（机械设计及理论专业论文）乙醇柴油混合燃料发动机电控egr系统的开发研究.pdf

摘要 摘要 日益严格的排放法规、改善内燃机经济性及动力性的需求对柴油机提出了越 来越严格的要求。近年来随着设计制造水平的提高，柴油机在燃油经济性和排放 控制方面得到了很大改进，并且随着柴油机在噪声和振动方面获得突破，柴油机 的应用和研究迎来了新的高潮，然而柴油机n o x 和碳烟排放一直居高不下，阻碍 了其进一步的发展。国内外研究表明，乙醇柴油混合燃料能够有效降低碳烟的排 放，但对n o x 的降低不明显，废气再循环( e g r ) 是直接在缸内减少n o x 排放的最优 策略之一，两者结合可以使柴油机适应更加严格的排放法规。 本文课题来自广东省科技计划项目“乙醇柴油混合燃料车用发动机的开发研 究”，以顺德德力柴油机股份有限公司生产的d l l 9 0 - 1 2 柴油机为研究对象，在燃 用乙醇柴油混合燃料的基础上开展e g r 控制技术研究。分析了各种柴油机e g r 控制 系统的优缺点，选定适合的e g r 系统配置方案，制定了可行的e g r 技术方案。提出 了利用发动机负荷特性实验数据获得e g r 阀最佳真空度的线工况标定方法，实现 对e g r 阀升程真空度的标定。本研究对发动机的e g r 率进行了试验标定。为了实 现发动机性能综合优化的目标，本文利用价值工程原理对发动机性能标定数据进 行处理，提出了评价指标，给出了评价对象的权重，并采用二级评价方法得出e g r 阀最佳真空度m a p 图。本研究开发了一套适合于d l l 9 0 - 1 2 乙醇柴油混合燃料发动 机的电控e g r 系统，设计了控制系统软硬件，本电控e g r 系统通过传感器检测发动 机所处的工况后，通过电控单元e c u 处理，发出控制信号，由e g r 电磁阀对e g r 阀 的升程实行控制，保证了发动机工况范围内的最佳e g r 控制要求 本文通过实验得出，d l l 9 0 1 2 乙醇柴油混合燃料发动机采用本研究开发的电 控e g r 系统后，相比原柴油机，n o x 排放下降5 0 9 0 ；碳烟下降约2 0 ；h c 、c o 排放在低转速小负荷下基本相近，高速大负荷下有所增加，增幅在2 0 以内；中 小负荷下燃油消耗率基本上接近，高速大负荷下油耗有所增加，增幅在1 0 以内。 上述结果表明，本研究开发的电控e g r 系统基本兼顾了燃油经济性、碳烟、h c 、 c o 排放特性，达到了显著的降低n o x 排放的效果。 关键词：柴油机；乙醇柴油混合燃料；废气再循环；电控系统；氮氧化物 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs t r i n g e n te m i s s i o n sc o n t r o ll e g i s l a t i o ni n c r e a s i n g l ya n d i m p r o v e m e n to ff u e lc o n s u m p t i o na n dp o w e ro fd i e s e l ，t h ea d v a n c e dd i e s e le n g i n es o l i c i t sh i g h l y c r i t e r i af o ri t so v e r a l lp e r f o r m a n c e s i nr e c e n t y e a r s ，d i e s e lh a su f i d e f 窘o n ev e r ys i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t si n 托m so ff u e le c o n o m ya n d 既h a n s te m i s s i o n s h o w e v e r , i ti st r u et h a tam a j o r d i f f i c u l t y w i t ht h ed i e s e l e n g i n ei s c o n t r o lt h ee m i s s i o n so fn i t r o g e no x i d e so q o x ) a n d p a r t i c u l a t em a t e r ( p 岣r e c e n tr e s e a r c hs h o w e dt h a te t h a n o l d i e s e lb l e n df u e lc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ee m i s s i o n so fp m , b u tt h er e d u c t i o no fn o x i sn o to b v i o u s ，w _ , x h a n s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g a ) i so n eo ft h em o r ep r o m i s i n gs