（动力机械及工程专业论文）满足国iv排放的两级增压重型柴油机燃烧系统开发.pdf

摘要 内燃机作为主要动力装置已在世界范围内得到了广泛的应用，在推动社会经 济发展的同时也给能源与环境造成越来越大的压力。在全球石油储备日益减少与 机动车的尾气排放带来城市空气质量不断恶化的情况下，世界各国都制定了越来 越严格的排放法规来限制内燃机的废气污染物的排放，因此，内燃机的高效清洁 燃烧一直都是内燃机研究的热点课题。两级增压技术与废气再循环技术是现代柴 油机满足日益严格排放法规的重要措施，并被认为是满足美国2 0 1 0 年和欧v l 排放法规最有效的技术路线之一。 本研究在一台增压中冷电控高压共轨柴油机上进行。首先对原机单级增压和 2 套两级增压系统进行性能与排放的试验研究，在此基础上对柴油机的燃烧系 统，主要包括燃烧室与喷油器进行了优化。结果表明，相比单级增压，两级增压 柴油机的外特性比油耗下降，低速扭矩增加，烟度排放降低，并可明显提高e g r 的引入能力；同时高压级压气机流量范围偏高的两级增压系统( 2 t c ( 2 ) ) 在中高负 荷时进气流量与空燃比上升，能够显著改善n o x 与比油耗以及n o x 与烟度之问 的t r a d e o f f 关系；采用低压缩l 匕( c r l 6 8 ) 、大口径的燃烧室( s f l ) 不仅可以降低缸 内爆发压力，而且在大部分t 况下可改善经济性与排放：喷孑l 流量较大且带锥度 的喷油器( s 4 ) 有利于改善经济性与大负荷的微粒排放。通过以上研究，最终确定 了两级增压系统、燃烧室与喷油器匹配方案。 在确定燃烧系统匹配方案的基础上，进行了喷油策略与e g r 耦合对柴油机 性能和排放影响的试验研究，包括e g r 率、预喷参数、主喷定时以及喷油压力 等。结果表明：选择合适的预喷参数可同时降低n o x 与微粒排放；小负荷主喷 定时的选择应以经济性优先，而在大负荷时应优先考虑排放：提高喷油压力可改 善各个工况的经济性与中高转速排放性能，但低转速工况烟度排放略有上升。 通过对燃烧系统匹配、e g r 率和喷油策略进行优化后，e s c 测试循环结果 表明，优化后的n o x 与微粒排放相比原机明显降低，都在同i v 排放限值以下。 最终结果表明，在不带后处理的条件下柴油机原机排放达到了国i v 排放标准。 关键词：重型柴油机，废气再循环，两级增压，燃烧，排放 a b s t r a c t a c r o s st h ew h o l ew o r l di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea st h em a i np o w e rp l a n th a s b e e nw i d e l yu s e da n dt h i sp r o m o t e st h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n da l s o c a u s e si n c r e a s i n gp r e s s u r et ot h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t d u et og r a d u a l l yd e c r e a s e o fw o r l do i lr e s e r v ea n dc o n t i n u o u sd e t e r i o r a t i o no fu r b a na i rq u a l i t yc a u s e db y v e h i c l ee x h a u s te m i s s i o n s ，m a n yg o v e r n m e n t sh a v ef o r m u l a t e dm o r ea n dm o r e s 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 st or e s t r i c te n g i n ee x h a u s te m i s s i o n s ；s oc l e a na n d e f f i c i e n tc o m b u s t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n eh a sa l w a y sb e e nah o tr e s e a r c h i s s u e t w o - s t a g et u r b o c h a r g i n ga n de g ra r ec o n s i d e r e da so n eo fm o s ti m p o r t a n ta n d e f f e c t i v et e c h n i c a lr o u t i n e st om e e tt h eu s 2 010a n de u r ov ie m i s s i o ns t a n d a r d s t h i sr e s e a r c hw a sc a r r i e do u to na n i