（动力机械及工程专业论文）电控单体泵柴油机达国Ⅲ排放燃烧系统优化匹配及标定试验研究.pdf

天津大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着排放法规的日益严格，满足不同阶段排放法规的排放控制技术研究直 都是柴油机研究的热点课题。柴油机燃烧是喷雾扩散燃烧，其排放存在n o x 与 微粒( p m ) 的t r a d e - o f r 关系，同时降低n o x 和p m 排放是柴油机排放控制的难 点。我国2 0 0 7 年将实施国l i i 标准，满足国i i i 标准是我国柴油机工业面临的迫切 而又艰巨的任务。 本文在一台y c 6 g 2 4 0 3 0 电控单体泵柴油机上进行了燃烧过程优化匹配、电 控标定和整机排放优化的试验研究，使该发动机达到了国i i i 排放法规的要求，并 成功通过国i i i 排放型式认证。首先对原机性能和排放进行了分析，提出了燃油喷 射系统、进气系统优化匹配方案，并设计了新的燃烧室结构，通过变喷油定时试 验中b n o x s m o k e 和b n o x b s f c 的t r a d e o f f 关系对比，综合考虑发动机性能、 排放和可靠性，确定了燃烧系统优化匹配方案。在此基础上，进行了电控标定试 验研究，确定了喷油定时控制m a p 、供油量控制m a p 、瞬态空燃比限制控制 m a p 和自由加速烟度控制m a p 。最后，根据国i i i 排放法规e s c 排放测试试验 结果，进行整机排放优化试验研究，确定了最终的发动机控制m a p ，并进行了 柴油机国i 排放型式认证试验。认证试验结果为：n o x 排放为4 9 4 8g k w h 、微 粒排放为0 0 9 8g k w h 、h c 排放为0 3 6 4g k w h 、c o 排放为0 7 6 3g k w h 、 e l r ：0 3 6 1 m ，达到了国i 排放法规的要求。 在优化匹配试验研究中，进行了燃烧系统参数对燃烧特性影响试验研究，并 提出了一种新的低排放燃烧室结构，该燃烧室改变了n o x - s m o k et r a d e - o f r 关系， 可作为满足更加严格排放法规的柴油机燃烧室方案。 本文使一台全国产柴油机成功了达到国i i i 标准，研究结果为我国自主研发满 足国i i i 排放柴油机提供了可供借鉴的经验，具有非常重要的实际工程意义。 关键词：柴油机电控单体泵优化匹配电控标定国排放标准 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gs t r i n g e n te m i s s i o nl e g i s l a t i o n ，i ti sa l w a y sah o tt o p i co f d i e s e le n g i n er e s e a r c hf o rt h ei n v e s t i g a t i o no fe m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yt om e e t e m i s s i o nl e g i s l a t i o no fe a c hp h a s e t h e r ei sat r a d e - o f fr e l a t i o nb e t w e e nn o xa n d p a r t i c u l a t e ( p m ) e m i s s i o n sf o rd i e s e le n g i n ed u et o i t s s p r a yd i f f u s i o nc o m b u s t i o n p r o c e s s s oi ti sd i f f i c u l tt od e c r e a s en o x a n dp me m i s s i o na tt h es a m et i m ef o rd i e s e l e n g i n ee m i s s i o nc o n t r 0 1 c h i n ap h a s ei i i i e m i s s i o ns t a n d a r dw i l lb ep u ti n t op r a c t i c e i n2 0 0 7 ，i ti sas t r i n g e n ta n dd i f f i c u l tt a s kt om e e tc h i n ap h a s ei i ie m i s s i o ns t a n d a r d f o ro u rd i e s e le n g i n ei n d u s t r y as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d yw e r ec a r d e do u to nay c 6 g 2 4 0 - 3 0e l e c t r o n i c u n i tp u m pd i e s e le n g i n eu n t i li tm e e tc h i n ap h a s e e m