（机械制造及其自动化专业论文）废气再循环系统对柴油机排放的影响.pdf

中文摘要 本文研究了有效降低n 嘣 放途径之一的废气再循环( e g r ) 对4 9 8 增压柴油机排 放的影响，旨在通过试验确定e c er 4 9 十三工况的最佳e g r 率，降低n 0 ，排放。 本文参照国外现有的增压柴油机e g r 系统及其控制方式，采用带有扩压管、电控 的e g r 系统为研究对象。扩压管的形状和尺寸采取了利用b o o s t 模拟程序先通过模拟 计算来确定，设计了e g r 冷却系统。 在4 9 8 增压柴油机e g r 系统试验过程中主要进行了不同e g r 率、不同e g r 温度、推迟 喷油对发动机排放的影响，通过对其结果分析研究，得出了e c er 4 9 十三工况法下各 工况点的不同e g r 率及推迟喷油对柴油机排放和性能的影响规律，最终从降低n o x 排放、 改善n 0 x 与微粒的折衷关系、减少燃油经济性损失和降低c o 及h c 排放增加量的角度出 发，同时在权衡各工况点的排放加权系数的基础上，确定了十三工况中应当供给e g r 的各工况点和相应的最佳e g r 率。 本文研究e g r 对4 9 8 增压柴油机排放的影响结果如下： 1 通过对增压柴油机e c er 4 9 十三工况的排放特性分析，可以看出在增压柴油机 中加入e g r 可以充分降低n o x 排放量；试验中的中小负荷工况点排气烟度增加较小，在 大负荷工况点排气烟度显著增加；c o 在加入e g r 的各工况点都有所增加；h c 排放基本保 持不变；在中小负荷工况点还有利于改善燃油经济性；总体上对增压柴油机上采用e g r 系统是达到排放法规要求的有效方法。 2 本文对比了增压柴油机应用e g r 系统和推迟喷油两种手段来降低n o ；排放量的效 果，可知采用e g r 系统可以更有效地降低n o x 排放，而且同时可以提高发动机的燃油经 济性。 3 本文介绍了增压柴油机采用冷热e g r 系统对降低n o x 排放量的效果，可知采用冷 e g r 可以更有效地降低n 0 ；排放量，而且其他有害排放物基本保持不变。冷e g r 无论在排 放还是在燃油经济性上都要优于热e g r 。 4 本文对比了增压柴油机和自然吸气柴油机采用e g r 系统后对发动机燃油经济 性的影响结果，可知自然吸气柴油机加入e g r 后在大部分工况点都要恶化燃油经济 性；而增压柴油机在加入e g r 后在中小负荷工况点反而可以提高发动机的燃油经济 性。 关键词g 增压柴油机，e g r 率扩压管，e g r 冷却，推迟喷油 a b s t r a c t i no r d e rt os e l e c t e dt h eo p t i m a le g rr a t eu n d e rd i f f e r e n te c er 4 9 - l3 s l p ，i tw a s s t u d i e dt l l a tt h ei n f l u e n c eo ft h ee m i s s i o nf r o md i e s e le n g i n ew i t he g rs y s t e mt h a ti su s e d 黔av e r ye f f e c t i v em e a n st or e d u c en o xe m i s s i o n si n t h i sp a p e r o v e r s e a st h e r ea le ac o u p l eo fe g rs y s t e m sr e p o r t e d , f r o mt h e s ee g rs y s t e m s ，u s i n g v e n t u r i p i p ee g rs y s t e mc h o s e ni nt h i st e s t b e c a u s eo fb e i n gp r e s s e df o rt e s te q u i p m e n t ， t h ep a r a m e t e r sf o rc a l c u l a t i n gt h es i z eo fv e n t u r i p i p ec a n tb em e a s u r e dp r e c i s e l y ，s ou s i n g b o o s tp r o g r a mt o s i m u l a t et h ep r o c e s so fd i e s e le n g i n et od e t e r m i n et h es i z eo f v e n t u r i - p i p e ，a n dd e s i g n i n gt h ec o n s t r u c t i o no fe g rc o o l i n gs y s t e m n i st e s to f4 9 8t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n eu s i n ge g rs y s t e mp r o c e e d e de g rr a t e ， e g r t e m p