（轮机工程专业论文）电控进气道喷水降低柴油机nox排放的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机至问世以来，因其较高的热效率倍受人们的关注，在交通运输方 面有着重要的作用，但同时由它引起的环境污染问题也引起了全人类的普遍 重视。随着全球环境的日益恶化，控制柴油机有害气体排放的要求日益强烈。 柴油机的主要排放物是氮氧化物( n o x ) 与颗粒的排放。因此柴油机面临的 最大发展困难就是，必须降低其n o x 与颗粒的排放量。为有效的控制船用柴 油机的n o x 排放，国际海事组织( i m o ) 制定了船用柴油机排放的限制标准即 m a r _ p o l 7 3 7 8 防污染公约附则v i - - “防止船舶造成空气污染规则”此 附则已于2 0 0 0 年1 月1 日生效中国船级社( c c s ) 也依照公约的规定制定 了船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南。船舶柴油机主要的排放污染 为废气排放中n o x ，因而在m a r p o l 公约附则第1 3 条中对n o x 排放提 出了具体规定。利用进气道喷水技术能够大幅度降低n o x 排放量，同时具有 节能的作用。 n o x 主要是由参与燃烧的空气中的氮气与氧在高温环境下发生反应而 生成的，只要能降低气缸内的温度和局部高温点的温度，就能明显降低n o x 的生成量和排放量。水可以利用自身潜热大的特点吸收热量而汽化成为过热 蒸汽，从而降低缸内燃烧温度。同时在高温条件下，水蒸汽参与燃烧，部分 水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应，形成可燃性气体，从而 减少了火焰中的碳粒，提高了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了油的 燃烧效率。 本文作者针对国产4 1 3 5 g 型柴油机，在总结已有设计方案的前提下，对 进气道喷水进行了技术改进，同时优化了进气道喷水系统，并实现了电子控 制，同时根据柴油机实际运行转速和负荷的变化实现不同的喷水量。 本文介绍了改进后喷水系统的基本方案、台架试验及喷水系统控制。喷 水系统包括雾化系统及水量控制系统，其中雾化系统包括空气源( 空气压缩 机) 、水源及气一雾喷嘴；水量控制系统包括计量调节阀、控制电路部分。雾 化系统中雾化水的获得采用气一雾喷嘴。试验结果表明，该方案简单，实用， 较好的实现了对柴油机n o x 的控制。 关键词：柴油机，喷水，电子控制，n o x 排放 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n ei sc o n c e mb yp e o p l eb e c a u s eo fi t sr e l a t i v e l yh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c y , h a v eg o tt h ei m p o r t a n tf u n c t i o ni nt h ea s p e c to fp a ra n dm a r i n e t r a n s p o r t i n g ，a n da tt h es a m et i m e , e n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e mc a u s e db yi t a l s or e m a i n sav i t a lc o n s i d e r a t i o n a l o n gw i t ht h ew o r l de n v i r o n m e n t a lw o r s e n i n c r e a s i n g l y , t h er e q u e s t st h a tc o n t r o lh a r m f u le m i s s i o n sf r o me n g i n e sa r es t r o n g i n c r e a s i n g l y t ov e h i c l e u s e ，a l lc o u n t i e se s t a b l i s ho w nl a w st h a tr e s t r i c te x h a u s t a n dt h el a w sa eg r a d u a l l yr i g o r o u s f o re f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ee m i s s i o n sf r o m m a r i n ed i e s e le n g i n e s ，i m oi s s u e dt h ea n n e x o fm a r p o lc o n v e n t i o n ， w h i c hh a sb e e nc a r r i e do u ts i n c ej a n u a r yl ，2 0 0 0 ag u i d e b o o kf o rn o x e m i s s i o nt e s ta n dm e a s u r