柴油机NOx排放控制技术.doc

1.中国内燃机世界2.内燃机学报3.中国发动机网4.道依茨发动机维修网5.博世有限公司6.内燃机工程柴油机NOx排放控制技术柴油机自1892年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置、船舶和车辆上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在70年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。从80年代后期开始，轿车上也越来越多的应用柴油机，例如目前德国生产的1.4L-2.0L排量的小轿车中，柴油机轿车占61%，而法国轿车柴油机的比例高达88%。从世界范围来看，汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物。目前，世界各国都在致力于减少柴油机颗粒排放的技术研究，并且已经取得了实质性的进展。由于柴油机排气微粒与NOX的生成机理不同，因此减少微粒的同时又增加了NOX的排放，同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制，从而使采用机外催化技术净化NOX成为可能。今后研究的重点应转向使柴油机排放的微粒与NOX同时减少。2柴油机NOX排放的危害和生成机理2.1柴油机NOX排放的危害柴油机排出的NOX中，NO约占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强(毒性大约是NO的5倍)的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达10010-6体积浓度以上时，会随时导致生命危险。NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NOX还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，NOX还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。基于上述原因，柴油机排放物中的NOX对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格，表1是美国、日本、欧洲对重型柴油载货车NOX排放的有关规定。表1柴油机NOX排放的限值单位：g/kW.h试验循环工况过渡工况日本十三工况欧洲十三工况采用年份美国日本欧洲19976.677.75(直喷)6.76(非直喷)7.9619985.33-1999-4.48(建议)4.97(建议)20042.67-2.2柴油机NOX排放物的生成机理迄今为止人们已经对NOX的生成机理进行了大量的研究，但尚未达成共识。比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为：柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反应式如下：柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间（即高温下所占燃烧循环的时间量）等因素有关。从理论上讲，柴油机NOX排放的形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。3柴油机控制NOX排放的主要净化措施排放物中NOX的净化有两种途径：机内净化和机外净化。3.1机内净化措施采取机内净化是治本之举。它是通过改进柴油机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少NOX排放的目的。3.1.1进气系统的优化对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流，以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少NOX的生成。(1)进气涡流的优化提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使NOX的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少NOX的排放，但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化，以兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。(2)增压中冷技术柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOX的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增压中冷技术可使柴油机NOX的排放降低。目前，柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛，小型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。