e r a t u r ea n dr e t a r d i n g 蝎e c t i o nt i m i n gt e s t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t 跏v e r s u sn o x t r a d e - o f fc u r v eg e n e r a t e df r o me c er 4 9 13 s l pw i t he g rw e r ea n a l y z e d m e a n w h i l et h e e f f e c t so fi n j e c t i o nt i m i n ga n de g rt e m p e r a t u r ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，t h eo p t i m a le g rr a t e a n de g r t e m p e r a t u r ew e r es e l e c t e da c c o r d i n gt or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n ，r e d u c ec o a n d h ce m i s s i o n su n d e rd i f f e r e n ts l p 1 1 1 ei n f l u e n c eo ft h ee m i s s i o nf r o mt h e4 9 8t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ew i t he g ri s a n a l y z e di nt h i sp a p e r ，t h er e s u l t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y s i so ft h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e re c er 4 9 - 13m o d e ls h o w st h a t e g ri sg r e a t l ye f f e c t i v eo nr e d u c i n gt h en o xe m i s s i o nf r o mt h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ； t h ei n c r e a s eo fs ri ss m a l l e ru n d e rl i g h t - m i d d l el o a d s ，w h i l ei ti sr e m a r k a b l eu n d e rh i g h l o a d s ；t h ee m i s s i o no fc oi si n c r e a s e du n d e ra l lm o d e l sw i t he g r ；i ti sh e l p f u lt oi m p r o v e t h ebu n d e rl i g h t - m i d d l el o a d s ；g e n e r a l l y ，t h ee g rs y s t e mi st h ee f f e c t i v ew a yt om e e tt h e d e m a n d so ft h ee m i s s i o nr u l e sf o rt h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ( 2 ) t h ee g rs y s t e ma n dt h ef u e li n j e c t i o nt i m i n gr e t a r d a t i o na l ec o m p a r e di nr e s p e c t o fd e c r e a s i n gt h en o xe m i s s i o nf r o mt h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ei n t h i sp a p e r t h e r e s u l t sh a v es h o w nt h a te g ri sn o to n l ym o r ee f f e c t i v eo nr e d u c i n gt h en o xe m i s s i o nb u t a l s oo ni m p r o v i n gt h eb ( 3 ) t h ec o o l e de g r a n dt h eh o te g ra l ea l s oc o m p a r e di nr e s p e c to fd e c r e a s i n gt h e n o xe m i s s i o ni nt h i sp a p e r c o o l e de g r i sg r e a t l ye f