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满足欧“i ”法规的锡柴11 0 系列柴油机 燃油系统匹配试验研究 摘要 世界范俐内保护环境、降低柴油机排放的要求，使得一汽无锡柴 汕机，把解决儿0 系列柴油机的排放问题作为当前：【作的重j i 。本文 试图通过燃油系统的匹配优化，实现高压喷射，同时结合柴油机自身 的性能优化，使l l o 柴汕机满足欧“i ”排放法规。仔：婴开展j 以f l 个。而的j j ：作： 、 1 ) 对国内外柴油发动c j l i 葫足排放法规的研究动态进行，综 述，收集整理了与燃油系统相关的文献资料。 2 ) 对锡柴1 1 0 系列柴油机排放现状进行了分析，在此基础【： 以优化燃油系统匹配为主要目标，提出了改进方案。 3 ) 从最大循环供油量、最高平均供油速率、最大许刚泵端唯 力、y f ：i j 最高转速这四个方面对改进型燃油系统p w 泵的：i ：作性能进 行厂理论分析。根据日前威孚公司现有的凸轮型线、柱塞品种，计算 p w 泉的j 泵端j 丘力约为8 6 5 b a r ，许用最高转速为l4 _ o o v j m i n ， 为以j i l j f l 泵匹酣提供r j ，胖沦依据，减少r 参数选择的l 。i l f 和试验 i ：f ：舒。 摘壁 4 ) 根据供油速率的定义计算出对应于不同挺柱升程的供油速 率，并绘制1 r 不同柱塞直径、不同凸轮的供油速率曲线。利用这个曲 线叮以简单快捷地查出不同柱塞在供油过程。l 每一位置的供油速率。 5 ) 通过对配锡柴a k z 柴油机的p w 泵泵端压力、嘴端压力、喷油 嘴针阀升程、喷油规律等性能参数的测试，得出p w 泵承受的泵端压 力满足柴油机达到欧“i ”排放法规对燃汕系统的要求。为了解不同 结构参数对燃汕系统实际的影响，同时本文又对多种办案的燃油系统 进行。，性能测试。 6 ) 为摸索1 1 0 系列柴油机燃烧与排放的特性，丌展厂不同喷油 提前角对柴油机性能和排放量影响的实验研究，由此得：延迟喷油 是目前降低柴油机n o x 排放最有效的方法之。 7 ) 进行了双弹簧喷油器与原机嘴的排放对比试验，由于喷油 器的调整及试制质量问题，该项试验未取得好的效果。 8 ) 通过改善1 1 0 系列柴油机排放指标的实例研究，对燃油系 统进行了优化。例如本文提出的高压油管与柴油机的匹配优化，提高 、 了嘴端压力，降低了柴油机的排放。 一、厂一一 关键词 柴汕机，燃油系统，匹配，优化，d 、轮 t e s ts t u d yo nf u e li n j e c t l 0 ne q u i p m e n tf o rx i c h a i1 1 0s e r ie s d ie s e le n g l n em e e t l n ge u r oil e g i s l a t i o n a b s t r a c t w il ht h ec o n e e r n so fo x h a u s te m i s s i o n f i r s ta l l t o m b il e ( ；f o e i pw u x i d ie s ( 2 li n g ir ew o r k sd e t e r m in e dt oi m p r o v et h e i rp r o d u c to f ll ( ) s q r io sl l ic s 0 1 e n g ir e 【h eg o a lo ft h ep r o j e c t 。a sw e l la st h ep r e s e n tt h e s is ，ist om e ( 2 t e l r ol 1 e g i s la t i o nw h i l ek e e p in gh i g hp r e s s u r e in j e c t 【nl h is p a p o i s e v c f i t ir l s p e c tso f r u e lin j e c t i o ne q u i p m e n ta p p ic a t i o n o p ti m iz a t i 0 1 1n e r ( 2 s tl l ( j io 出1 h ew o r kc o u l db ed e t l i l e da sf 0 1l o w ： ( 1 ) 、s u r v e yo fd e r 、，i o u sw o r ko nt h er u e le q u ip m e n ta n t ia n “l 、s is ( 1 f t h eu s ( 2 d t e c h n o l o g yw e r er e p o r t e d ( 2 ) 。