n t e r - c o o l e r t u r b o c h a r g e d e l e c t r i c a l c o n t r o l l e dc o m m o nr a i l h e a v y - d u t yd i e s e le n g i n e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f s i n g l es t a g et u r b o c h a r g i n ga n dt w ot y p e so ft w o - s t a g et u r b o c h a r g e i n gs y s t e m sw a s m a d e ，a n dt h e nc o m b u s t i o ns y s t e m s ，i n c l u d i n gc o m b u s t i o nc h a m b e r sa n di n j e c t o r s ， w e r eo p t i m i z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c o m p a r e dt os i n g l et u r b o c h a r g i n g ，t h e f u l l - l o a dp me m i s s i o no ft w o s t a g e t u r b o c h a r g i n ga tl o we n g i n es p e e dc o u l db e r e d u c e da n dt h ea b i l i t yo fe g ri n t r o d u c t i o nw a so b v i o u s l yr a i s e d ；t h et w os t a g e t u r b o c h a r g i n gs y s t e m2 t c ( 2 ) ，c r i6 8c o m b u s t i o nc h a m b e rs f la n di n j e c t o rs 4w e r e s e l e c t e dt h r o u g he x p e r i m e n t sb e c a u s et h e yc o u l di m p r o v eb s f ca n dr e d u c ep m e m i s s i o nu n d e rm o s to p e r m i n gc o n d i t i o n s b a s e do nt h es e l e c t e dc o m b u s t i o ns y s t e ma n dc o m b i n e dw i t he g r , i n j e c t i o n s t r a t e g i e sw h i c hc o n t a i n e dp i l o ti n j e c t i o np a r a m e t e r s ，m a i ni n j e c t i o nt i m i n ga n d i n j e c t i o np r e s s u r ew e r eo p t i m i z e de x p e r i m e n t a l l y r e a s o n a b l ep i l o ta n dm a i ni n j e c t i o n p a r a m e t e r sc o u l dr e d u c en o xa n dp me m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l y h i g h e ri n j e c t i o n p r e s s u r ec o u l dl e a dt og o o dn o x b s f ca n dn o x s m o k er e l a t i o n s h i p ，b u tr a i s ep m e m i s s i o nu n d e rl o w s p e e dc o n d i t i o n s t h ee s cc y c l et e s ts h o w e dt h a tw i t h o u ta f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mt h e o r i g i n a l e m i s s i o n so ft h eo p t i m i z e dt w o s t a g et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ec o u p l e dw i t he g r c a nm e e tc h i n as t a g ei ve m i s s i o ns t a n d a r d s k e yw o r d s ：h e a v y d u t y d i e s e l e n g i n e ，e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) ， t w o s t a g et u r b o c h a r g i n g ，c o m b u s t i o n ，e m i s s i o n s 第。