e m e n tc e r t i f i c a t i o nf r o mm a r i n ed i e s e le n g i n e sw a s i s s u e db yc c sa c c o r d i n gt ot h ec o n v e n t i o n 1 1 1 em a j o r i t yo fp o l l u t i o ns p e c i e s f r o mm a r i n ed i e s e le n g i n e si sn o xe x i s t e di ne x h a u s tf l o w , s os p e c i f i c r e g u l a t i o n sa b o u tn o xw a sm a d eo nt h el3 “a n n e xo fm a r p e lc o n v e n t i o n u t i l i z i n gt e c h n o l o g yo fw a t e ri n j e c t i o ni n t oi n t a k ep o r t sc a nb o t hl o w e rl a r g e l y n o xe m i s s i o n sa n de c o n o m i z eo i l h i g ht e m p e r a t u r ei st h ec h i e f m a t t e rr e s u l t i n gi np r o d u c eo f n o x i tm u s tb e h i g ht e m p e r a t u r ei nw h i c hc a r b o nm a y c o m b i n eo x y g e nc h e m i c a l l y o n l yi fw e w o u l df i n dak i n do fw a yt ol o w e rc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，t h en o xe m i s s i o n s w i l lb er e d u c e de v i d e n t l y b e c a u s eo fi t sg r e a tl a t e n th e a t ，w a t e rc a l la b s o r bh e a t a n db o i l a w a y , s oa s t ol o w e rc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e m e a n w h i l ei nt h e c o n d i t i o no f h i g ht e m p e r a t u r e ，w a t e rv a p o r sc a np a r t i c i p a t ei nc o m b u s t i o n w a t e r g a sr e a c t i o nw i l lh a p p e n , w h i c hw i l lr e d u c ec a r b o np a r t i c l ei nf l a m e ，a n dr e f o r m c o m b u s t i o np e r f o r m a n c e ，s oi m p r o v ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y t h ea u t h o rr e f o r m e dt h ew a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g ya n do p t i m i z e dt h ew a t e r i n j e c t i o nd e v i c eo nt h eb a s i so f p r e s e n tw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mo na4 1 3 5 gm a d e i nc h i n a a sar e s u l t ，r e a s o n a b l ew a t e rf l o ww a ss u p p l i e da c c o r d i n gt ot h e r e a l t i m es p e e ds i g n a la n dl o a ds i g n a ld u et ot h ei n t r o d u c t i o no fe l e c t r i cc o n t r 0 1 t h eb a s i cp r o j e c t sa b o u tt h eo p t i m i z e dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m , t e s tr e s u l to n 武汉理工大学硬士学位论文 a l le n g i n eb e n c ha n dt h ec o n t r o lu n i tf o rw a t e rf l o wc h a n g ew e r ed e