3.1.2喷油系统的优化喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOX排放的有效途径，分别叙述如下。(1)优化喷油定时NOX排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOX排放，但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOX的排放。(2)优化喷油压力提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能，使混合气的混合质量得以改善，燃烧更加充分，燃烧温度上升，NOX排放增加。因为提高喷油压力能改善燃烧过程，故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升，但这又使延迟喷油以降低NOX排放的目的落空。为减少NOX排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。(3)优化喷油速度当喷油提前角一定时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，可以使柴油机产生的NOX较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOX的排放。另外，喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合权衡以谋求各参数的最佳值。(4)优化喷孔结构喷油器喷孔直径和数目对柴油机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时，减少孔径会减少初期喷油量，抑制预混合燃烧和最高燃烧温度，以减少NOX的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下，增加喷孔直径或增加孔数，可降低流阻，改善燃油的雾化和分布，因而能降低NOX的排放。3.1.3燃烧室的结构和参数优化(1)优化压缩比柴油机压缩比控制着着火延迟期的长短。降低压缩比，有利于着火延迟，能够减少峰值压力，可使燃烧最高温度降低，NOX排放减少，碳烟增加。但压缩比过低，柴油机难于着火。压缩比对NOX的影响较为复杂，选取压缩比时应综合考虑。(2)燃烧室型式的优化燃烧室型式与NOX的排放有着密切关系。直喷式柴油机NOX排放明显高于非直喷式柴油机，这是因为非直喷式柴油机前期的燃烧发生在混合气过浓的预燃室或涡流室里，由于缺氧NOX的生成受到了抑制，又因在主燃烧室中的燃烧开始较晚，且是在较低温度下进行的。对于同一类型但结构不完全相同的燃烧室，其NOX的排量也有差异。例如在直喷式柴油机中，涡流最强的球型燃烧室最高，浅盆型燃烧室最低。3.1.4燃烧室喷水冷却技术水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度；水与油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOX排放的同时，还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式：进气管喷水；用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室；通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室；在喷嘴的两个燃烧层之间填充水，并分层喷入燃烧室。但如何控制喷水的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还有待于进一步研究。3.1.5燃料的改进(1)提高柴油机十六烷值十六烷值在柴油机燃料参数中对NOX排放影响最大。十六烷值较高时，由于其稳定性变差，极易裂解为碳烟。柴油机排气烟度较高，但其发火性能好，柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低，NOX排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时，NOX排放可降低10%左右19。(2)使用柴油添加剂在柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的十六烷值，缩短着火延迟期，使得NOX排放减少。但使用添加剂会导致二次污染。(3)使用代用燃料可以采用醇类、氢气和天然气等代替柴油。柴油机燃用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时NOX的排量也很低。近年来可以作为内燃机代用的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用最广的内燃机代用燃料。但如果不采用适当措施，柴油机排放的HC、甲醛将成为重要的排气污染物。以氢作为柴油机代用燃料时，NOX和其它污染物的排放都很低。