（机械工程专业论文）降低phaser+230ti增压中冷型柴油机有害排放物的试验研究.pdf

中文摘要 摘要 随着针对内燃机的排放法规日益严格，研制满足排放法规，并实现高效 燃烧的发动机是生产厂家迫切的现实任务。 本文以珀金斯动力( 天津) 有限公司的主力机型2 3 0 t i 增压中冷直喷柴 油机为对象，以整机满足欧i i 排放法规为目标，进行了燃烧优化的实验研究。 本文在分析柴油机主要有害排放n o x 、p m 以及h c 、c 0 生成机理和降低 排放的主要措施基础上，针对2 3 0 t i 柴油机的特点和工厂生产的实际情况， 提出了在不改变原机缸盖气道的前提下，对燃烧系统进行优化设计，利用机 内净化措施降低主要有害排放n o x 和p m ，使发动机达欧i i 排放。 本文重点研究了柴油机的高压油泵喷油压力、喷油定时、增压压比、燃 烧室形状、喷嘴孔数、孑l 径、喷孔锥角等参数对柴油机排放性能的影响。通 过提高供油压力并采用顶隙柱塞，适当降低柱塞预行程，推迟供油提前角， 采用小孔大喷孔锥角的喷油器，燃烧室形状优化等措施，使发动机的排放大 大降低，整机排放达到了欧i i 水平。 2 3 0 t i 柴油机在不改变原柴油机进气道的前提下，通过供油系统的改进 和燃烧系统的优化匹配，实现了柴油机的低排放燃烧，为珀金斯飞驰系列柴 油机的低排放研究起到借鉴作用。 关键词：直喷式柴油机 n o xp m 供油系统燃烧室设计燃烧优化 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er e s t r i c t i o no f t h em o r es t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o no ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ，i ti si m p e r i o u st a s kf o rt h ee n g i n em a n u f a c t u r e r st op r o d u c et h ei c ew h i c hc a l l m e e tt h er e g u l a t i o na n dr e a l i z et h eh i 曲e f f i c i e n c yc o m b u s t i o n t h ep a p e rs t u d i e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ec o m b u s t i o ns y s t e m ，s ot h a tt h ee n g i n e o u t e m i s s i o n sc a l lm e e tt h ee u r oi ie m i s s i o nr e g u l a t i o n t h ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e do n a2 3 0 t im r b o c h a r g e da n di n t e r c o o l e dd i e s e le n g i n et h a tw a st h er e g n a n te n g i n et y p eo f t h ep e r k i n sp o w e rc o ，l t d ( t i a n j i n ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o r m a t i o no ft h em a i nd e l e t e r i o u se n g i n e - o u te m i s s i o n s i n c l u d i n gn o x ，p ma n dh ca n dm a i nt e c h n o l o g yt or e d u c et h o s ee m i s s i o n s ，t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ec o m b u s t i o ns y s t e mw i t h o u tt h ec h a n g eo fi n t a k ep a s s a g ei n t h ec y l i n d e rh e a dw a sm a d e w i t ht h em e a s l e so fr e d u c i n gt h en o xa n dp me m i s s i o n s 、 t h ee n g i n ec a l ls a t i s f yt h ee u r o1 1e m i s s i o n sr e g u l a t i o n t h ee f f e c t so ft h ei n j e c t i o np r e s s u r eo fh i g hp r e s s u r ef u e lp u m p ，i n j e c t i o nt i m i n g p r e s s u r er a t i oo ft