t a i l e di nt h i s p a p e r 1 1 1 ew a t e ri n j e c t i o ns y s t e mw a sd i v i d e di n t oa t o m i z a t i o ns y s t e mw h i c h i n c l u d i n g g a ss o h r c e ( c o m p r e s s o r ) ，w a t e rs o l a c ea n dn o z z l ea n dw a t e r f l o w c o n t r o lu n i tc o n s i s t i n go fd o s i n gv a l v ea n dc o n t r o lc i r c u i t t h ee f f e c to fw a t e r a t o m i z a t i o nw a so b t a i n e db yt h eu s i n go fg a s - f o gn o z z l e t e s tr e s u l ts h o w e dt h a t t h ep r o j e c ti ss i m p l e ，u t i l i 哆a n dm o r ee f f i c i e n tf o rn o xe m i s s i o nd e c r e a s e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ) w a t e ri n j e c t i o n ：e l e c t r i cc o n t r o l ：n o xe m i s s i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言m 3 1 第1 章绪论 柴油机至问世以来，因其较高的热效率倍受人们的关注，在交通运输方 面有着重要的作用，但同时由它引起的环境污染问题也引起了全人类的普遍 重视。随着全球环境的日益恶化，控制柴油机有害气体排放的要求日益强烈。 柴油机的主要排放物是氮氧化物( n o x ) 与颗粒的排放。世界各国和地区在 不同的时期制定有不同的排放法规来限制柴油机排放，以美国、欧洲、日本 为代表的国家和地区在控制柴油机有害排放方面取得了较大成绩，如欧洲等 国在2 0 0 0 年已执行了欧标准。我国采用了欧洲排放标准体系并结合本国国 情制订了国家标准。g b1 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与 汽车排气污染物排放限值及测量方法中排气污染物的限值见表1 1 和表 1 - 2 ，型式核准执行日期见表1 3 。为有效的控制船用柴油机的n o x 排放，国 际海事组织( i m o ) 也制定了船用柴油机排放的限制标准即( m a r p o l 7 3 7 8 防污染公约附则v i - - “防止船舶造成空气污染规则”。此附则已于2 0 0 0 年 1 月1 日生效。中国船级社( c c s ) 也依照公约的规定制定了船用柴油机氮 氧化物排放试验及检验指南，以期望较好的控制船舶柴油机废气中n o x 排 放。 表1 一ie s c 和e l r 试验限值 一氧化碳碳氢化合物氮氧化物 阶段 ( c o ) ( h c )( n o x ) 颗粒物( p m )烟度 g k w h m i g l k w hg ，k w 班w - h 2 1o 6 6 5 ，oo 1 0o 1 3 0 8 1 50 4 63 5o 0 2 0 5 v 1 50 4 62 oo 0 2o 5 e e v1 5o 2 5 2 oo 。0 20 1 5 对每缸排量低于0 7 5 d i n 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r ，m i n 的发动机。 根据g b1 7 6 9 1 - 2 0 0 5 的要求，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。 l 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2e t c 试验限值 非甲烷碳氢 一氧化碳甲烷氮氧化物 颗粒物 化合物 阶段 ( c o ) ( c h 4 ) “( n o x )( p m ) 2 ( n m h c ) r j k w hg k w h g l 【w hg k w h g k w h f f l 5 4 5o 7 81 65 0 0 1 6o 2 1 ， 4 0o 5 5 1 13 5o 0 3 v4 0o 5 5 1 12 0o 0 3 e e v3 00 4 0o 6 5 2 oo 0 2 “仅对n g 发动机。 2 不适用于第、和v 阶段的燃气发动机。 。对每缸排量低于0 7 5 d 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i - 3 型式核准执行日期 i 第阶段第阶段 第v 阶段 2 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 明年我国即将全面进入第阶段。n o x 和颗粒物的排放限值分别由 7 0 9 k w h 和o 1 5 9 k w h 降到5 0 9 k w h 和o 1 0 9 k w h 。