（载运工具运用工程专业论文）柴油机废气再循环（egr）电控系统控制策略的研究.pdf

柴油机废气再循环( e g r ) 电控系统控制策略的研究 摘要 随着经济的发展，汽车逐渐成为大气排放污染物的主要来源，其中柴油车 在机动车中的比例日益增加，使得对柴油机排放的控制更为紧迫。因为柴油机 车排放出大量的微粒物质( 刷协和氮氧化物( n o x ) ，所以微粒物质和氮氧化物这 两种排放物的减少也成为柴油机排放控制的关键。 论文的主要目标是：为了有效降低n o x 的排放，研究了电控e g r 系统总 体构造、控制策略，建立了一套有效的e g r 控制系统，并在对同时降低n o x 和p m 的方法进行了相关探讨。 本文以电控技术和e g r 技术为基础，根据多个工况的试验，制取了e g r 最佳控制m a p 图，并通过试验表明，e g r 电控系统和发动机相匹配良好，e g r 电控系统能够在合理控制删排放的基础上切实有效的降低n o x 的排放，并且 发动机的动力性和经济性无明显恶化。 关键词：柴油机；废气再循环；电控系统 s t u d yo ns t r a t e g yf o re l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n ( e g r ) s y s t e mo fad i e s e le n g i n e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c ，a u t o m o b i l e sg r a d u a l l yb e c o m et h e m a i ns o u r c eo fa i rp o l l u t i o n s ，p a r t i c u l a r ，t h ei n c r e a s i n gp e r c e n t a g eo fd i e s e l v e h i c l e si nt h ew h o l ep o w e rv e h i c l e sm a k e st h ed i e s e le n g i n ee m i s s i o n ss t r o n g l y n e e dc o n t r 0 1 d i e s e le n g i n e se m i tag r e a td e a lo fp ma n dn o x ，a n dd e c r e a s ep m a n dn o xi st h ek e yt ol i m i tt h ed i e s e le n g i n ee m i s s i o n s t h em a i na i mo ft h et h e s i si st od e c r e a s en o xe f f i c i e n t l y ，s t u d yt h e a r r a n g e m e n to fe g rs y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g y ，d e v e l o pac o n t r o ls y s t e mo fe g r ， s u b o r d i n a t e l y ，t h et e c h n o l o g yf o rr e d u c i n gb o t hn o xa n dp m i sa l s os t u d i e d b a s e do ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ee g rc o n t r o lm a pi sw o r k e d o u tb yt h ed if f e r e n te n g i n em o d et e s t s t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e e g rs y s t e mm a t c ht h ee n g i n ew e l l ，t h en o xc o u l db ed e c r e a s ee f f i c i e n t l yw h i l et h e n e g a t i v ei n f l u e n c eo no t h e re m i s s i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ew a sl i m i t e d k e y w o r d ：d i e s e l ；e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ；e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o ls y s t e m 插图清单 图1 1 各阶段欧洲重载车用柴油机排放法规3 图2 1 