u r b o c h a r g e r , c o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p e ，i n j e c t i o nh o l en u m b e r , h o l e d i a m e t e ra n ds p m yc o n ea n g e lo ne n g i n ee m i s s i o n sw e r es t u d i e d t h ee n g i n ee m i s s i o n s w e r er e d u c e dv e r ym u c ha n dm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ee u r o1 ib yt h em e a n so f i n c r e a s i n gt h ef u e ls u p p l yp r e s s u r eo fs u p p l yf u e lp u m pc o m b i n e dw i t ht o pc l e a r a n c e p l u n g e r , r e d u c i n gt h ei n i t i a ls t r o k ep r o p e r l y , d e l a y i n gt h ef u e ls u p p l yt i m i n g ，u s i n gt h e i n j e c t o rw i t hs m a l lh o l ea n dl a r g es p r a yc o n ea n g l ea n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h e c o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p e u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fn oc h a n g eo fi n t a k ep a s s a g e ，t h e2 3 0 t id i e s e le n g i n e r e a l i z e st h el o we m i s s i o nc o m b u s t i o no n l yb yt h ei m p r o v e m e n to ft h ef u e ls u p p l ys y s t e m a n do p t i m i z a t i o no ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r t h i se x p e r i e n c e sd e s c r i b e da b o v ec a nb e u s e da st h er e f e r e n c ef o rt h el o we m i s s i o nr e s e a r c hf o rt h ep h a s e re n g i n e k e yw o r d s ：d i r e c ti n j e c t i o ne n g i n e ，n o x ，p m ，f u e ls u p p l ys y s t e m 、d e s i g no ft h e c o m b u s t i o nc h a m b e r , c o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n 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终发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘生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r 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：、r 0 拿缮、签字臼期：徊年，? 月，j - 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂生盘茔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， 井采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借 弼。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、r f 枣结、挪签戥毕 j 签字日期：吩缸丰口月，日 簦字f 期：哆7 2 日l 由 第一章绪论 第一章绪论 引言 内燃机由于能量转换效率高、功率密度大、机动性能好等优点， 在各行各业特别是汽车和其他移动式装置中获得广泛应用。