第阶段和第v 阶段 对排放限值提出了更严格的要求。 m a r p o l 公约附则第1 3 条中对氮氧化物( n o x ) 排放提出了具体规 定。这一规定适用于i ) 每一台装在2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的船舶上， 输出功率超过1 3 0 k w 的柴油机；2 ) 每一台在2 0 0 0 年1 月1 日或以后经过重 大改装的输出功率超过1 3 0 k w 的柴油机。作为缔约国成员之一，我国也将严 格执行m a r p o l 公约附则的规定，实施针对船舶氮氧化物n o x 的控制。 船用柴油机n o x 最大允许比排放量限值以柴油机额定转速为依据分如下三 类： 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 0 # k w h当柴油机标定转速n 1 3 0 m i n ： 4 5 + n o g k w h 当柴油机标定转速1 3 0 r r a i n n 2 0 0 0 r m i n ； 9 8 # k w h当柴油机标定转速n 2 0 0 0 r m i n 。 相对汽油机，柴油机的主要排放物是n o x 与颗粒的排放。因此柴油机面 临的最大发展困难就是，必须降低其n o x 与颗粒的排放量。已经有了许多研 究面向柴油机排放性能的优化，产生了一系列的优化措施，包括优化燃烧、 燃油改善及排气后处理，如混合燃料( b l e n d e df u e l ) 燃烧、可变喷油正时、 可变空气组分、废气再循环、废气选择性催化等。这些措旆对于降低n o x 排放均有一定的效果，但各有弊端，或降幅较小，或对发动机变动较大，有 些措施以牺牲某种排放物的排放以及牺牲耗油量来达到另一种排放的减少 本文在先期研究的基础上，对喷水系统进行选型优化，实现电子控制方案设 计及实机运行。 1 2 有害排放物的生成机理及其控制措施巾1 1 2 1 生成机理 柴油机的有害排放主要包括： 化合物( h c ) 、颗粒( p t ) 排放。 1 ) 氮氧化物( n o x ) 氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢 它们的生成机理为； 3 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机排放的n o x 主要是一氧化氮n o ，约占9 0 ，n 0 2 只是其中很少 的一部分。n o 的主要来源是参与燃烧的空气中的氮，从大气氮生成n o 的 化学机理是泽耳多维奇( z e l d o v i c h ) 机理，燃烧过程n o 的生成根据产生机 理的不同分别称之为热力型n o 也称热n o 或高温n o 以及瞬发n o 。对于内 燃机，n o 的生成机理主要是高温n o 。 在燃料空气混合气的燃烧过程中。分子氮被氧化成n o 的主要反应为： 0 2 = 2 0 * o + n 2 = n o 坩q ；n + 0 2 = n o + o ；n + o h = h + n o 对于柴油机，燃烧过程中，影响n o 生成量的主要因素是较高的温度环 境、富氧和燃气在富氧环境中滞留时闻。这三者缺一不可，因而对柴油机n o x 排放的控制均围绕这三者在进行。 2 ) 一氧化碳( c 0 ) c o 是烃基燃料在缺氧或低温情况下燃烧不完全的产物，其生成过程按 烃类链反应机理进行： r c o + 岛 o h d 胃 哼+ c o 是碳氢化合物燃料在燃烧过程中氧化而成的一种中间产物，在燃烧 过程中这一中间产物的一部分又会进一步转换成c 0 2 。其转换几乎全部通过 一个反应来进行，即c o + o h = c 0 2 + h 。 柴油机总是在稀混合气下运转，c o 的捧效量较低，只有在负荷很大接 近冒烟极限时才急剧增加。 3 ) 碳氢化合物( h c ) 未燃烃是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。除排气中的未燃 烃外，还包括燃油供给系统的蒸发排放以及燃烧室等泄鳝排放出的h c 燃烧室中h c 的生成主要有下列几类：第一类是由于多种原因造成的不 完全燃烧所生成的h c ；第二类是燃烧室壁面的淬熄作用形成的h c ；第三类 是由于热力过程中狭缝效应生成的h c 。 4 ) 微粒( i m ) 柴油机微粒由在燃烧时生成的含碳粒子( 碳烟) 及其表面上吸附的多种 4 武汉理工大学硕士学位论文 有机物组成，后者称为有机可溶成分( s o f ) 。碳烟是柴油机微粒的主要组成 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。一般认为碳烟形成的过 程是：燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯； 乙烯和聚乙烯在不断的脱氢后，聚合成为以碳为主的，直径为2 n m 左右的碳 烟核心；气体中的烃在这个碳烟核心表面的聚集。以及碳烟核心之间的凝聚， 使得碳烟核心的表面增大，成为直径为2 0 3 0 r i m 左右的碳烟基元至此，碳 烟的质量已经基本确定。最后，碳烟基元堆积成直径在l u m 以下的微粒。但 完整的碳烟形成的动力学过程，目前还不是很清楚。 