t r a t e g i e st or e d u c en o xe m i s s i o n sw i t h i nt h ec y l i n d e r d i r e c t l y s ot h ec o m b i n a t i o no fe t h a n o l d i e s e lb l e n df u d a n de g r c o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to f m o l es t r i n g e n td i e s e le m a s s i o nr e g u l a t i o n s b a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c t ”t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe t h a n o l d i e s e lb l e n df u e l v e b i d el x i g i r l e s ”f u n d e db yg u a n 斟0 1 】gp r o v i n c e ，t h i sp a p e rl a u n c h e dt h es n j d yo fe g r c o n 仕o l t e c h n o l o g yo nad i e s dm o d e ld l l 9 0 1 2m a n u f a c t u r e db ys h u n d ed e l lm a c h i n e r yc o 。l t d t h e p a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u st y p e so f e g rc o n t r o ls y s t e m , s e l e c t e d as u i t a b l ec o n f i g u r a t i o np r o g r a mo fe g r s y s t e m , c a r r i e do u tw h o l ed e s i g no fe g rs y s t e m i tw a s p r o p o s e dae g rc a l i b r a t i n gm e t h o do ne n g i n el i n ec o n d i t i o nt og e tt h eb e s i v a c u mo fe g rv a l v e b ye n g i n el o a dc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t t h es t u d yc a r r i e do u tc a l i b r a t i o nt e s tf o re g rf a t eo f e n g i n e i no r d e rt oi n m g r a f i n go p t i m u me n g i n ep e r f o r m a n c e , t h ep a p e rp r o c e s s e dt h ed a t ao f e n g i n ec a l i b r a t i o nb yv a l u ee n g i n e e r i n gp r i n c i p l e s i tw a sp r o p o s e dt h ee v a l u a t i o ni n d e x ，g i v e nt h e i r w e i g h t s ，a n dg o tt h eb e s tv a c u u mm a po fe g rv a l v eb yt w o - g r a d i n ge v a l u a t i o nm e t h o d s a n e g re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e df o rd l l 9 0 1 2e n g i n ew i t he t h a n o l d i e s e lb l e n dm e l a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h es y s t e m m ”d e s i g n e d i td e t e c t se n g i n e sc o n d i t i o nb y s e n s o p 3 ，t h e ne c us e n dc o n t r o ls i g n a l st oe g rs o l e n o i da c c o r d i n gt oi f sp r o c e s s i n gr e s u l t s a n d 血el i f to f e g rv a l v ei sc o n t r o u e db yt h