将来太阳能利用及氢的存储技术解决之后，氢将成为柴油机的主要燃料，但缺点是易于回火。如采用燃料电池，其电能转化效率在40%-65%之间，远远高于柴油。燃料电池的工作温度低于1000，此时基本不产生NOX，且其它污染物排放也很低。燃料电池的应用在技术上已不存在重大问题，唯一的障碍在于成本太高。燃用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，NOX和微粒排放可同时减少75%-80%。二甲基乙醚作为最新出现的液体燃料，其燃烧后无微粒产生且NOX的排放亦很低。3.1.6采用多气门技术在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOX排放，但增加了成本和结构的复杂性。在燃用汽油的大、中、小型轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时已达到5个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用，国内在这方面的研究尚未成熟。3.1.7采用废气再循环技术采用废气再循环(EGR)是降低NOX排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%-70%的NOX是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上，但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量，其响应速度较慢，所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。3.2机外净化措施由于机内控制排放并不能完全起到净化效果，因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理，采取机外控制技术显得很有必要。NOX的机外净化主要是采用催化转化技术。由于柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高，这使得利用还原反应进行催化转化比汽油机困难。例如在汽油机上使用三元催化转化器，其有效净化条件是过量空气系数大约为1。若空气过量时，作为NOX还原剂的CO、H2和HC便首先与氧反应；空气不足时，CO、HC不能被氧化。显然，用三元催化转换器降低NOX的技术在柴油机上是不适用的。3.2.1采用催化转化技术从理论上讲，可以将NOX分解为N2与O2，但实际上这个过程相当慢，到目前为止，该方法尚未得到实际应用。因NOX的氧化产物为固态，这对车用柴油机不适合。对于车用柴油机NOX的排放只能采用还原方法除去。(1)选择非催化还原(SNCR)SNCR技术只能在一定的温度区间(800-1000)使用。而柴油机排气不可能达到这样高的温度，只能通过在柴油机膨胀过程中，向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想。该技术只是在发电厂得到了广泛应用，在车用柴油机上尚未应用。(2)非选择催化还原(NSCR)NSCR技术是将还原剂(如氨气、尿素、HC)喷入排气管中，在催化转换器的作用下与废气中的NOX进行反应。由于废气中含氧量较高，还原剂很容易直接被氧化，故消耗量极大。(3)选择催化还原(SCR)SCR(SelectiveCatalyticReduction)的原理与NSCR相似，也是将NH3加入到高温废气中与NOX发生反应生成N2和H2O，只是催化剂配方不同。在车用柴油机上该技术比前两种更具有应用价值。NOX的还原反应在选择性催化转化器中被加速，还原剂的氧化反应被抑制，在300-450时发生如下主要反应：4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O6NO2+8NH3=7N2+12H2O3.2.2采用碳素纤维加载低电压技术采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOX的排放。碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOX排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。4结论本文介绍的各种减少NOX排放的措施，都不同程度地存在着一定的局限性。在减少NOX排放的同时有可能导致柴油机动力性和经济性的下降，对其它排放物，诸如微粒、HC、CO、CO2等反而会增加。要进一步减少NOX排放，需要改变柴油机的燃烧过程，即从非均质扩散燃烧到预混合稀薄(均质)燃烧系统的改变。目前，在柴油机上采用涡轮增压、电控燃油喷射、电控废气再循环及机外催化处理都不失为综合控制柴油机有害排放物的最佳措施。今后的研究重点应放在：(1)致力于柴油机性能研究和改进燃烧过程。(2)继续研究NOX的产生机理。(3)不断寻求高效率的机内、机外净化措施，并合理的加以结合。(4)致力于微粒和NOX的同时净化。(5)深入研究与推广代用燃料汽车和绿色环保汽车。