（机械工程专业论文）小型高速涡流室式柴油机的燃油系统参数选择与排放试验研究.pdf

卜海交通大学t 程硕上专业学位论文 摘要 摘要 为了研究小型高速涡流室式柴油机满足国家排放法规的燃油系统参 数的合理选择与匹配试验，本文对威孚公司白行开发的直列式1 w 喷油泵 工作能力进行了计算，通过喷油泵的结构参数、供油提前角、高压油管、 喷油嘴等参数对小型高速涡流室式柴油机排放性能影响的研究，获得小型 高速涡流室式柴油机燃油系统参数选择的范围，为燃油系统参数的合理选 ， 择与匹配试验提供实用的图表法。庄要开展了以下几个方面的工作： 1 ) 收集整理了国内外涡流室式柴油机控制排放技术的文献资料，对 研究动态及技术作了综述。 2 ) 通过对最大许用泵端压力、许用最高转速、供油速率等方面进行 小型高速涡流室柴油机燃油系统参数的合理选择的计算与分析，使用 图表法来选择喷油泵结构参数以获得理想的供油速率。绘制了不同柱 塞、不同凸轮的供油速率曲线，利用曲线图可以简单快捷地查出不同 柱塞在供油过程中每一位置的供油速率，为机泵匹配试验提供理论依 据，减少了试验的工作量。 3 ) 通过对1 w 泵各试验方案的泵端压力、嘴端压力、喷油规律、喷 油嘴针阀升程等性能的测试，来筛选试验方案，同时了解不同结构参 数对燃油系统的影响。 4 ) 对扬州动力机厂4 8 0 涡流室式柴油机进行了排放性能的正交试 海交通大学丁程硕士专业学位论文 摘要 验，开展了不同供油提前角、喷油嘴、供油速率、高压油管对柴油机经 济性能和排放指标影响的试验研究，达到了燃烧系统和燃油系统的优 化匹配降低排放的目标。由此获得小缸径涡流室式柴油机匹配的燃油 系统参数选择的范围。 5 ) 通过扬动4 8 0 获得的结论，顺利进行了常少h 柴油机厂4 8 5 、武进 柴油机厂4 9 0 、莱阳动力机厂4 8 0 涡流室式柴油机燃油系统的优化匹配 试验，全部满足欧i 排放标准。 本文通过理论分析与试验研究所得的燃油系统参数的范围对小型 高速涡流室柴油机是适用的：对于小缸径高速涡流室柴油机达到欧i 排放法规的平均几何供油速率在8 5 1 1 m m 3 o c a m 范围较合适；喷油 泵喷油峰值压力为3 5 m p a 左右，喷油器开启压力为1 2 5 m p a 左右；减小 喷油提前角是降低n 0 x 排放量的主要措施。图表法是直列式喷油泵与 、 柴油机匹配试验的实用方法，具有普遍的指导意义。户一y 关键词：涡流室式柴油机，燃油系统，结构参数，排放膨筠乙 i i ! 塑奎望盔兰三堡堕主主些兰垡笙茎 竺! ! 竖垒! ! t e s tr e s e a r c h0 np a r a m 匝t e r s a n de m i s s i o n o ft h ef u e ls y s t e mf o rt h es m a i ，lh i g hs p e e d s w i r lc h a m b e rd i e s e le n g i n e a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yh o wt os e l e c ta n dm a t c ht h ep a r a m e t e r so ft h ef u e ls y s t e mo ft h e d i e s e le n g i n e ，t h i sp a p e re v a l u a t e st h ew o r k i n gc a p a c i t yo ft h ei n l i n ep u m pt y p ei w d e v e l o p e db yw e i f ug r o u pc o ，l t d ( h e r e i n a f t e ra b b r e v i a t e da sw e l f u l i ts t u d i e s t h ee f f e c to ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，i n j e c t i o na d v a n c ea n g l e ，h i g h p r e s s u r ep i p ea n d i n j e c t o rp a r a m e t e r s e t c o nt h ee m i s s i o nf r o mas m a l lh i g h s p e e dw h i r lc h a m b e r d i e s e l e n g i n ea n dp r o v i d e sa b a s i sf o rs e l e c t i o na n d m a t c h i n go f t h ep a r a m e t e r so ff u e ls y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 1c o l l e c te s s a y so ne m i s s i o nc o n t r o lo f s w i r lc h a m b e rd i e s e le n g i n e sa th o m eo ra b r o a d a n d g i v eag e n e