（机械制造及其自动化专业论文）柴油机电控egr系统研究与开发.pdf

摘要 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 i l e g r 技术是目前公认的降低柴油机n o 排 放的有效技术措施 国内外都在对这一技术进行研究 并且已经成功得到应用 如何精 确合理的控制e g r 率是该项技术的关键 这不仅与柴油机系统本身有很大关系 同时 与e g r 控制系统也有密切联系 本文通过一维模拟计算的方法对柴油机e g r 系统工作 过程进行了理论分析 并在此基础上进行了e g r 电控系统的丌发与步进电机驱动式 e g r 阀的设计 根据柴油机实际工作过程 利用a v l b o o s t 软件建立了增压车用轻型柴油机原机模 型 结合台架试验结果对模型进行了标定 在此基础上增加e g r 系统 并对e g r 阀及 管道进行了结构优化 模拟分析了不同工况下e g r 对柴油机燃烧 动力性能和经济性 能及n o 排放的影响规律 设计了e g r 电控系统软 硬件 并开发了标定软件 电控系统采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 作 为c p u 采集曲轴转速信号 油门位置信号和水温信号 根据这些信号查表计算e g r 阀的开度 精确控制e g r 率 软件采用模块化设计思想 采用c 语言编写 上位机标 定软件根据e g r 标定试验而设计 实现了通信控制 工况监控 参数修改保存 工况 参数曲线显示等功能 通过电控系统的调试实验验证了电控系统的稳定性 可以实现对 e g r 阀的开度的精确控制 设计了步进电机驱动式e g r 阀 并利用一维与三维耦合计算方法 对阀体结构进 行了优化 通过一维模拟计算得到阀门进口和出口的边界条件 作为三维c f d 计算的 初始条件 对流场分布进行了模拟计算 最后进行了e g r 阀流量特性试验 试验结果 表明满足系统对e g r 率的要求 并证明了三维c f d 计算在阀门设计中的可行性 关键词 柴油机废气再循环一维模拟e g r 阀电控系统 a b s t r a c t a b s t r a c t e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n e g r w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob et h em o s tf e a s i b l ea n dm o s t e f f e c t i v em e t h o dt or e d u c en o xe m i s s i o n h a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di n p r o d u c t i o n a c c e p t a b l ee g r r a t ec o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g yi ne g r w h i c hi sc l o s e l y r e l a t e dt on o to n l yd i e s e le n g i n es y s t e mi t s e l fb u ta l s ot h ee g rc e n t r e ls y s t e m i nt h i ss t u d y t h em e t h o do fo n e d i m e n s i o n a lc o m p u t e rs i m u l a t i o ni su s e dt os i m u l a t ew o r k i n gp r o c e s so f d i e s e le n g i n ee g rs y s t e m a n db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t se g r e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e da n de g rv a l v er e g u l a t e db ys t e p p i n gm o t o rh a sb e e nd e s i g n e d i nt h i sp a p e r as i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e np r o v e nb a s e do nt u r b o c h a r g e d i n t e r c o o l e d v e h i c l ed i e s e le n g i n eu s i n ga v l b o o s ta n dc a l i b r a t e du s i n gb e n c ht e s tr e s u l t s a f t e rt h a t a n e ws i m u l a t i o nm o d e lw i t he g rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dt h e nt h eo p t i m i z a t i o no f