i s s i o nl e g i s l a t i o ni nt h i s p a p e r , i n c l u d i n gc o m b u s t i o np r o c e s so p t i m i z e dm a t c h i n g ，e l e c t r o n i cc a l i b r a t i o na n d w h o l ee n g i n ee m i s s i o no p t i m i z e d a n di ti ss u c c e s s f u lt op a s sc h i n e s ep h a s ei i i e m i s s i o nt y p ea p p r o v a lt e s t f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo r i g i n a lp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o n ，t h eo p t i m i z e dm a t c h i n gs c h e m e so ff u e li n j e c t i o ns y s t e ma n di n t a k e s y s t e mw e r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e nn e wc o m b u s t i o nc h a m b e r sw e r ed e s i g n e d t h e o p t i m i z e dm a t c h i n gs c h e m eo f c o m b u s t i o ns y s t e m sw a sc o n f o r m e db yc o m p a r i n gt h e t r a d e - o f fr e l a t i o nb e t w e e nb n o x - s m o k ea n db n o x b s f cf r o mc h a n g i n gi n j e c t i o n t i m i n gt e s ta n dc o n s i d e r i n gp e r f o r m a n c e 、e m i s s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n e c o m p r e h e n s i v e l y a n dt h e nb a s e do nt h ef o r e g o i n gw o r k ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f e l e c t r o n i cc a l i b r a t i o nw a sc a r d e do u tt oc o n f i r mas e r i e so fm a p , i n c l u d i n gi n j e c t i o n t i m i n gc o n t r o l l e dm a p , f u e ls u p p l y i n gq u a l i t yc o n t r o l l e dm a p , t r a n s i e n ta i r - f u e lr a t i o l i m i tc o n t r o l l e dm a pa n df r e ea c c e l e r a t i n gs m o k ec o n t r o l l e d l 心f i n a l l y , t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo fw h o l ee n g i n ee m i s s i o no p t i m i z e dw a sc a r r i e do u tt od e t e r m i n e t h eu l t i m a t ee n g i n ec o n t r o l l e dm a pa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ec h i n ap h a s ei i i e m i s s i o n l e g i s l a t i o n e s ct e s t f u r t h e r m o r e ，c h i n e s ep h a s ei i ie m i s s i o nt y p c a p p r o v a lt e s tw a sc a r d e do u ta n di t sr e s u l ti ss h o w e da sf o l l o w s ：n o x ：4 9 4 8g k w h 、 p m ：0 0 9 8g k w h 、h c ：0 3 6 4g l ( w h 、c o ：o 7 6 3g k w h 、e l r ：0 3 6 1 m 一 o