近年来， 我国的汽车工业获得了飞速发展，据中国汽车工业协会的最新数据 报告，2 0 0 0 年我国的汽车产量为2 0 7 万辆，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年分别 为2 3 4 17 万和3 2 5 万辆，2 0 0 3 年我国的汽车产量达到4 4 4 万辆，比 2 0 0 2 年同期增长3 5 2 其中轿车同比增长8 3 2 5 ，轻型载货汽车 增长_ 2 4 7 2 ，载货汽车增长了1 0 ，客车增长了1 】9 4 。我国汽 车产量位居美、日、德之后，已经成为世界第四大汽车生产国，尽 管受国家宏观调控的影响，根据商业部预测：2 0 0 4 年我国汽车产量 将突破5 0 0 万量，其增长比率仍将超过1 3 l 。汽车工业协会也预 测，2 0 0 5 年我国汽车将达到7 0 0 万辆，到了2 0 1 0 年，年产量将突破 1 0 0 0 万辆大关。 伴随着汽车工业的飞速发展，我国的内燃机工业也进入了快速 增长阶段，1 9 8 5 至2 0 0 2 年我国车用发动机产量增长了3 7 倍，_ j 均 每年增长9 5 ，其中车用柴油机产量增幅高于汽油机增幅。19 8 5 至2 0 0 2 年车用柴油机产量增长了13 2 倍，平均每年递增16 9 ， 车用汽油机产量增长了2 4 倍平均年递增7 5 。f3 2 0 0 3 年全国内 燃机产量达到4 6 亿k w ，其中车用内燃机产量达2 ，8 亿k w ，占内燃 机总量的6 0 ，工程机型、农用机型占3 0 左右【3 l 。 汽车工业的快速发展，内燃机的大量应用在给社会发展提供强 劲动力的同时也带来了严重的社会问题，引发了能源危机和环境污 染。 1 1 钱源危机 石油是一种不可再生的化石燃料，据统计，内燃机消耗 i 油 第一章绪论 总消耗的6 9 ，随着全世界内燃机保有量的增加，作为内燃机主要 燃料的石油面临着日益短缺的严重问题。 我国的石油储量并不丰富，据有关资料显示，我国石油可采资 源量为1 4 0 亿吨左右，仅占世界4 5 左右，石油储采比15 左右， 人均剩余可开采量只有世界平均人均可开采量的1 1 0 ，远低于世界 平均水平，是典型的贫油国。从1 9 9 3 年开始，我国的石油进大于出， 成为石油的净输入国，以后进口量逐年增加，1 9 9 6 年又成为原油净 进口圈。据统计，1 9 9 9 年我国石油消费量为1 8 6 6 亿吨，进口石油 量为3 7 0 0 万吨；2 0 0 0 年石油消费量为2 3 亿吨，进口石油量为7 0 0 0 万吨；2 0 0 2 年进口石油近8 0 0 0 万吨，占石油消费的比例已一卜i 升为 3 2 ；2 0 0 3 年石油消费量为2 6 亿吨，进口石油量为9 1 1 2 万吨，比 2 0 0 0 年增长3 1 。英国能源巨头英国石油( b p ) 公司也在一篇分析 报告指出，中国2 0 0 2 年石油需求增长5 8 ，达日均5 3 6 万桶，中国 已超过日本，跃居全球第二大石油消费国。据专家预测，即使国内 石油需求按下限估计，石油产量按上限估计，2 0 1 0 年时我国的石油 供求缺口也将在1 亿吨以上，而且对进口右池的依赖度会越来越夫。 和世界先进国家相比，我圜的内燃机还比较落后，因此在我困开展 内燃机节能研究，开发可替代能源，对保障国民经济健康稳定发展， 同时对保证国家能源安全具有十分重要的战略意义。 在开发石油替代能源的研究中，人们进行了大量的探索。可能的 替代能源主要有：( 1 ) 气体代用燃料，如天然气( c n g 、l n g ) 、液化 石油气、氨气沼气等；( 2 ) 液体代用燃料，如甲醇、乙醇、二甲醚、 生物柴油、煤或生物合成汽油、柴油等；( 3 ) 电能、太阳能等。此外， 混合动力和纯电动汽车作为替代能源的研究也日益受到重视。 代用燃料的研究和实用化虽然取得了一些进展，但仍然存在一些 技术的瓶颈。专家估计，在未来的数十年中，至少在2 0 2 0 年前，石 油能源仍然是车用内燃机的主要燃料来源，其中，汽油、柴油仍将 是我国乃至世界汽车的主要燃料。 1 2 环境保护 内燃机的主要有害排放物为未燃碳氢( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧 第一章绪论 化物( n o 。) 和颗粒物( p m ) 。这些有害排放物对大气环境的危害主 要表现在形成光化学烟雾、酸雨、使臭氧层减薄、臭氧浓度过高以 及造成全球范围的温室效应。同时这些排气污染物还会直接危害人 体身体健康。例如，碳氢化合物( h c ) 中的烷烃、烯烃对人的u 鼻 粘膜有刺激作用，多环芳香烃对神经系统有害，并被怀疑有致癌作 用：氮氧化合物( n o ；) 具有强烈的刺激味，对肺和心肌等都有很强 的损害作用；柴油机中的微粒( p m ) 大多小于03um ，可以被吸入 肺中，并在肺中滑动。微粒碳核上吸附的其它有毒物质被吸入人体， 也会对人体造成损害。研究资料显示在地球大气中，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 o ! 以及3 2 的p m 来自汽车发动机i 4 】。在我国，5 7 的城市总悬浮颗粒物超过 国家环保限值，4 8 个城市的：二氧化硫浓度超过国家二级排放标准， 8 2 的城市先后遭到不同程度的酸雨危害。6 0 0 多个城市中，大气环 境质量符合一级标准的不到1 ；世界i 二1 0 个大气污染最严重的城 市我园就占了5 个，这说明我国城市大气污染已相当严重i “。