es o l e n o i di nt h ee g re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m i tr e a l i z e d _ - _l _ _ _ _ l _ l _ _ l _ _ l _ _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ l t h ec o n t r o lo f e g rr a t ec o v e r i n ge n t i r ee n g i n ec o n d i t i o nr a n g e t h ee n 珈ed y n a m o m e t e rt e s t ss h o w e dt h a tc o m p a r i n gw i t h t h eo t j g i n a jd i e s e le n g m d l l 9 0 - 1 2 , t h en o x e m i s s i o nc a nb er e d u c e db y5 0 9 0 ，p mr e d u c e db y2 0 h c , c o i sc l o s e 协。啦删d a t a a tl o ws p e e da n dl o a dc o n d i t i o n , b u ti n c r e a s e db y2 0 a th i 曲s p e e da n dh i g hl o a d c o n d i d o f i f u e lc o n s u m p t i o ni sf i l m o s ta tl o wl o a dc o n d i t i o n , b u t t h e r ei sal i t t l ei n c r e a s ei n1 0 a t h 砷s p e e da n dh 妒l o a dc o n d i t i o nf o rt h ee t h a n o l d i e s e lb l e n df u e le n g i n e se q u i p p e dw 曲雠 d e c 吐o n i cc o n 廿o le g rs y s t e md e v e l o p e d i nt h ep a p e r , t h ea b o v er e s u l t ss h o wt h a ti th a so b t a i n e d t h ea p p p r i a 也t r a d e - o fa m o n gt h ef u e le c o n o m y , p m 娜a n dc oe m i s s i o n so ft h ee n g i n e , a n d 山er e d u c 6 0 no f n o xe m i s s i o n si ss i g n i f i c a n t w i t ht h ee g r c o n t r o ls y s t e md e v e l o p e di nt h es t u d y k e yw o r d , ：d i e s e l ，e t h a n 0 1 d i e s e lb l e n df u e l , e g r e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mn o x 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 5 其f 8 鄹寸矿 衫正强 第一章绪论 1 1 课题来源与研究目的 1 1 1 课题来源 为了节约石油资源，解决玉米、甘蔗等粮食与经济作物的转化，促进农业生 产的良性循环，我国政府在2 0 0 1 年开始实施乙醇燃料的试点建设，颁布了变性燃 料乙醇和车用乙醇汽油( g b l 8 3 5 1 - 2 0 0 1 ) 两个国家标准，并已开始在东北三省、河 南等部分省市推广使用车用乙醇。广东省是柴油消费大省，油品生产的柴汽比低 于消费的柴汽比，开展燃用乙醇柴油混合燃料在柴油机上的适应性研究将对广 东省推广使用乙醇燃料，缓解广东省柴油燃料短缺具有理论价值和现实指导意义 柴油机由于其良好的经济性得到越来越广泛的应用，但柴油车高的碳烟捧放 与n o x 捧放又限制了它的应用。从动物或植物中提炼出的乙醇燃料被认为是较理 想的柴油的替代燃料，由于乙醇含氧，因此相比燃烧柴油具有燃烧完全，c 0 2 、碳 烟、c o 和h c 捧放低等特点，但n o x 捧放并不低要满足越来越严格的捧放标准， 柴油机需要采用综合摔气净化技术，废气再循环是解决n o x 捧放一有效的技术措 施。 本研究课题来自2 0 0 4 年度广东省科技计划项目。乙醇柴油混合燃料车用发 动机的开发研究”( 项目编号为2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 3 3 ) 本研究在发动机燃用乙醇柴油 混合燃料的基础上，采用电控废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，简称e g r ) 技术，将部分捧气引入进气管中，与新鲜工质一起再进入气缸进行燃烧，实现同 时降低n o x 和碳烟捧放的目的。