1 ，2 2 控制n 0 x 排放的基本措施 为了满足日益严格的排放法规，几乎世界各国都在开发排放控制技术 排放控制技术基本可分为两类，即机内优化措施和排气后处理。表1 - 4 列出 了一些技术的基本工作原理以及各自的缺点。 表1 4 排放控制技术工作原理及缺点 分 措施基本原理缺点 类 通过降低燃烧温度抑制n o x 的经济性有所变差 喷油延迟 生成 颗粒排放升高 通过乳化油的微爆效应使燃烧影响低负荷下燃烧的稳 柴油掺水燃烧 改善，降低燃烧温度抑制n o x 的 定性。且会加剧润滑油的 机 生成 稀释变质 内废气再循环 降低燃烧气体中氧气的浓度，减会引起局部缺氧燃烧影 措 少n o x 的排放【4 】。 响柴油机动力及经济性 施 增压中冷技术降低进气温度，减少n o x 的捧救 通过优化喷油脉谱降低污染物 燃油电喷技术发动机成本增长 的排放哪 使燃烧室、进气涡流及喷油方式 燃烧室改进技术设计与匹配比较复杂 相互匹配降低污染物的排放 5 武汉理工大学硕士学位论文 续表卜4 排放控制技术工作原理及缺点 分 措施基本原理 缺点 类 非选择催化还原 将还原剂喷入排气管，在催化器 还原剂很容易直接被氧 ( n s c r ) 的作用下与n o x 反应化，消耗量极大 选择性催化还原 与n s c r 相似，只是加强了还原 初装成本高；催化器低 排( s c r ) 剂对n o x 的选择性抑制了还原 温活性较差；控制策略 气 剂与氧气的反应 复杂 后 n o x 吸附转化器 先将n o x 转化为n 0 2 并储存，再转化器对硫敏感；吸附 处 喷入还原剂还原【6 】温度范围比较窄； 理 氧化催化器氧化h c 和c o ，间接降低微粒 对n o x 几乎不起作用， 排放需要抑制硫酸根的形成 微粒捕集器及微 过滤下来的颗粒与n 0 2 反应生捕集器再生是最大的技 粒捕集器成n o 和c 0 2 术难题 1 3 加水燃烧降低n 0 x 排放的机理讪1 1 1 ) 水的熟容量大可以降低缸内燃烧温度、防止局部富氧，从而降低n o x 排放量。 n o x 生成的三要素是高温( 含局部高温) ，富氧( 含局部富氧) 以及氮 与氧在高温下滞留的时间长。这三个要素缺一不可。只有三者同时具备时， n o x 才能生成。所以，要降低n o x 的生成，只要控制其中一至三个要素， 就能奏效。内燃机的燃烧过程中，氮和氧永远存在。n o x 的首要条件是高温。 氮和氧的化合必须在高温条件下才能进行。所以，只要降低气缸内的高温和 局部高温点的温度，就能明显降低n o x 的生成量和排放量。水可以利用自身 潜热大的特点吸收热量而汽化成为过热蒸汽，从而降低缸内燃烧温度。在一 切固态和液态物质中，水的热容量最大。所以，它能大量吸收燃烧室中炽热 零部件的热量和工质的热量使得自己成为过热蒸汽。过热蒸汽充满整个燃烧 室，对空气( 氧) 进行了稀释，从而防止了局部富氧。 2 ) 利用微爆现象可以优化燃烧。有利于排放，同时减少燃油消耗量 当雾化的燃油喷射入气缸时，油滴高速撞击水滴，使二者变得更细气 流的涡动增加了油与水碰撞及接触的机会，从而形成了油吸附于并包围着水 6 武汉理工大学硕士学位论文 滴的微粒即油包水的油水乳化液，并较均匀地分布于燃烧室。油包水型乳化 油中，水以分散的珠状均匀地悬浮在油中，称为分散相或内相；油包在所有 水珠的外层，称为连续相或外相。由于水的热导率比液态油的热导率高，而 水的沸点比绝大多数油( 除1 0 0 度以下的汽油组分) 低。使油包水乳化油中 的内相水受热快，达到沸点和蒸发早，从而由水蒸气造成的压力突破油包水 的膜壳。以上就是微爆效应( 如图l 1 ) 图i 一1 微爆效应示意图 微爆效应使油和水获得了第二次雾化，扩散和均化，这就使燃料油在空 气中分布更加均匀，空气利用率提高，促使燃烧更安全和完善，有利于排放。 1 4 柴油机加水燃烧的各种方法及其优缺点 目前已知，有三种向燃烧室供水的方法：进气道供水( 燃烧空气增湿法) 、 柴油掺水乳化方法、向燃烧室直接喷水。 1 ) 柴油机掺水乳化 柴油机掺水乳化是柴油喷入气缸前和水混合，同时加入乳化剂形成稳定 的悬浮液，由原喷油系统喷入气缸。 柴油机掺水乳化的优点：不需要对发动机进行大的改变；对发动机 可靠性不会造成无利影响；能同时降低颗粒排放；水油达到3 0 也不 会造成耗油的增加；较低的水消耗量；低投资。 柴油机掺水乳化的缺点：最大掺水量较少，因此对应的n o x 的减少量 也很有限；需要乳化剂 2 ) 向燃烧室直接喷水 向燃烧室直接喷水是利用原喷油系统或者第二套喷射系统在高压下直接 将水喷入气缸内参与燃烧。 ， 武汉理工大学硕士学位论文 该方法的优点是：水油比可以达到较商的水平，因此n o x 的排放降低 量也可以达到相对高的水平。 该方法的缺点是g 需要对柴油机系统结构做较大改变；喷水嘴的使 用寿命较短；燃油消耗量增加；颗粒排放量增加；需要相对高的投资。 3 ) 进气道供水( 空气增湿法) 这种方法是将雾化水或者水蒸气从迸气道喷入，随着空气进入燃烧室参 与燃烧，这种方法主要是利用增湿空气热容量剧增，从而起到降低燃烧温度， 以致大幅度降低n o x 排放 该方法的优点是：进气道可以进入大量的水，促使排放尾气中的n o x 大幅度的降低。将水蒸汽喷入进气道，当水的量达到燃油的3 倍时，n o x 可 以降低7 0 ，这是一个非常可观的数值；既可以克服乳化方法中的只能有 限地降低n o x ( 由于水量有限) 缺点，又不象直接向燃烧室喷水的方法那样 对柴油机系统结构做较大得改变；燃油消耗降低。 