环境监 测数据分析表明，在这些污染物中除烟尘和二氧化硫外，汽车尾气 排放已成为大气污染的重要污染源。据全国环境监测网公布的环境 质量周报资料统计，许多城市的氮氧化物和一氧化碳浓度呈上升趋 势，造成这些污染物浓度上升的主要原因是汽车尾气排放以北京 为例，c o 的6 3 ，h c 的7 3 ，n o 。的2 2 均来自汽车尾气1 6 - ”。 1 3 排放法规 世界上许多国家为了保护大气环境，特别是大城市的大气质量， 相继制定了各种分阶段日趋严格的排放法规。世界上主要有美国、 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世 界各国广泛采用。对于汽车丽言，主要分为轻型车和重型车两大类。 在欧洲，欧洲经济委员会e c e 和欧麸体e e c 在1 9 8 0 年以前对重载 柴油机仅控制其烟度排放，1 9 9 0 年e c e 第一次修订了e c e r 4 9 为 e c e r 4 9 0 1 ，与8 8 0 7 7 e e c 指令规定的排放限值相同这就是通常所 称的欧0 标准。对c o ，h c 和n o x 进行限制。到1 9 9 1 年，欧共体 9 1 5 4 2 e e c 指令开始对柴油机的颗粒排放进行控制。9 3 年1 2 月1 目颁布了e c e r 4 9 法规，该法规包含了全部e e c 系列修正案，这就 是我们所说的9 3 版的排放限值。它内容完整清晰，具有广泛的国际 3 第一章绪论 化物( n o 、) 和颗枝物( p m ) 。这些有害排放物对大气环境的危害主 要表现在形成光化学烟雾、酸雨、使臭氧层减薄、臭氧浓度过高以 及造成全球范围的温室效应。同时这些排气污染物i = 土；会直接危害人 体身体健康。例如，碳氢化合物( h c ) 中的烷烃、烯烃对人的口鼻 粘膜有刺澈作用，多环芳香烃对神经系统有害，并被怀疑有致癌作 用；氯氧化台物( n o ，) 具有强烈豹刺激味，对肺和心舰等都有很强 的损害作用：柴油机中的微粒( p m ) 大多小于0 3 l ，m ，可以被设入 肺中，并在肺中滑动。微粒碳核上吸附的其它有毒物质被吸八人体， 也会对人体造成损害。研究资辩显示，在地球大气中，2 17 的 i - i c 、3 85 的c o ，8 76 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1 4 l 。在我国，5 7 的城市总悬浮颗粒物超过 国家环傈限值，4 8 个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准， 8 2 的城市先后遭到不同程度的酸雨危害。6 0 0 多个城市中，大气环 境质量符合级标准的不到1 ：世界上1 0 个大气污染最严重的城 市我国就占了5 个，这说明我国城市大气污染已相当严重i “。环境监 测数据分析表明，在这些污染物中除烟尘和二氧化硫外，汽车尾气 排放已成为大气污染的重要污染源。据全国环境监测网公布的环境 质量周报瓷料统计，许多城市的氮氧化物和一氧化碳浓度呈上升趋 势，造成这些污染物浓度上升的主要原因是汽车尾气排放，以北京 为例，c o 的6 3 ，h c 的7 3 ，n o ，的2 2 均来自汽车尾气”。“。， 1 3 排放法规 世晃上许多国家为了保护大气环境，特别是大城市的大气质量， 相继制定了各种分阶段日趋严格的排放法规。世界上主要存美国、 欧洲和日本兰大排放标准体系。其中美国和欧洲排放标准体系为世 界各国广泛采用。对于汽车而言，土簧分为轻型车和重型车两大类， 在欧洲，欧洲经济委员会e c e 和欧共体e e c 存1 9 8 0 年阻前时重载 柴油机仅控制其烟度排放，1 9 9 0 年e c e 第一次修订了e c e r 4 9 为 e c e r 4 9 0 1 ，与8 , 8 0 7 7 e e c 指令规定的排放限值相同，这就是通常所 称的欧0 标准。对c o ，h c 和n o x 进行限制。到1 9 9 1 年，欧共佛 9 1 1 5 4 2 e e c 指令开始对柴油机的颗粒摊放进行控制。9 3 年】2 月1 卜 颁布了e c e r 4 9 法规，该法规包含了全部e e c 系列修正案，这就 是我们所说的9 3 版的排放鞭值。它内容完整清晰，具有广疰的目际 是我们所说的9 3 版的排放眼值。它内容完整清晰，具有广援的国际 1 第一章绪论 性，为欧洲多国采用。此后欧盟又颁布了2 0 0 0 年执行的欧i i i 排放法 规，它在实验循环和实验方法上都与前一阶段的法规有很大改变。 表1 - 1 ，l 2 分别是欧洲、美国的重型车用柴油机排放法规。 与发达国家相比，我国的排放法规基本采用欧洲法规，虽然制 表1 1 欧洲重型车用柴油机排放法规 t i e r d a t e & c a t i g l o wn o x 。g ，hp m 。g ，州h e u r o i 1 9 9 2 ，8 6k w 8 。oo 6 1 2 1 9 0 2 。 8 6k w8 oo 3 6 e u r o i i1 9 9 6 1 07 oo 。2 5 1 始8 o7 oo 1 5 e u r o 忽啪1 05 oo 1 e u r o i v 0 5 1 03 。5 o 0 2 e u r o v2 0 o2 oo 眈 表1 - 2美国重型车用柴油机排放法规 m o d e iy e a r n o x ，口b h p h rp m ，g l b h p h r 1 9 髓1 0 7o 。 