b v i o u s l y , t h er e s u l th a sa c h i e v e dc h i n ap h a s ei i ie m i s s i o nl e g i s l a t i o ns u c c e s s f u l l y i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fo p t i m i z e dm a t c h i n g t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nt h ee f f e c to fc o m b u s t i o ns y s t e mp a r a m e t e r so nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cw a s c a r d e do u ta n dan e wl o we m i s s i o nc o m b u s t i o nc h a m b e rs t r u c t u r ew a sp u tf o r w a r d i t 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a l lb eu s e da sac o m b u s t i o nc h a m b e rs c h e m eo fd i e s e le n g i n et om e e tm o r es t r i n g e n t e m i s s i o nl e g i s l a t i o nb e c a u s ei tc h a n g e dt h et r a d e o f f r e l a t i o no f n o x s m o k e i nt h i sp a p e r , ac o m p l e t ed o m e s t i c - m a d ed i e s e le n g i n ei ss u c c e s s f u lt om e e tc h i n a p h a s ei i ie m i s s i o ns t a n d a r d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r eh e l p f u lt or e s e a r c ha n d d e v e l o p c h i n ap h a s ei i id i e s e le n g i n ei n d e p e n d e n t l y ，s oi ti sg r e a tp r a c t i c a l i t yi ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n ee l e c t r o n i cu n i tp u m p o p t i m i z e dm a t c h i n g e l e c t r o n i cc a l i b r a t i o nc h i n ap h a s e e m i s s i o ns t a n d a r d 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，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞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：厶c 兵 签字日期：办n 7 年月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕连盘堂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： 山f 兵新签名：雹骶 签字日期：加7 年月7 ) 日签字日期：沁7 年月三尹f t 天津大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 柴油机是热效率最高的动力装置，c 0 2 排放低，在载重车、大中型客车、特 种车乃至轿车上得到了越来越广泛的应用。但随着柴油机保有量的增加，它也给 人类社会带来了一些尖锐的、不可回避的问趔l 】：一是能源危机；二是环境污染。 研究资料显示：大气中2 1 7 的h c ，3 8 5 的c o ，8 7 6 的n o x ，2 1 7 的 c 0 2 ，6 2 的s 0 2 以及3 2 的p m 来自汽车发动机；而在城市中，8 7 的h c ，6 1 的c o 和5 5 的n o x 来自汽车发动机1 2 1 。对柴油机而言，其有害排放物主要有n o x 、 p m 、h c 和c o ，其中重点和难点是n o x 和p m ，因为他们之间存在一种t r a d e - o f f 关系。随着汽车废气排放危害越来越引起人们的关注和重视，全球各国及地区纷 纷制订相应的排放法规来控制排放。 1 2 排放法规 2 0 世纪5 0 年代后各国经济迅速发展，汽车产量和保有量不断攀升，车用内 燃机排放物的危害开始被发现和确认。