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山东大学硕士学位论文 摘要 内燃机增压技术在车用柴油机上得到了广泛的应用，因为增压可以增加柴油机的比功 率、降低比质量、提高经济性、改善排放，许多国家把增压发动机作为产品基本型，而逢然 吸气式作为变型来适应特殊场合，所以增压是内燃机发展的重要方向。 本课题目的任务是在k m 4 9 6 自然吸气基础上，开发k m 4 9 6 b z l 增压柴油机，这是企业 从实际出发，为适应市场和社会的需求，而进行的开发研究。本文围绕新产品的进排气型式 的改变，论述了柴油机增压系统的匹配、燃烧系统的分析、供油系统的选择和排气系统的 设计，以理论为指导，以试验为依据，吸收和借鉴了国内外同行业先进的研究成果，融入了 作者的观点，并在试验中得以论证，为今后同类型柴油机的配试，提供了试验依据。 混流式增压器的配试是在热力计算的基础上进行的，理论计算在试验过程中起到了积极 的指导作用；燃烧系统经大量对比试验，找到了燃油、空气、燃烧室三者最佳配合点，并在 此基础上做了深入的分析总结；在柴油机增压对降低排放的影响方面，也进行了深入的研 究和切实的改进。 关键词：增压、排放、燃烧、匹配、设计、计算 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u r b o c h a r g i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e do nt h ev e h i c u l a rd i e s e l e n g i n e ，w h i c hc a ni n c r e a s er a t i oo fp o w e r , r e d u c er a t i oo fm a s s ，i m p r o v ef u e l e c o n o m y n o w , t h et u r b o e h a r g e de n g i n eh a sb e c a m et h eb a s i cp r o d u c tt y p ei n m a n yc o u n t r i e s ，w h i l et h en a t u r a la s p i r a t e de n g i n e ，a st h em o d i f i e dt y p ef o rs p e c i a l p u r p o s e ，s ot u r b o c h a r g i n g i st h ei m p o r t a n tt r e n do f t h ee n g i n ed e v e l o p m e n t t h et a s ko f t h i ss u b j e c ti st od e v e l o pk m 4 9 6t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n eo nt h e b a s eo fk m 4 9 6n a t u r a la s p i r a t i o nt y p e c o m i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e m a n u f a c t u r e r , t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi st om e e tt h ed e m a n do f m a r k e ta n d c o n s u m e i s a c c o r d i n gt ot h em o d i f i c a t i o no fn e wp r o d u c t st y p e ，o nt h eb a s i so f t h e o r ya n dt e s t i n g , a b s o r b i n ga n dr e f e r r i n gt ot h el a t e s td o m e s t i ca n df o r e i g nt e s t m g r e s u l t s ，t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s st h em a t c h i n gt e s to f t u r b o c h a r g i n gs y s t e m ，a n a l y s i s o ft h ec o m b u s t i o ns y s t e m , c h o i c eo ft h ef u e ld e l i v e r ys y s t e ma n dd e s i g no ft h e e x h a u s ts y s t e m , a n dt h e s eh a v eb e e nc e r t i f i e df r o mt h et e s t , i ta l s ow i l