c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sh a sb e e nd o n e t h es i m u l a t i o ns t u d i e su n d e rv a r i a b l es p e e da n dl o a d c o n d i t i o n sw e r er e c e i v e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d e dab a s i so ns t u d i e so ft h e i n f l u e n c e so fe g rr a t eo nt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n e a c c o r d i n g t ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe g rs y s t e mt h ee g re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m w a sd e s i g n e di nt h i sp a p e ri n c l u d i n gb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i na d d i t i o n t h ec a l i b r a t i o n s o f t w a r ew a sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r eo ft h ee c uu s e dc 8 0 5 1f 3 4 0a sc p u c o l l e c t e dt h e e n g i n es p e e ds i g n a l l o a ds i g n a l w a t e rt e m p e r a t u r es i g n a lt oi n q u i r e t h ee g rc o n t r o lm a pt o c a l c u l a t et h ec o n t r o l l i n ga m o u n t f i n a l l yt h ee x p e c t e dc o n t r o lo fe g r r a t ei sa c h i e v e d w i t h t h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o dt h es o f t w a r ew a sd e s i g n e dw i t hcl a n g u a g e t h e c a l i b r a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt oi m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l c o n d i t i o nm o n i t o r p a r a m e t e r sm o d i f ya n ds t o r ea n dc o n d i t i o nc u r v ep e r f o r m a n c e f i n a l l yt h i sp a p e rm a d et h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t ss h o w st h a tt h ee c uc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e e g rc o n t r o ls y s t e m a f t e ro n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ee g r v a l u ed r i v e nb ys t e p p i n g m o t o ra n dc a r d e do u to p t i m i z a t i o no nv a l u eb o d yu s i n go n e d i m e n s i o n a l t h r e e d i m e n s i o n a l c o u p l i n gc o m p u t a t i o n a l m e t h o d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fi n l e ta n do u t l e t t h a t t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nf o rv a l u eb o d yn e e d e dc a nb eg o tf r o mo n e d i m e n s i o n a lr e s u l t s w ec a nu s et h e mt oa n a l y z et h ef l o wf i e l do ft h ee g rv a l u e f i n a