1 9 6 oo 6 0 9 9 15 oo 2 s 1 9 舛5 oo 1 0 9 9 84 oo 1 0 2 0 0 42 0o 1 0 2 0 0 7o 2o 0 1 定较晚，但推进迅速。科技部和国家环保局于1 9 9 9 年1 月向国务院 上报关于实施“空气净化工程”的报告，提出开展“清洁汽车活动”， 并出台了“机动车排放污染防治技术政策”等一系列政策法规。 l 国家环境保护总局于1 9 9 9 年颁布实行了一系列汽车排放限制法规， 载重车用柴油机采用的排放污染物限制标准为g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 车 用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量办法。2 0 0 1 年国家环保 总局重新颁布实行了新的g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 标准，其中对气态和微粒 污染物排放限值规定如表1 3 和表1 4 所示。标准中的a 阶段相当于 欧i 排放标准，b 阶段相当于欧i 【排放标准。与g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 相 比新标准的变化在于改变了排放标准的实施曰蝣，其中b 阶段标准 的实旋日期由2 0 0 5 年1 月1 目提前到2 0 0 3 年9 月1 日( 型式认证) 和2 0 0 4 年9 月l 目( 生产一致性检查) ，这一方面表明了国家对排放 4 第一章绪论 控制要求的目益严格，另一方面也促使内燃机生产厂家投入更多的 精力，在更短的时间周期内研制出符合新排放标准要求的环保型内 燃机。在我国的计划中，将于2 0 0 8 年实行欧n i 排放法规，到2 0 1 0 年排放法规争取与国际接轨。由于北京、上海、广州等大城市汽车 保有最的迅速增加，特别是北京即将在2 0 0 8 年举办奥运会，上海在 20 10 年举办世界博览会，北京、上海将在2 0 0 5 年实施欧洲i l i 排放标 准。由于北京、上海等大城市的示范效应，必将带动其它城市采取 相应的汽车排放限制措施。因此，新的一轮内燃机技术改造升级势 在必行。 表卜3 g b l79 6 1 - 20 0 1 柴油机型式认证实验排放限值 ! 实 一氧化碳碳氢化合氮氧化物微粒质量( p m l 质量物质量质璧：施 实施日期 ( c o ) ( h c ) ( n o 。) g ( k wh ) 笠 g ( k w h )g ( k w h 、g ( k w h ) 8 5 k w l 8 5 k w l 卜 2 0 0 0 9 1451 1 8 oo 6 1o 3 6 b2 0 0 3 9 14 01 17 oo 15 o15 1 )指发动机功率 表1 4g b l79 6 l - 200 1 柴油机生产一致性检查实验排放限值 i 实一氧化碳碳氢化合氮氧化物微粒质量( p m ) 质量( c o ) 物质量质量l 施 实施日期 g ( k w ，h ) l 阶 g ( k w h )( t i c )( n o 。) 段 g t ( k w h 1g ( k w h ) 8 5 k w l 8 5 k w l r a2 0 0 0 9 14 9 12 3 9 0o 6 804 0 b2 0 0 4 9 1401 17 oo 15ol5 i ) 指发动机功率 第一章绪论 1 4 发动机的柴油化发展趋势 与汽油机相比，柴油机具有良好的燃油经济性和改进潜力很大的 排放性能。目前，世界性的车用动力柴油化趋势已经非常明显。在 重型汽车中，欧洲、美国、日本已经实现了1 0 0 柴油化，在商用车 中，欧洲和美国都达到了9 0 ，日本为3 8 ：在轿车柴油机中，欧 洲已达3 3 ，日本为9 。在大众3 l 路波柴油轿车开发成功后，世 界上许多大的汽车公司也在3 l 以上轿车中使用了柴油机。据研究， 在今后的一段时间内，全世界柴油机的市场规模将进一步扩大，2 0 0 7 年前，柴油机在欧洲市场将占5 0 以上的市场份额【9 i 。在我国，重 型汽车中，柴油机已接近1 0 0 ，商用车柴油化率约4 0 ，轿车柴 油机已经开始出现。随着柴油机的技术进步，柴油机在包括轿车的 广泛领域内必将得到快速的发展。 1 5 直赜式柴油机燃烧技术的发展现状 对于重型柴油机，为了降低油耗，满足各阶段的排放法规，大 量的新技术得到了广泛应用。现代柴油机开发过程中所需要的技术包 括，高压电控燃油喷射技术、燃烧室的优化匹配技术、多气门技术、 废气再循环技术、可变涡轮增压技术、发动机电控管理技术和排气 后处理技术等。 1 5 1 车用柴油机电控技术 微电子技术的迅速发展代替传统的机械和液力控制技术，在内 燃机上获得了广泛的应用。电控技术，已是当前内燃机技术发展的 重要方向之一。内燃机采用电子控制可以实现内燃机的综合控制飘1 最优控制，控制精度高。目前已可实现电控共轨式高压喷射、电拧 废气再循环、电控管理等全电控系统。电控技术可使柴油机在使用 中节能5 15 ，可使废气中c o 、h c 和n o x 的含量控制在法规所规 定的限度内，改善柴油机的综合性能，使传统机械式柴油机变成高 新技术的机电仪一体化产品，因而被看作内燃机的第三次技术飞跃。 