本论文主要对e g r 的电子计算机控制技术进行研 究与开发。 1 1 2 研究目的与意义 汽车从问世至今，已有一百多年的历史了。一百多年来，汽车的发展不仅为 人类提供了一种简单的交通运输工具，而且还创造了巨大的社会财富、科技进步 和现代文明。但是最近二三十年来，随着汽车保有量的迅速增长，汽车也给人类 广东工业大学工学硕士学位论文 带来了一些公害，比如严重的环境污染。现在，世界环境污染问题十分严峻，已 严重地影响着人类的生存和发展，而汽车废气污染是环境的主要污染源之一。 在我国，一些中心城市的中心区汽车污染相当严重，汽车捧放污染物在大气 污染中分担率有的超过了6 0 。其中n o x 的污染问题最突出“】。例如上海市，据最 新统计，上海市区大气中的n o x 捧放总量中，机动车捧出的占7 4 ”1 。我国一些中 心城市灰霾天气也逐年增多，其原因是由于空气中的粉尘颗粒物过多所致，而柴 油车捧放的碳烟就是一个重要的污染源。这些污染对社会生产和人民生活带来了 不良的影响。近年来随着柴油车使用量的不断增多，要求降低柴油车n o x 与碳烟 捧放的需求也越来越追切“1 。 我国2 0 0 5 年7 月1 1 3 起实施的g b l 8 2 8 5 - 2 0 0 5 “点燃式发动机汽车捧气污染物 捧放限值及测量方法一( 双怠速法及简易工况法) ”捧放标准，在在用车的捧放 标准中第一次写入了对“n o x ”的控制限值“1 ，其意义是深远的。2 0 0 5 年7 月1 日 起同时实施的g b 3 8 4 7 2 0 0 5 “压燃式发动机和压燃式发动机的汽车捧气烟度捧放 限值及测试方法”对在用车碳烟的捧放控制也更加严格。 虽然国内外汽车厂商和研究机构在控制柴油车捧放的n o x 和碳烟方面已做了 大量研究工作，并提出了多种控制措施，如推迟供油提前角、使用多次喷射、采 用高压共轨喷射系统、使用还原催化净化技术等。但是由于这些控制技术在降低 n o x 捧放的同时，要么如推迟喷油提前角会使发动机热效率降低，燃油经济性下 降，燃油消耗率和碳烟增加，要么提高制造成本，或者使结构更复杂，没有兼顾 各方面的性能，因此其应用效果受到限制。国内外研究表明，在柴油中掺烧乙醇， 可以有效降低碳烟的捧放；废气再循环在技术成本增加较少的情况下，是大幅降 低n o x 捧放的有效办法，也是目前降低n o x 捧放较为常用和有效的措旅”1 因此， 本课题综合两者的优点，在柴油机上开展燃用乙醇与匹配发动机电控e g r 系统的 研究，其目的是实现发动机的有效匹配，在不改造发动机结构、尽量减少成本、 不降低发动机功率、不增加燃油消耗率的前提下，更加有效地控制和减少发动机 n o x 和碳烟的捧放量。 随着我国经济的不断发展，人民生活质量的不断提高，环保意识和节约能 源意识的不断加强，可以预见我国对在用车捧放污染物n o x 和碳烟的控制要求必 将越来越严格。因此，加强对n o x 和碳烟控制方法的研究，开发乙醇柴油混合燃 料发动机匹配电控e g r 系统具有重要意义“1 2 1 2 国内外现状 1 2 1 车用柴油机排放法规的现状和发展 随着我国汽车工业的飞速发展，汽车保有量急剧膨胀，汽车捧放问题日趋严 重。汽车的有害排放破坏了生态环境，危害了人们身体健康，制约着我国经济的 可持续发展为了能更好地治理环境污染，世界各国相继制定了一系列的环境保 护法规，其中包括车辆捧放法规。特别是近十年来，由于环保意识加强，对车用 柴油机的低污染要求越来越突出，美国、日本和欧洲等国家相继颁布了越来越严 格的捧放限制法规。美国、日本和欧洲的捧放限值基本上代表了世界上捧放控制 的总发展趋势。车用柴油机捧放限值的逐年加严，特别是在n o x 和p m ( 微 粒，p a r t i c u l a t em a t t e r ) 的控制上，使捧放控制和提高柴油机经济性的矛盾越 来越大，所以有专家认为柴油机捧放控制是二十一世纪发动机技术研究的核心问 题之一”1 我国在1 9 9 6 年7 月召开了柴油机及柴油机捧放物控制法规研讨会，会上对柴 油车和柴油机捧放做出了明确规定，还规定从1 9 9 7 年1 0 月起实行过渡标准，2 0 0 0 年1 月1 日起实行相当于欧i 的第一阶段捧放标准。从那时起，我国车用柴油机开 始全面引入了欧洲捧放法规来制定我国的捧放控制标准，从单纯烟度控制发展到 气态污染物与微粒捧放的综合控制，这标志着我国的车用柴油机捧放控制工作开 始步入正轨，到目前已大大促进各柴油机生产厂家投入力量开展柴油机捧放控制 工作。目前，我国车用捧放标准相当于欧标准，今明两年开始实施相当于欧m 的第三阶段捧放标准。我国车用捧放标准与国际先进的捧放标准在不断拉近”1 。 1 2 2 柴油机有害排放物的控制措施 柴油机n o x 和p m 有害捧放物的控制措施有很多，针对不同的捧放物采取不同 的措施。