章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在世界范围内，汽车已经成为陆卜运输货物和旅客的主要交通工具，而内燃 机依然是其最为主要的动力装置。柴油机由于高热效率、低燃油消耗、优越的耐 久性以及较低的c 0 2 排放而在能源口益枯竭及高度重视低碳排放的今天备受关 注。正是由于这些优点，柴油机被广泛应用于经济和国防建设的各个方面，特别 是在交通运输、工程机械、发电等领域【1 】。在汽车领域，世界许多发达国家和汽 车公司对新一代高效、清洁和环保柴油机的研究，使得柴油机的应用范围已被极 大的拓展。有数据显示1 2 j ：现在欧洲大部分国家轿车柴油化已超过3 0 ，商用车 9 0 以上是柴油车；日本柴油轿车约占1 0 ，柴油商用车占4 0 ；美国大中型 商用车也装上了现代柴油机，重卡早已1 0 0 柴油化了。 随着汽车工业的飞速发展，汽车保有量的迅速增加，一方面造成原油消耗量 不断上升，给我国本不富裕的石油资源带来了巨大压力。数据显示【3 1 ，2 0 1 0 年我 国原油表观消费量首次突破4 亿吨，达到4 3 9 亿吨，同比增长1 3 1 ，对外依存 度也增加为5 3 8 。国家信息f t 心2 0 0 8 年9 月发表了题为( 2 0 0 0 年以来一| l 国能 源经济形势分析的报告【4 j ，预计国内石油消费量到2 0 2 0 年将增加到5 7 2 亿吨， 对进口石油的依存度将达到6 6 。这将严重威胁我国的能源安全，制约我国经济 社会持续健康发展。 另一一方面汽车废气排放已严重影响人类的身体健康与生态环境的平衡，制约 着社会经济的发展。当汽车尾气在在空气中积累到一定程度，在太阳光线的作用 下氮氧化物与碳氢化合物发生反应会生成光化学烟雾，例如：洛杉矶光化学烟雾 事件、伦敦光化学烟雾事件以及1 9 7 1 年东京光化学烟雾事件等；此外，汽车尾 气中包含的铅、镉铬等重金属和致癌物质，严重影响人们的身心健康；还有尾气 中排放的大量c 0 2 ，使入气中的温室气体浓度不断攀升，以致引起温室效应，造 成全球变暖。因此汽车排放问题受到世界各同政府的密切关注，并相继投入大量 的人力、物力与财力来控制环境污染，保护生态平衡。从上世纪5 0 年代末期， 美国加州通过法律规定车辆排放控制和大气质量标准以来，世界各国逐步制定了 各自的排放法规。经过几十年的发展与努力，目前已经形成了欧洲、美国和日本 三大排放标准体系，其中欧洲与美国的排放标准为其它国家、泛借鉴与采用，凶 而同时也代表了世界车h i | 发动机排放标准的总体发展趋势。表1 1 、1 2 分别为 第一章绪论 欧洲和美国的重型车用柴油机排放限制标准酗】。 表1 1 欧洲重型车用柴油机排放标准( 单位：g ( k w h ) ) 标准 e u r oe u r oe u r o e u r o e u r oi e u r o i i 等级 i i ii v v 实施1 9 9 2 1 9 9 6 19 9 82 0 0 02 0 0 52 0 0 82 0 13 年份 8 5 k w 测试 e c er 4 9e s c & e l r 循环 排 c 04 54 5442 11 51 51 5 放h c 1 11 11 11 10 6 60 4 60 4 60 1 3 限 n o x 8 08 o775 o3 52 o0 4 值 p mo 6 10 3 60 2 50 1 50 10 0 20 0 20 o l 表1 - 2 美国环境保护署( e p a ) 对重型车用柴油机的排放限值( 单位：g ( h p h ) ) 年份1 9 9 01 9 9 11 9 9 41 9 9 82 0 0 42 0 0 7 h c1 - 31 31 31 31 3 排 c o15 515 515 515 515 5 放 n o x6 05 05 0 4 0 2 0o 2 限 p m0 60 2 5o 1o 10 1o 0 1 值 n m h co 50 1 4 注：lh p = 7 4 5 7 0 0 w lg ( h p h ) = 1 3 6 9 ( k w h ) 近年来，我国也开始逐渐重视汽车废气排放所带来的环境污染问题，并依照 欧洲排放标准于1 9 9 3 年3 月南国家质量技术监督局公布了限制柴油机排放的压 燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物排放限值及测试方法 ( g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 1 。与欧美等发达国家相比，由于受经济发展和技术水平的限制， 我国对车辆污染物排放控制方面起步较晚，但发展相当迅速。对重型柴油机自 2 0 0 0 年9 月实施国i 排放标准，2 0 0 3 年9 月实施国i i 标准，2 0 0 8 年1j j 在全国 范围内实施围i i i 排放标准，下一阶段也将在全同范围内实施国i v 排放标准。 