是我国今后内燃机的发展方向。 6 第一章绪论 1 5 2 高压喷射技术 采用高压喷射，提高了燃油喷射能量，增加了油束的贯穿度， 改善了雾化，促进了油气混合。从燃烧角度来说，随喷射压力的提 高，雾化质量提高，着火滞燃期缩短，同时由于喷射速率的提高， 因此在滞燃期内喷入的燃油量增加，预混燃烧比例增加，此外较好 的雾化质量，也提高了扩散燃烧速度，从而使燃烧持续期缩短。提 高喷射压力，采用更小直径的喷孔，可进一步改善燃油的雾化。喷 油特性和燃烧特性的改善，使高压喷射可以显著降低柴油机微粒排 放和燃油消耗，提高平均有效压力和热效率。 1 5 3 废气再循环技术 废气再循环( 包括内部e g r 和外部e g r ) 是目前降低柴油机 n o x 排放的最有效的方法之一。在国外，客车和轻型卡车已普遍采 用e g r 技术。采用e g r 后，进气温度：密度和组分发生了变化，进 气中的c 0 2 和水蒸汽含量增加，氧含量减少。由于c 0 2 和水蒸汽的 比热容较大，吸热能力较强，加上含氧量减少，使滞燃期延长，预 混燃烧的放热率峰值降低，最高燃烧温度降低，从而使n o x 排放降 低。但是e g r 率应控制在适当的范围否则易使颗粒排放恶化，油 耗增加【j 。 1 5 4 多气门和顶置凸轮等技术 柴油机每个汽缸采用两只以上的气门和顶置凸轮轴布置可以提 高发动机的充气效率和增大机构的刚性，降低配气机构噪声。每个 汽缸采用2 3 只进气门，1 2 只排气门可使发动机功率提高2 0 3 0 最大扭矩提高1 0 1 5 ，油耗率和排放也明最下降，因此多气门和顶 置凸轮技术成为现代内燃机重要结构特征，采用该种结构不仅有利 于节能，而且有利于环保。 1 5 。5 采用机外废气净化技术 柴油机机外净化分为机前处理技术和后处理技术。 机前处理主要有掺水、掺醇乳化，喷水等方法，但在实际的柴 油机中应用的并不广泛。外部e g r 技术也是一种降低排放的机静处 第一章绪论 理方法。 后处理技术，对于n o x ，主要有d e n o x 技术，包括稀n o x 、 选择性催化反应( s c r ) 、非选择性催化反应、n o x 吸附催化和等离 子技术等。对于微粒排放主要是采用微粒捕捉微粒收集器及再生装 置。微粒收集器主要有蜂窝陶瓷、陶瓷泡沫、金属筛网等，收集率 可达5 0 8 0 ，但再生装置还存在问题有待解决，影响了实用。 在柴油机实现高效、低排放燃烧，满足各阶段排放法规的进程 中，欧美各公司基本上形成了清晰的技术路线。表1 5 显示了欧美公 司为达到各阶段排放法规所采取的主要技术措施。 1 6p h a s e r ( 飞驰) 系列柴油机的排放现状 珀金斯公司简介 p e r k i n s 公司成立于1 9 3 2 年。 1 9 3 2 年一1 9 9 6 9 6 是美国v a r i t y c o r p o r a t i o n 的全属公司。 1 9 9 6 9 6 1 9 9 8 2 1 是英国公司l u c a sv a r i t y p l c 的全属公司。 1 9 9 8 2 1 一今美国c a t e r p i l l a r 的全资子公司。 珀金斯动力( 天津) 有限公司 1 9 9 7 年5 月一2 0 0 2 1 0 是英国珀金颏集团与天津动力机厂的合资 公司。 2 0 0 2 年l o 月一今与北汽福田合资成立合资公司。 第一章绪论 表1 5 欧美公司为达到各阶段排放法规所采取的主要技术措施 排放法技术措施 规 最高喷油压力7 0 9 0 m p a 欧i 每缸2 气门 燃烧室、进气涡流、喷油三者间优化 增压、增压中冷 机械控制 最高喷油压力1 2 0 m p a 仍可用2 气门 欧1 i 最佳的燃烧室、进气涡流、喷油匹配 增压( 带放气阀) 、中冷 机械或电子控制 改善燃油品质 电子控制 高压喷射( 1 5 0 m p a ) 多次喷射 每缸4 气门 欧 增压、空一空中冷 增压器快速响应 e g r 排气后处理技术 控制机油消耗 改善燃油品种( 硫含量 l5 0 0 k ，过量空 气系数入 2 3 0 0 k 的 富氧条件下形成。合理燃烧过程组织的目标就是找到一个同时能满 足以一k 两个限制的燃烧环境。一般的思路是首先控制预混合燃烧量 降低初始燃烧温度实现n o 。下降，然后保持快速燃烧和较高的燃烧 温度，使p m 降低，缩短扩散燃烧，使整个燃烧持续期缩短，以改进 燃烧经济性和降低p m 。一般柴油机的燃烧过程跨越颗粒生成区和 n o ；生成区，也就是说不可避免地要产生碳粒和大量生成n o 、。要设 法把燃烧区域移到低n o ；和低p m 区，就要使所有的燃烧均在稀混 合气和低燃烧温度下进行。上面的思路是一种理想情况，实施起来 相当困难。 2 1 4h c 生成机理及影响因素 碳氢燃料只有在经历高温燃烧( 热焰) 阶段，燃油才能很快氧 化为最终的稳定产物，如果燃烧室中某些燃油不能经历高温燃烧阶 段，那么它们或者缓慢氧化，或者经历低温燃烧( 冷焰) 阶段最后 第二章柴油机主要排放物生成机理及控制措施 形成末燃烃排出气缸。在实际的燃烧室中，”如果混合气的空燃比虽 然在燃烧界限内，但可燃混合气贴近冷的壁面或处于狭缝中，散热 损失大，火焰无法传入，则这部分混合物中的燃油不能充分氧化， 会形成未燃h c 排出。