n a ly s iso f - e m is s i o nint h ep r e s e n tt h a tx i c h a ii1 0s e r io sc i je s e l ( 2 n g in o p r o v i d ei m p r o v e m e n to nl h ep r o j e c tw i t ht h ep r o p o s e ( ) lo p ti i n iz h tio n o f - i u e lin j e c t io ne q u i p m e n t 郴) at h e o r e t i c a l l va n a iy s iso fr u e l i n j e c t i o ne q u ip m e n t w ( ) rk in g c a p e t i t 、w i t hc o n c e n t r a t eo nt h ed i f f e r e n tc a ms h a p e s p u m pe l e m e n tm a d e b y t h a tw e if uc o m p a n yw a sp r o d u c e d ，t h e p u m pp r e s s u r eli i n it f o rp wp u m p u s i n g0 5 8 1 8 l 一0 2 0 i 一2c a mis8 5 6 b a r ：a n dt h er o t a t es p e e dl i m icf o kp f fp u m p is11 0 0 r m in p r e y i d et h et h e o r vb a s i sf o r e n g i n ep e r f o r m a n c e t e s ta n d s y s t e mm a t c h i n g w h i c hr e d u c et h es e l e c tb l i n d n e s sa n dt h ew o r k l o a c lo f t e s t ( - 1 ) a c c o r d i n g t od e f i n i t i o no f i n j e c t r a t e i n j e c t r a t cu e r e c a lc u l d t e d ，a n dc u r v eo ft h ei ni e c tr a t ew a sp r o t r a c t i n t r o d u c eam e t h o d o f s ( 2 1 e c t jn g p a r a m e t e r s ，f r o mc h a r t ，t h ef a c tp r o v e dns i m p l 、r a n d e x p e d i ( 2 n t ly ，a sw e l l a sw a sf i tf o r s y s t e mm a t c h i n g ( 5 ) i u m ps i d ep r e s s u r e 、n o z z les i d ep r e s s u r e f u e li ni e c t i o nl h we t c o f p wp u m pw e r et e s t t h ep u m ps i d ep r e s s u r ew h i c hm e e te u r oi l e g is la ti o n su 。11 l s i i l i l t i p r o j e c tr u e l i n j e c t io ne q u i p m e n tw e r ee x p e r i m e n t e d ( 6 ) w i t ht h ep u r p o s eo fg r o p i n g1 1 0s e r ie sd ie s e e n g in op e r o r m l r a c e ( 2 x p c il m e n t sw e r ec a r r i e ( io u tw h ic hs h o u t h ee f f e cl i n i e c t i o nt i ”1 in go n o n i i - io i la n de n g in ( 2 f ) c i f orm a n c o s t h e nl i f e wt h ec o r c jl i s i o nt h a linj o o ti ( 1 n 【j o ir i 、i ? l l l l e n gt h eh u s to t 、“、( 1 ij l h l qn l o t l l o d s t or e d u c co x h i t l i s tl 、i l l i _ il 1 1 、了) l o i i i p i l is o n s h o x 、in g inl 1 1 1 is s i e l w c r 。( 2 x p e 1 i m ( 2 n t o ( jhl - t wl 、l - i i ti 、r l s p l in g i n j o c t o l a n t 】e l ie i i ini e c t o t 【= o c al i s eo f 1 ( ii t i s t i i i l f 1l ii i i oc i ( 、ic t 1 c l c ll i ：1 i i t10 lth l lr i 。