冈而，从节约能源与保护环境两方面的角度来看，研究并发展新代高效、 节能和清洁的柴油机对于保障我国能源安全与经济社会的可持续发展具有重要 意义。 第一章绪论 1 2 柴油机增压技术 增压技术是提高柴油机动力性的主要手段，通过将高压空气压入气缸以提高 进入气缸中的空气密度，增加缸内新鲜空气的充量，提高喷射燃油量，使柴油机 的输出功率增加，从而提高柴油机的强化程度。柴油机涡轮增压技术在2 0 世纪 中叶开始大规模应用，目前绝大部分的大功率柴油机、半数以上的车用柴油机均 采用了增压技术。般而言，增压后的功率可比原机提高4 0 6 0 甚至更多， 燃油经济性也有所提高。 1 2 1 涡轮增压技术现状 由于传统增压器的流量范围较窄，难以兼顾柴油机的高低转速工况点的合理 匹配，而增压器与柴油机良好匹配是保障燃油经济性与较低排放性能的关键，因 此为了改善涡轮增压器与柴油机在全工况内的匹配性能，近年来出现了各种不同 的涡轮增压系纠7 。1 2 j 。主要有：高工况放气系统、电动放气涡轮增压系统、低工 况进排气旁通系统与可变涡轮喷嘴截面增压系统( v g t ) 。其中前2 种都是为了保 证柴油机的低速性能，采用在大负荷时放掉一部分废气来降低增压器的增压比， 减小最大燃烧压力保证增压器正常工作。电动放气涡轮增压系统可在低负荷是采 用电机带动增压器工作，增加低速增压比与低速进气量，可改善启动性能；在大 负荷时放掉的部分废气可以通过带动电机发电，使废气能量得到有效利用：低工 况进气旁通系统则是在柴油机低速工作时，将一部分增压空气送入排气管通过涡 轮做功，提高低速流量，并可避免喘振发生。可变涡轮喷嘴截面增压系统是调节 涡轮喷嘴环的出口角度来改变废气通过涡轮叶片的角度来保证增压器在高低工 况都能获得较高的效率，不仅提高的低速工况的进气流量，而且可以降低高速大 负荷工况的增压器，防止增压器超速以及柴油机最高燃烧压力的急剧增加；同时 还可以提高增压器的瞬态响应特性与排放性能。典型( v g t ) 结构如图1 1 所示。 鬻，：爹譬 图1 1 可变截面涡轮增压器 第一章绪论 1 2 2 涡轮增压中冷技术 柴油机采， = h 进气增压后，进气压力上升会带来进气温度升高，即使增压比较 低，温度也上升6 0 8 0 ，甚至更高。压缩始温的增加，必然造成柴油机各工作 循环点温度提高，同时，循环供油量增加以后，固然用于转变为有用功的热量增 加了，与此同时，损失的热量也随之增多1 13 1 。这在柴油机上表现为机油温度、 冷却水温度及排气温度均显著提高，n o x 生成量增加，柴油机与增压器都存在 热负荷过大的问题。 涡轮增压中冷技术是2 0 实际8 0 年代后期在柴油机e 广泛应用的新技术。此 项技术装置由涡轮增压器和中冷器组成。它利用排气中的剩余能量驱动涡轮增压 器做功，对进气进行压缩，使进入气缸的空气总量增加。装在涡轮增压器压气机 下游的中冷器冷却并带走由于压缩宅气的热量，从而进一步增加了进入燃烧室里 的空气密度，使进气量增加，缸内过量空气系数也上升，减少了过浓混合气区域， 微粒排放也随之下降；同时，中冷后进气温度下降也使得缸内燃烧温度减低，有 利于n o x 生成量的降低。一些重型柴油机采用增压中冷后n o 。降低8 0 ，微粒 减少9 0 ，比油耗改善1 6 ，此外，增压中冷可有效冷却活塞和气门【1 4 】；由于 排气中的一部分能量变成涡轮的有效功输出，因此排气噪声也降低了。因此，增 压中冷技术是降低柴油机n o x 与微粒排放以及满足未来排放法规最有效的关键 技术之一【1 5 。 1 2 3 柴油机两级增压系统 增压柴油机要求压气机在提高增压比的同时，还要保持较宽的流量范围和较 高的效率i l 引。未来车用柴油机的增压系统应在柴油机低转速时可以达到很高的 增压比，随着柴油机转速的增加，增压器的增压比不超过其极限值，并且在一定 范围内增压比可以调节。单级增压系统由于涡轮与压气机设计与匹配的限制，增 压比很难提高，并且增压器的高效区域只固定在较小的流量范围内，几乎难以满 足高功率密度柴油机对增压比进一步提高的要求，而两级增压由于使用高低级2 个压机增压器，可以根据柴油机流量的变化随时改变经过2 个增压器的废气流 量，从而可以同时提高增压比与增压效率。 两级增压系统的结构通常是在柴油机的排气管上由个较小的高压级增压 器和一个较大的高压级增压器串联连接组成，并且通过一些辅助措施，使增压压 力在一定范围内可调。如图卜2 所示为两级增压系统示意图，柴油机废气首先经 过带废气旁通阀的高压级涡轮膨胀做功，然后经过低压级涡轮膨胀做功；而新鲜 进气则经过低j 玉级压气机j 玉缩后进入高j 玉级士：气机，由于此时j 玉缩空气的温度与 第+ 章绪论 压力都较高，因此在1 苛压级压气机与柴油机进气管之间增加中冷器来降低进气温 度，从而增加柴油机进气充量的密度与流量，经过1 t 冷器冷却的进气最后进入进 气管。 黑 l l 图1 2 两级增压系统示意图 当柴油机在低速工况运行时，废气放气阀关闭，废气经由高压级直接流向低 压级，两个压气机同时做功，虽然废气流量较小，废气能量不高，然而进气经过 高、低压级压气机压缩后，进气压力相比单级仍然会有大幅的上升，进气流量也 进一步增加，从而提高了柴油机的低速扭矩并改善低速排放。