lg i v et h e t e s t i n gr e f e r e n c et ot h es a m et y p ee n g i n e t h em a t c h i n gt e s to f t u r b o c h a r g e rw i t hm i x e df l o wt u r b i n ei so n l yat h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no nt h eb a s eo ft h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，i tp e r f o r m st h ei n s t r u c t i o n a l f u n c t i o nd u r i n gt h et e s t i n gp r o g r e s s t h r o u g ht h el a r g es c a l ec o m p a r a b i l i t yt e s t , w e f i n a l l yf m dt h eb e s tp o i n ta m o n gf u e l ，a i ra n dc o m b u s t i o nc h a m b e r w ea l s od e e p l y r e s e a r c ha n di m p r o v et h ei n f l u e n c eu p o nr e d u c i n gt h ee x h a u s te m i s s i o na f t e r t u r b o c h a r g e d k e yw o r d ：t u r b o e h a r g i n g ，e m i s s i o n , c o m b u s t i o n , m a t c h i n g , d e s i g n , c a l c u l a t i o n 一些至查兰堡圭兰丝丝塞 主要符号表： d 一气缸直径 m 一一标定功率 h u 燃料低热值 k 燃烧l k g 燃料所需理论空气量 s - 活塞行程 t 大气温度 t 2 一涡轮后排温t a - - 压缩始点温度 t b 膨胀终点温度 t c 一压缩终点温度 t k 一压气机出口温度 t ，一涡轮前排气温度 t | 中冷后温度 l 一定容燃烧终点温度 t z 一最高燃烧温度 t - 一一新鲜充量温升 v h 一工作容积v l - 一个气缸的工作容积 c 广一排气门开启时的气流声速 。排气门最大有效通流截面积 g r 燃油消耗率 n 一发动机转速 n l 一平均压缩多变指数 n 2 一平均膨胀多变指数 p r 压缩终点压力 p f 最高爆发压力 p b 膨胀终点的压力 m 平均有效压力 p _ 一大气压力 a 一过量空气系数 残余废气系数 山东大学硕士学位论文 6 后期膨胀比 e 压缩比 r in 一压气机效率 i ii d r 一涡轮效率 n 。增压器机械效率 r it k 增压器总效率 i ii 一发动机指示效率 i i 州一发动机机械效率 压力升高比 肛r 一流量系数 u 实际摩尔变更系数 i ic d 气体平均定压摩尔比热 r 热量利用系数 b _ 一一压比 pp 增压后的充气密度 p 初期膨胀比 t 发动机冲程系数 q 。扫气系数 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：i 煎查! 亟e t 期：兰竺! ：! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 墨连! 垂l 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 内燃机进气增压的基本原理： 所谓增压就是利用专门的装置( 增压器) 将空气或者可燃混合气预先进行压 缩，再送入气缸，使每循环进入气缸的新鲜空气密度增大，提高了充气量，从而 可以向气缸内喷入更多的燃料获得充分燃烧，因此发动机的总输出功率和升功率 都得以大大提高。同时还可以改善燃烧过程，提高经济性，减少废气中的h c 、c o 及碳粒排放，降低噪声，因而，增压是内燃机车发展的重要方向，不少先进国家 已经把增压机型作为内燃机的基本型，而自然吸气式的作为变型，以满足特殊的 工作要求。【l l 动力性、经济性、排放性是当今社会对汽车工业关注的焦点，提高动力性、 经济性、降低排放是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，为了增加内燃机对多种 动力的适应性，就要求发动机不断提高其强化程度。 强化程度的主要动力指标是升功率n l ，如下式表示： n l - = l ，e n z 式中p c 一平均有效压力 1 1 一发动机标定转速，r s t 一发动机冲程数 由于二冲程发动机的机械效率比四冲程发动机相对要低，因此，四冲程发动 机的使用更为广泛。在t 一定的前提下，提高发动机有效升功率的主要途径：一 是提高平均有效压力p c 。二是提高标定转速n 。