i l _ p t l o d u c t ，l hl 、ni t 川d n l il l 、 e x p e f l m e n ts ) l ) 1n t ( 8 ) ic it h ee x a m p l e0 fi m p r o v i n g 11 0s e r ie sd i e s e le n g i l i ee x h a u s t e m 【s s i ( ) n ， o u l i di tf a v o r a b l eo d t i m iz a t i o l i0 f r u e lin j e c io n e q u i p m e n t l 、s p e c ic l l i j lnh i g hp r e s s u r ev i t t - if o ri r e p r o v et h er o z z l es i d ep r c s s u r e ，a n d r e d u c eu m is s lo no 、t h ed ie s e l e n g i n e k e yw o r dt l le s e l e n g if i e ，f u e li n j e c t i o n e q u l p m e n t ，m a t c h in g l e s t ，c a t m 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 0 年来的改革开放，中国经济得到了飞速发展，交通运输量也迅速增加。据 统计，1 9 9 6 年的旅客周转总量是1 9 7 8 年的5 2 5 倍，货物周转量1 9 7 8 年的3 7 倍。 为适应交通发展的需要，中国的汽车年产量从1 9 7 8 年的1 4 9 万辆增加到1 9 9 7 年的1 5 7 7 万辆，增加了9 6 倍，年增长率为1 3 。尽管中国交通和汽车制造事 业有了长足的发展，但是这个市场还远远没有饱和。因为中国目前的汽车保有量 仅为只有8 千多万人口德国的汽车保有量的1 4 左右。中国每人利用动力交通工 具旅行的平均里程尚低于印度。随着经济的进一步发展，交通运输和汽车保有量 必将继续高速增长。作为交通工具中最主要的动力内燃机也将起到愈来愈重 要的作用。但是内燃机的发展将对能源供应和环境污染造成极大的压力。 我国内燃机排放指标十分落后，1 9 8 0 年对我国汽车排放指标的普查表明：c o 含量为日本现行法规的2 8 3 8 倍，h c 为1 6 2 6 倍，n o x 为3 7 倍，达到十分惊 人的地步。随着汽车保有量的逐年增加，内燃机排气的有害物质对大、中城市的 大气污染日益严重，直接危害人们的健康。内燃机排气污染物对人体的危害如下： c o 是无色无味的气体，它和血红蛋白的结合能力是氧气的2 4 0 倍。空气中c o 的 含量超过0 1 时，就会导致人体中毒，当7 5 的血红蛋白丧失输氧能力时，就会 导致人体窒息。c 0 ，的危害在于作为主要温室气体，造成地球表面温度升高。h c 有麻醉作用，对人的口鼻粘膜有刺激。n o 。( n o 和n 0 2 的统称) ，在空气中，n o 被 氧化成n o ，在空气中的含量超过1 5 1 0 “时，会和血红蛋白结合，若超过2 0 1 0 1 时，会影响肺的功能。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。 颗粒的主要成分是碳，柴油机排放物中的颗粒大多小于0 3um ，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，颗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。因此控制排气污染已到了刻不容缓的地步。 几乎所有的工业国家都制定了限制排气污染物排放量的标准，以此来限制内 燃机的排气污染。由于各国政治、经济和技术的发展水平不同，采用的排放标准 也不相同。目前，世界上实行的排放标准主要有美国、欧洲和日本三大体系，而 其中美国和欧洲的排放标准体系为各国广泛引用，中国采用的是欧洲的排放标准 体系。表卜1 给出了美国重型车用柴油机排放标准【i ，表卜2 给出了欧洲当前及 未来的标准乜 ，表l _ 3 给出了我国的排放标准b 。由于测试方法的不同，美国的 标准和欧洲的标准严格程度有一定差异，大体上美国9 1 年标准与欧洲“i ”标 准相当，9 4 年标准与欧洲“i i ”标准相当。我国9 9 年标准与欧洲“i ”标准相 当。下面为不同时期各国所采用的排放标准： 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 表卜1 美国重型汽车排放标准 年度 c o ( g k w h )h c ( g k w h )n o x ( g k w h )p m ( g k w h ) 试验程序 1 9 9 02 0 51 7 48 0 50 8 0 5 瞬态 1 9 9 12 0 5 1 7 4 6 7 1 0 3 3 5瞬态 1 9 9 42 0 51 7 46 7 10 1 3 4 瞬态 1 9 9 82 0 51 7 45 3 60 1 3 4 瞬态 表卜2 欧洲排放标准 1 年度 c o ( g k w h )h c ( g k w h )n o x ( g k w h )g l ( g k w h )试验程序 e c e r 4 91 1 22 41 4 4 未规定 