目前的措施主要是针对作为柴油机主要捧放物的n o x 和p m ，表卜1 和表卜2 所示分别为减少发动机n o x p 非放和减少p m 捧放的措施及其相应的技术 3 广东工业大学工学硕士学位论文 表1 - 1 控毒l j n o x 的技术措施”1 t a b l el - 1n o xc o n t r o lt e c h n o l o g y 减少捧放的措施减少捧放的技术 控制喷射时间 推迟喷油 控制喷射率波形 引燃喷射 降低燃烧温控制燃烧率小喷口喷嘴 度 高压缩比 进气冷却中冷器 抑制生成 添加非活性物 e g r 减少 质 水喷射 n o x 添加非活性物 e g r 降低氧浓度 质 水喷射 控制稀薄混合 控制涡流 消除生成区 气区 喷嘴中心布置 还原催化剂 催化剂 化学处理 分解催化剂 后处理氨基酸 其它 氨化合物 电化学处理电化学处理等离子处理 减少n o x 的方法可分为两种，一种是抑制它的生成，另一种是对排出的n o x 进行后处理0 1 。在发动机燃烧室内n o x 的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的 控制。因此，为了减少n o x 的生成，就要采取使燃烧室内温度降低和降低氧浓度 的方法降低燃烧温度的方法有推迟喷油、冷却进气、废气再循环等“此外， 控制喷射率、采用小喷口喷嘴、延长喷射时问、引燃喷射、提高压缩比使着火滞 后、减少快速预混合燃烧的比例等方法对减少n o x 的捧放也是有效的。e g r 降低n o x 排放的机理是通过降低燃烧室内温度和氧浓度来实现降低n o x 的生成量。 柴油机n o x 后处理技术可以采用n o x 催化净化技术。但是目前技术的n o x 催化 4 第一章绪论 净化剂在高温下工作的可靠性有限，以及由于油品中硫份、捧气中碳烟的污染， 容易使催化净化剂中毒而失效，因此柴油机的n o x 催化净化技术尚未能大面积推 广使用。 表i - 2 控制p m 的一些技术措施”1 减少排放的措施减少捧放的技术措施 小喷孔喷嘴 促进空气进入喷雾 控制涡流 内 增压 多气门 减 促进燃料空气 增加吸入空气增压 少 抑制生 混合 成及促 或促进燃料后 改进进气系统 非 减小无效容积 s o f 进非 期混合 物 s o f 物 提高空气利用率改进燃烧室 质氧化 高压喷射 质 高紊流燃烧室 加强紊流 控制涡流 促进燃料空气 使燃料均匀分布喷嘴布置在中心位置 小喷孔喷嘴 混合 使喷雾微粒化 高压喷射 后处理 捕集、焚烧 d p f 抑制燃料附着 小喷孔喷嘴 壁面 促进微粒化 高压喷射 减 抑制生 小室喷嘴 少 成 防止尾滴减小室内容积 s o f v c o 喷嘴 减少润滑生成减少润滑油消耗改进活塞环、缸套 后处理 促进氧化催化剂氧化催化剂 5 广东工业大学工学硕士学位论文 p m 由炭、可溶性有机物( s o f ，即s o l u b l eo r g a n i cf r a k t i o n ) 、燃料中的硫份 生成的硫酸盐及其结合水构成。减少这些有害成份的机内净化措施，可通过增压 和多气门技术增加吸入的空气量、采用小喷孔喷嘴和增加向油雾内导入的空气 量、缩小燃烧室内的无效容积提高空气利用率、采用高压喷射和改进燃烧室形状 从而加强紊流的形成等来实现 p m 的后处理方法主要有采用消除s o f 的氧化型催化剂、捕集微粒再加以焚烧 的d p f ( 柴油机微粒捕集器d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 等。 众所周知，柴油机的捧放与燃料的性质有密切的关系。近几年，随着对捧放 限制越来越严格，除改进发动机本身减少捧放外，在燃料方面也采取措施。对捧 放有很大影响的代表性燃料性质有十六烷值、密度、馏程特性、硫份、芳香烃族 等等。为了降低n o x 和p m 的捧放，可以在燃料中加入添加剂或者加入甲醇、乙醇 等制成混合燃料；而当采用e g r 时，为防止机体腐蚀磨损而导致的耐久性下降的 问题，必需采用低硫燃料“ 1 2 3e 6 r 技术国内外应用现状及发展分析 从发达国家控制汽车捧放的历程来看，早期采用的主要是机内调整措旄，中 期则以废气再循环技术为主，后期为了大幅度降低捧放指标，满足严格的捧放法 规，对柴油机采用了高压燃油喷射、微粒后处理技术及e o r 等技术相结合的控制 措施来提高性能、降低有害排放“”。由此可见，在捧放控制的历史上，采用废 气再循环装置是非常重要的一步。国内外的研究表明，废气再循环技术是降低柴 油机n o x 捧放的一种最有效方式。近年来国外的柴油机越来越多地采用e g r 系统， 目前欧洲大多数的直喷式和非直喷式轻型柴油机均采用e 6 r 来降低n o x 捧放。在重 型柴油机中，随着世界各国对重型柴油机制定出更严格的n o x 捧放标准，e g r 技术 也越来越受到重视，当前国外已针对重型柴油机开发出了用于e g r 控制的新型涡 轮增压器“”。e g r 技术具有成本小改动少、上马快、降低n o x 效果明显的特点， 同时其适用范围广，既可用于电控喷射式发动机上，也可广泛用于我国现阶段的 普通柴油机。近年来，日、美、德等国为了满足欧或以上更为严格的n o x 捧放 标准。即使在应用电控系统、高压共轨和后处理器技术的车型上，仍然同时匹配 e g r 系统。”2 ”，因此e g r 技术己成为柴油机n o x 排放控制的必备技术。 