美国、日本和欧洲等工业发达国家从2 0 世纪6 0 年代开始颁布排放法规，其中美国是世界上最早执行排放法规的国家， 也是排放控制指标种类最多、排放法规最严格的国家。目前美国、日本和欧洲的 汽车排放法规形成当今世界3 大汽车排放法规体系【3 l 【4 1 【5 1 ，图1 1 为美、日、欧 重型车用柴油机排放法规颗粒排放和n o x 排放限值，由图可看出未来的排放限 值越来越严格，这就要求不断开发研究相应的排放控制新技术。 我国机动车污染控制始于1 9 7 9 年，相对起步较晚。在世界3 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用于我国的实 际情况，我国在充分吸收欧美的经验后，全面等效采用了欧盟( e u ) 指令、e c e 技术内容和部分前欧共体( e e c ) 法规的基础上形成了中国排放法规体系。1 9 9 7 年 以来我国分阶段制订了汽车排放法规，表1 1 为我国柴油机排放法规各阶段限值 天津大学硕士学位论文第一章绪论 及实施时间。 亡 芒 口 一 警 i 图1 1 美、日、欧重型车用柴油机排放法规的现状及未来标准 表1 1 中国柴油机排放法规各阶段限值 排放标准国i国i i国i i i 国 国v 实施北京 1 9 9 9 0 1 0 12 0 0 2 0 8 012 0 0 5 1 2 3 02 0 1 0 0 1 o l2 0 1 2 0 1 0 1 年份 全国 2 0 0 1 0 9 - 0 12 0 0 4 0 9 ol2 0 0 7 0 1 0 12 0 1 0 0 1 0 l2 0 1 2 0 1 0 1 p m ( g k w h ) o 3 60 1 50 1 0o 0 2o 0 2 n o x ( g k w h ) 8 o7 05 o 3 5 2 0 h c ( g k w h ) 1 11 10 6 60 4 60 4 6 c o ( g k w h ) 4 54 o2 11 51 5 烟度( m 1 ) o 80 50 5 1 3 柴油机排放控制技术 为了适应不断强化的节能和降低排放的要求，世界各国已开发应用许多车用 柴油机排放和节能控制技术措施。归纳起来主要有燃烧过程优化、废气后处理、 提高燃油和机油品质、结构改进四个方面【6 h 1 7 1 。 1 3 1 燃烧过程优化 柴油机的燃烧属于喷雾扩散燃烧，喷雾时间短，缸内混合气极不均匀，燃烧 的关键在于喷雾过程中燃油与空气良好的混合，只有缸内气流运动、燃烧室几何 形状和燃油系统的合理匹配才能改善混合气的形成质量。通过燃烧过程优化可达 到加强燃油与空气混合、燃烧充分、工作柔和、起动可靠、高效率的要求，并改 善传统的p m 与n o x 之间的t r a d e o 帙系，因此燃烧过程优化是排放控制的治本 2 天津大学硕上学位论文第一章绪论 之举。燃烧过程优化主要通过优化燃油喷射系统、进排气系统和燃烧系统实现高 教清洁燃烧。 ( 1 ) 燃油喷射系统 柴油机燃油喷射系统是柴油机实现高效、清洁燃烧的关键核心技术，是燃烧 过程优化的基础，在满足不同阶段柴油机排放法规中，都是以采f i j 先进的燃油喷 射系统为前提，现代柴油机对燃油喷射系统的基本要求是：高喷射压力、多次喷 射以及调制喷油规律的灵活柔性控制。 对于传统的泵一管一嘴燃油喷射系统，虽然结构日益复杂，但其喷油压力和控 制是话性都无法满足现代柴油机对燃油喷射系统的要求。喷油系统的喷射压力将 向高压方向发展，提高喷射压力，结合其它先进燃烧技术，可j 司时降低碳烟和 n o x 排放。据文献介绍，目前柴油机燃油喷射系统的最高喷射压力超过了2 0 0 m p a ，甚至达到了2 6 0 m p a 的超高压力。随着电子控制技术的发展，电控技术在 柴油机上的应用和发展是必然的1 钔。电控技术可使柴油机捧放控制与燃油经济性 之间的矛盾得到有效的调和，根据发动机转速和负荷连续调节喷油定时，使发动 机在不同运行工况都能获得良好的排放和经济性。电控燃油高压喷射被认为是选 欧i n 及以后更严格排放法规的必要技术手段电控燃油高压喷射系统主要有：电 控单体泵、电控泵喷嘴2 ”和商压共轨燃油喷射系统】。图l 一2 所示为未来电 控高压燃油喷射系统的发展趋势口2 i 。其中电控共轨式燃油喷射系统( c o r o z a o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m ) 近年来得到了迅速的发展，其应用越来越广泛，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、日奉电装公司的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。 9 9 11 9 舛1 9 9 72 32 0 0 62 0 0 9 图1 2 电控高压燃油喷射系统的发展趋势 3 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 电控喷射可以实现多次喷射，对喷油规律进行灵活柔性控制，根据发动机运 行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧和扩散燃烧的比例，可以同时降 低排放并改善发动机性能。