种小排量双增压直喷汽油发动机 提高发动机升功率是各国汽车制造企业的目标。德国大众汽车公司己找到一种在小排量发动机上大幅度提高升功率的途径。 据汽车工业杂志报道，大众汽车公司开发出一种带有双涡轮增压的新型1.4升直喷式汽油发动机，该发动机能够迸发出最大功率125千瓦，最大扭矩240牛米。以1.4升排量发动机计算，也就是达到90千瓦/升的高水平。直喷式汽油机模仿柴油机缸内喷射工作方式，燃油从缸外移至缸内喷射，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，压缩比达到10:1。由于涡轮增压的使用范围有局限性，为此“双增压”发动机采用了一个针对低速功率设计的增压器（一种压缩机），还采用了一个针对高速功率设计的涡轮增压器，藉以提高使用效率。为增加发动机低转速时的扭矩，大众选用了皮带传动机械压缩机，即一种基于罗茨原理的增压器；在较高转速下，废气涡轮增压器介入工作，在这种情况下，两个涡轮增压器顺次连接能够达到最佳的相互作用效果，使得发动机能够均衡工作，两个装置必须同时运转。大众估计，在功率与扭矩相等的情况下，其汽油消耗量比其它发动机低20%。一种汽车防追尾辅助系统 据新华社报道，日本日产汽车公司3月15日宣布，该公司已研制出一种车距控制辅助系统，能够当汽车与前方车辆太靠近时会自动收起油门，防止追尾事故发生。这项新技术系统由一个雷达传感器和一套电脑组成。雷达传感器装置在前保险杠上，它能够测量汽车与前方车辆的距离以及各自的车速，可能估计相碰的时间。如果两车车距太近且车速过快，仪表盘上就会出现报警显示，同时发出警报声，提醒驾驶者放开油门踏板改踩刹车踏板减速。如果驾驶者置之不理，继续踩油门踏板，电脑就会发出指令，强行将油门踏板抬起，一旦驾驶者松开油门，系统会指令汽车自动刹车。日产汽车公司认为在2-3年内，在日本可以买到装配这一类防追尾辅助系统的新车。在欧美市场也会很快上市。一种新一代直喷柴油发动机上的压电式技术装置 在人们普遍认为汽油车只能通过混合动力的方式提高燃效时，有公司推出了被称作第3代直喷汽油发动机的“Spray Guided”燃料直喷喷雾方式， 这种方式使得稀薄燃烧发动机更节省汽油。 Spray Guided直喷的最大的优点是具有降低燃油消耗的空间。为了使燃料成层化充分燃烧，就需要具有微细喷射量的控制力、高压力和多次喷射等。因此采用了压电式喷射阀。压电式喷射阀与螺线管式喷射阀相比，压电式喷射阀具有反映灵敏、控制自由度高的优点，缺点是成本较高。一种高发光效率的发光二极管 现在汽车尾灯及刹车灯已开始使用发光二极管（LED），因为发光二极管具有耗电少，亮度强的优点。但由于目前的发光二极管发光效率低，厂家采用集束式的设计方法，将多只发光二极管集中在一起，增大发光亮度。最近，日本的日亚化学工业开发出了发光效率为100lm/W的白色发光二极管，2006年6月开始供应样品，计划同年12月投入量产。从发光效率来说，性能超过了普及型荧光灯，可与发光效率较高的灯源比试高低。将样品的白色LED在20mA的输入电流下可得到6lm的光通量，属于输入电力仅为0.06W的小功率品种。为了实现100lm/W的发光效率，改进了构成白色LED的蓝色LED芯片的形状与电极结构，配合芯片使用YAG类黄色荧光材料，以及封装形状的四大关键技术。一种电子放射源的车载面光源技术 据日经BP社报道2月报道，由日本高知县产业振兴中心及富士重工业等组成的研究小组日前开发出了通过电子放射源向萤光体照射电子来发光的光源“Field Emission Lamp”(FEL)，此次的光源采用了FED面板等技术，特点是耗电少。在示范会上该试制品与采用灯泡及发光二极管的汽车尾灯进行了比较。当光束量相同时，灯泡的耗电为38瓦，LED的耗电为5.2瓦，而试制品的光源只有3.7瓦。目前的发光效率约为60lm/W，亮度衰减寿命在10万小时以上。这种光源耗电较少的原因是高电压小电流，电位高达约5kV，而消耗电流却只有数百A。由于施加电压，所以需要有性能优良的绝缘技术。研制小姐与汽车厂商也进行探讨。作为车灯使用时，由于LED采用的是点光源，所以光线的指向性较高，存在耀眼的问题。而此次的光源采用的是面光源，发出光没有指向性，光线柔和，不会耀眼。也就提高了乘员安全性，因此汽车厂商对这一点很感兴趣。增压技术在汽车发动机的应用 同济大学 钱人一电邮本页列印版加入记事簿检视记事簿发动机刚刚问世时，完全依靠活塞向下运动时在气缸内造成的真空度吸入空气和燃油的混合气，这种发动机称为自然吸气发动机。后来，另外一种发动机是空气先用压气机压缩，提高压力后才进入气缸，这就是增压发动机。增压发动机中的压气机，可以由发动机曲轴驱动，就是机械增压；也可以由发动机废气推动的气涡轮驱动，称为废气涡轮增压。机械增压器的油耗相对而言较高，因为其动力从发动机的指示功中完全扣除，没有利用废气中包含的能量。此外，柴油机中的机械增压器在部分负荷工况必须跟发动机脱开，只有在需要高扭矩的工况才使机械增压器与发动机接通。目前废气涡轮增压器的使用最多，其轴的一端是废气涡轮，另一端是压气机，吸入的空气在废气涡轮压缩之后，还要经过中间冷却器冷却，才进入发动机气缸，见图1。