f e c t i v eo nr e d u c i n gt h en o xe m i s s i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fk e e p i n gt h eo t h e re m i s s i o n su n c h a n g e a b l eo ri m p r o v e d c o o l e de g r i ss u p e r i o rt oh o te g ro nb o t ht h ee m i s s i o na n dt h eb i ti sb e t t e rt oa d o p tt h ec o o l e de g r s ) ，s t e mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n e ” ( 4 ) t h en a t u r a la s p i r a t e dd i e s e le n g i n ea n dt h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n eb o t hw i t h e g ra r cc o m p a r e di nr e s p e c to ft h eb i th a ss h o w nt h a tt h ebo ft h ef o r m e rw i l lb e d e t e r i o r a t e du n d e ra l lm o d e l s b u tt h ebo ft h el a t t e rw i l lb ei m p r o v e du n d e rl i g h t - m i d d l e l o a d s k e yw o r d s ：t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ，e g rd a t e ，v e n t u r i p i p e e g r c o o l i n gi n j e c t i o nt i m i n gr e t a r d i n g 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，也不包含为获得鑫垄盘鲎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：私怿嗲签字日期：、扣7 年，月7 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞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：弼确邛 签字日期：抄 年， 月j 多日 导师签名：舅风多， 签字日期：抑夕年月巧日 第一章绪论 1 1 车用柴油机的发展现状 第一章绪论 在世界范围内，汽车已成为运输旅客和货物的主要交通工具，发动机仍是主要 的动力源，柴油机由于其较高的压缩比( 汽油机的压缩比受爆震限制) ，稀混合气燃烧 ( 汽油机的混合气受点火界限和三效催化转化器的要求限制的要求限制，不能过稀) 以及无进气节流损失等原因，具有油耗低的优点。低油耗意味着较低的c 0 。排放。c 0 2 是导致温室效应的原因，低的c 0 ：排放可以减轻地球温室效应的压力。就轿车用内燃 机来说，传统的间接喷射式柴油机( 预燃室式或涡流室式) ，在典型的部分负荷工况 点( 2 b a r 平均有效压力；2 0 0 0 r m i n ) 的c 0 。排放低于现代汽油机1 3 左右；在怠速状态 下，低1 8 ；全负荷时，低l 。现在，市场上的直喷式柴油机的经济性更佳，c 0 2 排放也更低，在部分负荷时，低于现代汽油机2 3 ，怠速时，低3 5 ；全负荷时低 1 8 。另外，柴油在生产和运输中产生的c o 。也远远低于汽油。由于以上一些优点，柴 油机在船舶、载重汽车、工程机械等动力机械中得到了广泛的应用。 柴油机具有油耗低、可靠性和耐久性好的优点。从节能和抑制地球暖化的角度 来看，希望采用热效率高的柴油机是肯定的，在研究引入c o 。税的欧洲，正竞相开发 效率较高的直喷式柴油机。除了极低的挥发性碳氢化合物之外，低的c 0 2 、c o 和h c 排 放( 特别在冷启动情况下) 是柴油机的固有特点。然而，较高的n o x 和微粒排放给柴油 机发展投下阴影。近几年来柴油机发展方向的明显特点是：满足排放法规：降低燃油 耗：满足噪声法规：降低成本。 美国、日本和欧洲等发达国家在大、中型载重汽车上已全部柴油机化，特别是 近年来由于广泛采用增压技术，使其升功率达到了汽油机的水平，从而大大改善了 柴油机的动力性，因而在轿车和轻型车上也开始逐步应用柴油机。从全世界多缸柴 油机的年产量统计结果和日本历年的不同运输工具的运输量统计结果中可以得出， 世界范围内汽车柴油机化将在各种车型上继续发展。 直喷式柴油机由于其良好的燃油经济性和冷起动性，因而加强了它的竞争地 位，使得在载重车上的柴油机已全部直喷化，在轿车和轻型车上直喷式柴油机也保 持良好的上升势头。这主要是由于直喷式柴油机在保持其良好经济性同时，提高了 升功率，优化了燃烧过程，改善了排放特性。 