图1 3 所示为理想的5 段喷射过程【2 3 】：第l 段为预喷 射，为了获得局部均匀燃烧或改善冷起动性能；第2 段，在有些喷射装置中主喷 射喷油率不易控制时，为了控制n o x 排放和燃烧噪声，再增加一个喷射量和位 置可控制的预喷射以形成合适的“靴型喷射”；第3 段，通常称主喷射段，对主 喷射段的主要要求是高的喷射速率，但也希望是一个“先缓后急”的过程，为了 缩短喷射持续期并加速主喷射期燃油与空气的混合，要求有高的喷射压力；第4 段，是在主燃烧后期增加缸内的湍流强度，使主燃烧期产生的微粒氧化，同时局 部的过浓也可以使部分n o x 还原，达到机内降低p m 和n o x 的目的；第5 段， 是为了提高排气温度，提高后处理器的转换效率。因而未来柴油机对燃喷油射系 统的控制要求非常高且非常复杂：预喷射的量非常小( 轿车柴油机要求卜2 m m ) 且位置根据工况可灵活变化；后喷射的量也非常小，而且必须与n o x 还原和d p f 等措施同时使用；此外，上述各喷射阶段的结束均要求停油快速，否则会引起油 耗与烟度的增加。 t i ni n i e c b o n b ) p o tl n j e c “o “ c ) c l o o ec o u p i e lp b o ti n j e c t i o n a ，c l o m oc o u p i dp o i ti n 扣k = t 】l o “ 图1 3 理想喷油过程模式 喷油器也是燃油喷射系统的重要组成部分，其发展趋势是喷孔数增多、喷孔 直径减小。电控喷油器是电控共轨式系统中的核心部件，其中压电式喷油器是目 前研究开发的热点。此外，还涌现了很多新技术，如可变开启压力、可变喷孔数、 可变喷孔锥角和可变喷孔直径等。 ( 2 ) 进排气系统 a ) 增压中冷 采用增压中冷，不但可以显著提高平均有效压力，降低排放和噪声，并能有 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 效地提高燃油经济性剐2 ”。增压中冷技术已广泛应用于满足欧2 以r 捧放法规的 现代柴油机上，井向高增压，高响应性能发展。为了保证高低速工况都达到良好 的性能，先后出现了带排气旁通阀增压器、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 、可变叶片增压器、电辅助增压器等新技术【”1 1 2 6 i 。目前国 际上一些先进发动机己开始采用两极增压和两极中冷技术，图1 - 4 为b o r gw a r n e r t u r o os y s t e m 公司的两极增压中冷技术，图i - 5 为b m w 公司发动机实际采用的两 极增压技术口”。两极增压( 两极中冷) 技术可 进一步提高升功率，特别是提高低速扭矩- 降r 了乏了乏灭j t 了芑习 低最大扭矩转速，并降低低速大负荷烟度和油 t ，= j 争 耗，改善发动机的瞬态响应性能，实现发动机+ 十 卜 l 兰 全工况范围增压优化。同时两级增压技术也是 一 y 实现柴油机低温燃烧基础，通过两级增压提高图i - 4b o r g w a r n e r t u r b os v s 【c m 增压比，可以引入更高比例的e g r ，实现低温 公司两极增压两极中冷技术 燃烧，同时降低p m 和n o x 排放。采用此技术的主要问题在于两极涡轮增压器的 匹配及控制，另外它还会导致增压系统质量和尺寸增加，进排气管设计复杂润 滑系统复杂从而成本高并且还对发动机结构强度提出了更高的要求。 否瓦o f 固。国e 0 95 石丽。毒 黉垂 皤蝌 ，一日嘲扫辨一 b e l o w l 8 0 0 m mo n l y b e y o n d3 0 0 0r p m o n b 。m t u r b o s w o r k ；m e l a r g e r b o s u p p l i 惦 f w h i c l e l a u n c h lf m s hc h ar g e 图1 - 5b m w 公司发动机采用的两极增压技术 b ) 废气再循环( e g r ) e g r 技术将部分废气导入进气系统中而使燃烧温度明显降低，并且废气的加 入也使进气中的含氧量下降因此它能有效降低n o x 排放【”i ，从而改善p m - n o x 之间的t r a d e - o f i 关系( 如图i 一6 所示) 。在大负荷情况下，废气带来的高温同时 加热了进气，增大了热负荷( 在增压柴油机上更为明显) ，会部分抵消对n o x 排放的改善作用这就需要对e g r 进行冷却。冷却式e g r 对n o x 排放的改善作用 天津大学顼上学位论文 第一章绪论 更显著，但柴油机采用冷却式e g r 时管路内微粒的沉降易导致堵塞，量 和 从而影响发动机可靠性。e g r 技术l 是未来发动机燃烧过程控制的重要 手段和必要技术它须与电控技术 和增压中冷技术相结合，根据柴油 。 机负荷、转速及冷却水温度传感器 l 0 婺： 、 ： 1 12 。k 5 图1 - 6e g r 对捧放的影响 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 能最大限度地减少n o x 而又不影响其经济性和h c 、c o 、颗粒的捧放【2 9 1 训。