r a li n t r o d u c t i o n t ot h e i rt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t s 2 1c a l c u l a t ea n da n a l y z eh o wt os e l e c tp a r a m e t e r so ft h ef o e ls y s t e ms u c ha sm a x i m u m p e r m i s s i b l ep r e s s u r e a t p u m pe n d ，m a x i m u mp e r m i s s i b l es p e e da n dm a x i m u m a v e r a g ef u e ls u p p l yr a t e ，e t c o b t a i n a ni d e a ls u p p l yr a t eb y u s i n gd i a g r a m sa n d d r a w v a r i o u sf u e l s u p p l y r a t ec u r v e sw i t hv a r i o u s p l u n g e r sa n dc a m s i tp r o v i d e s a c o n v i n i e n tm e t h o dt of i n daf u e ls u p p l yr a t ea te a c hp l u n g e r p o s i t i o nt h r o u g h c u r v e s a n dat h e o r yb a s i sf o r m a t c h i n g t e s t sb e t w e e np u m p sa n de n g i n e s t h e r e b yt h e w o r k i n gd u t yo f t e s t si sr e d u c e d 3 ) m a k eas e l e c t i o nf r o mv a r i o u st e s tp l a n sb yt e s t i n go ft h ep r e s s u r ea tp u m pe n d ，t h e p r e s s u r ea tn o z z l ee n d t h ef u e li n j e c t i o nl a w , t h en e e d l el i f t e t c a n da l s of i n do u tt h e e f f e c to nt h ef u e ls y s t e mo fe a c hp l a n 4 1e m i s s i o nt e s t sf o rt h es w i r lc h a m b e rd i e s e le n g i n em o d e l4 8 0f r o my a n g z h o up o w e r e n g i n ef a c t o r ya r em a d et os t u d yt h ee f f e c to ft h ei n j e c t i o na d v a n c ea n g l e f u e l i n j e c t i o nn o z z l e ，f u e ls u p p l yr a t ea n dh i g h p r e s s u r ep i p eo ne c o n o m ya n de m i s s i o n l e v e l a n dt h eg o a lf o rr e d u c i n ge m i s s i o nb yt h e o p t i m i z a t i o nm a t c h i n go ft h e c o m b u s t i o na n df u e ls y s t e m s t h e r e f o r ei tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c t i v em e t h o d f o rm e e t i n gt h ee m i s s i o nr e q u i r e m e n t so ft h ee n g i n ei st od e c r e a s en o xa n dh c b y i n c r e a s i n gt h ei n j e c t i o na d v a n c ea n g l e a n df u e ls u p p l yr a t er e s p e c t i v e l y 5 ) t e s t sf o rt h ee n g i n e ss u c ha sm o d e l4 8 5f r o mc h a n g z h o ud i e s e le n g i n ec o m o d e l 4 9 0f r o mw u j i nd i e s e le n g i n ef a c t o r y , m o d e l4 8 0f r o ml a i y