我国汽车工业相对落后，这不仅体现在发动机性能指标差，而且布局也不合理， 大部分在用载重车仍用汽油机。近二十年由于受发达国家汽车发动机柴油机化、直 第一章绪论 喷化的冲击，已开发了一系列载重车用直喷式柴油机，提高了柴油机比例。在载重 车上开展了汽油机到柴油机的改造，现生产载重车上已全部用直喷式柴油机，取得 了可喜的成绩。轿车柴油机一汽生产的捷达已经成功投入市场使用，奥迪已在试生 产，但轿车柴油机有待于进一步研究开发。 1 2 车用柴油机的排放法规的现状和发展目标 随着汽车工业的飞速发展，汽车保有量急剧膨胀，汽车排放问题受到极大关注， 因为汽车排放严重影响着生态环境、人身健康，制约着经济的发展。大气中的污染 物5 0 来自汽车排放，而且随着汽车保有量的增多，对汽车有害废气不能很好控制的 情况下，这一比例还将继续增大。特别是在阳光照射下h c 与n o x 作用，形成光化学烟 雾，以及柴油机的排气微粒中含有苯并( a ) 芘( b a p ) 和多环芳烃( p a h ) 等强烈致 癌物质，造成对人体及动植物的严重危害。所以世界上各发达国家相继投入大量的 人力、物力和财力控制环境污染，保护生态平衡。为了能更好地治理环境污染，相 继制定了一系列的环境保护法规，其中包括车辆排放法规，以期达到以法的形式来 治理空气污染的目的。特别是近十年来由于环保意识加强，对车用柴油机的低污染 要求越来越突出，美国、日本和欧洲等国家相继颁布了愈来愈严格的排放限值法规 嘲，我国参照的是欧洲排放，表i - i 为联合国欧洲委员会( e c e ) 制定的重型车用柴油 机的排放标准。从表中可见，对重型柴油机来说重点要求n o x 的进一步降低和微粒的 相应减少。 表i - ie c e 重型柴油机排放标准 单位：g ( k w h ) 标准 e u r o ie u r o i ie u r o i i i咖i v 测试标准 e c er 4 9e c er 4 9e c er 4 9e c er 4 9 生效日期1 9 9 2 1 9 9 51 9 9 92 0 0 4 n o x8 07 0 5 0 3 0 p t0 3 6o 1 5 o 1 0 8 5 i 唧 2 0 0 0 i 1 型式认证 4 51 18 0o 6 l0 3 6 0 1 2 0 0 0 1 i 产品一致性 4 91 2 39 0 0 6 8 0 4 0 2 0 0 5 1 1 型式认证 4 01 17 00 1 5 0 2 2 0 0 5 1 1 产品一致性 4 01 17 00 1 5 由此可以看出，我国载重车用柴油机开始从单纯烟度控制发展到气态污染物与 微粒排放的综合控制，这标志着我国的载重车用柴油机排放控制工作已步入正轨， 必将大大促进各柴油机生产厂家投入力量开展柴油机排放控制工作。 1 3 控制车用柴油机各种有害排放物的技术措施 1 3 1 车用柴油机的有害排放污染物 ( 1 ) 车用柴油机排放污染物主要有以下几种： h c ( 碳氢化合物) ：h c 是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化 的产物，有烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对 人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢会 转化成对基因有毒的环氧衍生物；烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下 形成有毒的“光化学烟雾 的罪魁祸首之一。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是 第一章绪论 多环芳香烃及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对呼吸道、血液有毒。 c o ：它是发动机内不完全燃烧的产物，是汽车排气中有害物质浓度最大的成分。 c 0 是一种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的2 4 0 倍，c o 与血红蛋白结合生成羟基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供养能 力。空气中c o 的体积百分数超过o 1 时，就会导致人体中毒；超过0 3 时，则可 在3 0 分钟内使人致命。 n o x ( 氮氧化物) ：它是燃料在发动机内高温燃烧而生成的产物。内燃机排放的 氮氧化物绝大部分是一氧化氮n o ，少量是二氧化氮n 0 2 ，一般用n o x 表示。n o 是无色气 体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成n 0 2 。n o = 呈褐色，具有强烈的刺激味，对 肺和心肌有很强的毒害作用。n o x 是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。 c 砚：它是汽车排放物中含量最多的物质，目前虽未列入控制项目，但由于它是 导致全球温室效应的物质，已包括在环境净化所考虑的范围内。 