e c e r 4 9 1 3 e u r 0 14 51 18 00 3 6e c e r 4 9 1 3 e u r 0 24 o1 17 0 o 1 5e c e r 4 9 1 3 表i - 3 中国排放标准 1 年度c o ( g k w h )h c ( g k w h ) n o x ( g k w h )p t ( g k w h ) 试验程序 1 9 8 7 1 3 62 0 41 3 6 未规定 g b 6 4 5 6 - 8 6 | 1 9 8 9 1 3 62 0 41 1 5 6 未规定 g b 6 4 5 6 - 8 6 1 9 9 94 51 ll8 0 0 3 6g b l 7 6 9 1 - 9 9 每一个与内燃机相关的个人和企业，应正视内燃机的排放问题，吸收各工业 国家的先进经验，为满足中国经济发展的需要和国民需求，提供合格的低排放的 内燃机产品。 燃油系统对排放控制起着至关重要的作用，通过油嘴和柴油机燃烧室的匹 配，喷油泵、油嘴、高压油管之间的优化，可最终使柴油机排放指标满足法规要 求。 1 2 柴油机排放物的组成、生成机理及控制对策 1 2 1 柴油机排放物的组成与生成机理 柴油机排放物主要由颗粒、氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合物( h c ) 组成。 ( 1 ) 颗粒柴油机排气颗粒的定义是：稀释到5 1 7 c 以下的柴油机排气流 过带有四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。碳烟是柴油机颗 粒的主要组成部分。碳烟产生条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气极不均匀， 尽管总体是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的形成。在柴油机中，碳烟 的形成过程很快，只要燃烧中的混合气的状态符合一定的条件，就会产生碳烟。 碳烟形成的数量随过量空气系数的降低而增加，压力对碳烟形成的温度和过量空 气系数条件影响很小，但对碳烟形成的数量影响很大，随着压力的增加，碳烟形 成的数量也增加。 颗粒大量生成于燃烧前期，在燃烧后期部分被氧化而使总的排出量减少。它 的构成很复杂，根据美国联邦政府对重型柴油机车辆的测定结果表明】：碳烟占 整个颗粒重量百分比的3 2 ；未燃润滑油占4 1 ；未燃燃油占7 ；碳化物、水分 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 占1 4 ；硫酸盐占6 。具体的数值在不同的机型中会有一定差异，但总体上未燃 润滑油和碳烟占了相当大的比例。图卜1 是颗粒组成的典型例子。 图i - i 颗粒排放的组成 f i g u r e 1 一i c o m p o 胜虻o ft h ep te m i s s i o n ( 2 ) 氮氧化物( n o ，) n o 。是各种氮氧化物的总称，其中包括n 0 、n ：o 。、n z o 。、 n 2 0 、n 0 2 、n 2 0 5 及n 0 。等。柴油机中从排气管排出的氮氧化物中n o 占9 0 9 5 ，n o 。 仅有少量存在，其它成分可以忽略。n 0 与大气中的氧相遇进一步氧化为n o ，。 根据资料口1 介绍，n o x 总体上有三种生成机理：热n o x ，“即时”n o x 和“燃 油”n o x 。热n o x 是指高温燃烧过程中因离解反应同时生成氧和氮的原子和分子， 根据z e l d o v i c h 理论，这些分子和和原子接着形成氮氧化物。“即时”n o x 是指预 混合燃烧的贫氧火焰层中的化学反应产生h c 根，它与氮分子一起形成氰化物， 而后通过副反应从氰化物形成氮氧化物。“燃油”n o x 是指在相对较低温度下燃烧 期间从燃油边界脱离的氮生成的氮氧化物。在柴油机中热n o x 是占主要的，“即 时”n o x 和“燃油”n o x 则是微不足道的。 相对于汽油机，柴油机排气中的n o x 最大值较低，而且向富氧区偏移，如果燃气 在富氧和高温条件下停留时间长，n 0 ，的生成量必然增加。随着膨胀冲程缸内温度 下降，n o 。生成率也迅速下降。燃烧过程极大地影响着n o ；的最大值和变化规律。 ( 3 ) 一氧化碳( c 0 )c o 的浓度在柴油机排气中一般都很低只有在接近冒 烟界限时，才急剧增加。尽管在柴油机中有局部的缺氧区，但平均过量空气系数 大于1 ，气缸内有足够的氧气对已经形成的c o 进行氧化。过量空气系数和燃烧过 程对燃烧后期的c o 氧化反应有很大的影响。锡柴1 1 0 柴油机在解决c 0 排放上不 存在问题。 ( 4 ) 碳氢化合物( h c )柴油机中的h c 产生于过稀的混合气，它们是由于 缸内的温度太低而来不及氧化反应而形成的。在高负荷( 过量空气系数接近1 3 ) 时，h c 急剧下降。锡柴c k 柴油机为降低n o ，排放值，现主要采用延迟喷油，控制 气缸内温度来抑制n o ，的产生，同时h c 排放值由于气缸内温度低而增加。 1 2 2 影晌柴油机排放的因素 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 可燃混合气质量 燃油空气的宏观混合率主要取决于喷油速率和空气运动，而燃油空气的微观 混合均匀性主要取决于燃油雾化程度和蒸发速率。