l l y e g rv a l u ef l o w c h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ev a l u e m e e t st h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t e dr e s u l ta n d t h e e x p e r i m e n tr e s u l ta l s op r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ec f ds i m u l a t i o n k e yw o r d s d i e s e le n g i n e e g r o n e d i m e n s i o ns i m u l a t i o n e g rv a l u e c f d e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m u i i i 1 1 1 1 2 3 3 4 6 6 7 8 8 1 4 2 国内e g r 技术研究现状 9 1 5 本文研究的主要内容 9 第二章柴油机e g r 控制方式及策略研究 1 1 2 1e g r 控制技术概述 1 1 2 1 1e g r 系统控制目标 一l l 2 1 2e g r 率计算方法 1 1 2 2 增压中冷柴油机e g r 实现方式 1 3 2 2 1 涡轮增压中冷技术简介 13 2 2 2 增压柴油机e g r 技术要求 1 4 2 2 3 增压柴油机实现e g r 的方法 1 4 2 3 柴油机e g r 控制方式 1 7 2 3 1 真空调节式e g r 系统 1 7 2 3 2 电机驱动式e g r 系统 17 2 4 柴油机e g r 控制策略 18 2 4 1 e g r 控制策略分析 1 8 2 4 2 本文采用的控制策略 1 9 2 5 本章小结 19 第三章柴油机e g r 系统仿真分析与研究 2 1 3 1 工作过程数值计算基本理论 2 1 目录 3 1 1 缸内高压循环模型 一2 1 3 1 2 燃烧模型 2 2 3 1 3 传热模型 一2 5 3 1 4 管道模型 2 5 3 2 原机模型建立及验证 2 6 3 2 1 建立物理模型 2 6 3 2 2 计算模型参数输入 2 8 3 2 3 计算模型的验证 2 9 3 2 4 实施e g r 能力分析 3 0 3 3e g r 系统的模拟计算 31 3 3 1 模型的完善 3 2 3 3 1 1e g r 率的定义 3 2 3 3 1 2e g r 进气管路设计 3 2 3 3 1 3 e g r 阀体设计 3 2 3 3 1 4 出口管路的设计 3 3 3 3 2e g r 对柴油机燃烧过程的影响 3 4 3 3 3e g r 对柴油机性能的影响 3 5 3 3 4e g r 对n o 排放的影响 3 9 3 3 4 最佳e g r 率的综合分析 4 l 3 4 本章小结 4 1 第四章步进电机驱动式e g r 阀设计 4 3 4 1e g r 阀的结构和工作原理 4 3 4 1 1 真空调节式e g r 阀 4 3 4 1 2 电控式e g r 阀 4 4 4 2 直线步进电机驱动式e g r 阀的设计 4 4 4 2 1e g r 阀开启方式选择 4 5 4 2 2e g r 阀体结构设计 4 5 4 2 2 1 进排气孔位置 4 5 4 2 2 2 进出口孔设计 4 6 4 2 2 3 稳压腔设计 4 6 4 2 3e g r 阀驱动结构设计 4 6 4 3e g r 阀c f d 分析与结构优化 4 6 4 3 1 仿真分析平台 4 6 4 3 2 建立物理模型 4 7 4 3 3 模型网格划分 4 7 4 3 4 边界条件设定 4 7 4 3 5 优化结果分析 4 8 5 2 1 主程序流程图 6 2 5 2 2 加速工况判断子程序 6 2 5 2 3 稳态工况处理子程序 6 3 5 2 4 步进电机控制子程序 6 3 5 2 5 串行通信处理子程序 6 4 5 3e g r 标定软件设计 6 5 5 3 1 串行通信的实现 6 6 5 3 2 标定软件的功能 6 7 5 4 本章小结 6 8 第六章电控系统模拟实验与e g r 阀流量实验研究 6 9 6 1 e g r 电控系统模拟实验研究 6 9 6 1 1 模拟实验工具 6 9 6 1 2 电控系统调试实验 6 9 6 1 2 1 模拟传感器标定 6 9 6 1 2 2 电控系统模拟实验 7 0 6 2e g r 阀流量特性实验研究 7 3 6 2 1 实验内容过程安排 7 3 6 2 2 实验仪器设备及布局 7 3 6 2 3 实验结果分析 7 5 6 2 3 1 流量特性实验 7 5 6 2 3 2 最大流量实验 7 5 6 3 仿真与实验结果对比分析 7 6 6 4 本章小结 7 6 第七章全文总结与展望 7 9 7 1 总结 7 9 i i i 目录 7 2 展望 8 0 致均 81 参考文献 8 3 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 8 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着内燃机科技的不断进步 汽车也已成为现代主要交通工具 给人们的生产生活 