6 第一章绪论 在柴油机废气榫放控制方面，我国起步较晚，采用e g r 技术降低n o x 捧放是柴 油机领域的一个新课题从整个柴油机捧放控制的发展来看，e g r 技术是现阶段 国内柴油机满足欧以上标准的最有效和最快捷的方法之一。国家对柴油机有害 排放的限制也越来越严格，排放法规发展很快，与国外发展水平的差距正日益缩 短“”。我国2 0 0 0 年执行的捧放法规已达到欧i 标准，2 0 0 5 年全面达到欧i i 标准水 平，2 0 0 8 年将全面达到欧标准，这给捧放控制刚刚起步、控制水平落后的我国 内燃机工业带来了严峻的挑战“” 依据国外柴油机捧放控制技术的发展状况结合国内柴油机企业的实际，本文 旨在柴油掺烧乙醇的基础上开发可靠实用的电控e g r 系统，实现对柴油机捧放有 效控制。 1 2 4e g r 降低n o x 排放的机理 1 2 4 1n o x 的生成机理 氮氧化合物n o x 是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，包括n o 、n o t 、n ：0 。、 n ：0 、n 。0 。和n 。0 。等。其中以n o 的量占多数，n o 。次之，其余的含量很少实际测量 和计算中一般把n o 按分子量换算到n o 。 但需要指出的是n o 的生成并非是按照n ：+ o 。= 2 n o 的反应进行的谢尔多维奇 ( z e l d o v i c h ) 的研究指出：在柴油机气缸内的高温、高压和富氧的情况下，n o 的 生成按链反应机理进行，即 0 2 = 2 0( i 1 ) 0 + n t = n o + n( 1 2 ) n + 0 2 = n o + 0( i 3 ) n 。分子的分解比0 。分子的分解要困难得多。所以，链的引发反应是氧分子在 高温下分解为氧分子，继而产生直链反应。所以，n o 的生成是由原子状态的0 切 断n ：分子间的键开始的。 拉伏也( l a v o i e ) 等人研究了谢尔多维奇的反应机理后认为：n o 的反应机理 除按谢尔多维奇的反应机理进行外，还存在下列反应枫理： n + o h = n o + h ( 1 4 ) 上述反应式中反应物n ( 氮原子) 均来源于反应式( 1 2 ) 中产物中的n 。而 7 广东工业大学工学硕士掌位论文 反应式( 1 2 ) 的正向反应速度强烈依赖于温度。因此，柴油机燃烧过程中n o 的 生成率在很大程度上取决于火焰温度。n 0 的生成率可用下式表示。”： d n o d r = ( 6 1 0 1 6 t “5 ) e x p ( 一6 9 0 9 0 t ) 0 】“5 【n 2 m o l c m 3 s( i 5 ) 另外，因为反应起始于氧原子的生成，所以氧的浓度对n o x 的生成率也有相 当大的影响。由此分析，在稀混合气条件下，n o 生成主要取决于0 ：的浓度。即使 燃烧温度很高，若o ：浓度很低，氧原子少，n o 的生成量也不会很大。所以n o 浓度 最高点应出现在混合气稍稀、火焰温度较高点。燃烧温度很高的偏浓混合气也不 会产生很高的n 0 。除此之外，化学反应还需要时间，当燃烧火焰穿过混合气时， n o 不可能在燃烧区域内直接形成。而是在火焰之后，在已燃混合气体中慢慢生成。 所以氮和氧在高温中滞留的时间是n o x 生成率的又一重要因素。 综上所述，高温、富氧以及氧与氮在高温下的滞留时间是决定柴油机燃烧过 程中n o x 生成率大小的三要素“”为了降低发动机n o x 的捧放量，可以采取降低燃 烧室火焰最高温度、降低n o 生成阶段的o 。浓度和缩短燃烧气体在高温下的滞留时 间三种方法。显然，这样做的结果将使发动机的热效率下降。因此，提高发动机 的经济性指标与提高发动机的捧放指标闻存在着矛盾。 1 2 4 2e g r 系统降低n o x 排放的机理 研究人员对于e g r 降低n o x 捧放的原因进行了探求并提出了几种解释。这些理 论解释主要集中在e g r 降低缸内燃烧火焰温度上，因为缸内最高火焰温度是影响 n o x 生成的主要因素。e g r 对缸内燃烧温度的影响有以下三种较为普遍的解释：即 增加进气混合气比热容、用惰性废气稀释进气中的氧浓度和增加了点火延迟。 i 、比热容假说认为发动机的可燃混合进气中参入一部分不易燃烧的惰性废 气，即不活性气体，其主要成分为c o ：、h ：0 、n 。，这三种废气成分的比热容均高 于新鲜混合气。所以，新旧气体混合后的混合气的总的热容量也随之增大。在单 位气缸内总燃料放热量不变的条件下，混合气的总的热容量增加，混合气燃烧产 生的最高温度就会降低。 2 、稀释假说认为e g r 对n o x 的影响是由于增加了混合气中惰性气体数量，这 些惰性气体降低了绝热火焰温度。一方面惰性气体的引入影响了新鲜混合气进入 气缸的总量；另一方面，单位气缸内的惰性分子数的增加，又稀释了氧的浓度， 从而使单位气缸内的氧含量下降，惰性分子阻截了链反应的能量，从而使n o x 的 生成量下降。 3 、点火延迟假说认为e g r 将一定压力一定数量的惰性气体引入进气管，造成 进气管真空度略下降，从而使真空提前角滞后，引起了点火延迟，造成n o x 下降 本文认为e g r 降低n o x 的基本原理实际上是热容量理论与稀释假说的综合。 