通过不断提高发动机平均有效压 力a 和转速n ，以获得更强化，更轻巧、更紧凑的发动机，。 提高发动机转速n 将受至4 活塞平均速度的限制，目前车用柴油机活塞平均速 度已高达1 2 1 4m s ，继续提高活塞平均速度的潜力很小，这是因为充气效率和 机械效率将随活塞平均速度的提高而显著下降，另外，噪声、燃烧系统、经济性、 机械惯性力、可靠性及机件寿命等因素也限制着活塞平均速度的提高。从降低油 耗和提高可靠性出发，中型发动机转速一般不超过3 6 0 0 r m i n 。 2 1 因此，提高发 动机的功率最好是大幅度提高平均有效压力p c ，p c 的提高甚至可能导致功率成 倍增长。 平均有效压力p e 可表示如下：0 1 p c 卸1 2 1 h q 咋t 1 。r b p 如b i s 式中h i i 一燃料低热值 山东大学硕士学位论文 。一过量空气系数 k 一燃烧l k g 燃料所需理论空气量 f ly - 发动机充气效率 m 一迸气管压力 t l 一进气管温度 r ii 一发动机指示效率 r l m - 发动机机械效率 其中凰，k 是常数，对于一般非增压四冲程高速柴油机来说，r t , - - - 0 4 3 0 5 0 ；q m = o 7 8 0 8 5 ；r i 尸0 8 0 o 9 0 0 1 ，改善换气质量、提高热效率对发动机功 率有明显的效果，但潜力不大。过量空气系数的范围为d = 1 2 1 7 标定负荷时) ， 非增压柴油机的强化就是主要靠减小a 来实现的。但过分减小n 会导致发动机热 应力提高，燃烧过程恶化，冷却系带走的热量增加，又会使发动机的指示效率下 降。因此，能大幅提高p c 的办法是提高进入气缸的空气压力p s 和降低进入气缸 的空气温度t s 采用增压器可以增大进入气缸的空气的压力体，提高充气密度，但增压器本 身所消耗的功率直接影响着发动机的有效功率和燃油经济性，故目前国内外多采 用废气涡轮增压器，其基本原理是：在发动机在膨胀过程终了时排出的废气能量 占相当大的比重，这部分高温气体在涡轮中再次膨胀作功，使增压器所需的能量 由涡轮供给，无需消耗曲轴上的有效功率，这样可以回收总燃料热量的 5 一1 0 l 小，用于提高进气充量，增加能量转换，因而发动机增压后不但总功率 增大，而且，机械效率和燃油经济性也有所改善。但是，由于进气增压，发动机 的最高燃烧温度及工作作循环所有其他温度均提高，同时，由于燃气密度加大， 燃气向壁面的传热增多，致使发动机热负荷加大，为了减轻热负荷，必须采取降 温措施，如加强扫气；采用大的过量空气系数，降低燃烧温度；采用中间冷却， 降低迸气温度等。针对不同用途、不同使用环境的动力设备，其设计要求也不同， 如何正确选用合适的增压参数，是增压器与发动机匹配成功的关键，所以引入两 个进气增压的基本的衡量指标： 增压度：是指发动机增压后功率与增压前功率之比。一般说来，增压是追 求较大动力性的提高，但机械负荷和热负荷的增加限制了增压度的提高另外供 油系统也限制了柴油机增压度的提高，这是因为高增压后，为保证良好的燃烧， 山东大学硕士学位论文 需更多、更及时地喷入气缸适量的燃油，高速增压柴油机要求喷油压力为4 0 6 0 m p a ，甚至高达l o o m p a ，但目前所使用的喷油泵喷油压力只不过2 0 m p a ，这样， 大大限制了增压度的提高。 增压比n - ：为压气机出口压力与进口压力之比。车用柴油机为了保证在运 行范围内的动力性、经济性、排放和成本，多采用低增压即“ 1 6 ，相应柴油 机平均有效压力达7 0 0 1 0 0 0 k p a 。 1 2 、增压发动机的特点 1 2 1 增压对柴油机动力性、经济性、箨放性能的影响 1 、发动机总输出功率进气增压后，发动机进气压力得以提高，进气密度增 大，增加了进气充量，在过量空气系数a 变化不大的情况下，可以向气缸内喷入 更多的燃油获得充分燃烧，使发动机发出更大的功率。 2 、发动机空间尺寸减小，质量减轻，经济性得到改善。增压柴油机由于平 均有效压力提高，各表面的磨擦损失相对增加，但发动机机械效率提高了，热效 率高，相同功率时，增压机比非增压机排量要小，比油耗也小，等油耗经济运行 区扩大。 3 、噪声下降。柴油机增压后，由于混合气工作温度升高，着火延迟期缩短， 虽然最高爆发压力上升，但压力升高率d p d1 i r 小，压力上升平缓，燃烧过程变得 柔和，燃烧噪声降低；另外，在气门开启瞬间所产生的排气噪声通过废气涡轮后， 获得进一步的膨胀，其能量有很大衰减，再经涡轮排气口排出时，噪声将明显降 低，使非增压四冲程式内燃机进气噪声中低频成分中明显的基频噪声消失，所以， 排气噪声明显降低；而进气噪声通过加装空滤器后得到大幅度衰减：随着 增大，机械噪声要增加，但由于燃烧噪声明显降低，空气动力性噪声有效遏制， 涡轮增压后的柴油机总体噪声要比非增压柴油机明显低。 4 、可以降低有害气体的排放。随着国家对排放控制形势的发展，增压被列 为发展低排放柴油机的入门技术，它是必不可少的，又是最易实施的，自然吸气 柴油机要想达到e r o u 放标准，即使是可能的也非常困难，要求足够高的充量系 数、喷油压力、燃烧室形状与燃油、空气流动的良好配合才可达到，但对于增压 柴油机来说，达到e r o u 排放标准就比较容易，不需在每一细节上都达到最佳调 整。