理想燃油喷射率图形1 1 图2 2 高压共轨电控燃油喷射系统1 2 图2 3 可变几何参数增压器( v n t ) 1 3 图2 4 可变几何参数增压器( v n t ) 工作原理1 4 图3 1e g r 系统布置示意图1 8 图3 2 增压中冷柴油机实现e g r 采取的措施1 9 图3 3 真空电磁阀控制式e g r 阀2 2 图3 4 组合气缸式e g r 阀2 2 图3 5 步进电机驱动式e g r 阀2 3 图3 - 6 热、冷e g r 系统的排放和油耗率比较2 4 图3 7e g r 水冷式冷却器结构图一2 4 图4 1e g r 电控系统布置框图2 5 图4 2e g r 电控系统模块框图一2 5 图4 3 传感器基本原理2 6 图4 4 轮速传感器工作原理2 7 图4 5 霍尔效应2 8 图4 6 电磁线圈式轮速传感器2 8 图4 7n t c 与p t c 热敏电阻的特性2 9 图4 8 水温传感器3 0 图4 9e g r 废气传感器结构图3 0 图4 1 0 油门位置测量原理图3 1 图4 1 1 油门位置传感器3 1 图4 1 2e g r 电子控制单元框图3 2 图4 1 3 步进电机原理图与控制脉冲3 3 图5 1a d 转换器框图3 5 图5 2 轮速处理电路组成及波形3 6 图5 3 频率法原理图3 7 图5 4 周期法原理图3 7 图5 5 轮速处理过程3 8 图5 6 轮速处理程序流程图3 8 图5 7 温度传感器输入电路3 9 图5 8a d 转换程序流程图3 9 图5 - 9 步进电机控制电路4 l 图5 1 0 步进电机控制程序流程图4 2 图5 1 1 系统主程序流程图4 3 图6 1 发动机试验台架4 6 图6 2 试验用设备4 7 图6 32 2 0 0 r m i n2 5 负荷试验曲线图4 7 图6 - 42 2 0 0 r m i n5 0 负荷试验曲线图一4 8 图6 52 2 0 0 r m i n7 5 负荷试验曲线图4 8 图6 - 62 9 0 0 r m i n2 5 负荷试验曲线图4 8 图6 72 9 0 0 r m i n5 0 负荷试验曲线图4 9 图6 82 9 0 0 r m i n7 5 负荷试验曲线图4 9 图6 - 93 6 0 0 r m i n2 5 负荷试验曲线图一4 9 图6 1 03 6 0 0 r m i n5 0 负荷试验曲线图5 0 图6 1 l3 6 0 0 r m i n7 5 负荷试验曲线图5 0 图6 1 2e g r 电控m a p 图5 l 图6 1 3 节流阀驱动步进电机各工况的转动步数5 l 图6 1 4e g r 系统安装图5 2 图6 1 5 最佳e g r 率的n o x 排放特性图5 2 图6 1 6 最佳e g r 率的烟度特性图5 3 图6 1 7 最佳e g r 率的燃油消耗率特性图5 3 表格清单 表1 1 我国各阶段柴油机排放限值4 表1 2 柴油机为满足各阶段排放标准可以采取的措施5 表2 1 降低柴油机排放的措施1 7 表3 1 常见的e g r 阀2 1 表4 1e g r 电控系统所需传感器2 6 表4 2e g r 废气温度传感器的温度特性3 0 表5 1 三相步进电机六拍控制模型表4 0 表6 1 试验用柴油机参数性能4 4 表6 2 试验用柴油机1 3 工况设定值4 5 表6 3 主要试验用设备4 6 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及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嗍筝文 签字日期：脚罗年罗月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权佥理王些太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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名 签字日期：2 0 0 8 年厂月日 学位论文作者毕业后去向：安徽江淮汽车股份有限公司 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 文 孕沪 介吖， 钎妒 繇 年 签 鸺 者 加 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 此论文是在我的导师方锡邦副教授悉心指导和热情关怀下顺利完成的，在 此向方老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢! 老师严谨的治学态度、渊博的知 识、高尚的品质和诲人不倦的学者风范使我深受启迪。老师不仅在学业上给予 我悉心的指导和教诲，而且在生活上给予我无微不至的关怀和帮助；不仅传授科 研治学的思路和方法，更注重教导我为人处世的道理和准则，在今后的学习、 生活和工作中我将终生受益。同时感谢我的师母张敏老师在工作和学习中给予 我的莫大宽容与帮助。 