这种现象称为壁面激冷效应。另外，燃烧室内 燃油分布的空间不均匀性会形成混合气局部过浓或过稀，致使反应 过缓而不能将局部温度提高到产生高温燃烧的程度，也导致了未燃 h c 的排出。值得注意的是，喷油器的残余腔容积对h c 的排放有很大 影响。如果油嘴本身结构设计不合理，特别是阀后压力室容积过大， 当针阀关闭后，留在压力室容积内的剩余燃油在燃烧后期和膨胀初 期，通过喷孔渗漏进气缸，由于错过r 主要燃烧期，这部分燃油缓 慢地与空气混合，从而造成h c 排放增加。 由于柴油机在接近压缩终了时才喷油，燃油停留在燃烧室中的 时间较短，因而受壁面激冷效应、狭隙效应、油膜吸附等的作用很 小。因此，和汽油机相比，其h c 排放较低。 2 1 5c o 的生成机理及影响因素 c o 是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要中间产物。主要是燃料 燃烧时氧气相对不足，燃料中的碳不能完全燃烧产生的，或由于混 合气不均匀燃烧，燃烧温度低，c 0 不能氧化而留在燃气中排出。在 柴油机中，局部空燃比过低或局部温度过低是造成c o 生成量上升的 主要原因。 2 2 柴油机有害排放物的净化措施 柴油机的有害排放物净化主要包括前处理、改进发动机工作过 程和后处理三类方式。 前处理是对燃料和空气在进入气缸前进行预先处理，以期减少 缸内燃烧过程中所产生的有害排放。前处理措施主要有燃料的去硫、 减少芳香烃含量、精细过滤、乳化、磁化、进气喷水以及废气再循 环( e g r ) 技术。 后处理是对排出的废气在进入大气环境前进行处理，使废气中 有害成分进一步降低。热反应器、催化反应器、微粒过滤器、静电 去尘器等都属于后处理技术。 6 第二章柴油机主要排放物生成机理及控制措施 由于前后处理均在发动机气缸外进行，故称为机外净化。而改 进发动机的缸内过程，特别是燃烧过程，常称为机内挣化。 在发动机燃烧过程中影响柴油机排放的因素主要有可燃混台气 的质量、喷油定时和燃烧滞燃期、燃烧室的结构、进气状态以及发 动机的转速和负荷。在机内净化中，可以采取的措施有： 1 )推迟喷油并适当提高喷油速率。 2 ) 采用增压加中冷技术。 3 )优化燃油系统、进气系统和燃烧室之间的配合。 4 )利用各种可变机构和电子控制系统对不同运转条件实现 排放的最佳控制。 由于柴油机存在扩散燃烧的特殊燃烧方式，不可避免的会产生 n o x 和p m 排放，燃烧系统的优化只能降低面不能从根本上消除n o x 和p m 等排放有害物。d a n i e lw d i c k e y 等| 1 3j 撰文指出，柴油机燃烧 过程的不均匀性、理论当量比下、扩散火焰控制的燃烧过程，结采 是高的峰值火焰温度和高的n o 。排放。柴油机主燃期火焰温度与缸 内平均温度的差异极大。柴油机燃烧过程这个固有性质，决定了柴 油机必然存在一个n o 。最低的排放极限值，d a n i e l 把这个极限值称 为“n o 。极限”( n o 。b o u n d a r y ) ，并估计这个极限值在15 9 ，h p h r 左右。由于针对柴油机的排放法规日趋严格，单靠机内净化措施往 往不能满足排放法规要求，因此，人们把目光转向机外净化。柴油 机的机外净化，尤其是后处理技术有了飞速的发展。目前主要的机 外净化技术有： 1 ) n e n o x 技术，比较常用的有稀n o x 技术、选择性催化还原 技术( s c r ) 技术，非选择性催化还原技术( s n c r ) ，等离 子体技术等。 2 ) n o x 吸附催化剂( n a c ) 技术。主要是利用能吸附n o x 的 催化荆在富氧条件下对n o x 进行吸附反应，在缺氧情况下进 行再生。缺氧条件下的再生主要通过燃油系统的后喷实现。 n a c 技术在稳态情况下可以将9 0 左右的n o x 还原。 3 ) 降低p m 的微粒捕捉器技术。微粒捕集器分为过滤技术和非 过滤技术。过滤技术是利用过滤材料，通过扩散、拦截、冲 击、重力沉降等收集微粒。非过滤技术主要是等离子技术， 柴油机中的微粒在高压电晕放电场中荷电，并在电场的作捌 下移向电极并聚集，过一段时闻后可利用燃烧方法再生。利 第二章柴油机主要排放物生成机理及控制措施 用微粒捕集器技术晟大的实用障碍是捕集器的再生技术。 4 ) 降低p m 的催化氧化器技术。该技术主要是利用催化剂来降 低柴油机尾气种的h c 、c o 和s o f 等的化学反应活化能，使 这些物质能在较低的温度下与尾气中的氧气进行氧化反应， 转化为c 0 2 和水。 柴油枫的后处理技术目前还不太成熟，影喃了在柴油车上的火规 模应用。 近年来，均质充量压燃( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o n ) 燃烧模式，又称新概念燃烧模式目益受到内燃机研究者的 重视。这种燃烧方式的核心是均质、难燃和低温稀燃。均质：即混 合气无局部过浓，不产生碳烟( 微粒) 排放：压燃：可以实现快速同 步燃烧，得到高热效率：低温火焰燃烧：指燃烧无局部高温，减少 n o x 排放。因此这种燃烧方式可以实现极低的n o x 和碳烟f 微粒) 排 放，成为目前国际内燃机研究的热点之一1 ”。目前在汽油机和柴油 机上，该种燃烧方式已取得了一些进展。显示出了诱人的前景。