以下对有害气体的生成机理和增压对其影响做简单的分析： c o 的生成机理：柴油不完全燃烧的产物，主要受混合气浓度的影响，当过 量空气系数d p a 1 时的稀混合气工况，由于混合不均造成局部由a 1 而产生c 0 1 ；另外高温离解和燃烧终了缸内温度突然下降打破c 0 1 反应化学 平衡，而生成部分c o l l 6 1 。 h c 的生成机理：h c 主要由于混合不均匀以及在燃烧过程后期低速离开喷 油器的燃油混合及燃烧不良所致。a 、由于柴油机的燃烧是扩散燃烧，燃油在燃 烧室内的停留时问短，混合气浓度极不均匀，在超出着火界限的过浓或过稀混合 气区域，会产生局部失火，生成h c ；b 、由于喷油器压力室容积的存在，喷油 结束时，压力室中的燃油以液态或气态低速进入燃烧室，使得这一部分柴油很难 充分燃烧和氧化，从而生成大量的h c ，试验证明m ，由于压力室造成的h c 排 放占总量的3 4 以上；另外二次喷射或后滴等不正常喷油也造成了h c 排放的上 升。 柴油机增压后，进气温度升高，燃科的着火滞燃期缩短，有利于减少h c 和 醛类的生成，此外，增压柴油机为了降低热负荷，通常采用比非增压机更大的过 量空气系数，工作温度的升高和富氧加快了h c 、c o 氧化反应的进行，从而降 低了c o 和h c 的生成。 n o x 的生成机理：产生n o x 的三要素是温度、氧浓度和反应时间，温度影 响n o x 的生成速度大，而压力影响相对较小。发动机增压后，进气温度和压力 升高，引起燃烧过程工作温度升高，使n o x 生成速度加快，n o x 排放增加；增 压后，富氧也加大了n o x 生成速率。为降低n o x 排放，应配合以其它措施如采 用增压中冷降低最高燃烧温度、推迟喷油提前角、e g r 技术等。 对p m 的影响：当柴油机排气温度超过5 0 0 时，进、排气微粒基本是碳质 微粒的聚集体，即碳烟；当排温低于5 0 0 时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物， 称为有机可溶成分( s o f ) ，s o f 占p m 质量的1 5 , 3 0 f f i 。碳烟生成的重要条 件是i 骝下燃料严重缺氧，实验证明，过量空气系数小于0 5 的混合气，燃烧以 后必定产生碳烟。在柴油机的中小负荷情况下，由于混合气的空燃比很大，生成 碳烟的可能性不大，微粒的排放随着负荷的增加缓慢上升。但当柴油机负荷接近 全负荷时，微粒排放急剧增加，俗称接近冒烟极限。这是因为虽然此时的过量空 气系数尚大于1 ，但是由于燃烧室内可燃混合气混合不均匀，局部区域出现过量 空气系数小于0 6 的现象，导致碳烟大量生成。因此改善燃烧室内混合气的均匀 性，是降低碳烟排放的根本。增压柴油机过量空气系数a 增大，燃料雾化、混合 得到改善，燃烧反应加侠，颗粒明显减少。但在柴油机低速和自由加速时，由于 山东大学硕士学位论文 贫气，造成烟度相对增大。 1 2 2 增压柴油机有良好的继承性 增压柴油机在一些发达国家已经做为最基本的配置，只有在增压的基础上采 取其他更先进的技术，才能使这些措施变得更有效，发动机的动力性、经济性及 排放性能才能进一步的提高，国内外目前比较成熟技术有： 1 2 2 1 带放气阀的涡轮增压器 通过设置放气阀可改善涡轮增压系统低速性能和扭矩特性。为保证低速工 况涡轮流通截面，高速时涡轮喷嘴截面必然偏小，使增压压比偏高，这样导致爆 发压力上升，为了避免高速工况出现不必要的过高增压压力，在增压器与发动机 匹配时，最佳配合点选在发动机最大扭矩转速处，高速工况时，可在涡轮前自动 释放部分废气。所以，发动机匹配小涡壳的涡轮后，其在6 5 额定转速附近即可 产生相当的充量密度，低速工况扭矩特性明显改善，本次开发的k m 4 9 6 b z l 增 压柴油机所配的涡轮增压器也采用此结构。 1 2 2 2 可变涡轮喷嘴截面增压器： 可变涡轮喷嘴截面涡轮增压器是通过改变涡轮喷嘴叶片的角度，来控制喷嘴 有效截面积和叶轮进气角，既适应发动机低速时有小的流通截面积，保证一定的 增压比，又适应高速时的大的流通截面积，而不致使涡轮超速，增压压力p c 不 至过高。其扭矩特性的改善优于带放气阀的涡轮增压器，通过可变截面涡轮增压 器与可变涡流比进气道的配合，发动机低速扭矩性能大改善，加速性也获得很大 提高，而且，采用可调增压器还可满足高原地区工作发动机功率的恢复。 山东大学硕士学位论文 图i - i 6 s d i - t c 发动机可变喷嘴涡轮结构 其调节原理是：通过转动喷嘴叶片来改变喷嘴出口的截面积，以日本五十铃 6 s d i t c t lo 】型柴油机采用的可变喷嘴几何截面涡轮增压器为例说明，工作原理见 图1 1 。 喷嘴叶片可绕其中心销轴转动，叶片与销轴是借助于摩擦焊连接在一起，销 轴的另一端与拨叉相连，喷嘴叶片是通过操纵杆、驱动板和转动环传动来实现角 度的改变。而操纵杆是由2 个气缸驱动，控制系统目前多使用程序自动控制的。 