当柴油机在高速工 况运行时，高压级增压器的废气放气阀开启，一部分废气不经过高压级直接流向 低压级做功，以降低高压级的废气流量与做功能力，使增压压力不至于超过设定 的最高压力极限。由于废气能量较大，低压级增压器也能保持较高的效率，提高 高速工况的进气量，以满足柴油机高、低工况的运行要求。高压级废气放气阀也 可根据实际需要选择传统气动阀或者可调节电控阀进行无级调节。 两级增压柴油机在性能上的有点主要表现在【1 7 19 】： 1 在柴油机结构强度允许的条件下，可以大幅度提高升功率，使柴油机的标 定功率上升。 2 n j 以大幅度提高柴油机的低速扭矩，降低最大扭矩点转速，提高柴油机的 扭矩储备系数。 3 可以大幅度降低柴油机低速大负荷时的烟度值，改善柴油机的低速油耗。 4 可以改善柴油机的瞬时响应特性。 5 如果采用电控系统对旁通阀进行调节，可以实现增压器和柴油机在全工况 范围内的优化匹配，达到优化柴油机性能的目的。 柴油机采用两级增压后，山于进气压力t 丁卜，进气流量也大幅 二升，可改善 缸内混合气的质量，n o x 并不显著增加，而微粒的排放量却会降低，特别是低速 大负荷时的微粒排放明显减小。 第章绪论 1 3 柴油机排放控制技术 柴油机采用的是在压缩上止点附近缸内喷油的压燃燃烧模式，其燃烧过程主 要经历了预混燃烧一与扩散燃烧两个阶段。在这两个燃烧阶段中，由于油气混合不 均匀，不可避免的会形成高温火焰区与高温过浓区，有害排放物会大量生成，主 要包括h c 、c o 、n o 。和微粒( p m ) 。同时，由于柴油机的空燃比较大，h c 和 c o 的排放量相对较低，主要排放物是n o x 和p m 。 n o x 是形成光化学烟雾的主要因素之一，是柴油机燃烧过程中各种氮的氧 化物的总称，其中以n o 和n 0 2 的浓度较大，而n 0 2 的浓度又比n o 低得多， 大约占5 。根据“捷尔杜维奇机理”( z e l d o v i c hm e c h a n i s m ) 1 2 0 ，在柴油机缸 内的高温、高压与含氧的条件下，n o 的生成按链反应机理进行，即 qh 2 0 ( 1 一1 ) o + 2h + ( 1 2 ) + q n o + 0 ( 1 - 3 ) + o hhn o + h ( 1 - 4 ) 0 2 分子的分解比n 2 分子的分解要容易很多，在高温条件下，首先是链的引发反 应是氧分子分解成氧原子，然后产生直链反应。因此，n o 的生成是从氧原子破 环n 2 分子的化学键开始的。温度是反应式( 1 2 ) 的正向反应速度的决定性因素， 因此，当燃烧火焰温度较高时，柴油机缸内燃烧过程中n o 的牛成量迅速增加， 此外，氧浓度以及氮和氧在高温中滞留的时间也加快n o x 的生成速率。 柴油机排气中的微粒( p m ) 对人类的危害很大，根据美国环保局的定义， 内燃机的微粒是指从温度低于5 2 的稀释排气中沉积在用聚四氟乙烯处理过的 玻璃纤维滤纸上的所有物质。近年来医学专家认定微粒中直径小于10 0 n m 的碳 粒，可由呼吸道吸入，沉淀在肺部并引发癌症。微粒( p m ) 主要由碳烟( s o o t ) 、 可溶性有机成分( s o f ) 不1 3 硫酸盐( s u l f a t e ) 等成分组成。柴油机废气中的碳烟含量是 各不相同的，但通常都大于5 0 ：因此，要减少微粒的排放，首先应设法减少碳 烟的生成量。柴油中含有的碳元素是柴油机排气中的碳烟的主要来源，其生成的 条件是高温和缺氧。由于柴油机总体e 是富氧燃烧，但由于缸内流动过程比较复 杂，并且燃油与窄气的混合时间较短，仍然存在着一定的过浓混合气区域导致碳 烟生成。在缸内高温缺氧的区域，烃分子首先发生部分氧化和热裂解，生成各种 不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其他较高阶的同系物和多环芳烃。它们不断脱氢， 气相反应物在预混与扩散火焰的高温与高自由基离子浓度区域开始生成直径为 1 5 - 2 n m 的晶核或s o o t 先导物；在晶核与s o o t 先导物生成的同时，气相的烃和其 他物质( 主要是乙炔) 在这个晶核表面的凝聚，以及晶核之间相互碰撞发生聚合， 第章绪论 使碳烟粒子的质量与体积增大，成为直径2 0 3 0 n m 的碳烟基元。最后，碳烟基 元经聚集作用堆积成粒度在1 雎m 以下的链状或团絮状的聚集物。碳烟在形成的 过程的各个阶段也不断的被0 2 和o h 氧化，排气中的碳烟是其牛成和氧化相竞 争的结果1 2 i i 。 同内外前期基础研究表明，降低n o x 排放与改善缸内混合气燃烧质量是相 矛盾的，而降低p m 排放与改善缸内混合气燃烧质量是一致的，这也就形成了柴 油机排放中n o x 与p m 的“t r a d e o f f ”关系。因此，如何同时降低柴油机n o x 与p m 的排放量一商是内燃机上作者关注和研究的重要难题，也是满足曰益严格 的排放法规要求的关键问题。 1 3 1 电控高压燃油喷射 柴油机燃油喷射系统是实现柴油机i 苛效、清洁燃烧并降低排放的核心技术， 现代高效、清洁燃烧柴油机对燃油喷射系统提出了更为严格的要求，为降低排放 与噪声并改善燃油经济性，燃油喷射系统需满足较高且可独立控制、柔性喷油速 率控制、多次喷射与精确油量控制、快速断油与易驱动的条件。