e g r 技术是一种“机内”净化方式的机外捧放控制装置，其作用是将一定量的发 动机燃烧废气，引出捧气管，并通过一个控制阀将其导入进气管中与新鲜混合气 混合，再引入燃烧室中参与燃烧，从而实现循环。它是通过增加气缸内的残余废 气系数，降低燃烧反应温度，从而抑制n o x 捧放的生成条件。同时，一定压力的 废气对新鲜气体的稀释作用，使进气混合气中o 。的浓度下降，也造成了n o x 捧放 的降低】。 1 3 本文研究的主要内容和意义 本研究根据2 0 0 4 年度广东省科技计划项目“乙醇柴油混合燃料车用发动机的 开发研究”课题的研究要求，对顺德德力柴油机股份有限公司生产的d l l 9 0 1 2 柴油机，在燃用乙醇柴油混合燃料的基础上，开展电子控制e g r 技术研究，分析 国内外各种柴油机e g r 控制系统的优缺点，选取适合d l l 9 0 1 2 柴油机的e g r 系统技 术方案，研究不同e g r 率对d l l 9 0 1 2 柴油机性能和捧放的影响规律，在此基础上 对该柴油机e g r 率进行优化，得出e g r 控制姒p 图，并开发出一套适合于d l l 9 0 1 2 柴油机的e g r 电控系统，实现对e g r 率的自动控制。 本研究目的为开发电控e g r 系统，实现与发动机的有效匹配，祛除机械式废 气再循环装置的种种弊端，在不改造发动机结构、尽量降低成本、保持发动机动 力性与燃油经济性基本相同、兼顾碳烟、h c 、c 0 捧放的前提下有效地控制和减少 n o x 的捧放量。 9 至三些銮：三：要圭：譬鲨兰 第二章发动机电控e g r 系统技术方案设计。 2 1d l l9 0 1 2 乙醇柴油混合燃料发动机应用e g r 技术的必要性分 析 本研究选择的发动机是佛山市顺德德力柴油机有限公司生产的d l l 9 0 1 2 柴 油发动机，是一款单缸农用车辆发动机，捧放值较高。 在前期的研究中，对现有柴油机结构不傲任何变动的条件下，采用了柴油掺 烧乙醇的技术方案。研究结果表明柴油中掺烧1 0 - 2 0 的乙醇，相比纯柴油发动机 动力性能有升有降，升降幅度在8 以内，燃油消耗率有所升高，捧气烟度与n o x 的排放明显降低，其中烟度降低3 0 一6 0 ，n o x 降低3 0 以上，但h c 和c o 捧放值有 所上升。 进一步的研究测试了柴油机供油与喷油参数，即喷油压力和供油提前角的条 件下。研究捧放特性的变化规律。研究结果表明燃用掺烧1 5 乙醇的乙醇柴油混 合燃料，当增大柴油机的喷油压力，发动机动力性得到提高，烟度的捧放降低， 最多可以降低5 0 以上，但h c 和c o 的捧放值增大，n o x 的择放基本没有变化：当增 大柴油机的喷油提前角，烟度降低，但是n o x 的捧放会增加，h c 与c o 的捧放呈先 增大再降低的趋势“”可见发动机的性能参数间有些是相悖的，为了达到综合优 化的目的，需要采用综合技术。 e g r 技术降低n o x 捧放效果特别显著，并已成为柴油机n o x 排放控制的有效 技术。本研究在d l l 9 0 1 2 柴油机掺烧乙醇的基础上再配置电控e g r 技术，合理选 取各个工况点的e g r 率，达到发动机动力性、经济性、捧放特性综合优化的目的 2 2 柴油机实现e g r 控制的特点 国# - e g r 技术的研究始于上世纪6 0 年代末。大量有关汽油机e g r 的s a e 研究文 献出现在上世纪7 0 年代8 0 年代初中期，8 0 年代中期以后e g r 技术在汽油机上得 以广泛应用。而相关柴油机e g r 研究文献大量出现在s a e 上是1 9 9 5 2 0 0 0 年，国外 这些年才得以应用。这说明柴油机e g r 技术的应用无论是在理论上还是在实际应 用上都有一定的难度“3 “”。再从作用原理上看，e g r 技术是将一部分废气即不活 性气体( 主要为c o 。) 导入燃烧室，增加燃烧室内气体的热容量，降低燃烧气体的 1 0 第二章发动机电控e g r 系统技术方案设计 最高温度，从而抑制n o x 捧放该技术虽然道理简单，但具体匹配较为困难。 首先，柴浊机n o x 主要是生成在速燃期的喷注前缘的稀燃区和缓燃期的喷注 芯部附近降低这两个时期的喷油率，减缓混合气的形成速度，推迟或拉长整个 喷油时间，或者缩短滞燃期，都可以抑制n o x 的过量生成。但这样做，必然拉长 或推迟燃烧过程。造成油耗和p m 捧放的升高。这正是柴油机e g r 技术选择和参数 匹配中的一个大的矛盾 其次，即使为同型号柴油机发动机，由于燃烧室结构不同，功率扭矩规律曲 线不同，匹配附件及匹配车辆不同等因素的影响，使各机型的各工况点燃烧工作 状况都不同，从而使各工况点为降低捧放所需要的e g r 量不同。对每工况点来说， e g r 量若过小，则n o x 降不下来，若过大，则会使p m 、c o 捧放量及油耗严重恶化。 因此对每工况点都必须通过匹配实验获取一个最佳的e g r 阀开度值，使该点在p m 、 油耗和c o 捧放量变化不大或尚未明显恶化时取得降低n o x 的最大效果。