雾化细、混合和蒸发速率高有 利于降低燃油消耗率及碳烟、c o 、h c 的排放，但不利于降低n o ；排放。在固定喷 油定时的情况下提高喷油速率，使碳烟和c 0 排放量下降很多，而n o 。排放量却有 明显增加。当为降低碳烟排放而增加混合速率时，还要考虑燃油穿透率。过大的 穿透率使油滴着壁而增加后燃，过小的穿透率使空气利用率降低而减少了燃烧区 的局部空燃比，这将导致碳烟排放量反而增加。提高混合气质量，要尽量消除不 正常喷射，如二次喷射、后滴等。 ( 2 ) 喷油定时和滞燃期 喷油定时对柴油机排放有较大影响，而这种影响主要通过滞燃期起作用。对 一定的喷油持续期来说，滞燃期的长短决定了预混燃油量与扩散燃油量的比例。 预混燃油量比例大，n 0 x 排放量高，扩散燃油量比例大，碳烟排放量高。除影响 滞燃期外，喷油定时还使燃烧温度和产物的温度变化历程不同，从而改变了有害 排放物的生成量。 喷油定时对柴油机碳烟排放的影响 直喷式柴油机碳烟排放与喷油定时的关系见图卜2 9 ，从图卜2 中可以看到 把喷油定时提前到大于上止点5 ca ，排烟明显降低。因为在这种情况下，滞燃 期较长，着火前燃烧室内有更多和更均匀的混合气，从而减少了扩散燃烧量。如 将喷油定时从上止点5 ca 向后推迟。滞燃期又开始增大，碳烟量降低。所以对 图中所给出的发动机来说，上止点5 c a 动态喷油定时对应于最小滞燃期和最大 排烟量。 图卜2 喷油定时对碳烟排放的影响 f i g u r e1 2 f u e li n j e e i o n i m i n ge f f e c o ns o o te m i s s i o n 喷油定时对n o x 排放的影响 推迟喷油对n o 。降低有显著作用，见图卜3 。当喷油定时比相应于最短滞燃期 的定时还推迟时，尽管由于滞燃期加长使预混燃油比例增加，但焰后区所经历的 高温时间缩短，所以n o 。排放量仍继续降低，然而过分推迟喷油会增加h c 的排放。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 图卜3 喷油定时对n o x 排放的影响 f i g u r e1 3f u e li n j e c t i o nt i m i n ge f f e c to nn o xe m i s s i o n 喷油定时对h c 排放的影响 在低转速时，由于有较长的氧化时间，所以h c 排放对喷油定时不太敏感， 但在高转速时，就变得敏感了，其中低负荷或空负荷缸内温度水平较低时尤为突 出。具体见图卜4 【”。 图卜4 喷油定时对h c 排放的影响 f ig l d r e1 4f u e li n j e c t i o nt i m i n ge f f e c to nh ce m i s s i o n 滞燃期内喷入的油量的影响 减少滞燃期内喷入的油量对于减少n o x 的效果是很显著的，它是混合过程中 影响n o x 生成的重要因素。当然，油束周围的局部混合气形成及着火延迟也很重 要。文献认为减少滞燃期喷入的油量，使得着火延迟较小，成为降低n o x 的支 配因素。图卜5 显示了滞燃期内喷入的相对油量与n o x 的相对排放量之间的关系 及全负荷和部分负荷的变化产生的影响。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 滞燃期内喷入的相对油量 图卜5 滞燃期内喷入的油量与n o x 的关系 f i g u r e1 5r e l a t i o no fi n j e c t i o nq u a n t i t yi ni g n i t i o nd e l a yp e r i o dw i t hn o x ( 3 ) 燃烧室结构 燃烧室结构对排放有多方面的影响。对于同一类型的燃烧室，燃烧室形状、 尺寸、细部结构、喷束与燃烧室的匹配，都会影响最终燃烧产物的排放。燃烧室 形状和尺寸影响缸内平均流场以及与油束的配合，使燃油空气混合物的空间分布 发生变化。 不同类型的燃烧室由于燃烧组织的方式不同，其有害成分排放也有所不同。 图1 - 6 给出了额定工况下几台非增压直喷式柴油机典型气相污染物的排放情况， 由图卜6 可见，强涡流发动机中产生的n o x 较多。 图1 - 6 不同类型燃烧室的排放比较 f i g u r e1 6c o m p a r e 此ge m i s s i o ni nd i f f e r e n tc h a m b e r ( 4 ) 柴油品质对柴油机排放的影响( 见表卜4 ) c 4 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 柴油中的硫在燃烧过程中，先被氧化成s o 。，部分s o 。被继续氧化成s o 。，s o 。 和排气中的水结合生成硫酸。硫酸和硫酸盐以及和它们相连的水都是颗粒的一部 分。降低柴油中的含硫量就相应地降低了颗粒的排放量。据a v l 公司提供的资料， 全负荷烟度几乎和碳微粒排放成线性关系，如果碳烟微粒接近0 值，则烟度为0 ， 但由硫酸盐及半氧化的机、燃油微粒组成的总微粒依然存在。