a n ge n g i n ef a c t o r y h a v eb e e nd o n eb a s e do nf o r e g o i n ge x p e r i e n c e sa n dt h e ym a ya l lm e e tt h ee u r oi i i i 卜海交通大学丁程硕士专业学位论文a b s _ r r a c t e m i s s i o n l e g i s l a t i o n s t h ep a r a m e t e r so ft h ef u e ls y s t e mf o rt h es m a l lh i g h s p e e ds w i r lc h a m b e rd i e s e l e n g i n et om e e tt h ee u r oie m i s s i o nl e g i s l a t i o n sa r eo b t a i n e db yt h e o r e t i ca n a l y s i sa n d t e s t sa sf o l l o w s ：t h ea v e r a g ef u e ls u p p l yr a t ei sb e t w e e n8 5 - 1l m m 。c a m t h e p e a k i n j e c t i o np r e s s u r eo f t h ep u m pi sa b o u t3 5 m p a ，a n dt h eo p e n i n g p r e s s u r eo f t h ei n j e c t o r i sa b o u t1 2 5 m p a s or e d u c i n gt h ea d v a n c ea n g l ei st h em a i nm e a s u r ef o rr e d u c i n g e m i s s i o no fn o xa n dg r a p h i c si sa p r a c t i c a la n du n i v e r s a lw a yf o rt h em a t c h i n gt e s t so f i n - l i n ef u e li n j e c t i o np u m p sa n dd i e s e le n g i n e s k e yw o r d ：s w i r lc h a m b e rd i e s e le n g i n e ，f u e ls y s t e m ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r , e m i s s l o n 上海交通大学工程硕上专业学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题意义 自1 8 9 7 年狄塞尔发明柴油机以来已有1 0 0 多年的历史。至今，人类经过近百 年的努力，在使用石油作燃料的动力机械中，柴油机已成为当今热效率高、c o ：排 放最低的广泛使用的热机。柴油机的h c 排放量远远低于汽油机，而且柴油机的使 用成本占有优势。 中国的汽车年产量从1 9 7 8 年的1 5 万辆增加到1 9 9 7 年的1 5 7 力| 辆，增加了9 6 倍，年增加率为1 3 1 - 2 l 。尽管中国交通和汽车制造事业有了长足的发展，但目前汽 车的总保有量仅为德国的汽车保有量的1 4 左右。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。随着车辆的迅速增加，对能源供应和环境污 染造成极大的压力。排放将成为今后一个主要的研究课题，对排放的限制法规也 越来越苛刻。中国内燃机排放指标十分落后【3 】，1 9 8 0 年对我国汽车排放指标的普 查表明：c 0 含量为日本现行法规的2 8 3 8 倍，h c 为1 6 2 6 倍，n 0 为3 7 倍， 达到十分惊人的地步。内燃机排气的有害物质对大、中城市的大气污染日益严重， 危害人们的健康，内燃机排气污染物对人体的危害如下：c 0 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o 1 时，就会导致 人体中毒，当7 5 血红蛋白丧失输氧能力时，就会导致人体窒息。c 0 2 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 0 x ( n 0 和n o 。的统称) ，在空气中，n o 被氧化成n 0 2 ，当空气中含量超过1 5 1 0 1 时，会和血红蛋白结合，若超过2 0 1 0 。6 时，会影响肺的功能。颗粒的主要成分 是碳，柴油机排放物中的颗粒在多小于0 3 u m ，可以被吸入肺叶，并在肺中滑动， 造成肺组织的摩擦损伤。另外，微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。除了对人体健康直接有害的排气污染物c 0 、h c 、n o x 和颗粒外， 内燃机还排出一些虽对人体健康无直接伤害，但会造成气候变化，从而影响人类生 活环境的排气成分。