当 前h c c i 燃烧普遍存在的问题是该种燃烧只能在发动机部分工况卜 实现，如何使柴油机h c c i 燃烧向大功率方向拓展，是该研究领域面 临的重大挑战。 第三章实验条件、实验方法及2 3 0 t i 柴油机韵原机现状 第三章实验方法及2 3 0 ti 柴油机的原机状态 符号说明： n ：发动机转速 n e ：功率 m e ：扭矩 g e ：燃油消耗率 t r ：涡轮后排温 t ，：涡轮前排温 t “中冷前空气温度 t 。：中冷后空气温度 p ，：涡轮前压力 p ，：涡轮后压力 p k l ：中冷前压力 p k 2 ：中冷后压力 p ：流量计压差 g k ：空气流量 8 ：供油提前角 h ：油泵预行程 n ：增压比 e ：压缩比 p m ：微粒值 n o x ：氮氧化物 r b ：烟度 f a s ：自由加速烟度 转分钟( r m i n ) 千瓦( h ) 牛顿米( n ，m ) 克千瓦小时( g k v h ) 摄氏度( ) 摄氏度( ) 摄氏度( ) 摄氏度( ) 千帕( k p a ) 千帕( k p a ) 千帕( k p a ) 千帕( k p a ) 毫米水柱( m m h 2 0 ) 予克小时( k g h ) 度( t d c ) 毫米( i i l d i ) 克千瓦小时( g k w h ) 克千瓦小时( g k w h ) 波许单位( b o s c h ) 渡许( b o s c h ) 第三章实验条件、实验方法及2 3 0 t i 柴油机的蹶机现状 为了使2 3 0 t i 柴油机符合我国g b j 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中第二阶段形式认证排放限值的要求( 满足欧 i i ) ，通过对燃烧系统重新设计、改进，在实验台架上进行了发动机排放实验。 3 1 试验依据及方法 3 1 1 试验依据 实验的依据为g b l 7 9 6 1 2 0 0 1 车用鹾燃式发动机排气污染物排放限值 及测量方法和j b3 7 4 3 8 4 汽车发动机性能试验方法。 3 1 2 实验仪器及设备 实验的主要仪器设备有： f s t 发动机数控试验台 c w2 6 0 电涡流测功机 排放采样系统及排放分析仪 颗粒排放分析仪 烟度计 p 1 8 0 0 型微粒采样系统 2 4 0 5 型数字式微量天平 s i g n a l 型排气分析仪 f c m 0 4 型燃油消耗仪 a v l 4 3 9 不透光法烟度仪 f q d i o z a 型烟度计 巾6 0 双纽线空气流量计 3 1 。3 实验测量内容 洛阳南峰机械厂 洛阳南峰机械厂 日本h o r l b a 日本i t o r i b a 奥地利a v l 英国c u s s o n s 公司 德国s a v t o r i u s 公司 英国s i g n a l 公司 弈科机电公司 奥地利a v l 公司 温州仪器仪表厂 沈阳黎明公司 为满足该直喷式柴油机达到国家娥定的欧i i 标准排放法规并控制其污 染物摊放量，对下列数据进行了测试： 转速、扭矩： 出水温度； 环境温度、相对湿度及大气压力； 第三章实验条传、实验方法及2 3 0 t i 柴油机的原机现状 进气温度和压力( 中冷前、后) 、排气温度( 涡轮前、后) ； 燃油消耗量、空气流量： c o 、h c 、n o x 和微粒的排放最： 实验地点：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室一号动力间。 3 1 4 试验台布置 十三工况排放试验及性能试验台布置如图3 一l 所示。 3 1 5 实验方法 图3 - 1 试验台布置示意图 本试验为了和法规相符合，所做的排放试验遵循欧洲排放法规要求的摊 放测试方法进行排放的测定。欧l i 法规标准采用十三工况标准测试循环，即 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中的第 2 阶段的限值及测量方法，十三工况点的转速扭矩和加权系数详见图3 2 所 示。它的两个测试转速是最大扭矩转速和标定转速，转速的最大允许误差控 制在+ 5 0 r m i n 内，扭矩的最大允许误差控制在+ 2 内，5 个负荷点分别是该转 速下最大扭矩的1 0 、2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 ，每个工况点韵运行时间是6 m in ， 1 m j n 内完成工况的转换，排气测量包括微粒样品的收集共计5 m i n 。 蚕 第三章实验条件、实验方法及2 3 0 t i 柴油机的原机现状 在法规规定限值的四种有害排放物中，c o 、h c 和n o x 从废气排放分析仪 上直接读取浓度读数，然后经过数据处理计算质量排放量，微粒应用分流稀 释采样系统测试。 1 0 0 7 5 扭 5 0 矩 2 5 1 0 0 转速 图3 - 213 工况实验点的选取 3 1 6c o 、h c 和n o x 排放置的数据处理过程 通过在废气分析仪上读取各自的浓度读数，在算得总的排气量的基础p 可算出三种气体的质量流量，然后经过千湿基转换、进气湿度修正等过程最 终求得加权比排放量， 气体排放物计算 每个工况的污染物质量流量计算公式： n o x m a s s = o 0 0 15 8 7 n o x c o n c g e x h c o