1 2 2 3 电子控制燃油喷射系统： 柴油机燃油喷射系统理想的喷油过程应为采用高的喷射压力，先缓后急，先 喷入少量燃油，使柴油燃烧时爆发压力和温度不至过高，随后使喷油量剧增，使 大部分燃油在着火的燃烧室内快速燃尽，保证燃烧终点不推迟，既提高了发动机 的经济性和动力性，又降低了颗粒和n o x 排放。随着排放限值的越来越严格，只 有通过这种预喷油系统才能改善噪声特性和满足未来的排放法规要求。但传统的 机械式喷油器喷油泵无法做到这一点，而电子喷射系统有着无比的优越性：首先， 电控系统可以根据柴油机转速和负荷的变化自动调节，择优确定喷油量、喷油提 前角等参数。其次，可实现高压喷射，喷油压力可达1 0 0 m p a , 甚至2 0 0 m p a ，明显 改善燃油和空气的混合。再次，可变的预喷射控制能力既可降低p h i 和n o x ，也 可改善柴油机冷起动性，减轻冷态工况白烟，降低噪音另外，电控系统使柴油 机质量减轻、尺寸缩小、结构紧凑，部件安装方便、维修性好。 目前，柴油电控喷射系统呈多样化发展，但总体是向两个方向发展，一是小 缸径柴油机在保留原有的机械式喷油泵的同时，用电子装置代替原来的机械式调 速器和机械或液压喷油提前器，如日本z e x e l 公司c o p e c 系统，是在原有直列喷 油泵基础上，增加传感器、电子控制单元( e c u ) 、执行器。由传感器收集到的发 动机负荷及转速信号经微机处理后，送往电子调速器和电磁阀，以控制最恰当的 喷油量和喷油时间。此系统相对简单，是国内发动机生产厂家当前普遍关注的升 级代换技术。二是大缸径柴油机采用全新设计的电子控制柴油喷射系统，如电子 控制分配泵系统、电控泵喷嘴系统、共轨式电控喷射系统、多级喷射电子燃油喷 射控制系统。这是发动机生产厂家今后必须积极发展和推广的应用技术，以满足 日益苛刻的汽车排放法规要求。 以博许公司的1 9 l t d i 系统为例“4 ，电控泵喷嘴系统是将喷油泵与喷油器 和控制单元组合在一起，发动机每个缸都有一个泵喷嘴，不再需要高压油管，因 山东大学硕士学位论文 而避免了在高压油管中的压力脉动，进而可以精确控制喷射循环。其燃油喷射压 力高达2 0 5 m p a ，可实现预喷射循环和主喷射循环两级喷射，其优点是：燃烧噪 音低、排放清洁、油耗低、效率高。工作原理如图1 - 2 所示：通过电磁阀的开关， 控制喷油的开始和喷油持续期。适当改进电磁阀柱塞6 ，很容易实现柴油的预喷 射。 5 i 1 喷油器2 进油道3 进油口4 供油柱塞5 电磁阀6 电磁阀柱塞 7 回油道8 凸轮9 摇臂 图卜21 9 l t d i 电控泵喷嘴系统工作示意图 高压共轨电控喷射系统( 结构原理如图1 - 3 ) 是系统中有一条公共油管，用 高压( 或中压) 输油泵向共轨中泵油，用电磁阀进行压力调节并由压力传感传感器 反馈控制，有一定压力的柴油经共轨分别通向各缸喷油器，喷油器上的电磁阀精 确控制喷油正时和喷油量。共轨式电控喷射系统喷油压力高且可以控制，也可实 现喷油速率的柔性控制，以满足排放法规的要求，与电控泵喷油器相比，共轨式 电控喷射系统对柴油机结构的改造工作量不大。当电磁阀通电时，喷油开始，电枢 带动提升阀向上运动，打开下座，关闭上座，切断了机油回油孑l 使中压机油进入增 压活塞上方，活塞下行，压缩燃油，燃油进油道由于单向阀封闭，燃油只有通过喷油 器喷出。当电磁阀断电，提升阀迅速落座关闭进油口，打开泄油口，压力迅即降 山东大学硕士学位论文 低，增压活塞在弹簧的作用下上行，在喷油器弹簧的作用下，针阀立即关闭，停 止喷油。同时燃油以输油泵的压力通过球形单向阀进入增压柱塞下方，为下次喷 油作准备。电磁阀的通电时刻决定了喷油始点，通电持续时间决定了喷油量。 1 高压机油泵2 共轨3 液压单体喷油器4 燃油滤清器5 输油泵6 燃油箱7 燃油回油管 8 e c u9 机油池l o 低压机油管1 1 机油泵1 2 机油冷却器1 3 机油滤清器1 4 压力控制阀 1 5 高压机油管1 6 电磁阀1 7 上座合面1 8 提升阀1 9 下座合面2 0 回位弹簧2 1 增压柱塞 2 2 套筒2 3 套2 4 喷油器2 5 调压弹簧2 6 增压活塞 ”回位弹簧2 8 单向阀 a 高压机油通道b 回油机油通道c 燃油进口通道 图1 - 3 美国c a t e r p i l l a r 公司的h e l l 共轨液压式喷油系统”川 1 2 2 4 可变气门机构的调节装置； 为了既保证发动机有高的效率，以降低油耗，又要满足发动机不同工况的动 力，还要兼顾排放性能，发动机可变气门调节机构逐渐发展起来，通过对进排气 门启闭时间和相位的可变控制，改变各种运转状态下的配气定时和气门升程规 律，最大限度的利用各种不同工况下的进排气管内的动力效应，提升发动机综合 性能。目前量产使用的可变气门机构大都可做到：进排气门开启定时和持续期可 无级变化、气门升程的最大时间截面较用传统凸轮控制时大得多、气门升程可连 续变化，驱动机构利用液压和电磁等不同方式。比较有代表性的可变气门调节技 术有b m w 公司的v a n o s 系统、h o n d a 公司的v t e c - i 系统、t o y o t a 公司的 v v t o i 系统( v a r i a b l e v a l v e t i m e l i r e ) 三家。