这些成分的排出，增加了大气层中温室气体的浓度，会导致 地球大气的变暖，可能会带来气候的灾难性变化。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根据各自国家经济、技术的发展水平不同而采 用不同的排放标准。 9 8 年以前我国的小缸径( 7 0 9 5 m m 缸径) 柴油机除从意大利引进的索菲姆 8 1 4 0 和五十铃4 j b l 为直喷式外，其余全是涡流室式。涡流室燃烧系统具有制造要 求低、高速性能好、噪声和排气污染小以及喷油装置价格低等优点。随着“费改 税”的呼声以及制造和维护水平的提高，具有更好经济性的直喷式柴油机在近两 年应用同益广大。然而，小缸径直喷柴油机的排放指标与我国新颁布的排放法规 指标相差甚远，而涡流室柴油机的排放指标比较接近法规。涡流室柴油机主要特 点：涡流室柴油机的混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡流，保 证较好的混合质量，使涡流室柴油机中空气能充分利用，对喷雾质量要求不高。 卜海交通大学工程硕十专业学位论文 第一章绪论 压缩涡流随转速升高而加强，在转速较高时仍能保证较好的混合质量，混合气形 成质量对转速变化不敏感，又由于涡流室是偏离气缸中心线布置，而喷油嘴也随 涡流室偏置，使气门布置的位置充足，进气门直径可以做得较大，在较高的转速 仍可获得较高的充气效率，所以涡流室式柴油机在高速适应性和噪声方面优于直 喷式柴油机，在相近的条件下，涡流室式柴油机的烟度和n o x 比直喷式柴油机低。 涡流室式柴油机与直喷式柴油机相比也存在燃油消耗率高，起动困难等缺点。多年 来的实践表明，涡流室式柴油机较适合我国的工业发展水平和用户使用水平。小 缸径涡流室式柴油机大都用于农业机械，随着近几年我国特有的农用车的出现， 开始作为车用动力。农用车相对农业机械用而言，要求有较高的车速，所以目前 的车用涡流室式柴油机比农用柴油机转速高、功率大。本文主要研究车用小缸径 涡流室式柴油机。许多小缸径柴油机生产厂家在研发低排放的直喷自然吸气式及 直喷增压式柴油机的同时，把涡流室式柴油机作为满足排放法规的首选产品，都 投入很大的精力研制低排放的产品，排放课题已成为当前急待解决的热门课题。 国外小缸径高速涡流机的排放水平已远远超过国内的水平，尤其是日本，对 涡流室式柴油机的研究很深入【4 5 】。在国内，许多研究机构把降低涡流室式柴油机 排放重点放在柴油机的燃烧过程和燃烧系统方面1 6 。j ，或对燃油系统的供油速率、 喷油提前角等参数的研究只偏重于柱塞等某一零部件对供油速率的影响1 8 。，没有 对燃油系统对柴油机的排放作整体研究，没有考虑只通过改变加大柱塞直径来提 高供油速率会增加喷油泵凸轮轴负荷，影响凸轮轴的寿命和耐久性，从而不适合 燃油系统生产厂家机泵匹配试验及生产的应用。另外，这些国内的研究只是研究 了影响趋势，而没有给出合适的燃油系统参数的范围。在实际机泵匹配的应用上， 为了解决匹配试验中外特性、怠速中不良喷射而改变参数时，需要不同方案的供 油速率等参数的对比，面对如此众多要满足排放法规的机型及生产厂家，也需要 有准确、快速选择参数的理论指导。国外的燃油系统生产厂家从未把匹配技术对 外公开过，目前国内的燃油系统生产厂家对燃油系统与柴油机的匹配主要靠经验。 本课题的目的是通过燃油系统参数对柴油机排放的影响试验及直列式喷油泵的工 作能力计算，获得小型高速涡流室式柴油机燃油系统参数选择的范围，形成一套 实用的选择燃油系统结构参数的方法，为低排放小缸径涡流室式柴油机的机泵匹 配提供理论依据。 1 2 国内外现状 1 2 1 国内外小缸径柴油机现状 类似我国的小缸径柴油机在国外是作为轿车及轻型柴油车用动力，其废气排 放要求也越来越严。日本1 9 9 7 年执行的排放法规，n o x 和p m ( 颗粒) 限值均比以前 水平降低6 4 ；欧洲e c e i i 法规，( h c + n o x ) 降低4 6 ，p m 限值降低6 0 。至9 0 年代，货车柴油机的烟度值已平均降低到2 r b 以下，噪声已降至8 4 d b ( a ) ，轿车柴 油机已降至7 7 d b ( a ) ，并将执行更严格的限值。 欧洲轿车柴油机排放法规是从1 9 9 2 年开始。到1 9 8 6 年前，欧洲所有轿车柴 2 卜海交通大学工程硕十专业学位论文 第一章绪论 油机均采用非直喷式燃烧室系统【1 1 - b 】。法国p s a 集团的小型轿车柴油机通常为非 直喷自然吸气式，德国大众公司于1 9 9 2 年将1 6 l 涡流室柴油机改为1 9 l 后用于 g o l f 轿车中，此后，大众公司又加装涡轮增压器和氧化催化器，用于p a s s a t 轿车。 美国福特公司也于1 9 9 2 年将1 6 l 涡流室柴油机引入m o n d e o 轿车中。日本五十铃 公司的4 f g 2 、4 j g 2 等柴油机是由原来的直喷式机型改为涡流室柴油机的，其中4 j g 2 与原直喷式机型4 j b l 的有害物对比，碳烟和n 0 x 的排放量下降了一半左右，同时 在较宽的转速和负荷范围内整机的噪音也大幅度下降i l 。随着电控燃料喷射系统 的发展及高效小型涡轮增压器的使用，具有更佳经济性的直喷柴油机己被作为一 种行之有效的轿车动力。 