿真模型，模型主要由凸轮模型、柱塞模 型、出油阀模型、高压油管模型和喷油器模型等组成。各模块之间根据其结构特性 和工作特性定义了不同的连接方式【2 8 】。模型结构如图2 1 所示。 9 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 图2 1h y d is m 燃油供给系统仿具模型 f i g 2 - 1h y d i s ms i m u l a t i o nm o d e lo ff u e li n j e c t i o ns y s t e m 1 ) 柱塞腔中燃油流动的运动方程为： ，鲁码匕誓+ 警+ 等+ 无警 。2 1 ， 其中，f 表示截面积，y 表示升程，t 表示时间，q 表示流量，q 表示燃油可压 缩性系数，v 表示体积，下标p 表示喷油泵。 2 ) 出油阀腔内燃油运动方程为： 厶等+ 警巩k 鲁+ 警 2 ， 其中，下标d 表示出油阀。 3 ) 高压油管模块中，模拟计算的管模型在正常工作情况下都是两相流。考虑到 计算精度的问题并综合求解时间的因素后决定选定拉普拉斯管，特征线管模型，这 是计算精度最好，对实际情况模拟最真实的管模型，且求解时间花费少。 高压油管内燃油运动方程和连续方程为： 孚+p拿+2koxo t 渺 ( 2 23 一) () 窘一砉窘一2 争扣汜4 ， 其中，u 表示燃油在高压油管内速度，k 表示弹簧刚度，p 表示密度，下标0 表 示初始值。 1 0 江苏大学硕士学位论文 4 ) 喷油器模块由盛油槽，泄漏，针阀和喷孔组成。样机的喷油器采用孔式喷油器。 喷油嘴盛油槽槽腔的连续方程为警= ，7 警+ 鲁+ k 警一警( 2 5 )喷油嘴盛油槽槽腔的连续方程为出 出出出出 ( 2 5 ) 其中，n 为阶跃函数，下标n 表示喷油嘴，下标2 表示高压油管嘴端，下标n t 表示针阀头部椎体。 喷嘴压力室内燃油连续方酰鲁弧鲁+ 警+ 誓 ( 2 6 ) 喷嘴压力室内燃油连续方程为： 以1 班班d f ( 2 6 ) 其中，下标n h 表示喷孔，下标j 表示瞬时值。 设标定工况下的燃烧室的温度和压力不变。取低压油路供油压力为0 1 m p a ，燃 烧室温度为9 0 0 ，燃烧室压力为6 5 m p a 。 2 2 2 燃油供给系统模型验证 为验证模拟计算的正确性，对原机燃油系统进行了测试试验，对标定工况下油 管压力模拟值与试验值的进行对比，如图2 - 2 所示。可以看出模拟值与试验值基本一 致，压力值误差均在3 以内，说明模型的计算精度较好，能够反映燃油系统的液力 过程特性，可以用来进行喷油系统的分析改进与设计工作。同时也可以看出，原机 的泵端和嘴端压力仅为4 1 1 m p a 和4 9 7 m p a 左右，喷油持续期较长，喷油速率低， 参照车用柴油机相应排放标准达标时燃油系统的要求，原机喷油压力显得偏低，这 会影响喷油雾化质量，对燃烧过程组织及排放达标不利。 垒 穴 出 扭 蔡 3 04 05 0 凸轮轴转角。c a a 图2 2 原机油管压力模拟值与试验值对比 f i g 2 2c o m p a r i s o nr e s u l to ff u e lt u b ep r e s s u r e 1 1 小型非道路柴油机低排放控制技术研究 2 3 燃烧系统建模与验证 基于a v l - b o o s t 和a v l - f i r c 软件建立燃烧系统一维和三维模型，b o o s t 一维热 力学循环模拟计算结果为f i r e 缸内燃烧模拟计算提供初始条件和边界条件。 2 3 1b o o s t 软件及模型简介 a v l - b o o s t 软件是奥地利a v l 公司发行的一个功能强大、界面友好的发动机稳 态和瞬态性能分析软件，它可以模拟包括燃烧过程在内的发动机整个工作循环过程。 a v u - b o o s t 软件不仅为发动机设计与研究提供了仿真平台，并且通过改变发动机结构 参数和工作过程参数的计算及其对发动机性能的影响分析，可以为发动机设计和试 验提供参考依据。 除模拟缸内条件外，a v l - b o o s t 软件还可通过求解非线性微分方程式组，计算歧 管内一维不稳定气体流动。管道分为许多单元，从一个单元到另一个单元的质量流 量，动力和能量是由r i e m a n n 求解器计算得出。微分方程中，通过使用源项考虑壁 面摩擦效应，热传递和管道横截面的变化。任何位置的气体性质都取决于未燃燃油、 燃烧产物和空气的质量守恒定律。管道的流量损失作为准稳态处理。系统根据初始 条件开始计算，并且反复计算直到下一个循环的计算结果趋向一致冽。 图2 - 3b o o s t 热力学循环仿真模犁 f i g 2 - 3b o o s ts i m u l a t i o nm o d e lo ft h ed i e s e le n g i n e 图2 3 为根据原机参数建立的b o o s t 热力学循环仿真模型，其中，s b l 、s b 2 为 系统边界，c l l 为空气滤清器，c 1 为气缸，r 1 、r 2 为阻力， 1 - 5 为管道。为了 使模型更准确，在变径管处加有一定的阻力，但它不会对流动本身造成任何影响。 根据柴油机的结构和技术参数对计算模型的柴油机机械损失压力、循