衷心感谢合肥邦立电子有限公司里的各位同事，他们给予了我最大的支持 与帮助；感谢张代胜老师以及本专业其他老师们平时对我的教导与鼓励；感谢 师兄周革为我的试验做出的帮助；感谢我的师弟对我平时的支持。 谨以此文献给我敬爱的叔父与婶婶，感谢他们的抚育之恩，感谢他们对我 学业的支持与理解。 感谢在我三年求学过程中，所有支持、鼓励和帮助过我的人l 作者：胡军义 2 0 0 8 年4 月2 5 日 1 1 柴油机的发展 第一章绪论 从2 0 世纪9 0 年代以来，由于排放控制技术的发展，柴油机在车用动力中 占据着越来越重要的地位，在中、重型汽车动力中，柴油机保持着独占地位； 在轻型车动力领域内，柴油机的应用不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染 的柴油机轿车在欧洲得到迅速发展。目前，欧美国家的1 0 0 的重型车、9 0 的 轻型车采用柴油机、柴油机轿车在轿车年产量所占的比重也越来越高，部分国 家已经达到5 0 以上t lj 。 由于车用发动机的油耗在世界能源消耗中占有举足轻重的地位，所以降低 发动机油耗一直是全人类关注的问题。根据试验数据表明，采用直喷式柴油机 后，油耗比汽油机下降了3 5 4 0 ，而直喷式增压中冷柴油机的油耗。又比非 增压直喷式柴油机下降1 5 。人们逐渐认识到柴油机是当今保持汽车大批量、 低成本生产中，解决环保与节能双重压力的最有效、最经济的手段之一【2 】。 我国内燃机，特别是车用柴油机工业在过去几十年里得到了飞速发展，但 存在的问题很多。应该说，过去我国的发展走的是粗放经营的道路，我们取得 的高速发展是以高投入换来的，我们强调了高速发展，却忽视了经济增长的质 量。国内柴油机产品质量一般不高，能耗大，排放污染严重，动力性、紧凑性、 振动和噪声等指标也较低【3 】。所以国内的柴油机技术在很长一段时间内需要加 大投入研发力量，拥有了自主知识产权的先进发动机，国产汽车才能走上健康 发展的道路。 1 2 柴油机的主要排放污染物 随着国民经济的高速发展，我国人民收入不断增长，私人轿车的拥有量平 均以1 4 增长，汽车的总拥有量平均每年以6 4 增长，这其中也有国产汽车行 业近几年“井喷 发展的因素。但是汽车行业的发展和汽车拥有量的增加对环 境的影响也越来越严重，近几年国内的一些大城市的大气质量恶化的原因首要 就是日益增加的汽车尾气排放。据统计，大气中有害气体成分的汽车源污染分 担率为：c 0 为4 8 6 4 ，h c 为6 0 7 4 ，n o x 为1 0 2 2 ，因此限制汽车 排放已成为当务之急【4 j 。 把c 0 2 作为一种促成大气温室效应的有害排放物的话，柴油机由于油耗比 汽油机要低，所以也就是柴油机的c 0 2 排放比汽油机低。 除去c d 2 ，内燃机的排放污染物主要包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、 氮氧化合物( n o x ) 和微粒( p m ) ，它们都会对人体健康产生不良影响。 1 2 1 排放物的危害 c o 是窒息性的无色无味有毒气体，会在血液中取代氧而形成牢固的血红 蛋白，影响氧气输送。人体吸入后，使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起 头晕等症状。轻度时使中枢神经系统受损，严重时会使心血管工作困难，直至 死亡。 c h 是燃烧后生成的多种碳氢化合物的量的总称，其中含有少量醛类( 甲 醛和丙烯醛) 和芳香烃( 最后组成苯丙芘) 。对鼻、眼、呼吸道的粘膜有刺激作 用，可引起结膜炎、鼻炎等。苯丙芘是一种致癌物质。 n o x 是柴油机排气中主要成分之一，被人体吸入时，能与肺部的水分结合 生成可溶性硝酸，有刺激性作用，严重时会引起肺气肿。在强烈阳光下会发生 化学反应，形成二次污染。 刷订主要成分是碳。柴油机排放物中的微粒大多小于0 3 1 t m ，可以被吸入肺 叶，并在肺里滑动，造成肺组织的摩擦损伤。另外，微粒碳核上吸附有s 0 2 及 其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯丙芘等其它有毒物质被吸入人体， 也会对人体造成损害【5 j 。 1 2 2 柴油机的排放 c o 和h c 是由于燃油在气缸内燃烧不充分所致，是氧气不足而产生的中间 产物。柴油机由于其在大部分运转工况下，过量空气系数咖口都在1 5 3 之间， 所以柴油机的c o 和h c 排放比汽油机低很多，而n o x 和p m 排放较高，在现 阶段的排放法规下，柴油机的排放控制应集中在n o x 和p m 上。 1 3 相关的排放法规 1 3 1 世界排放法规趋势 排放法规的出现是在上世纪6 0 年代，因美国加州洛杉矾发生汽车排气造成 的污染事件后才开始的。当今为了当前日益严峻的环境问题，各组织以及各国 对汽车排放标准而出台的强制性法规也越来越严格，法规更新的速度也越来越 快。道路排放法规在全世界主要可分为三大体系，即美国的e p a ，欧洲的e c e 和日本的j e s 排放法规。 