如果含硫量高达 0 2 5 ，即使排气烟度为0 ，其刚仍达0 2 9 k w h 。对较高含硫量的柴油，要达到 欧i 排放法规，全负荷烟度必须控制在2 f s n 以内( f s n 为f 儿t e r ss m o k en u m b e r 的缩写，即滤纸烟度值) 。 表卜4 柴油品质对柴油机排放的影响 排放 改进燃料、 c on o x h c 颗粒 降低硫含量 0ooll 减少芳烃 000o 减少多环芳烃 o o 口 减少密度0 00 l 提高十六烷值lllll l0 降低t 。t 。点 o ? 注：ll 减少：10 较少或无影响；o 一无影响；? 需进一步确认 ( 5 ) 降低柴油机机油消耗，降低p t 中机油微粒 柴油机的机油在高转速低负荷和低速工况下，半氧化比例较高，生成微粒较 多。随着法规对总微粒p t 的收紧，这部分来自机油的微粒所占相对比例越来越 大。因此对未来的低污染柴油机，降低机油消耗来减少机油微粒是十分重要的。 国外的柴油机其机油消耗率，最先进的仅为0 0 3 9 k w h ，一般的在0 1 9 k w h 左右。 而国内柴油机的机油燃油比在0 8 左右，折算成机油消耗率为1 7 9 k w h ， 与国外相比水平相差很大，必须下大力气降低此项指标。 ( 6 ) 进气状态 进气温度升高使压缩温度和气体反应温度升高，促进了n o x 的生成。由于滞 燃期随进气温度升高而缩短，扩散燃烧的燃油比例增大，碳烟排放量因而增加， 提高进气温度唯一有利的方面是加速未燃烃的氧化；在进气温度和供油量不变的 情况下提高进气压力，相当于增加过量空气系数，由此降低了燃气温度，抑制了 n o x 生成；进气量的增加也使碳烟、未燃烃排放减少。所以，柴油机增压加中冷， 对改善排放十分有益。如果增压后没有中冷，则进气温度提高，n o x 的排放量会 高于非增压机。图卜7 9 所示的直喷式非增压、增压和增压中冷柴油机n o x 排放 率的比较。 由于水蒸汽比热高，故增加进气湿度有利于降低燃烧温度，使n o x 生成减少。 低的燃烧温度也使碳烟生成速率下降，且0 h 基的增加可促进碳烟先兆物的氧化， 因而增加进气湿度对降低碳烟排放也是有利的。但特别在低负荷下，进气湿度增 加使未燃烃排放增加。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 图卜7 增压与非增压柴油机n o x 排放的比较 f i g u r e1 7c o m p a r ew i t hn o xe m i s s i o no ft u r b o c h a r g ea n dn o t u r b o c h a r gd i e s e le n g i n e ( 7 ) 负荷和转速 负荷变化实际上是空燃比变化。对大部分直喷式柴油机来说，由于冒烟界限 的限制，过量空气系数通常不会低到令n o x 排放因氧浓度下降而降低的程度，故 通常随负荷增大，n o x 排放浓度因温度水平的提高而增加。但就n o x 排放率来说， 变化很小。n o x 排放浓度随空燃比变化的一般特征见图卜8e ”。 图1 - 8n o x 排放浓度随空燃比变化的曲线 f i g u r el 一8r e l a t i o nc u r v eo fn o xe m i s s i o nw i t ha i r f u e l 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 c o 排放浓度随负荷变化曲线的形态大致是两头高，中间低( 图1 - 9 ) 。对于 增压柴油机也是如此，但其排放浓度可有较大下降。h c 排放浓度随负荷的减小而 增加( 图卜1 0 ) ，尤其在空负荷和低负荷时h c 排放浓度增加很快，由于缸内温度 低，大油滴蒸发很慢，贯穿较远，离开火焰区，其蒸发的燃油蒸气不易被火焰吞 没，所以最终以接近原始燃油分子的形态排出气缸。 图卜9c o 排放随负荷变化的曲线 f i g u r el 一9r e l a t i o nc o r v eo fc oe m i s s i o nw i t hl o a d 图1 - 1 0h c 排放随负荷变化的曲线 f i g u r e1 1 0r e l a t i o nc u r v eo fh ce m i s s i o nw i t hl o a d 烟度与负荷的关系一般随负荷增加呈单调上升趋势( 图1 - 1 1 ) 。但对有些柴 油机，当转速较高时，低负荷时的烟度可能比中等负荷时高。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 图卜1 1 烟度随空燃比的变化趋势 f i g u r e1 1 1r e l a t i o nc u r v eo fs m o k ew i t ha i r f u e l 发动机转速对排放的影响比较复杂。转速影响气体流动、缸内传热、喷油速 率、反应时间等。只有仔细比较各种因素，才能解释不同发动机中排放随转速的 变化关系。此外，在不同负荷下排放随转速的变化也有所不同，供油特性本身随 转速变化，反过来不同的供油系统也将影响排放的转速变化特性。 ( 8 ) 喷油压力的影响 高的喷油压力与可变喷油定时一样对减少排放量是极其重要的。