一 般当b g r 率不超过2 ( p o 时，采用e g r 对动力性、经济性影响很小，而n o x 排放可 降低5 0 左右。 c ) 可变配气机构 目前报道的可变配气机构主要有可变气门定时v v t 、可变气门升程v t e c 、 可变气门驱动( v v a ) 、可变凸轮作用角、可变摇臂比、电磁气门、液压气门 等，其中可变气门定时已被国际上很多汽车公司采用1 ”i i ”l 。图l 一7 为b m w 公司开 发的可变气门正时配气机构v v a ，它可实现气门开启相位和升程连续可变。v v a 技术可以根据发动机运转工况提供最佳的配气正时和气门升程较好地解决了 高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上 改善了废气排放。采用v v a 技术可咀将柴油机设计成高压缩比利用进气门早关 或晚关来降低有效压缩比，既保证了发动机低速时的起动性又能降低油耗使 发动机工作比较柔和。v v a 技术也可虬提高柴油机各转速下的充气效率如果适 当加大喷油量，可提高输出功率和扭矩机械损失相对减小从而使发动机总效 率增加。 医 图i - 7 b m w 公司可变气门正时配气机构v v a 技术 旺 天津大学硕上学位论文第章绪论 ( 3 ) 燃烧系统 a ) 燃烧室改进设计 柴油机直喷化是现代柴油机的发展方向，柴油机的燃烧章型式、形状和结构 参数对柴油机的燃烧和有害排放物的生成有重要 的影响。燃烧室设计的基本原则是使燃烧室与进 气涡流，喷油合理匹配改善燃油与空气的分布 促进燃油与宅气充分混合，使燃烧更允分以减少 污染物的生成【川。随着技术的发展和喷油压力 的不断提高，涌现出很多新艰燃烧室。b o s c h 图l 一8 燃烧书基本形状 公司提出了满足不同阶段摊放法规的燃烧室基本形状，如图1 8 所示。 b ) 新型燃烧方式 传统柴油机属于喷雾扩散燃烧喷雾时间短，燃料与空气的混台极不均匀 形成高温火焰区和高温过浓区。尽管柴油机燃烧室内气体平均温度大约在 1 2 0 0 k 一2 0 0 0 k ，平均空燃比在2 3 咀上，但是其燃烧过程是由局部当量比为1 的 扩散燃烧所控制，局部火焰温度高达2 7 0 0 k ，极有利于n o x 生成。而在高温过 浓区，又由于缺氧而生成大晕碳烟微粒( p m ) 。l 述燃烧过程优化技术( 如电控 高压喷射、增压中冷、e g r 等) 部没有改变传统柴油机扩散燃烧的固有性质， 存在p m 和n o x 排放的最低极限，很难满足未来越来越严格的排放法规的要求。 为了突破传统柴油机排放极限，近年来国际上广泛开展了先进柴油机燃烧新技 术的研究。其本质是通过混台气控制，柴油机燃烧过程中混台气浓度和温度变化 历程避开传统柴油机燃烧高s o o t 和n o x 生成区域( 如图1 - 9 所示) ，实现高教 清洁燃烧。先进燃烧技术的特征是预混合、均质、低温燃烧p ”，其中比较有代表 性的有美国西南研究院( s w r i ) 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“均匀充罱柴油机燃烧过 程”( h c d c ) 、日本新a c e 研究院的 “稀薄侦混合柴油燃烧系统( l p d c ) ”、 【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( m k ) 燃烧系统”、天津大学搏万华教授提出的 “m u l i n b u m ph c c i 复台燃烧技术” 以及太连理 大学胡国辕教授提出的“伞 图i 一9 新型替代燃烧系统概念 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 喷闪急蒸发混合控制燃烧技术”等。 新型燃烧模式具有低n o x 、p m 排放，高热效率的突出优点，日益受到重 视，但其要实现广泛应用还存在以下问题：着火时间和燃烧反应速率控制、稳定 运转工况范围窄( 目前仅适应于中、低转速和小负荷) 、较高的h c 、c o 排放 和较低的排气温度，它的应用仍需要通过进一步的研究。 1 3 2 废气后处理 传统柴油机非均质燃烧的固有性质决定了燃烧过程优化存在p m 和n o x 排放 的最低极限，随着排放法规的日益严格，废气后处理技术被认为是重型柴油机达 欧及以上排放标准的必要措施，柴油机后处理主要包括氧化催化器、微粒过滤 系统和n o x 还原后处理系统等。 ( 1 ) 氧化催化器( d i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t , d o c ) 1 3 7 1 1 3 8 1 【3 9 l 氧化催化器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，催化剂主要是铂、铑、钯等贵金属，它降低有害排放物的效 果主要取决于所能达到的催化剂涂层技术。氧化催化器在国内外的柴油机上应用 较多，其技术也趋于成熟，但存在催化器的热老化和催化剂中毒问题，需要开发 可抑制硫酸盐生成的催化剂和降低燃油和机油的硫含量。 ( 2 ) 颗粒过滤及再生技术( d i e s e lp a r t i c l ef i l t e r ，d p f ) 【柏】【4 1 】 颗粒过滤及再生技术是降低p m 排放的重要手段，其装置由颗粒过滤器和再 生系统组成。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。过滤器在国外已有商业化的产品，过滤体材料应用较多的有壁流式蜂窝陶 瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维、 多孔性金属以及碳化硅， f 黧器坌墅h 霆养磊霾霉耋l 二竺兰兰竺兰竺芝竺竽一；j 同- v 栅司, & - - i l f 瓣一h 霭嚣 竺篡凳竺剧唑一 篱笨磐 三粪耄：茎的三喜耄壹j | t 蔓虱囊b 差蚕基毳萝 纛弱 1 苎壁墨竺卜1 气高 暑爱? r l 莲蓬匿垂l 法成为研究重点，涌现出 一一 1 塑苎堡塑翌：苎竖- j 8 天津大学硕士学位酷文第一章绪论 近年来连续冉生技术( c o n t i n u o u s l y r e g e n e r a t i n g t r a p c r t ) 获得很大发 展乖l 应用其工作过程和反应机理如蚓i i i 所示”“。柴油机排出的废气先经过 一个氧化催化器，在c o 和h c 被净化的同时，n o 被氧化成n 晚：流经过滤器 的n 0 2 在较低温度( 2 0 0 c 左右) f 即可利用其强氧化性将沉积在过滤器七的微 粒氧化成c q 从而实现再生。此再生过程无需加热升高过滤体温度即可连续地 使微粒边过滤沉积、边氧化燃烧，基本保持动态平衡，达到在低背压下长期自动 连续再生，但此技术要求燃油和机油禽硫量低，且系统体积较大，价格昂贵。 圈洋圈等 _ w - ，q o m 图1 - i i 连续再生技术c r t ( 3 ) 选择性催化还原技术( s e l e c t i v e c a l l , i t r e d u d i o ms c r ) 1 4 3 1 叫 s c r 技术过去主要应用于固定机械、船舶和机车，近几年才应用于重型车辆， 车辆上常用的是尿素s c r 技术，其工作机理如图i 1 2 所示。首先将尿素喷到排气 管中尿素经热解和水解后生成n h 3 再在催化剂作用下利用n h 3 将n o x 还原为 n 2 和h 2 0 。该技术对燃油经济性影响小，易于改装且反应温度较低，催化剂不 含贵金属，对硫不敏感：但其成本高，需尿素计量控制装置和喷嘴为防止溶于 水的尿翥在温度降低时结品堵塞管路需加人争门的添加剂，还得注意防止n h 3 外 泄。 ，罡基墨l 。一、。 一。一 。2 2 三三三鼍兰 ：曼! 葛j ；基三i ；釜 图1 一1 2s c r 技术 * e * e * ；_；u 天律大学硕士学位论文第章绪论 ( 4 ) n o x 存储还原催化技术( n o xs t o r a g ea n d r e d u c t i o n c a t a l y s i s ，n s r ) 发动机正常运转时，将n o x 用吸附剂以硝酸盐形式存储起束，当吸附达到 饱f i 】时需再生吸附器调整发动帆t 作状况产生亩燃条件使硝酸盐分解释放出 n o x n o x 再与h c 和c o 在舞金属催化器作用f 被还原为n 2 。它应用于柴油机 主要存在两个问题：一是柴油机不能自动在浓混合气运行，二是催化剂容易硫中 毒。前者可以通过较高的e g r 、空l 节流、喷射策略的修正以及增加h c 等来 解决但会使燃油经济性变茬：而硫中毒问题则需采用低硫柴油或硫捕捉器i “i 。 ( 5 ) 稀n o x 催化还原技术( l e a nn o x c a t a l y s t ，l n c ) h q l n c 技术利用h c 作为还原剂来减少n o x 按h c 的来源分为被动l n c 技 术和主动l n c 技术。被动l n c 技术利用废气中的h c 作为还原剂，土动l n c 技术m 嗵过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的h c 量。柴油机还砸n o x 的 过程是在富氧条件下进行，因此需要有效的还原剂还原的效率j 0 c 决于还艨剂的 种类和h c n o x 的比率。图1 一1 3 为h c n o x 的比率对l n c 技术还原n o x 效率 的影响因此在l n c 技术中关键是提高h c n o x 的比率。 圉1 一1 3h c n o x 比率对i n c 技术还原效率的影响 6 ) p m - n o x 催化还原系统( d i e s e lp a r t i c u l a t e - n o x r e d u c t i o ns y s t e m ，d p n r ) 午田公司成功开发出一套可以同时 净化p m 和n o x 的后处理系统，1 1 0 p m - n o x 催化还原系统d p n r ”i 。阁卜1 4 j d p n r 系统的p m 和n o x 净化机理，其n o x 净化 机理与r 述n s r 技术相同，印空燃比稀 时n o x 被吸附材料吸附，而空燃比浓时 将吸附的n o x 放出，正原成n 2 。