以下简略余绍t 0 y o t a 公司的w ，i 可变气门正时升程机构，按发动机工作转速不同，分别设计两种不同的凸轮型线， 即高速和低速凸轮，推动同一气门的两种凸轮并排做在同一根凸轮轴上，只是工 作时不能同时工作，在摇臂内设有一控制销，由电动或油压驱动皆可，通过该销 的移动控制摇臂与那个凸轮的接触，从而改变了气门升程。改变气门开启时间是 山东大学硕士学位论文 通过加装类似普通柴油机上使用的提前器的机构，来改变凸轮与摇臂的相对角位 置，控制凸轮提前或延后开启气门，从而控制了发动机不同工况所需的气门叠开 角。 1 2 2 5 捧气再循环( e g r ) 排气再循环( e g r ) 是把发动机排出的废气的一部分，经迸气管再进入燃烧 室，与新鲜的可燃混合气混合。由于掺入的废气含有大量的热容量高的h 2 0 蒸 汽、c 0 2 一这些气体在燃烧时不起作用，但能大量吸热，因而在相同的燃料放热 率的前提下，可降低燃烧室中燃气的最高温度，试验证明，e g r 率为2 0 和2 5 时， 燃烧最高温度比无e g r 时分别低5 0 c 和1 0 0 c 幻；另一方面，由于一部分废气 的引入，也降低了燃烧室中氧气的浓度，降低了燃烧速度，使燃气的最高温度下 降，这种方法对抑制n o x 的生成仍为有效，是目前内燃机中净化n o x 的一个主 要措施。但实用过程中需严格控制e g r 率，e g r 率过小，不但起不到降低n o 。 的作用，而且会引起发动机燃烧不充分，过热如果e g r 率过大，会使燃烧速 率下降、燃烧变得不稳定，失火率增加，从而导致发动机动力性、经济性、hc 和颗粒排放性能交差，因此，要根据柴油机工况的不同( 如转速、负荷、进气温 度、冷却系统温度及发动机加速时转速变化) ，而配以不同的e gr 率。 1 2 2 6 可变进气涡流 满漉控制阿二次旁通道一次螺旋气道 荫派控制髑 圈l _ 4 可变涡淀控制原理田 柴油机在不同的工况所需的涡流强度不同，在中、低速运转时需较高的涡流 比，在高速时则需低的涡流比，以降低气缸盖、活塞等受热件的热负荷，提高燃 山东大学硕士学位论文 油经济性，降低n o x 的生成。低温起动需要低的涡流比，以减少燃烧室的热损 失与白烟。从降低n o x 排放要求也希望较低的涡流比。改变迸气涡流比的方法 很多，如导向叶片型、辅助孔型。现以五十铃的6 s d l t c ( 图1 - 4 ) 1 1 0 1 增压柴油 机的可变进气涡流为例，其工作原理如图所示：通过气缸盖进气道上的直径 圉1 - 56 s d i t c 可变进气涡潭系统工作特性圜 1 0 m m 的辅助孔，根据不同工况，由电磁阀控制辅进气道的开闭，当电磁阀关闭， 空气都从主气道进入气缸，涡流强度高，否则降低了涡流比，其高低比值为1 5 。 可变涡流比，使冷起动时间缩短1 0 0 , 4 ，白烟消失时间缩短3 5 ，燃油消耗率降 低1 甜1 n ，高速低涡流还可降低气缸盖、活塞的最高温度，图1 5 为其工作特性。 1 2 3 增压发动机的改进和强化 伴随着发动机增压。出现的新问题主要是： ( 1 ) 机械负荷增加。因为迸气压力的提高，使压缩压力和最高燃烧压力相应 增大，导致零件的机械负荷增加，磨损加大，引起损坏 ( 2 ) 热负荷增加。增压后工作循环温度大大提高，使零件工作温度升高，热 负荷增加，材料的机械强度降低。 在商的机械负荷、热负荷共同作用下，情况就更为严重，因此发动机增压后 零件结构必须强化，其结构相应地改变： 1 适当地减少压缩比。防止燃烧压力过大，以保证发动机工作可靠，延长使 用期。但过低的压缩比将造成起动困难。 2 供油系统的变化。增压后由于进气量的增加，可燃烧更多的燃料，要求供 油量增加，同时要求增大喷油压力，加大喷油器喷孔流通面积。此外，增压后压 缩压力和温度的增加，将使燃料着火落后期缩短，为防止最大燃烧压力过高，应 减少供油提前角，但如供油提前角过小，会使燃烧恶化。 山东大学硬士学位论文 3 进、排气系统的变化。增压后发动机气缸进气量增加，为减小进气阻力， 应适当加大进气流通截面积；为了改善扫气效果，增加充气量，以降低热负荷， 应增加气阀重叠角；有的增压系统还要求将排气管分支，以充分利用废气能量并 改善扫气效果。此外，由于气门机构零件的工作温度升高，变形加大，须相应加 大气阀间隙，以保证配气机构正常工作。 4 此外，增压发动机的润滑系统、冷却系统以及主要运动机件的结构强度都 应适当的加强。 1 3 国内外汽车排放法规的发展和本课题的研究任务 1 3 1 国内排放法规的发展变化 随着排放法规日益严格，以及我国汽车保有量的逐年增加，机动车尾气造成 的污染越来越引起人们的普遍关注，为减少汽车尾气对大气的污染，我国北京市 已率先执行了相当于欧标准的排放法规，为达到国家对捧放要求的强制性标 准，各发动机生产厂家采取了多种措施降低排放，涡轮增压中冷是一种比较有效 的、最基础的方式。目前，我国( 不包括现执行较严的标准北京、上海等地区) ， 柴油机排气污染物排放限值及测量方法现正在执行的标准是g b1 7 6 9 1 2 0 0 1 ( 相 当于e u r i i 水平) ，规定如下f n i ： 表1 1 形式认证试验排放限值单位：g k w h 一氧化碳碳氢化合氮氧化物颗粒物( 硎) 实施阶段实施日期 ( c o )物( h c ) ( n o d_ - 8 5 k w 0 l2 0 0 0 9 14 51 18 00 6 ld 3 6 22 0 0 3 9 14 o1 17 o0 1 5 2 )口1 5 2 ) i ) 指发动机功率。 