伊朗成为世界第16大汽车生产国Fiat Powertrain Technologies开发出2级涡轮的1.9L发动机购克莱斯勒之后 CERBERUS瞄准捷豹和路虎增压技术概述发动机刚刚问世时，完全依靠活塞向下运动时在气缸内造成的真空度吸入空气和燃油的混合气，这种发动机称为自然吸气发动机。后来，另外一种发动机是空气先用压气机压缩，提高压力后才进入气缸，这就是增压发动机。增压发动机中的压气机，可以由发动机曲轴驱动，就是机械增压；也可以由发动机废气推动的气涡轮驱动，称为废气涡轮增压。机械增压器的油耗相对而言较高，因为其动力从发动机的指示功中完全扣除，没有利用废气中包含的能量。此外，柴油机中的机械增压器在部分负荷工况必须跟发动机脱开，只有在需要高扭矩的工况才使机械增压器与发动机接通。目前废气涡轮增压器的使用最多，其轴的一端是废气涡轮，另一端是压气机，吸入的空气在废气涡轮压缩之后，还要经过中间冷却器冷却，才进入发动机气缸，见图1。现代车用柴油机通常还装有排气再循环系统，以降低氮氧化物的排放，从发动机排出的废气在进入涡轮增压器之前，部分会分出去经过排气再循环阀和排气再循环冷却器，然后经进气管回到气缸。增压与发动机节能增压技术的原意是强化发动机工作过程，提高发动机升功率。如图2所示，一台1.65升排量的增压发动机的功率，等于一台3.78升排量的非增压发动机（即自然吸气发动机）的功率。这样降低了发动机的重量，减少汽车的滚动阻力，对于汽车节能来说具有积极意义。另外，增压使发动机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高发动机热效率。但是，这些都不是增压技术使汽车节能的根本原因。增压技术能够使发动机节能的根本原因是，它可以提高发动机的负荷率。一台发动机可以有无数个同样大小功率的工况点。自然吸气发动机只有处在中低速的高负荷区域，才能够获得最低的油耗率。在设计汽车时，必须按照汽车设计的最高车速选定发动机标定功率，可是实际车速很少达到最高车速，特别是在城市行驶时。所以，发动机大多在燃油经济性很差的工况区域运行，负荷率很低，提高发动机负荷率可以提高燃油经济性。如果把一台自然吸气发动机改成具有相同标定功率的增压发动机，主要依靠增压来达到要求的标定功率，它的排量可以减少很多。在汽车的常用车速下，发动机的增压度很低，几乎作为一台排量减小接近一半左右的自然吸气发动机。所以在常用工况下，它可以在较高的负荷率下运行，相当接近发动机的最佳燃油经济性工况区域。一旦汽车需要加速，发动机很快达到标定功率。增压发动机提高了进气压力，从而增大了正的排气功，对节能有相当贡献。另外，热力学计算也表明，增压发动机可以降低发动机的壁面散热，有利于提高燃油经济性。根据对欧洲200种汽油车的调查，相同功率的增压发动机和自然吸气发动机，前者的排量可以比后者减少18%至35%，燃油经济性可以提高10%左右。增压与发动机排放增压能够使发动机节能，相应地减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。从这个意义上说，增压可以使任何类型的发动机降低排放。但是，增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数大体上接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。如果把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，由于空气供应充足，炭烟和一氧化碳的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，碳氢化合物的排放也会降低。可是，由于吸入的气缸空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效氮氧化物的排放量增加。由于增压柴油机提高燃油经济性，有时候可以放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。例如推迟喷油使燃油经济性降低，但是它最多可以使氮氧化物降低30%，足以抵消增压对氮氧化物排放的负面影响。所以，采用增压技术的同时，适当地减少喷油提前角，就可以全面降低所有有害物质的排放，同时保留增加升功率和一定程度上提高燃油经济性的好处。增压空气中间冷却对增压空气进行冷却可以提高吸入空气的密度，增加吸入空气量，提高增压压力，从而强化发动机的工作过程，提高升功率和燃油经济性，减少使氮氧化物排放增加的坏影响。增压空气的冷却依靠增压空气中间的冷却器实现。汽车通常利用迎面风对增压空气进行冷却。图3为德国大众汽车公司110kW的TDI柴油机采用的前置式增压空气冷却器。前置式增压空气冷却器在汽车行驶的方向，布置在紧挨?空调冷凝器后面、冷却液散热器前面的地方。这种布置的优点是：有效散热面积较大，形成较大的冷却功率；空气流通量较大，因为增压空气冷却器布置在紧挨?驻点的地方。当汽车以最大车速行驶、增压空气一侧的外界温度为40C时，温度降低可达117K。这相当于86%的热效率。即使在山道上（12%坡度）以60km/h的车速挂车行驶时，增压空气一侧还有约100K的温度降。相比之下，布置在挡泥板的增压空气冷却器的热效率只有71%左右。