这种方法的缺点是：对颗粒排放没有效果，只能保持颗粒排放的不恶化。 1 5 柴油机加水燃烧的国内外研究现状m 卜 国外，直接利用水降低排放的技术己受到高度重视。不少学者都在进行 研究，做了大量的实验，发表了一些相关的论文。我们国家也注意到这一技 术的巨大的潜力，正迎头赶上。随着排放法规的日益严格，直接用水降低排 放的研究无疑会进一步深入和推广 m u n t e re u r o f o r m 在 n o xe m i s s i o nr e d u c t l 0 nw i t ht h e h u m i n d a i r m o t o r c o n c e p t ) ) 一文中总结了用水降低n o x 排放的两种 典型方法( 水在燃油中乳化与直接向气缸喷水) 。其实验情况如下；p c 2 6 三 缸机、5 4 0 k w e y l 、5 4 0 r r a i n 、缸径为4 0 0 m m 、冲程为5 0 0 r a m 。实验中水蒸 气与燃油的比值为3 ：1 ，则其含水率；w 为7 5 。实验得到了令人满意的结果， n o x 减少量为1 3 5 3 5 9 k w h ，油耗降低3 5 9 k w h 2 0 0 1 年第5 期柴油机有一篇译文探讨了直接喷水降n o x 排放技术。 d w i ( 直接喷水装置) 通过分层式喷嘴直接将水喷入燃烧室。由于水的可用 量大，因此降低n o x 的效率明显提高。d m 结构特点如下：d w i 装置结构 设计的关键是油与水都经过组合式喷射阀。此中，单用一个阀来完成对喷油 8 武汉理工大学硕士学位论文 和喷水两种模式的操作。组合式喷嘴中的一个针阀用于喷水，另一个针阀用 于喷油，目的是降低燃烧室空间温度，以确保n o x 的生成量降低。该装置使 用一个高压水泵，可产生2 0 4 0 m p a 高的水压。泵出的水经过压力脉冲滤波 和消波后经由一压力调节阀供至喷嘴，以达到合适的喷射压力。为安全起见， 为接至气缸的每根水管安装一个敏感的机械式断流器，用来实现水量过大时 快速断水。喷水的定时与持续时间采用电子控制，并且通过键盘对控制装置 进行编程就能很容易地加以调整，以为各种使用情况选择最佳调定值。喷水 量由喷射持续时间控制。实验同样获得了令人满意的结果，n o x 排放在不同 工况下均有一定的降低。 另外，日本石田正弦在文章通过进气道喷水降低柴油机n o x 排放中 以定量地查明进气中的水对柴油机燃烧和n o x 生成的影响为目标，从试验和 理论两个方面来研究进气道喷水。在试验中，喷水阀采用电子控制式水喷射 系统，在4 缸直喷式增压柴油机的进气总管上分别安装4 个喷射器，在迸气 行程初期，从4 个喷射器向各进气道口喷水，由此来做到在基本不损害发动 机容积效率的条件下对进入空气进行加湿。其结果，在不增加燃油消耗率的 前提下获得了n o x 排放的大幅度降低。 2 0 0 1 年汉堡举行的c i m a c 会议上还有一篇关于s t i d 的文章 ( p e r f o r m a n c ea n a i j y s i s0 fas t e a mi n j e c t i e dd i e s e l ( s t i d ) e n g i n e 。作者运用中冷器和废气里的热量产生水蒸气，水蒸气被加热成过 热蒸汽到尽可能高的温度，其压力要求超过最高燃烧压力以便能够快速喷射。 水蒸气沿气缸圆周切线喷入燃烧室，在气缸圆周上产生迅速的涡流层以阻止 燃油喷射和着火过程中水蒸气与空气的混合。由于着火过程伴随着压力脉冲， 缸内水蒸气涡流层变得不稳定。于是。燃烧气体与水蒸气迅速混合，可以降 低n o x 和烟度排放。 这种水蒸气喷向缸内的方法需要大量的水，作者给出的水量是 o 6 8 k g k w h ，它相当于3 8 倍的油量，即含水率；w = 7 1 9 。 1 9 9 8 年哥本哈根举行的c i m a c 会议上有一篇向进气管降排放的论文 ( s i g n i f i c a n tn o xr e d u c t i o ni nd i e s e le n g i n eb a s e do ne l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dp o r tw a t e ri n j e c t i o n 。作者用电控喷油器将水喷入进气管以 达到降低n o x 排放的目的。实验发动机为一车用高速，四缸直喷式中 冷式、涡轮增压柴油机，由日本三菱汽车公司制造，型号为4 d 3 1 一t 。其缸径 9 武汉理工大学硕士学位论文 m l 为1 0 0 m m ，行程为1 0 5 m ，压缩比为1 6 ，最大输出功率为9 5 6 k w ( 1 3 0 p s ) ， 最大输出速度为3 5 0 0 r m i n 。实验中，发动机在两种平均有效压力情况下以 1 7 5 0 r m i n 的恒定转速工作：p m e = 0 4 0 ，0 8 3 m p a 。喷水器前面的进气温度固 定在4 4 5 4 5 5 x 2 范围内，这通过控制中冷器的水流量来实现。 由德国j j s i e t a s 船厂承建，芬兰t r 崩s f e n n i c a 租用的七艘开上开 下运纸船( 主机为w a r t s i l a 中速柴油机) 于1 9 9 9 年交附使用。这些船上 装用了d w i ，n o x 都降低了5 0 6 0 。