对1 9 8 9 至1 9 9 4 年日本载货汽车生产作统计i l3 j ：进入9 0 年代后，虽然由于日 本经济不景气，载货汽车的年产量有逐年减少的趋势，但是其中轻型货车所占比 例却始终稳定在5 0 上下，而且柴油化的倾向非常明显，轻型柴油货车所占比例 从1 9 8 9 年的5 4 3 逐年上升至1 9 9 4 年6 7 。欧洲的情况与日本极为相似“。8 0 年代后半期开始，轻型柴油车在欧洲市场的销售量持续激增，从1 9 8 5 年的5 7 万 辆增加至1 9 9 0 年的11 2 万辆，几乎增加了一倍。这种急剧增长的一个很重要的原 因是由客车改装成厢式轻型车的柴油机化。国外轻型柴油车1 t 级机型的缸径均在 l o o m m 以下。据1 9 9 5 年统计资料，日本4 1 种机型中除4 j 系列的三种机型( 3 6 0 0 r m ir 1 ) 为直喷式燃烧室外，其余9 4 即使是转速低于4 0 0 0 r m i n 也清一色地采用涡流室式 燃烧室，以求兼顾高功率、低排放和低噪声。欧洲机型中两种燃烧室几乎平分秋色。 2 3 t 级机型，同本5 9 为直喷式，涡流室占4 1 ，但涡流室式机型中只有4 种缸 径大于1 0 0 m m 。在欧洲机型中，无论缸径小于1 0 0 m m 或转速高于4 0 0 0 r m i n 的，全 部采用直喷式燃烧室，这是欧洲2 3 t 级轻型车柴油机的一大特色。 在我国，小缸径柴油机作为轿车动力还是空白【l “，至于大量生产的7 5 9 5 m m 缸径的三缸机和四缸机，主要用于0 5 1 t 级的农用汽车，由于升功率及重量指 标均较差，尚无轻型车配用，大多用作农机、农用车的动力。涡流室式柴油机在 我国国民经济中占重要地位，年产量近8 0 0 万台1 6 j 。农用柴油机的使用特点是，野 外流动工作，环境条件恶劣，经常超负荷使用，加之目前我国农村使用维护水平 较低。我国白行开发并生产的轻型车柴油机与国外水平的差距是显而易见的，大 约只相当于国外8 0 年代的技术水平。差距主要表现在：一是强化程度低，反映在 平均有效压力和升功率两方面的差距上；二是外形尺寸偏大，重量偏重；三是环 保水平低，烟度比国外同类机型高1 5 2 r b ，废气排放物c o 、h c 和n o 。的限值只 相当于国外十多年前水平；四是可靠性和耐久性差，国外一般首次故障里程已超 过5 万k m ，第一次大修里程已超过2 0 万k m 。从总体上来看，我国汽车发动机工 业落后于世界汽车工业水平，而轻型车柴油机更是个薄弱环节。制约我国轻型车 柴油机水平提高的因素，除产品设计和开发水平低之外，零件材质差和工艺装备 陈旧是其中重要的原因。 1 2 2 国内外排放法规现状 在国外，美国加里福尼亚地方当局1 9 6 6 年最早规定了柴油机1 3 工况试验循 环，并于1 9 7 4 后得到美国联邦政府认可作为联邦法规执行。随后在许多工业发达 海交通大学t 程硕士专业学位论文 第一章绪论 国家都通过了类似的法规，随着环境保护意识的不断加强，各国对汽车排出的废 气限制法规同益严格，由于各国政治、经济和技术的发展水平不同，采用的排放 标准也不同。目前，世界上实行的排放标准主要有美国、欧洲、日本三大体系， 美国和欧洲的排放标准体系为各国广泛引用，我国从1 9 8 3 年起采用了欧洲排放标 准体系，但从与柴油机有密切关系的n 0 x 和p m 来看，比发达国家相对宽松些，这 从一个侧面说明排放控制在我国任重道远。1 9 9 9 年3 月l o 日国家技术监督局又颁 布了四个强制性标准压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气污染物限值和 测量方法、汽车污染物排放限值和测量方法、汽车发动机净功率测试方法、 压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气可见污染物限值和测量方法，这四 个相当于欧洲i 号标准法规的颁布标志着中国汽车工业排放控制正逐步向世界汽 车工业接轨。表卜l 给出了美国汽车的排放标准i l ”，表1 2 给出了欧洲当前及未 来的标准1 1 8 1 ，表l 一3 给出了我困的排放标准【1 9 i 。山于测试方法的不同，美国的标 准和欧洲的标准严格程度有一定的差异，大体上9 4 年标准与欧洲j i 号标准相当， 9 8 年标准与欧# h i i i 号标准相当，我国9 9 年标准与欧洲i 号标准相当。从美国和欧 洲的标准可以看到，对柴油机的排放要求是分阶段的，在n o x 降低到一定程度后， 对p m 提出了更严格的要求。 表1 1 美国汽车排放限值 际准 c oh cn o xp mp m试验实施 g k w hg k w hg k w hg k w hg k w h程序时间 e p a 9 42 0 51 7 46 7 1o 1 3 40 1 3 4瞬态1 9 9 4 e p a 9 82 0 51 7 45 3 60 1 3 40 0 6 7瞬态 1 9 9 8 e p a 2 0 0 02 0 51 7 43 2 1 60 1 3 40 0 6 7瞬态2 0 0 0 表卜2 欧洲排放限值 标准 c oh cn o xp mp m试验实施时 g k w hg k w hg k w hg k w hg k w h程序 间 e u - o1 1 22 41 4 4e c e r 4 91 9 8 8 e u i4 51 18 oo 