废气涡轮增压器的废气放空阀调节发动机在不同工况下要求不同的气缸吸入空气量，增压压力决定了气缸吸入空气量的多少，所以增压压力应随?发动机工况改变。通常通过调节增压器的增压压力，使增压器跟发动机的工况匹配。传统增压压力调节的方法是采用废气放空阀，其结构原理见图4。放空阀3通常以活门的方式安装在废气涡轮的壳体内（也有少数放空阀通过单独壳体的蝶阀跟废气涡轮并联，将部分废气放空），由膜片罐2通过薄膜推动。薄膜将膜片罐分隔成上、下两个空腔。上腔内的控制压力PD来自空气压缩机4出口的增压压力P2，控制压力的大小由电子控制单元利用脉宽调制信号TVM通过节拍阀1控制。下腔有一个弹簧，弹簧力跟不同的控制压力处于动态平衡，使薄膜以及放空阀停留在不同的位置。如果脉宽调制信号的占空比增大，则控制压力增大，放空阀开度增大；增压压力下降，控制压力就不再增大，薄膜上的力达到新的平衡。如果在脉宽调制信号的占空比固定不变的情况下，由于某种原因使增压压力上升，那么控制压力增大，放空阀开度增大，废气放空流量增大，涡轮转速下降，增压压力就会跟?下降并回复原来水平，薄膜上的力达到新的平衡。所以，脉宽调制信号的占空比决定了放空阀的开度、废气旁通量以及增压压力。废气涡轮增压器的可变喷嘴涡轮调节涡轮增压虽然有许多优点，但是它也有一些不足之处，其中最大的问题是发动机的低速加速性能较差。即在发动机低速低负荷下运行时增压度很低，增压器叶轮的转速很低。汽车起步或发动机加速时，涡轮增压器叶轮跟?加速，这意味当汽车从低速开始加速时，增压器叶轮必须在很短的时间内，从很低的转速加速至最高可达200,000转/分以上的高转速。所以，增压器叶轮的加速性能备受关注。为了解决低速性能问题，增压器叶轮尺寸应尽可能小；为了解决增压器的高速性能问题，又要求增压器叶轮尺寸较大。可是，对于一台实际的发动机增压器来说，叶轮尺寸选定后就不能变动。解决这个矛盾的办法之一，就是采用可变喷嘴。因为除了叶轮的转动惯量外，喷嘴截面的大小也会影响增压器叶轮的响应特性。现代涡轮增压器采用可变喷嘴涡轮(VNT)进行调节，见图5。可变喷嘴涡轮增压器(VNT)又称可变涡轮几何形状增压器，可以通过调节涡轮进口导向叶片的角度，来改变涡轮喷嘴的截面大小，进而调节增压压力。当发动机处于怠速工况或低速工况时，喷嘴叶片关闭或喷嘴截面很小（见图5a），即使在此时较低的废气流量下也能够使叶轮很快地加速，从而提高发动机的低速扭矩，改善发动机的低速响应性；当发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或喷嘴截面很大（见图5b），凭借此时较高的废气流量能够克服较大的叶轮阻力，提供较大的动力来提高增压压力，充分满足发动机对吸入空气的需要。可变喷嘴涡轮增压器目前在车用柴油机得到愈来愈广泛的应用。涡轮增压技术的进步电动增压器如果在涡轮增压器的轴上，安装辅助兼可用作电动机和发电机的电机，可进一步提高低速增压压力和低速扭矩，还能回收涡轮增压器多余的能量。这种装置称为电动辅助增压器(EAT)。辅助电机在低工况时用作电动机，由蓄电池供电带动增压器提高增压压力，使涡轮增压器的叶轮迅速加速，发动机在短时间内达到需要的扭矩，极大地改善增压器的响应特性；高工况时，发动机的废气量太大，产生的动力多于增压所需，此时辅助电机用作电机，发出电流储存在蓄电池。薄钢板涡轮壳体满足欧洲3号以及更严格的排放法规的柴油机，都必须安装催化转化器。而催化转化器的有效工作条件之一，是必须达到一定的工作温度。涡轮壳体一般以铸铁制造，质量比较大，热惯性也比较大。为了减少排气系统的热惯性，开发了薄钢板涡轮壳体。薄钢板涡轮壳体的质量小，热惯性也小，发动机起动后从排气系统吸收的热量较少，能够较快地使催化转化器达到要求的工作温度，改善催化转化器的净化效果。中国发展涡轮增压器的意义一般来说，汽车的最高车速愈高，装备的发动机功率愈大，发动机增压的意义便愈大。增压技术对于中高级汽油机轿车来说，很有实际的意义。国外有相当数量的汽油机轿车采用增压技术，然而国产轿车中只有个别车型的汽油机采用增压技术。以国产的某高级轿车为例，如果将其排量超过3升的自然吸气式汽油机改成增压汽油机，其排量也许不需要超出2升就可以保持原来的动力性，燃油经济性肯定可以得到明显的改善。这情况说明增压技术在中国汽油机轿车有很大的发展空间。增压技术在载重汽车发动机方面的意义更大。中国早年生产的载重汽车大多为非增压的柴油机，有的还采用非增压的汽油机。这些汽车的燃油经济性相当差。目前在国产载重汽车中应用增压技术，不仅有利于提高汽车的动力性和燃油经济性，而且能够消除黑烟，减少碳氢化合物和一氧化碳排放，使柴油机在不采用催化转化器的情况下已可轻松地满足欧洲2号排放标准。玉柴产品分为车用、工程机械用、农业机械用、船用、发电用五大类，包括采用美国技术平台的YC6G、YC4G、YC4E，采用德国技术平台的YC6L、YC6A、YC6B、YC6J、YC4B、YC4D、YC4F、YC4W，以及融汇世界顶端技术的YC6M等十二大系列，形成了轻、中、重型及微、轿车柴油机并举，柴油、单双燃料发动机并存的多品种、宽系列的产品格局，各系列车用产品均达到欧排放标准，部分产品达到欧排放标准。