各阶段的欧洲排放标准反应出了汽车排放法规的严格性和时间的紧促性， 图1 1 是欧洲排放标准中对重载车用柴油机的n o x 和微粒排放的限制，从中可 以看到在欧标准中，车用柴油机n o x 的排放限值为0 5 9 k w h ，微粒的排放限 值为o 0 0 2 9 k w h ，已经非常接近零排放。同样在美国重型车用柴油机的排放法 规中，2 0 1 4 年的建议标准为n o x 的排放限制为0 0 6 8 9 k w h ，微粒排放为 o 0 0 1 9 k w h ，也十分接近零排放【6 】。 2 0 7 0 6 0 5 工 o 4 粪 西 0 3 巢 甏 0 2 0 1 0 欧i欧i i欧i i i欧i v欧v 欧 1 9 9 21 9 9 51 9 9 92 0 0 52 0 0 82 0 1 0 图卜1 各阶段欧洲重载车用柴油机排放法规 1 3 2 我国的排放法规 我国在1 9 8 3 年制定实施了第一批汽车污染物排放标准g b 3 8 2 4 3 8 4 7 8 3 ， 并在随后的2 0 多年里参考欧洲体系相继制定了3 0 多部汽车排放标准，逐步形 成了一套比较完善的排放法规体系。 1 9 9 6 年我国制定了一个重型柴油车的排放法规草案，对n o x 的排放限制在 1 6 9 k w h ，1 9 9 9 年，国家环境保护总局颁布实行了g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 排放污染物限制 标准，分别于2 0 0 1 年和2 0 0 5 年又颁布实行了g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 和g b l 7 9 6 1 - 2 0 0 5 标准， 其中对气态和微粒污染物排放限值规定如表1 1 所示【_ 7 1 。 排放标准中的排放限值和排放试验的方法有很大关系，各国也根据自己的 实际情况制定了各种典型的标准试验工况，形成各种试验规范。因为我国的排 放标准基本是参照欧洲体系，所以其排放测试循环也与欧洲体系一致。欧和 欧阶段对应的e s c ( 欧洲稳态) ，e l r ( 欧洲负荷响应) 和e t c ( 欧洲瞬态) 循环。 对于进行现阶段的国标准试验的传统柴油机，包括那些安装了燃料电喷 系统，排气再循环( e g r ) ，和( 或) 氧化型催化器的柴油机，均应采用e s c 和e l r 试验规程测定其排气污染物。对于安装了先进的排气后处理装置包括 n o x 催化器和( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应附加e t c 试验规程测定排气污 染物。对于进行国、国v 阶段或e e v 的型式核准试验，应采用e s c 、e l r 和e t c 试验规程测定其排气污染物。 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 l l j | i j l ，工、d x o z 表1 1 我国各阶段柴油机排放限值 型式认证 型式认证排放限值 实施阶段 实施日期 c oh cn o xp m 烟度 g k w hg k w hg k w hg k w h m 一1 0 6 1 ( 8 5 k w ) i2 0 0 0 9 14 51 18 0 3 6 ( 8 5 k w ) i i2 0 0 3 9 1 41 17 0 1 5 o 1 i t 2 0 0 7 1 1 2 1 0 6 65 o 8 0 13 ( 1 ) 2 0 1 0 1 11 50 4 63 50 0 2o 5 v2 0 1 2 1 11 50 4 62o 0 2o 5 e e v 限值 1 50 2 520 0 20 1 5 ( 1 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 1 4 柴油机性能改善的措施和废气再循环 1 4 1 柴油机改善性能的措施 由于柴油机和汽油机的工作过程以及使用的燃料不同，因此对柴油机排放 污染物净化的重点和采取的措施也和汽油机不同。柴油机由于过量空气系数大 于1 的混合气进行工作，排气中氧含量较高，所以其排放的n o x 难以使用在理 论空燃比混合气工作下的三元催化剂来使其还原。降低柴油机微粒的排放则更 加艰难，微粒的形态成分复杂，既有气相的，又有固态碳微粒，所以要采用发 动机机内和机外的综合措施。 柴油机减少排放的另一个重点是n o x 和微粒之间的矛盾关系，一般所采用 的减少n o x 的排放势必都会引起微粒排放的增加，同时也会带来油耗的上升。 反之，采取降低微粒排放的措施，也会引起n o x 排放的增加。所以柴油机控制 排放的重点就是在控制各污染物排放的同时，要处理好与其他污染物排放的关 系，还有就是柴油机要想得到综合的排放改善，肯定要综合使用各种有效控制 排放与改善发动机性能的措施【8 】。 表1 2 说明柴油机为了满足日益严格的标准，必须要使用大量措施与技术 相互协调才能达到满意的结果。