表l - 2 型式核准执行日期 i 第阶段 第阶段第v 阶段 i2 0 0 7 年1 月1 日2 0 1 0 年1 月1 日2 0 1 2 年1 月1 日 但自2 0 0 7 年1 月1 日起，柴油机排气污染物排放限值及测量方法按表l - 2 的期限，正式实施g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 5 车用压燃式发动机排气污染物排放取值及测 量方法标准( 第、v 阶段) ，其限值如表1 3 和表1 4 ： 山东大学硬士学位论文 表i 3e s c 和e l r 试验限值( 发动机瞬态工况) 阶段 c o i g 爪w h n c i g k w h n o x e g k w h 】 p m t g k w h 】 烟度【m 1 】 m2 10 6 65 0 0 10 1 3 0 o 8 1 50 4 63 5 0 0 2 0 5 v 1 5 o 4 6 2 o o j b 2 o 5 e e v1 5 o 2 52 0 o 0 20 1 5 o 对每缸捧量低于0 7 5d i n 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 表1 4e s c 试验限值( 发动机稳态工况) 阶段c o非甲烷碳氢化合物c r t ? n o xp 矿 g k w h l( n m h c ) g k w h i g k w h i g ，i ( w h 】 g k w h 5 4 50 7 31 65 o0 1 60 2 1 僻 4 o0 5 51 1 3 5 o 0 3 v 4 oo 5 5 1 12 oo 0 3 e e v 3 o 0 4 00 6 52 00 0 2 嘲仅对n c 发动机 环适用于第的燃气发动机。 。对每缸排量低于0 7 5d i n 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r r a i n 的发动机 1 3 2 国外排放法规的现状 目前，以美国、日本、欧洲三个大的汽车生产基地为主，制定的汽车排放强 制性标准构成了当今世界汽车排放法规体系，其中美国法规控制的较早，自2 0 世纪6 0 年代起就开始汽车排放控制，而且，美国法规要求最严，日本一直紧跟 其后。1 9 9 4 年美国执行了极其严格的低污染排放法规( l e v ) 后，美、日之间 略拉开了距离。欧洲法靓标准要求相对比美、日晚，也相对较松，但自1 9 9 2 年 实施e u ri 排放法规后，步伐加大，已超过日本，接近美国l e v 标准，我国汽 车排放法规主要参照欧洲，故本文以欧洲标准为参照，研究其执行情况。目前欧 洲柴油车强制执行e u r i i i 标准，其实施期限及限值如表1 5 所示。 1 4 1 1 3 3 本课题研究的任务 以上对比可知，我国在发动机排放法规比较宽松，在治理排放污染方面远远落后 于发达国家，欧洲自2 0 0 0 年就执行了e i m 标准，而我国i 小型柴油机现在还 处在叫r 阶段。但是，表1 2 和表1 5 对比可知，近几年我国政府加快了汽车 山东大学硕士学位论文 排放治理的速度，e u r i i i 标准即将实施，到2 0 1 0 年，还要继续强制执行e u r i v 标准，基本与国际接轨，能否在原机型的基础上改进达标，关系到国内大多数发 动机厂家生死存亡。要使柴油机达到欧3 排放法规，必须采取以下措施： 表l 一5 欧洲轻型柴油车排放法规各阶段限值( g k w h ) 阶段欧盟指令实施年份 c oh cn o xp m 烟度m 1 i9 3 ，5 9 e e c1 9 9 34 51 18 oo 3 6 n9 6 6 9 e c 1 9 9 74 o1 17 o i l l9 8 6 9 e ci2 0 0 02 1o 6 65 oo 1 0 9 8 6 9 e c 2 0 0 51 50 4 63 50 0 2 v9 8 6 9 e c 2 0 1 21 50 4 62 oo 0 2 1 涡轮增压废气放气阀或可变喷嘴环。 2 中冷技术。 3 使用2 或4 气门气缸盖。 4 使用高压喷射压力的燃油喷射系统，如电控泵喷嘴或高压共轨系统。 所以，我国柴油发动机行业只有稳步做好达e u r 标准的产品，才能在增 压的基础上进一步采用更先进的措施如四气门系统、电控e g r 、可变涡流截面、 可变气力正时系统、高压共轨燃油系统，以达到e i 瓜、e u r i v 乃至e u r v 标 准要求。 d 系列柴油机作为新一代的配套动力，在我厂已经具有批量生产的能力，各 项性能指标良好，主要配套农用运输车、自卸车、中型客车以及2 3 吨轻型载货 车。随着市场的发展，工程用车需用更强劲的动力，高一档的中巴客车也需要排 放更好、噪音更低、体积小、转速高、油耗低的高档柴油机与之配套。 