玉柴机器以大马力、大扭矩、高可靠、低油耗、低排放、低噪声、高性价比等领先适用性，广泛配套于各型载货车、客车、自卸车、牵引车、专用车和通用机械等，赢得了广大用户的青睐，并成为国内外各大整车厂家的首选动力。生产YC2115ZQ两缸增压柴油机，聚合融汇了玉柴集团丰富的柴油机设计经验和国内外的先进技术，继承了玉柴机器的优良特点，根据玉柴两缸柴油机的工作特点,经过优化设计,合理匹配增压器而开发的两缸柴油机升级换代的新产品，具有动力更强劲、爬坡能力更强、经经济省油的优点，是轻型卡车、农用运输车、拖拉机、工程机械、收获机械、船机、发电机组等专业机械的理想配套动力。机型特点 技术领先 运用计算机软件对发动机进行性能模拟计算、燃烧分析，从而改善燃烧，使性能完全满足设计要求。 在自然吸气机基础上，进行了13项技术改进，使发动机更加适应增压的性能要求。 进排气系统全面优化设计，性能好，油耗低，排温低。增加机油冷却器，散热效果好 大马力最大功率可达45KW。 大扭矩最大扭矩达220N.m，低速扭矩大。 1. 低油耗 万有特性经济油耗区范围宽，全负荷最低油耗低。 2. 低排放 满足国家排放要求。 3. 配套适应性广 可根据用户的不同需要选装液压动力转向,加装空调设备和气泵 主要性能参数 柴油机型号YC2115ZQ柴油机型式立式、直列 水冷 四行程气缸套型式湿 式燃烧室型式直喷式进气方式增压气缸数-气缸直径行程（mm）2-115120活塞总排量（L）2.493标定功率/转速（kW/ r/min）45/2400最大扭矩/转速（N.m/ r/min）220/1600外特性最低燃油消耗率（g/kW.h）225最高空车转速（r/min）2690最低空车转速(怠速) （r/min）750涡轮后排气温度()550 起动方式24V电起动 整机净质量(kg)320外形尺寸(长宽高)(mm)682691864 适配车型轻型卡车、农用运输车、拖拉机等 备注制造商：广西玉柴动力机械有限公司 活塞漏气量仪1：发动机（新机）理论活塞漏气量为排量的12倍(换算计算后得知)。如果是带增压器的发动机，要考虑其增压压力的影响，大约是理论值的2倍左右。2：根据实际经验，选取流量计的量程一般在三个挡位（参考AVL442）:075l/min轿车或四缸汽油机。0150l/min（新）柴油机出厂试验或一般性能试验。EME 0-300l/min柴油机可靠性试验。活塞漏气量试验目的 评定活塞组与气缸套的气体密封性，亦可用来监护这对摩擦副的工作情况。试验条件 发动机所带附件按第7章的规定。试验条件的控制按第6章的规定。堵住曲轴箱与外界交往的一切通道，如：曲轴箱通风的进出口、油标尺孔、汽油泵的呼吸孔及各种罩盖的接合处等，并要求曲轴油封密封正常(曲轴箱内加0.2 kPa压力，其泄气量不得大于5 L/min)。必要时，曲轴箱与活塞漏气量测定仪之间可添置冷凝器，所有连接软管内径不小于20 mm，漏气量测定仪的排气口不应受到吹拂。试验中如有火花塞炽热点火，可采用冷型火花塞。试验方法 油门全开，在发动机工作转速范围内，顺序地改变转速进行测量。适当地分布8个以上的测量点。测量项目及数据整理 进气状态、转速、漏气量、扭矩、燃料消耗量、机油粘度及牌号。 参考图F12，绘制活塞漏气量曲线。汽车发动机全负荷最大活塞漏气量Bmax的限值BL的确定一 活塞漏气量表征活塞、缸筒及环组的密封耐久性 l活塞漏气量反映了气环/活塞/缸套组的气体密封质量；它表征出发动机的耐久性及老化程度。它是评定发动机的重要指标之一。l实际使用中，活塞、缸筒及环组密封质量差，就导致换环、大修的里程较短，并损害柴油机的低温起动性能等，其危害性很大，应给予充分的重视。为提高发动机的可靠性，应对全负荷最大漏气量加以限制。EME漏气量限值的计算公式 l本标准采用发动机全负荷的最大活塞漏气量Bmax（L/min）与在标准状态（以下简称标态）下额定转速的理论吸气量Vt（hV = 1）的比值不大于0.6 %(Bmax/Vt0.6 %)来限制漏气量。lBmax BL = CVt =0.6%VH(nr/2)rr(298/Tm)l式中：C系数，（根据统计选为0.6%）；lVt四冲程机在标准状态下额定转速时的理论吸气量（L/min），l 即充气系数hV = 1； lVH发动机排量（L）；lnr额定转速（r/min）；lrr额定转速全负荷时增压机的压比，即压气机出口绝对压力p0与压 气机进口绝对压力pi之比（rr = p0 /pi ）；非增压机令rr =1；（国内柴油机增压比一般在：2.02.5）。lTm增压机进气歧管内进气温度（K）；非增压机令Tm =298K。 1 对自然吸气发动机 lBmax BL = CVt = CVH(nr/2)l理论吸气量Vt系假定充气系数hV = 1，其含意是进气系统无阻力，无压降，气缸内吸气终了的压力（绝对）pc等于标态进气压力p（pc = p = 100 kPa）。缸内气温Tc亦假定等于标态进气温T（Tc = T = 298 K）。故一分钟的吸气量在标准状态下容积为排量VH的(nr/2)倍VH(nr/2)。 2 增压机三 国外推荐的C值l据资料介绍美国福特公司、英国里卡图咨询公司亦用BL = CVH n r /2 公式,来确定自然吸气发动机全负荷最大活塞漏气量的限值,只是C值分别选用0.5 %、0.4 % 。 