p 1 ( 微粒) ：它是柴油发动机的主要污染物之一，主要是由柴油燃烧生成的( 柴 油机排放的微粒是汽油机的几十倍) 。其粒径大致在0 0 1 - - - 0 0 5 r a m 之间，其主要成分 是碳及其吸附的有机物质，吸附物中有多种p a h ，具有不同程度的致癌作用。 s o x ( 硫的氧化物) ：燃料中的s 在燃烧后会形成s o x ( s o 。s 0 3 ) 排出发动机外，能形 成酸雾，污染环境含硫量较高的燃料，在燃烧后形成的s o x 还会毒化催化器中的催化 剂，降低净化效果目前，有的国家已将硫在燃料中的含量进行了限定。 1 3 2 车用柴油机的有害排放污染物的控制技术 除了极低的挥发性碳氢化合物外，低的c o , 、c o 和h c 排放( 特别在冷起动情况下) 是柴油机的固有特点。然而较高的n o x 和微粒排放给柴油机的发展投下了阴影。减少 柴油机排放的技术大多受n n o x 、微粒和油耗反比例关系的束缚。发动机研究者采用 各种不同的技术，如采用直喷化、增压中冷、高压喷射、废气再循环、电子控制、低 润滑油耗等措施来降低排放，取得了一定的效果。 减少发动机n o x 排放的措施及其相应的技术见表1 - 3 所示。减少n o x 的方法可分 为两种，一是抑制它的生成，二是对排出的n o x 进行后处理渊。在发动机燃烧室内n o x 的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的控制。也就是说，为了减少n o x 的生成，就 要采取使燃烧室内温度降低和降低氧浓度的方法。降低燃烧温度的方法有推迟喷油、 冷却进气、废气再循环等。此外，控制喷射率、采用小喷口喷嘴、延长喷射时间、 引燃喷射、提高压缩比使着火滞后、减少快速预混合燃烧的比例等方法对减少n o x 的排放也是有效的。采用e g r 降低n o x 排放是通过降低了燃烧室内温度和氧浓度来完 成的。此外，提高压缩比、缩短着火延迟期、减少初期的喷射率以致减少在着火延 第一章绪论 迟期内形成的混合气等措施，对减少n 0 x 也是有效的。 后处理的典型方法是采用n 0 x 催化净化剂，现正在研究直接分解n 0 x 、用氨、 尿素作还原剂等等。此外，还在研究不采用催化剂而采用氨和氨基酸直接还原的方 法，以及用等离子分解n 0 x 的方法等。但是，柴油发动机往往是在高负荷下长时间 工作，要求有高的可靠性和耐久性，因此开发耐用的后处理装置极为困难。 表1 - 3控制n 0 x 排放的技术措施 减少排放的措施减少排放的技术 控制喷射时间 推迟喷油 控制喷射率波形 引燃喷射 控制燃烧率小喷口喷嘴 降低燃烧温度 高压缩比 进气冷却中冷器 抑制生成 e ( 讯 添加非活性物质 水喷射 减少n 0 x e ( 承 降低氧浓度添加非活性物质 水喷射 控制涡流 消除生成区控制稀薄混合气区 喷嘴布置在中心 催化剂 还原催化剂 化学处理 分解催化剂 后处理 氨基酸 其它 氨化合物 电化学处理电化学处理 等离子处理 p t 由炭、可溶性有机物( s o f ) 、燃料中的硫分生成的硫酸盐及其结合水构成。 硫酸盐的形成起因于燃料中的硫分，所以在发动机方面就必须采用减少烟灰等碳素 物质和s o f 的方法。减少p t 的措施及相应技术见表1 - 4 。 为了减少碳素物质首先是抑制它的生成，一旦生成了烟灰，在燃烧后期使其氧 化是非常重要的。为使以上的设想成为现实，使燃料或生成的烟灰与空气充分混合， 第一章绪论 表1 - 4 控制f r r 捧放的技术措施 减少排放的措施 减少捧放的技术 小喷孔喷嘴 促空气进入喷雾内 控制涡流 增压 多气门 增加吸入空气增压 改进进气系统 促进燃料减少无效容积 抑制生成 空气混合 提高空气利用率改进燃烧室 高压喷射 高紊流燃烧室 加强紊流 控制涡流 使燃料均匀分布喷嘴布置在中心位置 减少i s o f 小喷孔喷嘴 使喷雾微粒化 高压喷射 小喷孔喷嘴 促进空气进入 控制涡流 喷雾内 增压 多气门 促进s o o t 增加吸入空气增压 促进燃料后期混合改进进气系统 氧化 减少无效容积 提高空气利用率 改进燃烧室 高压喷射 高紊流燃烧室 加强紊流 控制涡流 后处理 捕集、焚烧 ，f 小喷孔喷嘴 抑制燃料附着壁面促进微粒化 高压喷射 抑制生成小室喷嘴 防止尾滴 减少室内容积 减少s o f v c 0 喷嘴 减少润滑生成s o f减少润滑油消耗改进活塞环、缸套 促进氧化催化剂氧化催化剂 后处理 捕集、焚烧d p f 一6 一 第一章绪论 具体的方法有通过增压和多气门技术增加吸入空气量，采用小喷孔喷嘴和增加向油 雾内导入的空气量，缩小燃烧室内的无效容积提高空气利用率、采用高压喷射和改 进燃烧室形状从而加强紊流的形成等等。此外，喷油嘴布置在燃烧室的中心，使燃 料均匀分散，不使之产生燃料局部过浓的部位，这种方法对抑制p t 的生成是有效的。 s o f 是由未燃烧的燃料和润滑油产生的一些成分构成的。对源于燃料的成分采取减 少在燃烧室上的燃料附着量和降低喷射喷嘴的尾滴的措施来解决。对源于润滑油的 成分主要采取改进活塞环、缸套，减少润滑油消耗量的措施来解决。 p t 的后处理方法主要是采用消除s o f 的氧化型催化剂同时捕集微粒再加以焚烧 的d p f ( 柴油颗粒捕集器d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 。