为了使发动机性能全面提高，通常采用涡轮增 压中冷、先进的燃油喷射系统、多气门、喷油器中置等等，这些已成为目前欧、 美、日汽车行业为满足更加严格排放法规的通常设计理念。而多种装置和措施 的相互协调也是必然趋势，如电子控制直喷式柴油机+ 进气涡流喷射优化是有 效的尾气处理，在燃油经济性方面比汽油机更占优势。目前技术而言，为了满 4 足欧3 、欧4 以上法规，需要采用机外净化措施。通常在内燃机上使用的机外 净化措施有：氧化催化转化器、还原型催化转化器及颗粒净化器【9 1 。 表1 2 柴油机为满足各阶段排放标准可以采取的措施 排放标准为达标采取的新措施 采用分配泵燃油系统 欧i 采用增压或增压中冷技术 高压燃油喷射技术 欧i i废气再循环( e g r ) 技术 通过电控燃油喷射技术控制喷油提前角和喷油量 四气门技术 电子控制高压燃油喷射技术 燃烧室与涡流优化技术 欧 可变几何参数增压技术( v n t ) 电控e g r 系统实现高e g r 率 冷却技术以及后处理技术 研究新的燃烧方式：均质充量压燃技术( h c c i ) n o x 还原转化器 欧 更高喷射压力的共轨系统 各系统更完善的电子控制模式 最后，为了满足欧以上的排放法规的要求，对柴油的品质必须满足含硫 量1 5 x 1 0 - 6 ( 质量) ；十六烷值 5 0 ；芳香烃含量2 0 。 1 4 2 废气再循环系统 废气再循环( e g r ) 是降低陬一种非常有效的手段。e g r 技术首先应用于 汽油机上，长期以来，一直被认为是一种降低汽油机n o x 排放的有效措施，e g r 在国外的汽油车上已经作为成熟技术而广泛使用。从7 0 年代开始，国外就将e g r 技术转向柴油机，研究表明，它同样适用于柴油机。 但是随着废气再循环的引入，燃烧室内空燃比降低，燃烧可能出现恶化， 使得燃烧不完全，从而导致微粒排放以及油耗的增加，而废气中的有害物质又 会导致发动机零件的磨损与腐蚀，造成机油的污染从而降低其润滑效果，并且 装配e g r 系统会使发动机成本增加，影响车载布置，这些都是e g r 技术带来的 负面效果。但是为了达到日益严格的排放标准，发动机采取e g r 技术已经是趋 势，国外在对e g r 的理论和实际使用方面已经进行了深入的研究。 国内对柴油机e g r 技术的研究才刚刚起步，虽然一些高校和科研机构已经进 5 行了积极研究，但离实用化还是有很大的距离。对于日后严格的排放法规，发 动机的e g r 技术是不可或缺的，所以加大对e g r 技术的研究对于国产柴油机的发 展具有非常重要的意义。 1 5 柴油机的电子控制 1 5 1 柴油机采用电子控制技术的原因 采用电子控制技术是当前柴油机技术发展的重要方向之一。其原因如下： 原因之一是由于石油能源危机及严重的环境污染，对柴油机这一主要移动 式动力装置的燃油经济性和排放指标，提出了几乎是十分苛刻的要求。对于这 些苛刻的要求，单靠以往的机械式控制机构是不能达到的满意的结果的。电子 控制技术由于其控制精度高、控制自由度大、控制功能齐全，因此能实现整个 运行范围内参数优化，这样不仅能改善排放，改善经济性，还可以有效地改善 操作性能从而也改善了汽车的舒适性。 原因之二是因为单片微型计算机的出现，大大地促进了柴油机控制系统的 更新换代，使得柴油机电子控制技术的出现与发展成为必然趋势。数字控制系 统具有以往模拟控制系统很多无可比拟的优点，它线路简单、需要硬件少、功 耗低、抗干扰能力强、可靠性高、可以实现多功能控制、调试方便。最显著的 特点便是控制精度高和处理信息的快速。 1 5 2 废气再循环的电子控制 废气再循环( e g r ) 技术也经历了从原先的机械式控制到现在的电子化控 制的发展。e g r 不同的发动机工况下，回流的废气都需要控制在合理的范围内， 单靠以往的机械式控制，很难在控制排放和保持性能之间找到最优化控制模式。 在引入电子化控制之后，就可以解决e g r 技术所要克服的两大难点：一是对发 动机工况进行快速准确的判断；另一个就是根据发动机工况的改变而快速准确 的改变再循环废气量。 e g r 系统实现电子控制后，其控制系统由原先复杂的机械机构被体积小巧 的电子控制模块所取代，而且由于电子控制所带来的数字信息技术，可以使 e g r 系统与发动机其他控制系统进行良好的匹配。 1 6 本文的意义 现今随着排放法规的日益严格，汽车污染物的排放已经不能单纯依靠单一 的某种手段来进行控制，必须依靠多种手段综合应用，才能达到满意的效果。 本文在原有的可变几何参数增压( v n t ) 柴油机基础上，选择合适的硬件 系统和控制策略，设计电控e g r 系统在烟度和油耗无明显恶化的前提下来降低 n o x 的排放，使其综合排放值达到国要求。主要研究内容如下： 6 1 ) 研究e g r 的工作原理，以及其降低n o x 排放的原理。 2 ) 比较现有的各种e g r 系统的优缺点，根据实际需要，在增压中冷柴油 机基础上，设计一套与其匹配的e g r 系统。 3 ) 对柴油机进行排放试验，选取各工况的最佳e g r 率，绘制e g r 的m a p 图，以便进行e g r 电控单元程序设计。 