四 国内机型漏气量统计（即C值确定的依据） 图2 发动机活塞漏气量Bmax与限值BL的关系 l图2中画有两条C=0.5 %及0.6 %的漏气量限值斜线。可以看出：各种发动机的全负荷最大活塞漏气量有较大的分散。分析认为：发动机全负荷最大活塞漏气量（Bmax）不仅与VH、n r、rr及 Tm有关（从制定限值出发，应把它们考虑进去）,还与厂家的设计水平及生产质量，（如气环/活塞/缸套组的设计结构、加工质量、耐久性和润滑条件等）有关。如EQ 6105汽油机换了另一厂牌的活塞/环组后，全负荷最大活塞漏气量由26 L/min降到8 L/min，下降了3.3倍之多；又如图2中的轿车发动机相同排量近似机型，全负荷最大活塞漏气量却相差1倍多。综上所述控制生产质量是非常重要的。 EME 结论1 借鉴国内汽车发动机开发的经验和国外厂家对活塞漏气量的控制技术，考虑到转速对活塞漏气量的影响，以及增压压力和温度对增压机活塞漏气量的影响，本标准规定全负荷时最大活塞漏气量的限值，由下列公式进行计算：l Bmax BL = CVt = CVH(nr/2)rr(298/Tm)l2 由图2、可见：l 若选定C=0.5%，图2、中41种机型有19种合格，仅占46.3 %。l 选定C=0.6%，图2、中41种机型有32种合格，占78 %。还是合适的。 l 根据图2、及种种因素的分析，结合国情，考虑到该公式是首次采用，特推荐C = 0.6 %，l Bmax BL = 0.6 %VH（n r /2）rr（298/Tm）汽车发动机全负荷最大活塞漏气量Bmax的限值BL的确定活塞漏气量表征活塞、缸筒及环组的密封耐久性 l 活塞漏气量反映了气环/活塞/缸套组的气体密封质量；它表征出发动机的耐久性及老化程度。它是评定发动机的重要指标之一。l 实际使用中，活塞、缸筒及环组密封质量差，就导致换环、大修的里程较短，并损害柴油机的低温起动性能等，其危害性很大，应给予充分的重视。为提高发动机的可靠性，应对全负荷最大漏气量加以限制。 二 漏气量限值的计算公式 l 本标准采用发动机全负荷的最大活塞漏气量Bmax（L/min）与在标准状态（以下简称标态）下额定转速的理论吸气量Vt（hV = 1）的比值不大于0.6 %(Bmax/Vt0.6 %)来限制漏气量。l Bmax BL = CVt =0.6%VH(nr/2)rr(298/Tm)l 式中：C系数，（根据统计选为0.6%）；l Vt四冲程机在标准状态下额定转速时的理论吸气量（L/min），l 即充气系数hV = 1； l VH发动机排量（L）；l nr额定转速（r/min）；l rr额定转速全负荷时增压机的压比，即压气机出口绝对压力p0与压l 气机进口绝对压力pi之比（rr = p0 /pi ）；非增压机令rr =1；l Tm增压机进气歧管内进气温度（K）；非增压机令Tm =298K1 对自然吸气发动机 l Bmax BL = CVt = CVH(nr/2)l 理论吸气量Vt系假定充气系数hV = 1，其含意是进气系统无阻力，无压降，气缸内吸气终了的压力（绝对）pc等于标态进气压力p（pc = p = 100 kPa）。缸内气温Tc亦假定等于标态进气温T（Tc = T = 298 K）。故一分钟的吸气量在标准状态下容积为排量VH的(nr/2)倍VH(nr/2)。 2 增压机三.活塞漏气量仪推荐EME405系列活塞漏气量仪选用美国进口仪器,采用在美国汽车厂广泛使用测量手段及方法对活塞漏气量进行测量漏气量仪“发动机漏气量仪的测量是功率计和发动机测试市场的关键。”在燃烧的过程中，会产生很高的热量和压力。活塞和活塞环必须转移热量和抵抗高压。在这个过程中，一小部分的燃烧物会通过活塞环漏出来。因此，测量漏气量仪对于正确评估一台车辆的发动机效率是至关重要的。EME的405系列漏气量仪流量计系统能够在发动机正常运行并且毫不影响发动机性能的情况下对漏气量仪进行测量。进气口精确的进气口对于发动机的性能，燃料的节约和发动机的设计来说都很重要。使用任何一款EME的涡流流量计设备会给您一个最广阔范围和最佳实时数据的仪表。特殊测试运用EME仪表可以用在包括汽油蒸汽和排气量的几个特殊的流量要求的汽车测试中。EME流量计是唯一能够运用于多种不同汽车测试的仪表。无比的精确性“汽车测试流量计使用杰特优良的涡流技术以及一个继续流量读数和最小背压的小压杆。”其他的流量计方式有一个很大的弊端，那就是影响发动机的运行和减少被测流量的速度，并且只能被用在取样模式下。EME的流量计与其他流量测试方法相比代表着一个很大的进步。它是和0.14ACFM一样低的准确连续的测量。结果是一种高精确度的测量并论证了活塞/活塞环合并的效率。每个流量计都是按NIST追踪标准单独校准的，也是EME对精确性贡献的标记。品质与耐久性所有的EME流量计都是按可长久使用和容易维修的原则设计和制造的。EME的流量计没有可移动部件，也不要求重新校准除非证明的目的。维修非常容易！为什么EME流量计杰出？“EME流量计耐久性非常好，并且是唯一用没有故障的方法测量发动机流量的。“其他的流量计缺乏我们所拥有的敏感度和操作系统。例如,Orifice plates 产生影响发动机性能的背压, 而且,它只能在一定时期的基础上对流量速度取样。EME流量计在继续的基础上有高准确度和真实的流量速度读数，