催化剂要解决的问题是抑 制燃料中的硫分所生成的硫酸盐，对于d p f 所要解决的问题是捕集器的再生方法及 其耐久性和可靠性。 1 - 5 改善燃料性质减少排放嘲 减少排放措施减少排放技术 高十六烷值燃料 抑制初期燃烧 低硫化( 减少磨损) 降低燃烧温度采用e g r 减少n o i 水溶性燃料 添加水 低硫化 低硫化 防止催化剂中毒 低芳香族化 低硫化 减少硫酸盐( 燃烧室内催化剂) 低芳香族化 轻质化( 粘度、馏程特性) 变更燃料成分 含氧燃料 减少p t 抑制s o o t 生成 促进微粒化、促进蒸发低十六烷值燃料 变更燃料基因 轻质化 减少未燃成分减少多环芳香族 减少s o f 变更燃料成分 第一章绪论 1 4 国内外车用柴油机排放研究现状 1 4 1 国外研究现状 随着排放法规的逐年加严，国外各大柴油机制造企业为了满足其要求纷纷采取 了一系列新技术。其中有( 1 ) 对燃烧过程进行优化：改善燃油喷射系统、提高喷油 压力和减少喷孔直径以降低颗粒中碳的排放；( 2 ) 采用中央布置喷油嘴：改善燃烧 室内燃油和空气分布，有效减少颗粒和h c 排放；( 3 ) 降低对涡流的要求：减少滞燃 期内与空气混合的燃油量，从而减少n o x 的生成；( 4 ) 采用多气门技术：降低油耗 率改善排放；( 5 ) 增压中冷技术：提高发动机平均有效压力，降低排放和噪声，并 能有效地提高燃油经济性；( 6 ) 柴油机可变控制技术：明显提高不同工况下排放性 能和经济性能；( 7 ) 电子控制技术：可以有效地调和柴油机排放控制与燃油经济性 之间的矛盾；( 8 ) e g r 技术：有效地降低n o x 排放量；( 9 ) 改进润滑油系统设计： 减少颗粒中有机可溶物( s o f ) ；( 1 0 ) 新型燃烧室：如德国埃尔斯贝特公司的双热 区直喷燃烧系统，可降低柴油机的颗粒和n o x 排放；( 1 1 ) 氧化催化器：消除排气中 的可燃气体和可溶性有机组分；( 1 2 ) 颗粒过滤及再生技术：降低排气中的颗粒排 放；( 1 3 ) n o x 催化转化器：降低排气中的n o x 排放。 从以上国外对柴油机排放控制方面的研究状况可以看出国外对控制排放的技 术已经达到了非常系统，而且控制效果非常显著的地步。这些成果对我国开展柴油 机排放控制有重要的参考价值和实际指导意义。 1 4 2 国内研究现状 国内研究柴油机排放技术的时间较晚，而且仅集中在少数几个大学和研究院所 中，其重点也仅是针对排气微粒方面，取得了一些研究成果。然而为了全面控制排 放，还需要投入更多的入力进行更深入的基础研究乜】。 我国目前的柴油机各种有害排放值较高，这主要是由于当初在设计柴油机时没 有考虑到排放性，只注重动力性和经济性等指标。大部分都主要采用机外净化的手 段，而且各种手段间还存在着矛盾，因此必须开发考虑排放性的新型发动机。 1 5 本课题的主要工作内容和意义 1 5 i 本课题的主要工作内容 本课题主要针对国产4 9 8 型车用增压柴油机装有e g r 系统的基础研究，主要为 第一章绪论 了达到e u r o i i i 法规要求。主要研究内容有： ( 1 ) 关于车用增压柴油机十三工况排放特性的研究，根据各工况点的排放物 所占的权重，找出控制排放物的最佳e g r 率。 ( 2 ) 进行增压柴油机e g r 系统所必须的废气增压装置一扩压管设计研究，借助 发动机模拟程序b o o s t 软件通过模拟计算来确定扩压管的形状。 ( 3 ) 研究不同尺寸的扩压管对最大e g r 率的影响，从而获得e g r 率对排放物 的影响，最终确定适合车用的最佳扩压管。 ( 4 ) 研究e 6 r 温度对发动机排放的影响，设计自动调节废气温度的e g r 冷却 系统。 ( 5 ) 比较研究推迟喷油和e g r 对发动机排放性能和经济性的影响。 ( 6 ) 比较研究自然吸气柴油机和增压柴油机应用e g r 系统的效果。 1 5 2 本课题的意义 本课题选用国内自主开发的4 0 8 增压柴油机作为主要研究对象，如果能很好地 对该类型柴油机排放实现控制，将具有非常大的实际意义，因为该类型的柴油机潜 力很大。 通过本课题的研究，一方面可以尽可能地解决国产柴油机排放高的问题，实现 动力性、经济性和排放性的合理折衷；另一方面可以满足排放法规的要求，为企业 占领市场提供条件。 一9 一 第二章e g r 对发动机的影响及国外增压e g r 系统 第二章e g r 对发动机的影响及国外增压机e g r 系统 2 1e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 废气再循环) 对发动机的影响 重型车用柴油机排放限值逐年加严，特别体现在n o x 和p t 上，这就使排放控制 和提高柴油机经济性的矛盾越来越大。所以重型车用柴油机排放控制研究是目前和 未来几年的核心问题嘲。可以预料，由于燃烧技术的进步、机油消耗的控制、燃油 含硫量的减少以及作为候补的氧化催化剂的使用，p t 排放量的减少主要通过缸内p t 生成的控制予以满足。在降低p t 排放量方面取得成效后，目前各国对重型车用柴油 机空气污染的控制集中到迸一步降低n o x 方面。 因此，目前的研究和开发工作正致力于降低n o x 的技术。由于n o x 主要是在高温 下生成的，控制n o x 的传统方法是增压中冷及推迟喷油。