4 ) e g r 电控系统设计完毕后，通过试验来验证系统的有效性。 7 第二章柴油机控制排放的措施 在前面一章中已经说明了柴油机排放污染的主要成分是微利和n o x ，为了 减少这两种排放物，下面对它们的生成机理进行分析。 2 1 微粒和n o r 的生成机理 2 1 1 微粒的生成机理 微粒是由碳粒，可溶性有机成分和硫酸盐共同组成。其中硫酸盐可以通过 降低柴油中的含硫量来减少，可溶性有机成分是一些重碳氢化合物，可以利用 氧化催化器去除，所以减少微粒的排放重点就是减少碳粒的生成。 碳粒的生成过程十分复杂，目前被广泛接受的观点是在高温富燃料状态 下，柴油裂解成c j 或q 碳氢化合物，这些微小的碳氢化合物碎片再组合 成高分子重碳氢化合物，其中重要的一类是多环芳烃，这是生成碳粒的先导物， 多环芳烃的继续生成就产生碳粒的核心，然后就是碳粒的生长与表面氧化同时 进行。 碳粒的生成量受温度、压力、反应时间等多种因素影响。在柴油机的燃烧 过程中，如果氧气量充足，在燃烧早期产生的碳粒都会在随后的高温扩散燃烧 中消失。但是在某些浓混合气区域中，氧气量少，使得燃烧持续时间变长，碳 粒量生成增多，而且碳粒的后期氧化时间变短，使得微粒的排放增加。在柴油 机的燃烧过程中，缓燃期是微粒生成的主要阶段。 2 1 2n o x 的生成机理 氮氧化合物有多种成分，但是由于物质稳定性的关系，柴油机排放的氮氧 化物主要包括n o ，n 0 2 等，其中n 0 2 通常小于柴油机排放中的n o x 总量的5 ， n o 占总量的9 5 左右，所以下面主要就n o 的生成进行分析。 燃烧过程中n o 有3 种生成方式，根据产生的机理的不同称为高温n o ，燃 料n o 以及瞬发n o 。 高温n o 主要是由于在火焰温度下空气中氮被氧化而成。当燃烧的温度下 降时，高温n o 的生成反应会停止，即n o 会被“冻结 。燃料n o 是含氧燃 料在较低的温度释放出来的氮所形成；瞬发n o 是高温n o 和燃料n o 以外的 其他机理所形成的，主要是由于燃料产生的原子团与氮气发生反应所产生的。 高温n o 是发动机等大多数燃烧设备氮氧化物的主要来源。 在混合气的燃烧过程中，n o 生成量的计算广泛采用的是z e l d o v i c h 不平衡 原理，如下： ，+ d _ n o + n ( 2 1 ) 8 0 2 + nj n o + o o hj 广njn o j rh ( 2 2 ) ( 2 3 ) 上式中参与反应的氧原子大部分是氧分子高温下分解生成的。 n o 的生成量在燃料过多时，随着氧气浓度的增大而成比例的增大，在过量 空气系数略大于1 时，生成量下降。燃烧温度在过量空气系数略大于1 附近出现 最大值。n o 的生成反应达到化学平衡需要一定的时间，这个时间要比每一循环 燃烧反应时间长。故为了降低氮氧化物的含量应着手降低火焰的高峰温度，缩 短高温持续的时间和采取适当的空燃比。高温时，n o 的平衡浓度高，生成速度 也加大，在氧气充足时，温度是生成n o 的重要因素：在高温条件下，氧气的浓 度是生成n o 的重要因素。在氧气浓度低时，即使温度高，n o 的生成也受到抑 制。2 ，仍，0 的浓度，燃烧提供的高温以及高温的持续时间决定了反应的速 度和程度，直接影响最终的氮氧化物的浓度。 n o 生成的速率可以由下式得出： 了d n o = 掣e x p e x p if ，竿埘 2 】。 ( 2 - 4 ) = - 一i f i l ji v ，i，4 、 ，l研io 二j rl 二j 一二。- t d f 朽 。 下标e 指的是平衡时氧的浓度，哟气缸内气体温度。由此可以看出n o 的总 的速率主要取决于气缸温度然后才是氧的浓度。 2 2 柴油机机内减排措施 2 2 1 燃油喷射技术及电控高压共轨系统 柴油机燃油喷射系统的基本任务就是要根据柴油机输出功率的需要，在每 循环中，将精确的燃油量，按准确的喷油正时，以一定的喷射压力，将燃油 喷入燃烧室。为了降低柴油机的排放，燃油喷射系统应该满足以下要求： 1 ) 各种工况都应有合理的燃油喷射提前角。 2 ) 有较高的喷油压力。 3 ) 优化喷油规律，实现每循环多次喷射。 2 2 1 1 燃油喷射提前角 喷油提前角是喷油始点早于气缸压缩上止点的角度，柴油机都要求喷油提 前，因为从喷油到着火有一段滞燃期，为保证实际燃烧放热中心能接近上止点， 避免燃烧拖后，经济性下降，所以喷油要提前。 在柴油机燃烧工作阶段中，预混燃烧阶段是影响n o x 排放的重要阶段。预 混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低，从而大大减 少n o x 的排放量。同时，由于压力升高率的下降，噪声也大大降低。因此推迟 9 燃油喷射角可以有效降低n o x 排放以及噪声【1 1 】。 但是油耗和烟度的恶化是燃油喷射推迟，燃烧跟着推迟以及缓燃期油量增 加，燃烧时期也拉长的必然结果。 2 2 1 2 燃油高压喷射 提高燃油喷射压力是直喷式柴油机机内净化的重要手段之一【1 2 。 在循环喷油量以及喷孔大小和分布不变的情况下，提高燃油喷射压力就是 加大喷油速率。