此方法中喷入的油水之比为0 4 o 7 ，即含水率ew = 5 8 8 7 1 4 。 武汉理工大学就进气道喷水进行了前期的研究，实现了不同水量喷入对 n o x 降低效果的研究，并设计出进气道喷水系统，实现了n o x 3 0 0 一5 0 的 降低率。 1 6 课题的提出 前期的研究表明，利用水降低柴油机n o x 排放具有较好的效果，从节能 的角度看也有其积极的意义。前期研究中由于选取的喷水系统的原因，仅以 手动控制的方式实现了喷入水量的调节，未能实现进气道喷水的电控方案， 虽提出了电控喷水这一思路，但由于喷水系统的原因也不方便实现。为解决 这一问题，在前期研究的基础上，针对喷水系统进行了选型优化，选择了一 套实用的，便于控制的喷水系统，并在这一基础上完成水喷射量的电子控制。 1 。7 本文主要研究工作 1 ) 设计合理的喷水系统保证一定量的水以雾状喷入柴油机； 2 ) 喷水电子控制系统方案； 3 ) 柴油机负荷的判定； 4 ) 电控单元e c u 的软硬件设计； 5 ) 试验确定喷水量与n o x 降低率的关系，制定排放控制策略； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章进气道喷水系统的优化选型 将水雾化的方法有许多种，但是要达到良好的雾化效果，并且能够随意 控制雾化水流量的方法却不多。尤其需要提出的是，雾化水效果是否优良的 评判标准是柴油机对其是否具有非常良好的敏感度。 因此寻求雾化方法的困难在于雾化装置必须满足以下几点： ( 1 ) 优良的雾化效果，水以雾状进入柴油机进气管，依靠柴油机的运转 吸入到气缸内并能与燃气充分混合； ( 2 ) 不能以流水状进入，进气道内无积水； ( 3 ) 水量必须能够很好的被控制，喷入柴油机的水量在一定时间内必须 具有较好的稳定性和均匀性； ( 4 ) 雾化装置应该简便，易于装配，不需要对柴油机结构进行大的改动。 ( 5 ) 雾化装置不能对水的质量要求太高，试验用水为普通自来水； 在前期研究的基础上，本文对原有的气一雾喷射系统进行了改进。水的 供应依靠供应泵来实现，通过计量单元电磁阀来实现喷水量的调节，提高了 可靠性和计量精度，使水的添加不再成为困难。 2 1 气一雾型喷射系统 2 1 1 前期选定的型式 在前期研究中，选取了一种合适的喷雾型式，该喷嘴属气、水混合型喷 嘴，其喷淋形式为扁平状，雾化均匀，粒子较小，扩散角较大；水量随着水 压、气压的改变而改变。该喷嘴为江苏博际喷雾系统有限公司生产的h p z 0 1 1 1 2 0 8 2 型号气一水喷嘴。喷嘴的结构图、示意图与喷雾效果图如图2 1 气 体和水分别输入喷嘴的两个进口，左边为入水口，右边为气体进口，当然水 压和气压可以相同也可以不同喷嘴的出水量由进水的水压和进气的气压同 时控制，当水压定时，如果加大气压，喷水量则减少，反之亦然；当气压 一定时，如果加大水压，喷水量则增大，反之亦然。即喷嘴的出水量与水压 成正比，与气压成反比。 这套喷嘴系统，水的供应要有一定的压力，因而存在一个压力水箱，通 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 过调节空气的压力来实现水量的调节和实现水的雾化，原理图见图2 2 ，如 在固定的试验台架上，基本可以实现良好的效果，但安装复杂，调节和控制 不太方便，加灌水比较繁琐。必须寻求一种方便的易于控制的喷嘴系统。 图2 1h p z 0 1 1 1 2 0 8 2 型气一雾喷嘴 木箍 图2 - 2 系统流程图 1 2 迸气总管 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 选型的喷水系统 选型的喷水系统主要包括三个部件：喷嘴、水供应泵和计量单元，各部 件如图2 - - 3 、图2 4 和图2 5 所示。 图2 3 喷水系统中喷嘴 图2 4 喷水系统中供应泵 1 3 武汉理i 大学硕士学位论文 图2 5 喷水系统中计量单元 构成进气道喷水系统的整个部件有水箱、水泵、电气比例阀、控制器、 计量阀和喷嘴。 水箱：作为储水容器，要求耐腐蚀。 水泵：为水的输送提供动力，泵的最大输送能力为l o k g e a 。 电气比例阀：提供压力稳定的空气，输入o 5 v 电压信号，输出o 0 0 5 o 5 m p a 。 控制器：采集发动机的转速和油门信号，按照控制策略发出喷水流量的 控制指令。 计量阀：接收控制器的指令控制水量。 喷嘴：将水与压缩空气的混合物以雾化的形式喷到进气管中。进气道 喷水系统开始工作时，首先比例阀通电，输出压力稳定的空气，一路空气供 给喷嘴，起雾化水流的作用；另一路空气供给水泵，控制水流回流量的大小。 其次水泵起动，在计量阀的进口处建立起具有一定压力的水待用。控制器采 集柴油枫的转速和油门信号，按照控制策略发出需求的水量的控制指令，经 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 驱动电路驱动计量阀动作，水与雾化空气混合后经喷嘴进入进气管。 2 1 3 计量单元的控制 迸气道喷水系统的水流量与计量阀的开启频率、线圈电压、水压等因素 有关，把这些有关的柔性参数确定下来以后，水流量与脉宽的对应关系也就 能够确定。