对不同的 发动机，由于其燃烧规律不同，匹配性能或工作要求不同，使e g r 作用工况范围 不同，这又相应增加了匹配的难度。因此柴油机e g r 匹配是一项较复杂的燃烧控 制匹配技术。 不仅如此，柴油机e g r 控制系统与汽油机e g r 系统相比还具有下列特点： 1 ) 在控制方面具有机械式实现难度大、结构复杂，电控式控制成本高的特 点。 汽油机由于自身有喉管、节气门等机械机构和电路点火特性，决定了汽油机 很容易实现对e g r 阀的真空和电子控制：而柴油机较小阻力的进气系统和非电路 控制的特点使柴油机实现对b g r 阀的机械和电控的难度和成本增大。 2 ) 在废气回流保障方面具有压差相反的特点，必须外加气流回流保障系统。 汽油机e g r 阀的控制可以依靠汽油机进气管为负压的机理采用真空取气机械装置 和利用汽油机自身有电源的特点采用电控等多项控制技术实现控制。而对柴油机 来说，由于混合气不均匀，使柴油机控制n o x 的技术不能达到汽油机的高度，控 制难度增大；由于进捧气管压力相当，也增加了e g r 阀的控制及再循环废气输入 的难度。必须依靠一系列辅助装置来控制和调节再循环废气量，将足够量的废气 送入进气管中，如采用单向泵、真空泵、加装进气管节气门和控制电脑等“。 3 ) 在废气回流量和捧放效果最佳控制方面还具有下列特点： ( 1 ) 加冷却器：汽油机不需冷却e g r 废气，保持较高温度的再循环废气，可 广东工业大学工学硕士学位论文 改善汽油杌各缸的不均匀性，改善动力性和经济性；而柴油机视实际情况一般需 要冷却e g r 废气，否则高温的废气会导致充气效率下降，对动力性、经济性和捧 放有负面影响。需考虑外加冷却装置以及冷却器的结构、布置、性能的合理性、 可靠性和高效性。 ( 2 ) 大负荷时难以保证足够的e g r 量：随着转速和负荷的增加，汽油机的e g r 流量自然增加，而柴油机的e g r 流量增加则很困难，怎样保证大负荷对有足够的 e g r 率是一个较难解决的问题 ( 3 ) 必须与微粒捧放控制保持较好的折中：随着e g r 的增加，p m 捧放增加， 怎样通过对e g r 率的最佳调整或与其它措施匹配。使各工况的综合性能指标最佳。 是柴油机匹配e g r 系统的一个难点。 4 ) 需要兼顾性能和成本 需要合理处理好柴油机e g r 匹配时存在的性能指标和成本的矛盾，眼前市场 和长久发展的矛盾问题，应兼顾机械控制和电控方式“”。 2 3 柴油机e g r 技术分析 e g r 技术在国外已被广泛应用。旱在二十世纪七八十年代，国外的一些汽车 发达国家就开始对e g r 的工作机理、控制方式等进行了研究。目前，已经形成了 一套比较系统的理论，并成功研制出了一系列e g r 装置。从国外汽车对e g r 的使用 来看，e g r 技术取得了不断发展现代发动机对e g r 的净化要求也会越来越高电 子控制方式的e g r 系统将是发展的趋势。国外对e g r 的研究，不仅在理论方面，而 且在实际装置方面都达到了一定的程度。 国内对e g r 系统的应用和研究起步较晚。从且前国内的汽车制造行业采用e g r 系统装置，特别是电控e g r 系统的不多。另外，在e g r 的理论研究方面，国内的报 道也是集中在e g r 率的优化和讨论阶段，没有对实际使用e g r 系统提供有效的试验 方法和理论指导。因此，随着我国捧放标准的越来越严格，开展e g r 系统的研究， 开发具有自主知识产权的e g r 技术很有必要 目前，柴油机e g r 方式可分为以下两种： ( 1 ) “内部e g r ”：通过捧气阀或者设置特殊阀门的开启来实现废气再循环，防 止燃烧产物在捧气冲程离开气缸，并在进气冲程将其引入气缸。 第二章发动机电控e g r 系统技术方案设计 ( 2 ) 。外部e g r ”：将一部分捧出的废气经由外部管路引入进气系统 目前通常采用的是。外部e g r ”方式。主要又分为机械式e g r 系统和电子控制 式e g r 系统“” 2 3 1 机械式废气再循环系统 由于柴油机进排气压力相当，使e g r 阀的真空室对进捧气压差的反应不够灵 敏，因此，e g r 阀真空室内的真空度需要借助辅助装置来产生根据真空源生成 的方式主要有与涡轮增压器一体的e g r 系统、采用进气节流阀的e g r 系统和采用文 丘里管式的e g r 系统等三种 2 3 1 1 与涡轮增压器一体的e g r 系统 见图2 - 1 所示，在这种e g r 系统中，柴油机捧出的废气分成两路，一路进入涡 轮机中，另一路经e g r 阀流入e g r 泵中增压，从泵中流出的e g r 废气与增压后的空 气进行混合，并进入柴油机的进气总管向各缸分配。该装置的特点是，采用一个 涡轮机同时驱动两个压气机分别对空气和e g r 废气进行增压。这种e g r 系统代表了 当前e g r 研究的最新技术，整个装置在柴油机上布置简单，但是双压气机的结构 复杂，成本很高，国内尚不能生产。 发 动 机 图2 - 1 涡轮增压器e g r 系统简图图2 2 进气节流阀e g r 系统简图 f i g 2 - 1e g rd i a g r a mw i t ht u r b o c h a r g e rf i g 2 2e g rd i