传统的机械控制 喷油系统难以对燃油喷射压力与参数进行精确控制【2 2 1 ，凶此，也很难对柴油机 的经济性与排放性能做进一步的优化，不能适应未来柴油机的发展趋势。随着电 子技术与自动控制技术的发展，新一代柴油机电控高压喷射系统不仅能达到较高 的喷射压力、实现喷油量和喷射参数的精确控制，而且可以灵活实现多次喷射， 从而优化喷油特性，降低柴油机噪声并减少废气排放。高压共轨燃油喷射系统的 优势比较明显而被广泛应用。 1 3 2 柴油机废气再循环技术 废气再循环( e g r ，e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 技术被认为是目前降低n o x 排放最有效的措施之一 2 3 - 2 4 。e g r 技术最早是2 0 世纪7 0 年代应用于汽油机上， 近年来也越来越广泛的应用在柴油机上，并取得了良好的降低n o x 排放的效果。 由于柴油机已广泛使用废气涡轮增压，缸内燃烧过程得到进一步加强。在排放法 规的越来越严格的条件下，废气再循环技术做为降低排放的有效措施将得到更多 的应用。采用e g r 后对n o x 生成的抑制作用主要表现在 2 5 - 2 6 】： ( 1 ) 大量含有接近惰性的气体( 如n 2 和c 0 2 等) 的废气循环进入缸内后 可以降低新鲜进气的浓度，使缸内空燃比降低，从而减缓混合气的燃烧速率，并 降低了最高燃烧温度。 ( 2 ) 废气的引入使进入气缸内的新鲜充量减少，使得n o x 生成的氧浓度降 低，有效抑制了n o x 的生成。 第章绪论 ( 3 ) 废气中含有的h 2 0 和c 0 2 等比热容较大的三原子气体，在燃烧过程中 可以吸收缸内放热量，从而有效地降低缸内最高燃烧温度。 然而，在采用e g r 降低n o x 排放的同时，也会不可避免的带来一些问题。 e g r 废气的引入必然会降低缸内新鲜进气量，使滞燃期延长，导致燃油经济性 恶化，同时空燃比降低也会增加浓混合气区域，微粒排放增加。 1 3 3 排气后处理技术 随着内燃机低排放标准的越来越严格，仅仅通过增压中冷、电控高压喷射和 e g r 等缸内净化措施难以同时兼顾动力性、经济性和排放性的要求。因此，世 界各国都先后开发排气后处理技术，在尽量不影响内燃机其它性能的同时，最大 限度的降低向大气排放污染物。 一、选择性催化还原技术( s c r ) 1 2 7 n h 3 s c r ( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 技术被认为是降低柴油机n o 。排放 最有效的手段之一。以氨、氨水或尿素做为还原剂的的选择性催化还原系统，催 化剂以具有高活性或耐硫性的v 2 0 5 w 0 3 a 1 2 0 5 t i 0 2 s i 0 2 为主，可以降低柴油机 排气中绝大部分的n o x ，也能降低部分h c 。由于s c r 技术彳i 影响发动机燃油 经济性，且易于改装，反应温度较低，催化剂不含贵金属，寿命长，对硫不敏感 等优点，己在欧洲等国家和地区得到了广泛的应用。 南于尿素比氨或氨水更易携带，不具有刺激性气味，因此以尿素为还原剂的 s c r 技术被认为是最具有应用前景的。其工作原理大致为：将n h 3 ( 即尿素) 喷射到废气中，在催化剂作用下，利用氨将n o x 还原为n 2 和h 2 0 ，即以还原反 应将n o x 分解。n h 3 具有很强的选择性，它易与n o x 反应而不会与废气中的 0 2 发生反应，这一过程在排气温度为2 5 0 4 5 0 。c 时具有较高的转化效率。而 n h 3 s c r 的难点是成本较高，需要催化转化系统、尿素喷射与计量装置以及尿 素存储器等，这在一定程度上限制了其在机动车等移动装置上的使用范围；并且 还需严格控制n h 3 f n o x 的当量比，一般低于o 7 0 9 ，否则，过量的喷射尿素， 虽然n o x 转化效率增加，同时也会造成大量n h 3 泄漏，污染环境。同时为防止 尿素水溶解的低温结晶而堵塞输送管路，需加入专门的防冻添加剂= 二、柴油机微粒捕集器( d p f ) 2 8 - 2 9 柴油机微粒捕集器d p f ( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 是柴油机微粒排放后处理 的主要方式，它由收集排气微粒的滤芯和各类周期性的把滤芯中沉积的微粒烧掉 或氧化掉的再生系统组成。其工作过程大致为：柴油机排气经过滤芯时，排气中 的微粒被收集在滤芯上，当滤芯上的微粒移 累到一定程度而明显增加柴油机排气 阻力( 一般为2 0 k p a 左右) ，恶化柴油机性能时，再采用一定的方法烧掉或氧化 第1 章绪论 掉积累在滤芯上的微粒进行d p f 的再生，现代d p f 的微粒过滤效率平均可达到 9 0 左右。 三、柴油机氧化催化器( d o c ) 【j 叫 柴油机氧化催化器d o c ( d i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t ) 可以降低排气ill 的c o 和h c ，但主要目的是降低排气微粒中s o f ( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) ，从而降低 总的微粒排放量，同时d o c 可以有效净化醛类和多环芳烃，减轻柴油机排气臭 味。