因此，为适应不同行业的需要，本课题从实际出发，以行业法规为指导，在 分析借鉴前人的研究成果的基础上，开发试验k m 4 9 6 b z l 柴油机。 需要指出的是，本文论述的内容属于k m 4 9 6 柴油机整机开发的一部分，只 重点叙述增压系统的分析、与柴油机的匹配、排气系的设计、燃烧系的设计研究 以及排放的控制，其他方面如曲轴、连杆活塞销等进行了强化设计，机体、主轴 瓦片、进排气门也做了稍稍改动，这里不详细叙述。 山东大学硕士学位论文 第二章k m 4 9 6 b z l 燃烧系统的设计与匹配 2 。1 燃烧室的设计 缸内的气体流动简介；在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此 靠近时所产生的径向或横向气流运动，称为挤流。活塞下行时，燃烧室中的气体向 外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流，逆挤流有助于柴油机在膨胀过程中， 将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和 降低排放有利。滚流也是在迸气过程中形成的，绕垂直子气缸轴线的有组织的空 气旋流，在压缩过程中衰减较少，当活寒接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成 众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动 机性能。进气过程中利用螺旋进气道生成的，在气缸内沿气缸轴线旋转的气流， 具有一定的动能，在燃烧过程中，配合活塞上下行时产生的挤流和逆挤流，加速 油气的混合，促进燃烧。由于柴油机的燃烧属于扩散燃烧，设计燃烧室时，必须 了解气缸内的气体流动，使燃油在燃烧室内的混合更充分，燃烧更彻底。在总结 我公司同类柴油机燃烧室试验结果的基础上，直接选用缩口燃烧室，因为采用高 压缩比( 1 8 1 9 5 ) 配以中间带较大凸台的缩口c o 型燃烧室可以使扩散燃烧阶段 表2 1英国里卡多公司为我国4 1 0 0 柴油机燃烧室推荐的相关尺寸 相关尺寸( 咖) 及对象 4 1 0 0 柴油机同类柴油机推荐值 气门头部至气缸 进气门 拖拉机4 3 7 3 d ( 缸径) 壁距离g 汽车 2 1 l 捧气门 1 2 41 d 螺旋气道偏心率 拖拉机0 4 2 8 0 4 3 m 汽车 0 4 6 4 拖拉机1 2 5 鼻粱宽度b 。删 汽车1 0 5 喷油器孔至气门进气门 拖拉机 + 8 5 6 座间距毋 汽车6 捧气门 8 气门中心线与气缸中心线偏移岛 9 56 8 ( 8 9 ) d 喷油器头部对气缸中心线偏移 1 0 8 最大1 0 d 喷油器头部伸出缸盖底部高度 3 3 注+ ：偏心率n ：l 2 - c 4 ( d 氓) ， 式中磊为进气门头部直径。 后期保持较高的涡流强度，以便在推迟喷油的情况下使燃烧不致过于延迟，这样 1 4 山东大学硕士学位论文 既不影响经济性，又可降低n o x 、碳烟和噪声一。燃烧室的设计与选定是相当 谨慎的工作，设计完成的燃烧室试验性能差，不一定表示燃烧室结构不好，可能 是因为其它因素，如油线配合、气流的影响、喷油雾化质量等等原因，一旦燃烧 室选定，如何布置好油线、提供多大的进气涡流比髓之而定，所以在燃烧室的设 计过程，参阅大量资料，最终参考英国里卡多公司为我国4 1 0 0 柴油机燃烧室推 荐的尺寸“，设计了三种不同尺寸的燃烧室，见结构图2 1 。 其它总体设计原则是：尽可能减少有害容积燃烧室容积，压缩室容积( 列圪 7 2 ) ：燃烧室尽可能靠近气缸中心；燃烧室凹坑最大直径与气缸直径之最佳 比例为0 5 0 6 ，与深度之最佳比例为2 3 等。此外燃烧室对进气道、气门及 喷油器在气缸盖上的布置位置也有比较严格的要求。 燃烧室的形状调整，考虑到下列因素；增压型喷油泵供油规律和喷油量的改 变引起的燃油喷束的变化( 贯穿能力和弥散度等) ；增压后进气压力提高、空气 密度增加引起的进气涡流动量大幅度的改变；燃料喷束及涡流动量改变引起的油 气混合状态的改变。燃烧室的结构形状应有利于燃烧室内的气流运动和空气与燃 油的混合，燃烧室改为缩口型，中央有较大凸起，设计压缩比为1 7 。 l 夕华，i 渊i 图2 1 燃烧室结构示意图 以上三种燃烧室，有不同的径深比和收口比，但设计时，保证燃烧室在活塞 上的偏移量( 8 9 6 ) 相同，其不同燃烧室缩口比和中问凸台结构的差异，有利于对比 试验作出结论性分析，在同台柴油机上、同一台架上的试验，有很大的可比性。 三种燃烧室试验数据如表2 2 痢痢 山东大学硕士学位论文 表2 21 挣、2 群、3 # 活塞试验对比如下 试验名称k m 4 9 6 b z l 模拟外特性l 撑活塞 试验日期2 0 0 5 5 1 8 喷油器 6 2 2 进货号喷油器型式p 型进气状态 大气压1 0 0 7 k p a湿度 7 7 进气温度 2 2 提前角1 2 度 有效扭矩功率油耗冷却水温度机油压力 转速波许烟度 排气温度( ) ( n n 1 )( k v o( g k w h ) ( ) ( 1 一a ) 3 2 0 02 0 97 02 5 07 6 23 6 9o