高的喷油压 力可在根本上把碳烟保持在最低水平，然而为了确保好的燃油经济性，需要把高 压喷射下的喷油持续期进行优化。 高的喷射压力下n o x 有一定的增加， 但在滞燃期内吸入喷雾中的空气量增加， 压力升高比上升，n o x 的排放量增加。 这是由于喷油压力提高后而滞燃期不变， 这意味着初期放热率升高，导致发动机 1 2 3 降低柴油机排放的要素总结 对柴油机来讲，主要的排气有害物是n o x 和颗粒，而c 0 和h c 排放相对较少。 有资料显示吲，柴油机的c 0 排放仅为汽油机的1 3 0 ，对大气污染不产生严重的 影响，而且比较容易通过燃烧系统的完善加以解决。n o x 和颗粒是柴油机排放控 制的关键。降低n o x 和颗粒措旌的总结如下： 1 0 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 降低0 譬 降低颗粒 低进气温度一增压后中冷 适当的空气运动一低涡流比 降低燃烧温度 延迟燃烧开点 嚣蓑雾誓少喷油 排气再循环e g r 排气后处理一n o x 催化处理 提高燃油十六烷值 降低机油消耗一改进润滑系统、改进活塞环结构 促进混合气形成及缸内颗粒氧化 降低硫化物一使用低硫燃料 高压喷射 燃烧后期湍流扰动 缩口燃烧室 改进排气系统 排气后处理一颗粒的收集和催化再燃 从排放净化、低油耗观点看，对燃油系统的性能要求有如下3 点： t 聩油量、喷油正时的自由控制 耄季薹裂望薷凳l 电子控制提前器 i 提高泵端压力 2 高压喷油 减小油嘴孔径 i 合理选择油管长度及孔径 3 喷油率的最佳控制 1 3 目前国外控制排放采取的措施及主要的技术特点 在全面控制有害排放方面，国际上很多先进国家对此作了深入研究。具 体措施如下： 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 1 前处理 ( 1 )降低柴油中含硫量 ( 2 )废气再循环( e g r ) 2 机内净化 ( 1 )高压喷射燃油泵和小喷孔多孔喷油器 ( 2 )优化进气排气，采用缩口燃烧室 ( 3 )四气门，中心燃烧室布置 ( 4 )增压和增压中冷 ( 5 )采用较大的空燃当量比 ( 6 )喷油延迟( 减小喷油提前角) ( 7 )带排气放气阀增压器 ( 8 )可变几何截面涡轮增压器 ( 9 )电子即时增压器 ( i 0 )降低机油耗 ( 1 1 )电控喷射、动态控制 3 后处理 ( 1 ) 微粒过滤器 ( 2 ) 氧化催化器 ( 3 ) n o ，还原催化器 低排放柴油机对燃油系统的要求为高压喷射、喷射压力控制、喷油速率控制、 喷油正时的自由控制。 喷油正时和喷油速率的控制是实现控制燃烧的重要因素。所谓喷油速率是指 随着时间的推移从喷孔中喷出的燃油量变化，它是影响柴油机燃烧的重要参数。 通过对喷油速率的最佳化可以使柴油机的排放及噪声有较大幅度的降低。 喷油速率控制有两种情况， 实现喷油速率控制的技术方法有很多。较早的技术方法多以降低噪声、改善 低速性能为目的，以改变喷油器和喷油泵技术参数或增加附加装置等为实施手 段，基本上都是机械式的，即通过机械机构实现一定的喷油速率模式，如双弹簧 喷油器、往复式预喷射装置等。 七十年代后半期，喷油速率的电子控制技术发展很快。8 8 年底，日本z e x e l 公司即开发出预行程控制式喷油泵( t i c s ) ，并投放市场。后来德国b o s c h 公司 开发出蓄压式电控系统和高压溢流式电控系统。 喷油速率控制的技术方法归纳如下： 喷油率的控制技术： 1 _ 改变喷油泵参数实现喷油速率控制主要通过改变喷油泵的凸轮型线，即设计 成两段速度特性不同的型线，使之在不同的工作段具有不同的供油速率。利用 喷油系统的提前机构改变喷油始点，将凸轮的工作段分开，使得低转速时喷油 速率提高，而高转速时喷油速率降低。此外，利用附加装置改变高压历程，减 少初期喷油速率，可实现预喷射喷油速率模式。 2 改变喷油器参数实现喷油速率控制。从理论上讲，喷油速率和喷嘴流通面积 1 2 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 及喷油压力的平方根成正比。因此，通过喷油器节流实现喷油速率控制有两个 途径，即喷嘴座面节流、喷孔节流以改变喷油压力和改变喷孔的流通面积。但 是，前者会降低实际喷油压力使雾化变差，后者会使喷嘴头部结构复杂化。因 此，一般是通过改变针阀升程来控制喷孔的有效流通面积，实现喷油速率的控 制。 3 电子控制式喷油速率控制技术。喷油泵中，从柱塞开始上升到柱塞关闭回油 孔开始供油这段柱塞行程称为预行程。预行程不同，凸轮的工作段是不一样的。 如果将凸轮设计成不同工作段具有不同的供油速率，就可以通过改变预行程来 控制喷油泵的供油速率。日本z e x e l 公司开发的t i c s 系统即根据这个原理来实 现控制喷油速率的。 1 4 本课题的意义及技术途径 环境污染是现代工业社会发展的消极因素。为了控制大气污染，美国、日本 和西欧各国都制定了严格的内燃机排放法规。我国也于1 9 9 9 年3 月1 0 日发布了 等效于欧i 排放法规的国家标准。随着排放法规实施日期的临近和进一步的改革 开放，特别是柴油机产品要打入国际市场，首当其冲的是能否达到所在国的排放 限值标准。