d o c 对微粒的捕集效果不如d p f ，但由于不需要再生系统和控制装置，具 有结构简单、可靠性好的特点。 柴油中硫会引起催化剂中毒，并且硫经燃烧后易生成硫化物，硫化物易沉积 在过滤体内，导致过滤效率降低，排气阻力增大；生成的硫酸或固态硫酸盐微粒， 也会增加微粒排放量，因此d o c 对柴油的含硫量有严格的要求，一般燃油中硫 的含量不能超过5 0 p p m 。 1 4 重型柴油机排放控制技术 3 1 - 3 2 1 随着排放法规的逐渐严格，满足国l v 排放限值的柴油机排放控制技术也由 改进燃油喷射系统、优化燃烧等机内净化技术开始过渡到与机外净化技术相结合 的方法，目前从国i 阶段过渡到国i v 排放标准主要有两种比较成熟的技术方案， 如图1 3 所示： n o x ( g + k 、hj 图1 3 满足国i v 排放的技术路线图示意图 一、s c r 技术方案 对于国i v 标准之前的柴油机，通过增压中冷和电控高压共轨喷射等机内净 化技术，再利用n o x 与微粒之间的t r a d e o f f 关系，就口j 以使n o x 与微粒同时达 到国i i i 标准排放限制要求。通常，为了达到国i v 柴油机标准必须结合后处理措 把主至蛇o ；l【( ；、i兰芝i 第。章绪论 施才能达到排放要求。s c r 技术是通过优化喷油与燃烧过程，最大限度的控制 缸内微粒的生成，然而这将使n o x 急剧上升，大大超过排放限值：冈而必须使 用机外后处理，采用s c r 技术，向排气中喷射尿素水溶液对n o x 进行选择性催 化还原来降低n o x 排放达到国i v 标准。采用这一路线的主要厂商主要有国内的 玉柴、潍柴等企业，以及国外的依维柯、雷诺、康明斯和沃尔沃等。 二、e g r + d p f 技术方案 e g r 方案是在柴油机国i i i n 放的基础上，通过优化燃烧过程并向缸内引入 e g r 废气来降低缸内最高燃烧温度与氧浓度，以抑制缸内n o x 的生成，但废气 的引入会导致缸内空燃比减小，燃油与空气的混合质量变差，微粒排放急剧上升， 因此必须通过增加后处理装置即d p f 来降低微粒排放。为了在降低n o x 排放的 同时不致使微粒上升幅度过大，e g r 方案的喷油压力也必须相应提高；同时e g r 与d p f 装置造成柴油机排气背压升高，为防止微粒堵塞d p f 装置而进行的主动 再生需要消耗一定量的燃油，这些都会导致e g r 方案的燃油经济性变差，与同 条件下国相比，燃油消耗量增加2 3 。采用e g r 方案时，为了冷却e g r 废气，降低废气与新鲜进气混合后的温度，必须增加废气中冷系统，大多数情况 下，需要对原有国i 柴油机的结构进行重新设计。采用这一路线的主要厂商有国 外企业如斯堪尼业和曼等。 表1 3 是对两种技术方案的简明比较1 3 3 j ： 表1 3s c r 方案与e g r + d p f 方案对比 对比方案s c r 方案e g r + d p f 方案 n o x 和p m 转化率 8 5 8 0 9 0 燃油经济性减少5 7 增加1 2 喷油压力相对较低相对较高 燃油含硫量可使用国i i i 柴油 不能高于5 0 p p m 尿素箱和喷射装需增加e g r 冷却器，后处理 对整车布置要求 置布置空间较大系统较小，整车适应性强 需要安装加热系统，冷启动困难， 对温度要求 防止尿素低温结冰各丁况转换效率不同 公用配套要求需要尿素加注站不需要 对发动机自身要求低，对润对发动机自身与 其他 滑油要求不高，适应性好润滑油要求均较高 1 0 第一章绪论 1 4 1 国外技术发展现状 口前欧美等发达国家已经实施更为严格的排放法规，为满足欧v 排放与 e p a 2 0 0 7 2 0 1 0 排放的要求。在欧洲，s c r 技术与e g r + d p f 技术路线并存的局 面；长途载重车辆主要采用s c r 技术，而短途运输以及城市公交车则采用 e g r + d p f 技术，这主要受d p f 再生条件的限制，虽然长途载重车辆s c r 系统 的整机初始成本较高，但油耗较低，在使用期间可弥补过高的成本缺陷；而短途 运输车辆对油耗不敏感，e g r 方案的初始成本较低以及一些城市强制公交增加 d p f 装置都使e g r 路线更受青睐。在北美主要以e g r + d p f 为主流，主要原因 为在美国燃油价格便宜，采用s c r 后会导致车辆运行成本增加；同时，s c r 系 统需要在行驶一定里程后添加尿素，这不符合美国u s 2 0 0 7 标准的要求：此外， s c r 技术还必须得到美国环保局的特别许可，这无疑也增加了s c r 技术推广的 阳力。 1 4 2 国内技术发展现状 当前国内各主要公司满足国i i i 丰4 放主要采用有高压共轨系统，如康明斯、潍 柴、玉柴、上柴与锡柴等；电控单体泵，女| 1 t 柴与大柴等；电控泵喷嘴，如陕汽 康明斯；以及电控直列泵加e g r ，如中国重汽。