喷油压力越高，则燃油喷雾粒子也就越小，喷射贯穿距加大， 雾锥角加大，喷雾区的总面积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促 进了燃油与空气的混合。这些直接导致的效果就是降低了每一时刻浓混合气成 分的比例，使得生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气 出现，但因粒子小，周围空气多，也会加快燃烧和氧化速率，使碳烟在形成之 初就被加速氧化。因为以上的原因，高压喷射可以有效地降低微粒碳烟的排放。 燃油喷射压力的增大会缩短喷油时期，使燃烧加速，燃烧放热更集中于上 止点，从而降低了燃油消耗率。 与此同时，高压喷射带来的混合气快速变稀，燃烧加速，温度上升，这些 都带来了高温富氧的条件，从而n o x 的排放也会随之增大。 2 2 1 3 喷油率控制技术 喷油率控制就是喷油规律控制，这里指的是在喷油提前角和循环油量不变 的情况下，对喷油的长短和喷油率外形的控制。 理想的喷油率图形一般公认为：初期要求喷油率低，喷油量少，以降低n o x 和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混 合气形成，使微粒碳烟排放和耗油率降低；后期则要求迅速结束喷油，以减少 后燃油量和促进碳烟氧化【l 3 1 。 与燃烧和放热过程相对应，理想的喷油可以分为三个时期，如图2 1 所示： 1 ) 喷油初期 从开始喷油到开始着火的初期，对应燃烧过程的滞燃期，见图示a b 段。 此期的喷油率主要影响燃烧的速燃期和放热率的高速上升期。 2 ) 喷油中期 从开始着火到喷油率迅速下降的图示b c 段。此期的喷油率主要影响燃烧 的缓燃期和平缓放热期。 3 ) 喷油末期 从喷油率迅速下降始点到喷油结束的图示c d 段。此期主要影响燃烧的后 期和放热率的下降阶段1 1 引。 l o ；| 卜 煅 攮 瞥 图2 1 理想燃油喷射率图形 d 在实际中常用的方法是用三次喷油来达到理想的喷油率。第一次喷油安排 在压缩冲程的早期，称为先导喷射，这部分燃料先进行焰前化学反应。第二次 喷射为主喷射，安排在压缩上至点前后，主要的循环油量在此阶段喷入气缸， 此时由于气缸内已存在活性物质，促使滞燃期缩短，可推迟主喷射的喷油提前 角，这样在n o x 排放不变的情况下可以是微粒排放下降2 。第三次喷射称为 后喷射，目的是提高冲程早期的气缸内温度，减少先期生成的碳粒。 2 2 1 4 电控高压共轨系统 高压共轨电控燃油喷射系统主要有电控单元( e c u ) 、高压油泵、共轨管 和高压油管、电控喷油器以及各种传感器和执行器等组成。低压燃油泵将燃油 输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压共轨管，高压共轨管中的压力由 电控单元根据共轨压力传感器以及需要进行调节，高压共轨管内的燃油经过高 压油管，根据柴油机的运行状况，由电控单元从预置的m a p 图中确定合适的 喷油提前角、喷油持续期，由电控喷油泵将燃油喷入气缸。 同传统的喷油系统相比，高压共轨燃油喷射系统有以下特点： 1 ) 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射 压力，从而优化柴油机综合性能。 2 ) 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力，可将n o x 和微粒排 放同时控制在较小的数值范围内。 3 ) 柔性控制喷油速率，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射， 既可降低柴油机n o x ，又能保证优良的动力性和经济性。 4 ) 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残 压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸 供油不均匀性得到改善，从而减轻柴油机的粗暴并降低排放。 ：妻篓0 _ 一0 州0 0 p 0 p b 图2 2 高压共轨电控燃油喷射系统 2 2 2 多气门技术 传统的发动机每个气缸只有两个气门( 进、排气门各一个) ，如果每个气 缸多于两个气门，就是多气门技术。 车用柴油机的转速一般可达5 0 0 0 r m i n 以上，完成一个工作冲程只有极短 的时间。高转速的强化柴油机需要燃烧更多的燃料，相应也需要更多的新鲜空 气，传统的二气门已经很难在这么短的时间内完成换气工作，所以多气门技术 得到了采用。一般发动机较多采用四气门( 两个进气门和两个排气门) 。 适当的缸内气体运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅 速更安全。多气门技术通过对不同进气门处的气流导向，使得气体在发动机缸 内实现滚流。多气门技术主要有以下优点： 1 ) 扩大进排气门的总流通面积，增大柴油机的进排气量，降低泵气损失， 使柴油机的燃烧更彻底。 