根据侠水泵出口压力为o 6 0 m p a ，计量单元水路压力定为0 6 0 m p a 考虑船用和车用时均能提供1 2 v 电压，供电方便，计量阀线圈电压定为1 2 v ， 试验表明，计量单元开启频率定为2 0 h z 能保证一定范围内的稳定喷水量， 水在空气的冲刷作用下雾化良好，因而计量单元开启频率设定为2 0 h z 。 在喷水计量装置中，水的喷射与停止是通过计量阀的开启和关闭来控制 的。见图2 6 ： 图2 6 计量装置的工作原理 图中k 是计量阔开启的时间，t 是计量阀进行开启关闭再开启一个循环 的周期。水的质量流量受计量阀开启时间、开启频率、线圈电压、溶液压力 以及喷嘴出口的压力五个主要因素的制约大量的试验证明在计量阀的开启 频率、线圈电压、溶液压力以及喷嘴出口的压力保持一定的条件下，计量阀 开启时间与水的质量流量的对应关系适合本课题的需要。计量阀的开启时间 是由脉宽指令控制的，所以需要建立脉宽与水的质量流量的对应关系。 图2 6 中右角为计量阀阀芯的动作脉宽益线，通过对动作曲线的分析可 以得到脉宽与流量的关系： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 气一雾型喷射系统流量特性 ， - 一，7 一一 。， ， - ， ， 一 ， 螺能-崔_ 聃 _礁 图2 7 气一雾型喷射系统流量特性 图2 7 中，横坐标表示脉宽，单位为；纵坐标表示流量，单位为k g h 。 为了便于控制策略的制定，对实验数据运用m a t l a b 软件进行了线性回 归。得出了流量与脉宽的函数关系，见图2 8 ： 二：= = = 一1 i ； 0 彳 沙 r ： i i 图2 8 流量与脉宽的函数关系 线性回归方程为：仁2 。2 9 3 7 x1 0 0 p 2 + o 1 5 5 p + 0 2 0 7 6 式中：f 为水流量，单位为k g h ：p 为脉宽，单位为 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 进气道喷水系统的工作原理 2 3 结论 图2 - 9 喷水系统原理图 比较前期的气一雾型喷射装置，新的气一雾型喷射在水的供应方面有了 改进，用供水泵来提供一定压力的水，在压缩空气的冲刷下实现良好雾化， 抛弃了原有的压力水罐和压力源，水储存在水罐中，添加方便。而对水量的 控制不再依靠比例阀来调节空气压力的大小实现，而是通过计量单元电磁阀 的开启实现水量的精确调节。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章控制系统的设计2 肛盥8 1 柴油机运行过程中雾化水喷入进气总管，负荷不同，喷入水量也相应发 生改变，对柴油机实际运行中工况的判定是关键。在相同转速条件下，柴油 机油门位置的不同，则发动机负荷也相应改变，而在一定转速下，一个油门 位置则代表该转速下某一负荷工况，基于此，采用转速传感器结合油门位置 信号传感器可以得到柴油机实际运行工况。 3 1 信号提取 3 1 1 转速传感器 转速是表征柴油机运转性能的一个重要参数，对于转速的测量，在通常 情况下所测量的大多是某一个稳定工况下一段时间内的平均转速。进行某些 特殊实验研究时，需要测量转速随时间的变化值，即瞬时转速测量。其测量 的精度要求须视具体使用场合而定。转速的测量方法很多，通常分为模拟方 式和数字方式两种，本文选择常用的数字测量方式。 数字方式转速测量系统由测速传感器和电子计数器组成。测速传感器将 被测转速信号转换为电脉冲信号，用电缆传输给电子计数器进行数字显示。 数字方式测量精度高，可以进行数字显示，也可以输出数字信号给打印机和 电子计算机，实现自动记录和数据处理。数字记录方式可以测量平均转速， 也可以通过处理得到瞬时转速。 常用的测速传感器有磁电式和光电式两种，本文选用磁电式传感器。根 据电磁感应原理，n 匝线圈里感应电动势e 的大小取决于贯穿这个线圈的磁 通巾的变化率，即 d ， = - - , m 一 破 式中。一”表示感应电动势e 的方向，即它所产生的电流总是力图阻止磁通中 的改变。磁电式测速传感器正是利用电磁感应原理，将被测转速转换成电脉 冲信号。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 磁电式传感器 如图3 1 所示，磁电式传感器由带齿的旋转轮和磁电变换器两部分组 成。带齿的旋转轮由导磁体制成，并固定在被测旋转物上。磁电式变换器由 永久磁铁和绕在它上面的线圈组成。永久磁铁与齿圈的齿顶相距0 5 到l 毫 米左右。当齿圈随被测旋转物转动时，由于齿圈有齿槽和齿尖，空气隙大小 不断变化，引起磁路的磁阻改变，磁通中也发生相应的改变，在感应线圈中 产生与磁通变化频率f 一致的感应电动势，发出电脉冲信号。齿圈通常制成 6 0 个齿，则当旋转一周时，传感即输出6 0 个脉冲信号。若将此信号输入电 子计数器，并将计数器的计数时间定为1 秒，则电子计数器的显示器即显示 出被测物体每分钟的转速n ，即 如= 警= 舳 磁电式测速传感器结构简单，制作安装比较方便，无须传感器电源，应 用较广。其缺点是电磁感应产生的波形不规整。容易产生干扰信号，当干扰 信号的幅值超过电子计数器的工作电平时，就会干扰电子计数器的正常工作， 产生误记。由于直接来自与传感器的信号，幅度比较大，若直接接入测试仪 器会导致测试设备损害，所以传感器信号需要经过调理电路，调整到测试设 备能够接受的安全电平范围。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 转速信号调理电路 转速信号的调理电路