但是，迟后喷油会使燃油 经济性恶化，并导致c 0 。排放增加，因为燃油经济性的恶化会影响到汽车驾驶者的利 益，并且c o z 排放量的增加会对全球气温产生负作用叫，此种方法最终也是不可取 的。因此，任何降低n o x 的措施必须注意保持目前占有优势的直喷式柴油机的效率。 本章主要讨论e g r 降低n o x 的技术以及采用e g r 后发动机所受到的影响和国外采用的 e g r 系统进行介绍。 2 1 1 e g r 是控制n o x 的主要技术措施之一 n o x 的生成机理有三种： ( i ) 高温n o x ：高温( 燃烧) 过程因离解反应同时生成氧和氮的原子及分子， 根据z e l d o v i c h 的理论，这些分子和原子接着形成了n o x 。 ( 2 ) “即时 n o x ：在预混合燃烧的贫氧火焰层中的化学反应产生h c 根，它 与氢分子一起形成氰化物，再通过副反应从氰化物形成n o x 。 ( 3 ) “燃油 n o x ：在相对较低温度下燃烧期间从燃油边界区脱离的氮生成的 n o x 。 通常在柴油机中高温n o x 是占主要的，其它两种n o x 的生成机理微不足道。于是， n o x 主要是在燃烧期间，燃烧区域附近，特别是在高温和存在o 。和n 2 的情况下生成的。 因此，控制缸内n o x 生成需要用下面的方法同时控制两方面的因素，即与局部氧氮 浓度有关的混合及燃烧过程和局部温度及变化过程隋1 。 e g r 是把一定数量的废气引入到发动机的进气系统n 羽，使得进气充量中惰性气 第二章e g r 对发动机的影响及国外增压e g r 系统 体( h 2 0 蒸气，n 。和c o 。等) 的比例增加。由于这些惰性气体具有较高的比热，使得经 再循环废气稀释的混合气的比热容增高，致使发动机最高燃烧温度下降，同时e g r 的稀释作用也降低了混合气中的氧浓度，从而破坏了高温n o x 的生成机理，以致有 效地抑制了n o x 的生成。因此，e g r 成为控制n o x 的主要技术措施之一仉。一1 。j 1 1 。 2 1 2 e g r 对燃烧放热及n o x 生成的影响 柴油机燃烧过程有两个阶段：1 预混合燃烧阶段：2 扩散燃烧阶段。燃油喷 入到燃烧室中，滞燃期后，立刻产生快速燃烧，此即预混合燃烧。预混合燃烧后紧 跟着是扩散燃烧。在柴油机燃烧中大部分燃油是在扩散燃烧阶段燃烧的。这个阶段 是产生烟和p t 的主要阶段。 柴油机应用e g r 后，不仅改变了进气充量的成分( 加入了c 0 。和 1 2 0 蒸气) 而且改 变了进气充量的物理状态( 温度和压力) 。加入e g r 后，c o 。和h 2 0 蒸气稀释了充量中 的0 2 ，增加了滞燃期，使得燃料与进气充量混合的时间增长，导致自燃区朝着燃烧 室壁面转移，这就增加了燃烧火焰的容积。随后扩大的燃烧火焰容积围绕着大量的 气体，这吸收了更多燃烧放出的能量，因此降低了燃烧温度。滞燃期的增长，造成 整个燃烧过程朝着膨胀行程转移，这影响了燃烧过程和排放物的形成。 应用e g r 后，燃烧过程中可利用的氧的降低导致滞燃期增长，致使整个燃烧过 程向膨胀行程推移。这使燃烧气体在高温下所处的时间缩短，从而降低高温n o x 的 形成以及未燃h c 的氧化速率降低。 应用e g r 后，虽然滞燃期的增长加快了预混合燃烧的速率，但是较低的可利用 氧降低了预混合燃烧的峰值速率。这就降低了燃烧温度、压力，随后降低了n o x 但 增加了p t 。 应用热e g r 后，提高了进气充量的温度，减小了进气充量的质量。进气充量温 度的提高对放热率有复杂的影响，充量温度的提高使得整个燃烧循环的气体温度提 高，这也缩短了滞燃期，就使燃油与空气的混合时间缩短。同时，充量温度的提高 加强了滞燃期内和随后的燃烧过程中的燃油蒸发和空气与燃油的混合。但是，过量 的蒸发能引起在燃烧室内出现大量富油的浓混合气区，这是由于热空气高的粘度限 制了空气传输。这就出现了在先期燃烧的高温下由于增加了燃油高温分解率，产生 大量的烟排放。 由于热e g r 导致较低的充量密度从而减小充量的质量。充量质量的减小影响燃 烧过程有两个方面：1 燃烧放热由较少的充量吸收，引起较高的燃气温度。2 进 气充量质量的降低减少了燃烧中可利用的氧。减少进气充量中的氧通常引起发动机 输出功率降低及排放恶化，这主要是归因于燃烧的恶化。进气充量氧的减少也轻微 第二章e g r 对发动机的影响及国外增压e g r 系统 的增长了滞燃期n 町。 2 1 3 e g r 对发动机机油和零部件的影响 对于柴油机而言，为了达到未来排放法规，用e g r 来降低n o x 排放量已经成为 主要的措施，但是，由于柴油机要求高的耐久性和可靠性，采用e g r 后将会给发动 机带来零部件磨损和机油劣化的问题必须得到解决。汽车制造商考虑到这个问题， 对于燃油，采取的措施有降低燃油中的硫含量。 e g r 对发动机机油影响的研究是进行发动机试验和研究e g r 的干扰作用。试验 通过对柴油中硫含量对发动机机油的影响得出了以下结论： 1 e g r 对机油粘度的影响 发动机加入e g r 后而使机油劣化，是由于燃烧室内的烟进入到发动机机油中， 增加了不溶解的污染物；由于柴油中所含的硫分经燃烧产生了硫酸从而降低了总碱 值。