在这种形势下，一汽无锡柴油机厂提出了“利用高压喷射等技术解决 柴油机有害排放”这一课题，并与国外大公司及国内外燃油系统生产厂家一起联 合攻关，本课题所要研究的是其中的一部分工作，即：从燃油系统匹配优化的角 度出发，使1 1 0 系列柴油机有害排放达到欧洲“i ”号标准。 从整机性能优化的角度，存在两个大的矛盾点： 1 n o x 降低和颗粒减少是矛盾的。 图卜1 2 为英国r i c a r d o 公司统计的柴油机在采用各种技术措施后n o x 和颗 粒排放量之间的关系。此图清楚地表明了柴油机排出的n o x 和颗粒之间的矛盾关 系，这给柴油机排气中有害成分全面满足排放标准带来了困难。图上也表明通过 采用不同的技术，n o x 和颗粒的总体排放水平在不断降低。增压、中冷、高压喷 射、电子控制，低润滑油消耗等措施都对降低n o x 和颗粒排放带来好处。 2 燃油经济性和n o x 的降低是矛盾的。 例如，采用延迟喷油是控制n o x 的常用方法之一，但这类措施对燃油经济性 有不利影响。有研究认为油耗会增加8 1 0 。图1 1 3 是在一台中型直喷式柴油 机上得到的燃油经济性损失与n o x 减少的关系。 若要使燃烧后碳烟和n o , 都很小，混合气的过量空气系数应该在0 6 0 9 ， 空气量过大，则n o ，排放量增加；空气量过小，则碳烟排放量增加。这就是柴油 机排气中，碳烟和n o 。排放规律不同，而又相互矛盾的变化趋势的原因。 本文试图通过锡柴1 1 0 柴油机满足欧“i ”排放法规，寻找出一些规律，为 以后柴油机满足更严格法规提供经验及试验依据。 本文研究的主要技术途径为： 1 通过高压油管参数的优化，使喷油系统有较高的泵端压力和嘴端压力。 2 减小油嘴孔径，改善燃油的雾化，降低柴油机的排放。 圭童奎望查兰三堡堡主主些兰垡堡塞苎二兰堕丝一 3 改变凸轮型线( 凸轮升程相同) ，可得到不同的柱塞运动速度和不同的供 油速率、供油规律。 4 喷油泵使用等压出油阀，杜绝二次喷射。 5 通过不同供油提前角- - i 况( 标定点和扭矩点) 的排放试验，选择柴油 机合适的供油提前角，并进行提前器的匹配。 p t 56789 艄 n o x 图卜1 2 柴油机n o x 与颗粒的排放关系 f i g u r e1 1 2r e l a t i o no fn o xw i t hp t e m i s s i o ni nd i e s e le n g i n e 图卜1 3 燃油经济性损失与n o x 减少的关系 f i g u r el 一1 3r e l a t i o no ff u e le f 矗c i e n c yl o s e w i t hn o xe m i s s i o nr ed l l c l 鼢n 1 4 7 5 s 3 2 b 0 9 e e a e b 廿一乏通人学t 程坝1 七、# 吐论殳 第一常锅柴1 1 0 系列柴油肌州放雌状分析 第二章锡柴1 10 系列柴油机排放现状分析 2 1 概述 本章主要对锡柴1 1 0 系列柴油讥排放现状进行分折，借鉴国外公司的经验， 依掘排放法规要求对降低n o x 、h c 、c o 、p t 这几项指标提出一个初步的设想。a v l 公司的资料“剀对柴油机达到欧“i ”法规进行了大概的描述：必须进行喷油泵 的性能鉴定，喷油泵的泵端压力应高于8 0 0 b a r ，满足高压喷射的要求；如此高 的泵, 端j j l 力势必产生二次喷射，必须采用等容阀加阻尼器或等压出油阀；机油 消耗率小于0 2 5 9 k w h ：增压器根据柴油机的最大爆发压力应有废气阀设定； 有较好的提前特性：柴油含硫鞋小j 二0 0 5 。对柴油机达到欧“i i ”法规的大 【描述为：喷油泵的泵端压力人1 j9 0 0 b a r ；采用等压出油阀；机油消耗率小于 0 i5 9 k w h ；增压器优化匹配，采日增压中冷；提d 口器、进气压力控制：柴油 龠硫量小于0 0 5 。本课题山j 二燃汕品质、工艺水平等的限制，有必要运用国 外埘付欧“i i ”法规的手段。 22 锡柴11 0 系列柴油机现况及课题目标 22 1 锡柴1 1 0 系列柴油机现况及分析 一汽无锡柴油机厂主要，l 产1 1 0 系列柴油机，配中吨位柴油车，其柴油机 - 产量约为六万台，并被评为国家“五星”级产品，柴油机各项指标在国内处 1 j ：领先的地位。为适应市场需要，提供合格的低排放的内燃机产品，锡柴技术 i f i 心对原11 0 系列柴油机进行了改进设计，柴油机排放及性能指标有了很大的 提高，但由于我国内燃机性能、排放指标与国外水平相比有明显的差距，要达 到柴油机低排放、低油耗，实现一i ：作过程和燃烧过程的优化，还要做大量的工 作。再加上我国对柴油含硫量的要求不高，含硫量i o b r l 为合格品。优质0 # 、 一1 0 4 含硫标准小于o 2 ，o # 一级r j 含硫标准小于0 j 。据统计，1 9 9 8 年l 9 ，j ，中石化总公司，土产柴油的平均优等品仅为1 5 6 3 ，一等品为3 8 8 7 ，其余 均为合格品。统计的3 3 个企、i k ，铂+ 的企业o # 柴油氧化沉渣达2 m g 1 0 0 m l 以上。 厄锡柴油机厂有个别用户j 0 万公! f 1 无大修，主要经验是从不在外面的加油站加 油，所有用油