3 60 6 le c e r 4 91 9 9 2 e u l i4 o1 17 oo 1 50 2 5e c e r 4 91 9 9 6 e u l l i 2 1o 6 65 oo 1o 1 3e s cl r t2 0 0 0 表1 - 3 中国排放限值 标准 c oh cn o xp mp m试验实施 g k w hg k w hg k w hg k w hg k w h程序时间 g b l 7 6 94 51 18 00 6 1o 3 6e c e r 4 92 0 0 0 1 9 9( 8 5 k w ) g b l 7 6 94 o1 17 oo 1 5o 1 5e c e r 4 92 0 0 5 1 - 9 9 ( 8 5 k w ) 卜海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 注： ( 1 ) 在欧洲标准中，微粒控制标准按发动机单缸排量执行两种标准，对于小于0 7 升单缸排量 发动机执行放宽限值。 ( 2 ) 在美国标准中，执行美国瞬态测试循环，试验标准比欧洲标准更符合发动机实际使用工 况。 ( 3 ) 美国标准中，微粒控制标准发动机应用种类执行两种限值标准，城市公共汽车发动机执行 较严格的限值标准。 1 2 3 国外小缸径涡流室式柴油机控制排放技术的发展 从7 0 年代起国外随排放法规的逐步建立，各发动机厂家为了竞争的目的，纷 纷丌展了降低排气污染的研究 2 0 - 2 1 1 。当时研究的主要措施为： ( 一) 改进柴油机的结构与使用条件 ( 1 ) 燃烧系统 柴油机的燃烧室基本上分为直接喷射式和分隔式两大类，分隔式燃烧室常用 的有：涡流室和预燃室等。在非增压柴油机上，分隔式燃烧室的n o x 一般比直接喷 射式和m 过程低1 3 1 2 。为了降低排污，许多厂家将原来直喷式燃烧室改为预燃 室或涡流室。 ( 2 ) 供油系统 研究喷油定时对各燃烧室排污影响的变化曲线：一般涡流室式燃烧室受喷油 定时影响较大，而预燃室较小。为了同时降低h c 和c o ，研究在负荷及速度整个范 围内可变的喷油定时结构。研究喷油速率、油线喷射方向和喷嘴类型对排污的影 响。作为降低n o x 和噪声的措施开展预喷射的研究。 ( 3 ) 进气系统及进气条件 ( 二) 对空气与燃料进行预处理 ( 1 ) 废气再循环 ( 2 ) 进气管喷水或燃油掺水 ( 3 ) 改变燃料性质及燃料添加剂 从研究方向上看2 2 - 2 4 1 ，除了柴油机本身的优化设计，燃油系统对排放控制起着 至关重要的作用，通过喷油嘴和柴油机燃烧室的匹配，喷油泵、喷油嘴、高压油 管之间的优化，可使柴油机达到最佳的排放指标。国外用喷油系统减少涡流室式 柴油机排放物的技术如图1 1 。 目前的发展趋势为涡轮增压和增压中冷，这是各大汽车公司拓宽功率范围， 以较小的气缸排量和紧凑的总体尺寸获得高功率的主要手段。日本尼桑公司、三 菱公司、久保田公司都对涡流燃烧室作改进，设计新型燃烧室，采用空气动力进气 口或斜进气口。顶置凸轮轴已成为新机型配气机构的典型结构型式，并且不断推 出多气门机型。另一发展趋势是采用高压喷射。涡流室式柴油机采用新型带陶瓷 镶块的涡流室。采用两级供油速率的分段凸轮和双弹簧喷油器，以获得高功率与 低燃烧噪声之间的折衷，降低n o x 。采用主轴承盖联体的梯形框架两体式气缸体， 提高刚性，减少噪声辐射。为了有效地控制n o x 和p m 排放，已有为数不少的机 型采用电子控制的废气再循环( e g r ) 技术和电子控制分配泵，以实现全运行过程中 一f ：海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 的最优控制，达到严格的排放法规要求。 全负荷区 低负荷区 减少颗粒 中的炭烟 减少颗粒中可 乳化油馏分 减少n o 。 改善 燃油 与空 气的 混合 促进微粒化l- f 高压喷油 快速断油( 快速溢油) 减少喷注的 壁面附着 减少预混 合燃烧 减小喷注 贯穿距离 减少滞燃期 的喷油量 图1 1控制涡流室式柴油机排放技术 f i g1 - 1 t h et e c h n i co f r e d u c i n gt h ee m i s s i o no f s w i r lc h a m b e rd i e s e l 1 3 涡流室式柴油机排放性能及主要影响因素 可 变 技 术 减小低喷 油率、初 期喷油率 1 3 1 柴油机排放物的组成与生成机理 柴油机排放物主要由一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 和颗粒。 ( 1 ) 一氧化碳( c o ) c o 的浓度在柴油机排气中一般都很低。只有在接近冒烟极限时，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 0 进行氧化。 ( 2 ) 碳氢化合物( h c ) 柴油机的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进行 氧化反应而形成的。在高负荷时，h c 急剧下降。但柴油机中的h c 即使在部分负荷 区也是很低的。 ( 3 ) 氮氧化合物( n o x ) n o x 是各种氮氧化合物的总称，其中包括n 0 、n 2 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 0 2 、n 2 0 5 及 n 0 3 等。柴油机从排气管排出的氮氧化物中n 0 占9 0 n b 一9 5 ，n 0 2 仅有少量存在，其 它成分可以忽略。n o 与大气中的氧相遇进一步氧化为n 0 2 。 6 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 根据资料【1 8 j 介绍，n 0 x 总体上有三种生成机理：热n o x ，“即时”n o x 和“燃 油”n 0 x 。热n 0 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，这些分子和原子接着形成氮氧化合物；“即时”n 0 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合物；“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合物。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 是微不足道的。 相对汽油机，柴油机排气中的n o o 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 o x 生成量必然增加。随着膨胀冲程缸内温度 下降，n o x 生成率也迅速下降。燃烧过程极大的影响着n o x 的最大值和变化规律。 ( 4 ) 颗粒 柴油机排气颗粒的定义是：稀释到5 1 7o c 以下的柴汕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。碳烟足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 数量随着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放量减少。它 的成分的构成很复杂，根据美国联邦政府对重型柴油机车辆的测定结果表明 2 9 1 ： 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。 1 3 2 涡流室式柴油机排放物形成过程 与直喷式柴油机不同，涡流室式柴油机的 燃烧过程分别在两个燃烧室中进行【2 ”。通常 燃油是由轴针式单孔喷油器沿顺气流方向喷 入涡流室高温、高压、高速旋转的空气中，经 历油滴蒸发、空气卷吸等物理过程和一系列化 学准备过程之后，在条件合适的一点或多点首 先着火。涡流室中的工质( 包括未蒸发的液体 燃油、未燃烧的燃一空混合气、燃烧产物及新 鲜空气) 仍按原来的运动模式运动。当涡流室 中的压力高于主燃室中的压力时，涡流室中 靠近连接通道口附近的一部分工质则以很高图1 2 涡流室燃烧室 的速度喷入主燃烧室，在主燃烧室中进一步f i 9 1 2 c o m b u s t o r o f s w i r l c h a m b e r d i e s e l 与空气混凝合燃烧。 涡流室式柴油机在压缩过程中可使气缸内的空气经通道流入涡流室形成强烈 的有组织的压缩涡流，为燃油在涡流室内与空气混合、燃烧创造了良好的条件； 7 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 随后这部分混合气在燃烧过程中以较高的压力流入主燃烧室，并在该处形成二次 涡流，以促进主燃烧室空气的充分利用。这种燃烧室的涡流属于强涡流型。 由于涡流室式柴油机的混合气形成和燃烧是分两个阶段进行的，其有害排放 物的形成也分为两处阶段。首先，在副燃烧室中燃烧时生成；其次，在主室中继 续燃烧时和燃烧后生成。 在喷油开始和燃烧初期，由于副室内的燃空比很大，燃油不可能也来不及燃 烧完全，除一部分形成c o 等不完全燃烧产物外，一部分还是未燃的烃类燃油；尽 管副室内所出现的高压高温状态有助于n 0 生成，但因缺氧，实际上产生的n o 并 不多。 当副室内的燃油和燃烧产物喷入主燃烧室后，情况便发生了很大变化。由于主 室氧气充裕，又有良好的混合和燃烧条件，促进了c o 的氧化反应，加速了未燃烃 的燃烧。在副燃烧室里形成的碳烟进入主燃烧室以后大部分被氧化。然而，由于 涡流室式燃烧室的面容比较高，散热面积较大，在燃气进入较冷的主室后温度有 所下降，又在一定程度上限制了h c 的氧化反应，且主室冷壁又加剧了这一影响。 同时n 0 的生成反应也因主室温度下降受到抑制。因此，与直喷式柴油机相比，h c 排放并不低，而c o 和n 0 x 排放较低。由于在极缺氧的副燃烧室内的燃烧以及主燃 烧室内的高空气过量系数，使得间接喷射式柴油机避丌了有利于n o x 形成的微富氧 区。因此，间接喷射式柴油机排气中的n 0 x 浓度只有直接喷射式的一半左右。 在燃烧室结构已定的前提下，涡流室式柴油机的有害气体排放量主要取决于 主副燃烧室容积比、主副燃烧室之间通道面积、燃油喷注与通道的相对位置以及 燃空比等，并随负荷与转速的变化而变化。 当负荷在部分负荷范围内加大时，则燃油喷射较多，必然使副室中的氧浓度相 对减少，从而使喷入副室中的最后一部分燃油的燃烧完善程度减少。由此可以认 为副室内h c 和c o 的生成量将随负荷的加大而增加。