试验中产生的不溶解污染物的数量使得粘度增加。 2 e g r 对总碱值的影响 柴油中硫含量的不同决定了碱值减小的程度，含硫量越小，总碱值也减小越小。 3 e g r 对去垢作用的影响 通过对油底壳沉积物和活塞清洁度的机油去垢能力的研究，比较有e g r 和无 e g r 的情况，可以看出油底壳中更多沉积物的趋势。这些对于去垢力的有害影响或 许是由于e g r 从燃烧室内进入到发动机机油中的烟数量增加所引起的。为了保持油 底壳清洁需要有效的提高机油的分散力。因此，我们认为发动机机油必须具有高的 分散力。 4 e g r 对顶环的影响 柴油中含有0 2 的硫，采用e g r 顶环磨损比不加e g r 的情况要大的多。通过研 究结果认为，燃油中硫含量对于顶环磨损的影响比机油性能对其的影响大。从上面 的事实可知，如果采用含硫量为0 0 5 的燃油将会大大地降低顶环的磨损。 5 e g r 对配气机构磨损的影响 为了减小配气机构的磨损，必须在凸轮和挺杆的滑移表面上保持一层油膜。为 了达到这个目的，必须增加机油的高温高剪切粘度( 耵h s ) 。配气机构磨损是由于 采用e g r 后的烟引起的，这种情况可以通过采用合适的h t h s 粘度和粘度系数改进 剂的数量加以限制。 为克服采用e g r 后因磨损加剧而使发动机寿命降低，应选用高质量的润滑油和 含硫量低的燃油。将含硫成分降低到0 0 5 ，就可允许较大量的e g r 。在轻型柴油机 第二章阱r 对发动机的影响及国外增压e g r 系统 领域，解决磨损问题的措施是强制性采用高质量的润滑油。类似的情况也可在重型 柴油机领域预见到。即发动机的磨损可通过改进发动机润滑油成分提供高的总碱 值予以控制。进一步改进活塞环、缸套也可以降低发动机的磨损“”。 2 2 国外增压机e g r 系统 2 21 使用与涡轮增压器一体的e g r 系统 图2 - 1 采用与涡轮增压嚣一体的睇r 系统叫 从图2 一i 所示的装置图我们可以了解到废气从发动机排气管流出后一路流入到 涡轮机中，另一路流向e g r 冷却器，然后进入到e g r 泵中增压，从泵中流出的e g r 气流在e g r 充量混合器中与增压后的空气进行混合，然后一并进入到发动机进气总 管向各缸分配。此装置的特点是：采用一个涡轮机驱动两个压气机同时对进气和e g r 气流进行增压，整个装置在发动机上布置简单，但是双压气机增压器的结构复杂， 成本必然很高。 图2 - 2 所示的装置是采用整体b g r 泵的e g r 系统的对e g r 和空气同时增压的整 体增压嚣，从这张图中可阻清楚地看到增压器的具体结构非常复杂；同时还可看到 在增压嚣中也带有e g r 阀，同样也可以进行e g r 量的调节。 第二章e g r 肘发动机的影响及国外增压e g r 系统 f _ 耋圈 卜妪7 蠹弋i 一警 一= 懿曼：一1 图2 1 2 整体e g r 泵“” 从图2 - 3 所示的装置图我们可以了解到这种装置可以随着发动机负荷的不同 而调节e g r 率的高低。这主要是因为当发动机处在大负荷工况时增压后的进气压力 也高从e g r 冷却器流出的e g r 气体的压力比进气压力要低的多，节流阀开度大， 因此流经e g r 阀的气流也较少，e g r 率也较低，这时发动机为了满足动力性的要求 田2 - 3 采用进气节流阀结构的e g r 系统 也不需要高的e g r 率；当发动机工作在小负荷工况时，增压后进气压力与e g r 气流 第二章e g r 对发动机的影响及田外增压阱r 系统 的压力相差不多而且节流阍开度小，这样流经e g r 阀的气流也相对较多，e g r 率 较高，这时发动机需要高的e g r 率；并且流过节流阀到达e g r 阀的气流不会再回流， 节流婀还起到单向阍的作用，因此这种装置有很高的实用性。 2 22 可实现冷热e g r 系统试验的装置 一鹭 亘d 耐爹 图2 _ 4 可实现冷热e g r 系统试验的装置”1 从图2 - 4 所示的试验装置我们可以了解到在这种试验系统中，可以研究不同的 e g r 温度对发动机性能的影响：即热e g r 以及冷e g r 对发动机排放和性能的影响。 2 23 废气与空气混合后同时增压的e g r 系统 图2 5 给出了一种将e g r 气流与进气空气先混合后一同进入压气机增压的e g r 系统装置，这种装置的优点是不用考虑废气能否进入到发动机气缸的问题，而且装 置布置起来简单，但是柴油机应用此种装置后使得压气机受到废气的污染，从而降 低压气机的寿命。 霾 鱼一 第二章e g r 对发动机的影响及国外增压e g r 系统 e c r 气流 图2 - 5 废气与空气同时增压的e g r 系统【1 力 2 2 4 带有文丘里混合器的e g r 系统 图2 - 6 带有文丘里混合器的e g r 系统堋 从图2 6 所示的试验装置我们可以了解到在这种试验系统中采用了文丘里混合 器来提高废气压力，从而使得e g r 气流能够进入到发动机气缸中。这种装置布置简 单而且文丘里混合器制造简单、成本低，适用于大批量应用。 2 3 本章小结 本章主要分析了e g r 对发动机的影响，介绍了国外增压柴油机所采用的e g r 系 统。通过e g r 影响的正反两面分析为e g r 研究指明方向：学习国外经验，设计一个 第二章e g r 对发动机的影响