上述满足国i i i 排放路线中，高 压共轨与电控单体泵柴油机都可以通过技术升级满足国i v 或者国v 排放标准， 但电控直列泵加e g r 不具备国i v 国v 的升级潜力，技术缺乏继承性。 影响国内满足国i v 排放技术方案选择的主要因素是柴油品质，尤其是柴油 硫含量，而排放法规对柴油硫含量要求极其严格。国i i i 排放的柴油硫含量不能超 过3 5 0 p p m ，而国l v 排放的柴油硫含量不大于5 0 p p m ，这对我国石油冶炼产业 是一个极大的挑战。现阶段我国柴油质量严重落后于排放标准要求，当前我国车 用柴油含硫量仍在5 0 0 p p m 以上，且还不能在全国范围内推广；而国i v 排放对 柴油硫含量具有严格的要求，一般不超过5 0 p p m 。 因此，d p f 路线能否实施取决于我国石油化工产业能否生产出硫含量低于 5 0 p p m 的柴油，并在全国推广使用。虽然s c r 路线需要大规模建立尿素加注站， 但其对硫不敏感，可继续使用当前柴油，在柴油品质不能在短期迅速提高的前提 下，我国大多数主机厂都选择s c r 技术做为满足国j v 排放的技术路径【3 4 1 。 1 5 本课题的研究内容及意义 随着排放法规的日益严格，发动机的节能减排技术越来越受到人们的关注。 第一章绪论 我国原计划在2 0 11 年实施的商用车国i v 排放标准，由于国内油品质量不能适应 实施上述标准的现实状况，重型柴油机国i v 排放标准的具体实施日期不得不一 再推迟。因此，如何在现有条件下，特别是现阶段的柴油品质条件下，最大限度 的减低柴油机有害气体的排放对于我国柴油机产业无疑是。个巨大挑战。 本文是在分析国内外研究的基础上，探索商用柴油机采用两级增压系统结合 e g r 技术路线，在不采用后处理器条件下满足国i v 排放的技术途径，具体的丰 要内容包括： ( 1 ) 柴油机两级增压系统的匹配。在原机单级增压系统的基础进行两级增 压系统的试验匹配，最终确定适用于e g r 技术方案、经济性与排放都较好的两 级增压系统方案。 ( 2 ) 对两级增压柴油机进行燃烧系统的优化，主要包括对两级增压柴油机 进行燃烧室与喷油器的试验匹配，并从中选择在不同e g r 率下燃油经济性与排 放性能较好的燃烧室与喷油器。 ( 3 ) 在上述试验结果的基础上，对两级增压柴油机喷油参数与e g r 率耦合 控制策略进行试验优化，其中包括预喷、喷油压力、喷油定时以及e g r 率对柴 油机经济性与排放性能的影响，确定柴油机不同工况下低排放的喷油参数与 e g r 率耦合控制策略。 上述研究对探索满足国i v 及以上排放法规柴油机燃烧技术路线有重要的理 论意义，提出的燃烧技术对国i v 及以上排放法规柴油机燃烧系统开发有重要的 工程指导价值。 第一章实验装置和研究方法 第二章实验装置和研究方法 2 1 试验装置和设备 2 1 1 试验台架与主要仪器设备 本试验用一台排量为8 4 l 的电控高压共轨直喷式柴油机，整个柴油机试验 台架由控制部分、执行部分和测量部分组成。图2 1 为柴油机试验台架示意图， 表2 1 为柴油机主要技术参数，表2 2 为主要仪器和设备的技术参数。 图2 1 实验台架示意图 表2 1原柴油机主要技术指标 名称主要技术参数 型式直列六缸四冲程，增压中冷 燃烧室形式直喷缩口( 0 型 气缸直径行程1 1 3 m m 1 4 0 m m 气缸总排量8 4 l 压缩比17 5 ：1 标定功率转速2 4 0 k w 2 2 0 0 r m i n 第章实验装置和研究方法 表2 - 2 主要实验仪器和设备 名称型号生产厂家 测功机及控制系统 w e 4 、e i m 0 4 杭州奕科机电技术有限公司 电控标定系统i n c av 6 1e t a s 油耗仪f c m 0 5杭州奕科机电技术有限公司 烟度计a v l 4 1 5 s a v l 废气分析仪m e x a 7 1o o d e g rh o r i b a 进气流量计同圆热式气体质量流量计上海同圆 电控e g r 阀k n e 0 7 1 1 0三菱重工 电子节气门 p b t g f3 0b o s c h 缸压传感器6 1 2 5k i s t l e r 电荷放大器 5 0 l1k i s t l e r 2 1 2e g r 试验装置与控制系统 试验研究中建立了一套高压冷却e g r 系统，其主要由e g r 冷却器、电控 e g r 阀、单向阀、电子节气门及可调进气旁通阀组成，如图2 1 所示。试验过程 中若需引入废气时，废气从涡轮前直接引入e g r 冷却器，经电控e g r 阀和单向 阀流入进气管路，e g r 率可以通过调节e g r 阀的开度来控制；如果仅依靠调节 e g r 阀的开度无法达到所需e g r 率时，可在e g r 阀全开与进气旁通阀关闭时 调节安装在进气管路上的电子节气门开度进一步增大e g r 率。e g r 管路上的单 向阀是为了防止某些工况下由于涡轮前废气压力小于电子节气门节流后压力而 引起的新鲜空气倒流。由于电子节气门流通截面积较进气管路小，因此与电子节 气门并行安装了可调进气旁通阀，以减小某些工况下电子节气门全开时引起的节 流损失。试验过程中喷油参数可通过e t a s 的i n c a 标定系统灵活调节。图2 2 为试验台架e g r 系统的布置图。 1 4 第二章实验装置和