随后，这些不完全燃烧成分 在膨胀冲程时在主室内的消失反应，主要受温度支配。如果燃烧室散热面积过大， 温度较低，c o 和h c 的氧化速率受到限制，则c o 和h c 的排放浓度将大体保持随负 荷加大而升高的趋势。反之，如温度较高，且良好的混合与燃烧条件占主导地位， 则在膨胀冲程时主室内的c 0 和h c 氧化速率较大，最终会使排气中的h c 和c o 排 放浓度随负荷加大而减小。碳烟形成的数量随着过量空气系数的降低而增加；若 要使燃烧后碳烟和n o x 都很少，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 x 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， 碳烟和排放规律不同，而又相互矛盾的变化趋势的原因；除了c o 以外，涡流室柴 油机的排气污染物排放都比直喷式柴油机低。 1 3 3 涡流室式柴油机排放的主要影响因素【6 、2 6 】 ( 1 ) 涡流室形状 对涡流室壁进行改进以减少壁上的附着，对抑制烟度和n o x 是有利的。 ( 2 ) 涡流室容积比 随着容积比的增大，喷油嘴到壁面的距离也变大，这使喷雾更加分散，同时 喷雾的空气卷入量增加，有利烟度下降。 卜海交通人学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 通道面积比 其影响涡流室内的涡流强度和气体经过通道的阻力，随着通道面积比增加， 气体压缩涡流、燃烧涡流和燃气喷入主燃烧室的速度减弱，这使得油气混合速度 变慢，c o 和碳烟的生成量增加，但燃烧温度降低，n o x 排放量也随之下降。 ( 4 ) 通道形状 通道的形状影响混合气质量，从而影响涡流室式柴油机各种有害排放的变化。 ( 5 ) 主燃烧室的形状 在主燃烧室中，活塞顶部的凹坑形状和深度对涡流室式柴油机的排放有影响。 ( 6 ) 喷油定时 涡流室式柴油机不能采用加大喷油提前角方法来减少未燃烃排放。随喷油提 前角前移，燃烧最高温度提高，n o x 排放增加，碳烟排放量也增加，这是因为混合 气在涡流室中过早燃烧，造成涡流室和主燃烧室之间的压力差，阻碍空气从主燃 烧室流向涡流室，减少了涡流室的空气量和有效容积。h c 的排放和油耗在全负荷 时，随着喷油提前角的前移而降低，在低负荷时，没有单调的变化趋势。 ( 7 ) 燃油喷射系统各结构参数的影响 1 ) 供油凸轮型线的影响 喷油泵凸轮外廓决定了柱塞运动规律，从而也就决定喷油泵的供油规律。通过 改变凸轮外廓型线来提高供油率可以最有效地改变喷油规律。为了改善排放性能 及良好的雾化，一般采用提高凸轮升程或改变型线以提高供油速率、提高喷射压 力、和缩短喷射时间。 2 ) 柱塞的影响 柱塞偶件为喷油泵中最主要的泵油元件，其结构参数的变化对喷油系统的喷 油特性有着重要的影响，从而影响柴油机外特性。柱塞直径、柱塞进回孔结构、 柱塞偶件配合间隙是柱塞结构参数中影响喷油泵速度特性的主要因素。 柱塞直径的影响 从几何关系讲，柱塞面积对喷射过程的影响和柱塞速度一样，因为几何供油 速率是柱塞面积与速度的乘积。对高速柴油机而言，循环供油量加大，采用加大 柱塞直径是较简便的。柱塞直径增加，喷油延迟角及喷油持续时间都减少，供油 速度变大，初期喷油速率也变大，由于雾化好，所以经济性好。当柱塞直径大到 一定程度后，再增大柱塞直径对喷射持续期的影响将减小。增大柱塞直径会对各 缸不均匀性和低负荷下工作不稳定性带来影响，使柴油机最低稳定转速提高，凸 轮与滚轮的接触应力增大。 进、回油孔和螺旋槽的影响 进、回油孔的大小、形状影响柱塞的节流作用和柴油机外特性走向。 3 ) 出油阀的影响 出油阀的主要功能是不供油时能使油阀腔与泵室完全隔开，出油阀主要影响 着燃油系统的卸载过程。当采用可变减压容积的出油阀及利用出油阀节流作用来 实现油量校正会影响柴油机的外特性。出油阀卸压容积对残余压力影响非常明显， 当为消除二次喷射而增大卸压容积时，残余压力将显著下降，进而导致高压系统 9 e 海交通大学t 程硕上专业学位论文 第一章绪论 内在压力波动中产生空穴。空穴是产生穴蚀的原因，也导致燃油喷射压力强烈波 动，柴油机在低速不稳定，各缸不均匀度增加。 4 ) 高压油管的影响 高压油管的长度与内径都对喷射过程有一定影响，油管内径决定其输送燃油 的能力，因此，高压油管的内径对喷射过程的影响较油管长度明显。高压油管影 响残余压力，如果残余压力较高，波动增大，易产生二次喷射。 5 ) 喷油泵转速对喷射过程的影响 喷油泵转速对喷射过程的影响主要为柱塞运动速度随喷油泵转速的变化而变 化，对节流作用的影响而影响喷油泵的速度特性从而直接影响柴油机的速度特性。 6 ) 喷油嘴的影响 针阀弹簧刚度和针阀质量的影响 针阀组自振频率取决于针阀弹簧刚度与针阀质量之比，目前的设计尽可能减 少针阀组件质量，捉高针阀弹簧刚度。 针阀直径的影响 针阀直径减小可以减轻针阀质量和针阀弹簧受力状态不变时提高针阀启、落 压力，提高运动速度，改善喷射过程初期和后期的喷射质量，能防止燃气回窜， 防止二次喷射等，喷油嘴的尺寸也会减小。 针阀升程的影响 针阀升程较大时，喷射持续期长，低压下喷油量增加，以及燃气回窜的可能 性较大，而且针阀寿命下降。针阀升程较小时，燃油会在密封带处节流，喷射压 力下降。 针阀开启压力的影响 喷油压力影响油束的贯穿度、雾化及可