2 ) 喷油器可垂直布置在气缸轴线附近，对油气混合有利，不仅改善了喷 油器的冷却和活塞的热应力( 二气门柴油机燃烧室在活塞上偏置，使 热应力不均匀) ，而且解决了由于二气门柴油机喷油器斜置造成的各喷 油孔流动条件不同的问题，有利于燃油在燃烧室空间的均匀分布，从 而改善燃烧过程。 3 ) 可实现关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气滚流强度，拓 宽柴油机的高效工作转速范围。低速运转时采用上述方法，可使进气 滚流强度比高速时提高一倍，从而提高低速时的混合气质量。 4 ) 气门增多，则气门变小变轻，从而允许气门以更快的速度开启和关闭， 增大了气门开启的时间段面值。 2 2 3 废气涡轮增压与中冷技术 利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮的 全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机，在压气机中将新鲜空气压缩后 再送入气缸，废气涡轮与压气机通常装成一体，这就是废气涡轮增压器。 柴油机实现增压的目的就是加大循环进气量，提高输出功率。增压后，进 气温度增高，滞燃期缩短，混合气又可以适当变稀，这些都可以使噪声、c o 及h c 排放有所降低，加上功率的提高而使得耗油量也有所降低【i 5 l 。 但是，由于进气温度上升不但会使n o x 排放增多，还会使空气密度有所下 降，使得进气量不能达到期望水平，于是出现了将增压后的空气再进行冷却的 中冷技术，以使得进气温度降低，从而循环进气量更大，n o x 排放下降以及功 率提高。 人们在研究发动机的废气涡轮增压技术中发现，平均有效压力较高的车用 涡轮增压柴油机普遍存在低速扭矩不足、加速性差等缺陷。这不仅是由于柴油 机与增压器的工作方式不同而使二者难于良好的匹配，而且还有车用发动机的 工况变化频繁且转速变化范围等原因。此时改进的废气涡轮增压技术得到了开 发，也就是可变几何参数增压技术( v n t ) 。 图2 3 司变几何参数增压器( v n t ) 可变几何参数增压器( v n t ) 是指可以改变径流式涡轮喷嘴出口角，其结 构与固定截面涡轮不同的地方在于，喷嘴环截面有圆周均布的导向叶片，导向 叶片一方面能够调整喷嘴环的等效流通截面，另一方面能够调整废气冲击涡轮 叶片的角度，这两个因素影响了废气对涡轮机做功的大小，也就是不同的喷嘴 环截、不同的叶片角度影响了涡轮增压器的效率，从而实现对增压压力的控制。 通过减少涡轮流通截面，能最大程度的减少涡轮滞后现象，也能在高速流动时 缓兹蘸 减少废气的摩擦而使发动机输出更大的功率1 6 1 。 图2 4 司变几何参数增压器( v n t ) 工作原理 相比较传统的增压技术，v n t 具有以下优点 1 7 】 1 ) 满足各工况下达到最佳增压压力的需求，使得柴油机的动力性、经济 性以及排放都比普通增压柴油机优异。 2 ) 提高了低速大转矩的空气量，降低了低速工况的微粒排放，并且提高 了低速的转矩储备。 3 ) 采用v n t 可以增加空气动态过程，使空气系统的过渡过程和燃油系统 的过渡过程能够较好的匹配，优化了瞬态工况的排放特性。 对v n t 增压器的要求是在宽广的柴油机转速范围内实现良好的增压压力 变化以及具备高的瞬态响应能力，v n t 增压器于1 9 8 0 年开始研究，1 9 9 2 年投 入商业应用，目前8 0 以上的增压柴油机均采用v n t 增压器，其最主要的优 点就是能在宽广的柴油机转速范围内实现高的增压压力而且不影响涡轮效率 ( 大致在流量变化2 5 倍时，仍可保持高效率) 。 2 2 4 废气再循环技术 废气再循环系统( e g r ) 就是将发动机排放的部分废气回引，与新鲜混合 气混合后共同参与燃烧，利用废气中所含有大量的二氧化碳( c 0 2 ) 虽不参与 燃烧却能吸收热量的特点，降低燃油在汽车发动机内的燃烧温度，以减少n o x 的排放，最终减少对大气的污染。同时由于废气引入燃烧室，使得空燃比降低， 混合气中的氧浓度降低，这样进一步破坏了n o x 的生成条件，使得n o x 的排放 进一步降低【1 8 。 2 2 4 1e g r 技术的原理 由前面n o x 产生机理得分析，知道了n o x 中主要为n o ，且n o 的生成有 利条件是高温富氧的环境。 e g r 技术就是通过回引部分燃烧后的废气与新鲜空气共同参与燃烧反应， 来降低n o x 的生成。e g r 技术是通过以下两点通过破坏高温富氧的燃烧环境 1 4 来减少n o x 排放的： 1 ) 废气中含有大量的惰性气体具有较高的比热容，比如c d 2 、h e 0 等，所 以同新鲜空气混合后，加大了混合气的比热容，在单位气缸内总燃料 放热量不变的条件下，混合气的总的热容量增加，混合气燃烧产生的 最高燃烧温度就会降低。 2 ) 燃烧后的废气与新鲜空气混合再进入气缸，相当于用惰性气体替换了 同体积的空气，减少了新鲜空气的进气量。而且废气的引入也降低了 氧气的浓度。 但是因为高温富氧