p m 净化 鬻赢鬻 面丽，瓦面广 ”攀藏岸4 毫露画一：磊忑赢 阿i 1 4d p n r 系统净化机理 则采用r 连续氧化方式，在稀燃状态时，排气1 - 过量的氧和n o x 存储过程中释放 正j；c86z 天津大学硕士学位论文第章绪论 的活性氧将过滤嚣上的微粒氧化；在浓馄合气状态时则由n o x 存储过程中释放的 活性氧来氧化微粒。d p n r 系统具有较高的p m 和n o x 净化率( 可达8 ( p a 以上) ， 但其要求低硫燃油。 ( 7 ) s c r t 四元催化转化器技术【“i 2 0 0 0 年3 月d e 仃0 i t 召开的s a e 年会上，j o h t 3 s o n m a n h e y 公开了一项能同时净化 n o x 、p m c o 和h c 的s c r t 四元催化转化器技术。圈卜1 5 为紧凑型s c r t 系统， 表l 一2 为实际采用s c r t 系统得到的试验结果。该系统目前应用主要问题b p s c r 和 c 喘术存在的问题：成本高、需额外的尿素喷射装置和储存装置和对硫敏感等。 表1 - 2s c m 系统捧放净化试验结果 n 0 x。p m 咖w e a g i n e o a t 0 0 2 2 r a i l p i p e 7 9 “ 图l 1 5s c r t 系统 1 3 3 提高燃油、机油品质 柴油机的燃油组分对捧放有相当的影响。据报道，如果燃油质量得到改善， 对我国的轿车和货车来说，c o h c ，n o x 及p m 的排放会减少2 0 以上。提高 燃油品质的方向主要有：控制十六烷值范围与降低芳烃含量、降低燃料含硫量、 降低t 9 5 温度和燃油密度、开发代用燃料等川【”i 。 随着捧放法规的日益严格，对机油的品质也提出了越来越苛刻的要求。美国 石油学会a p i 陆续推出了c d 、c e 、c f - 4 、c g - 4 、c h - 4 、c 1 4 、c j - 4 规格的机 油，机油品质等级越高，其热氧化安定性、清净分散性、粘温特性、烟炱抑制能 力咀及沉积物控制能力越好畔i 。废气后处理投术要求机油采用低s a p s ( s u l p h a t e d a s h 、p h o s p h o r o s 、s u l p h u r ，硫酸盐灰分、磷、硫) 配方。 1 3 4 结构改进 排放法规的日益严格和升功率的不断提高促使柴油机整体强化设计t 达欧i i i 及以上排放檗油机要求提高允许燃烧爆发压力到1 6 2 0m p a 。为降低机油消耗需 鎏 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 进一步提高机体刚度、控制缸套变形、改进缸套网纹设计、活塞环优化设计及组 合、优化活塞及裙部型线和采用先进冷却概念( 如t o p - d o w nc o o l i n g ，e f f e c t i v e t o p e n d l i n e rc o o l i n g c r a n k c a s e t o pe n d l i n e rc o o l i n g ) 等。 多气门设计是直喷柴油机满足未来排放法规的重要措旆目前多数采用四气 门技术。采用四气门结构，可以中置喷油器，使油束处于均匀分布的理想状态， 实现了最佳的空气利用率和燃气的混合，改善燃烧过程，有利于p m 的排放。另 一方面，通过控制一个气道的开关可得到不同的涡流比使气缸内的空气运动在 整个工况范围内保持最佳i 矧。 1 4 柴油机排放控制技术路线 上文对柴油机现代排放控制技术做 了较系统、全面的介绍为满足未来排 放法规可选择不同的技术路线。根据国 外欧山柴油机排放控制经验，从欧i i 到 欧m 的关键是在欧i i 柴油机基础上匹配 电控高压燃油喷射系统，井对燃烧系统 ： 嚣i 篆 0 m 3 4 矗7 8 。 捧放控制技术路线 进行优化匹配。但从欧i 到欧i v ，对于重型柴油机必须采用后处理措施。根据 采用不同的后处理技术，选择不同的技术路线如图1 _ 1 6 所示。其一是：在欧 m 基础上通过进一步提高喷射压力、提前喷油和燃烧系统优化措施降低p m 排 放采用s c r 后处理技术技术降低n o x 达到欧i v s c r 后娃理控制和燃烧系统 优化则可达到殴v ；其二是：在欧i 基础上通过提高喷射压力、采用e g r 技术 和燃烧系统优化降低n o x 捧放，采用d p f 后处理技术降低p m 而达到欧，但 是如果要达到欧v 排放标准，则有可能还需要采用其它的还原n o x 后妊理技术。 此外，各国及地区还可根据各自的国情和技术倾向性选择不同的排放控制技术， 图l 一1 7 为日、美、欧在各排放控制阶段所采用的排放控制技术。由图可见，欧 堋中、重型柴油机在欧、欧v 阶段倾向于采用s c r 技术，而美国则倾向于采 用e g r 和e g r + d p f 技术，日本重型柴油机倾向于采用e g r + s c r 技术，而中 型柴油机倾向于e g r + d p f 技术；各国欧及以上排放标准阶段排放控制技术殊 途同归，均采用e g r + d p f + s c r 技术。 天津大学硕上学位论文第一章绪论 刨 “托寸f # ：r er 图1 1 7 日、美、欧备排放控制阶段采用的排放控制技术 1 5 本课题的主要研究内容及意义 我国柴油机排放控制水平