带来了诸多便利 但同时因汽车尾气排放引起的污染也同益严重 随着近年来汽车保有 量的增加 汽车排放的污染物已成为环境污染的主要来源 并且各国对汽车排放的限制 也越来越严格 鉴于上述原因 汽车制造企业也在不断的研究内燃机的排放控制技术 以适应新的环境 1 1 1 柴油机动力的发展趋势 随着世界石油危机的日益严重 柴油机省油和低h c c o 排放的特点也越来越受到 关注 柴油机作为动力已经是当今汽车行业不可阻挡的发展趋势 与汽油机相比 柴油 机具有高效的燃油经济性和很大的排放性能改进的潜力 随着先进制造技术及电子控制 技术的不断进步 现代车用柴油机已经具有高热效率 高功率 高扭矩和低排放 低油 耗 低噪音等优良的综合性能 l 除了在重型车上采用柴油机东例外 自上世纪9 0 年代 以来 世界知名汽车制造企业相继推出了柴油机商用车及轿车 据悉 目前欧洲国家的 重型车1 0 0 采用柴油发动机 柴油动力轿车已达轿车年产量的3 2 柴油动力车在欧 洲之所以能如此受重视 不仅因其与汽油动力车相比在节油方面有着优异的表现 而且 在环保 动力 安全 耐用性等方面也有很多优势 2 1 1 2 柴油机排放主要污染物及危害 柴油机的有害排放物主要有一氧化碳 c o 碳氢化合物 h c 氮氧化物 n o 和微粒 p m 这几种污染物对大气环境和人类健康影响很大 已被各国列为排放法规 限制的内燃机排放物 3 1 二氧化碳 c 0 2 尽管不是直接对环境造成污染 但它是造成 温室效应的主要因素 c o 吸入体内后会与血液中的血红蛋白结合 并且结合能力是氧的2 0 0 2 5 0 倍 这 样就相对减少了氧血红蛋白 将会损害血红蛋白对人体组织的供氧能力 空气中c o 的 体积分数超过0 1 时 就会导致头痛 心慌等中毒症状 超过0 3 时 则可在3 0 m i n 内使人死亡 h c 主要包括碳氢燃料及其不完全燃烧产物 润滑油及其裂解和部分氧化产物 如 烷烃 烯烃 芳香烃等数百种成分 烷烃对粘膜有刺激作用 经代谢可转化成对基因 有毒的衍生物 烯烃有很强的光化活性 是光化学烟雾形成的罪魁祸首之一 芳香烃具 有危险的毒性 对神经系统及血液有毒害 n o 本身毒性不大 但在大气中会慢慢氧化成n 0 2 n 0 2 具有强烈的刺激味 被吸 入人体后会与水结合生成硝酸 引起咳嗽 气喘 甚至肺气肿和心肌损伤 n o 是形成 江南大学硕十学位论文 含有毒臭氧的光坏学烟雾的主要因素之一 柴油机排放的p m 主要成分是碳 其粒度一般小于o 3l am 可长期悬浮于大气中 而不会沉降 会损伤肺部器官 炭粒上还吸附有其他有毒有机物质 对血液 骨骼等都 有毒害作用 1 1 3 国内外柴油机排放标准 鉴于柴油机排放物对环境和人类健康都有很大危害 并且世界上汽车保有量在逐年 增加 对汽车排放的控制越来越得到重视 上世纪9 0 年代欧洲和美国等西方发达国家 首先颁布了排放法规 其排放限值见表1 1 和表1 2 目前欧洲对排放的限值已经到欧v 阶段 其主要是对n o 和p m 的控制越来越严格 在排放法规的约束下 各大内燃机生 产商都在不断提高排放控制技术 以降低污染物的排放 这也促成了大量新技术的出现 与国外发达国家相比 我国汽车尾气排放法规起步较晚 水平较低 根据我国的实 际情况 从上世纪八十年代我国也相继颁布符合我国国情的排放控制法规 由于欧洲标 准测试要求相对比较宽泛 并且我国轿车车型大多从欧洲引进的生产技术 因此我国大 体采用了欧洲标准体系 我国在1 9 9 9 年3 月正式颁布了柴油机排放法规 于2 0 0 0 年1 月1 日开始采用相当于欧i 的标准 2 0 0 5 年1 月1 日开始采用相当于欧i i 的标准 2 0 0 5 年5 月3 0 日又发布了更加严格的排放法规 主要针对中国三 四 五阶段的车用柴油 机污染物排放进行了规定和限制 同时也颁布了测试方法 于2 0 0 7 年1 月1 日正式实 施国三标准 其排放限值见表1 3 2 0 1 0 年7 月1 日起 我国在全国范围内实施轻型汽 车第四阶段排放标准 即国四标准 表1 1 欧洲排放标准 g k w h 标准实施年份测试循环 c oh c n o x p ms m o k e 19 9 2 8 5 k w4 51 18 0o 3 6 e c er 4 9 1 9 9 6 1 04 01 17 oo 2 5 e u r oi i 1 9 9 8 1 04 o1 1 7 o 0 1 5 1 9 9 9 1 01 50 2 52 0o 0 2 0 1 5 e u r oi i i 2 0 0 0 1 02 1o 6 65 o0 1 00 8 e s c e l r e u r oi v2 0 0 5 1 01 50 4 63 5o 0 2o 5 e u r o v2 0 0 8 1 01 50 4 6 2 o 0 0 2 o 5 表1 2 美国排放标准 g k w h 实施年份测试循环c o h c n o xp m 1 9 9 42 0 81 7 46 7 1o 1 3 4 1 9 9 8 2 0 81 7 4 5 3 6 0 1 3 4 e p a 2 0 0 42 0 8 n m h c n o 3 3 0 0 1 3 4 2 0 0 7 2 0 8 n m h c n o o 8 0 0 0 2 7 2 第一章绪论 表1 3 我国排放标准 g k w h 阶段 c oh c n o p m烟度 m 1 i i i2 10 6 65 o0 1 0o 8 i v1 50 4 63 50 0 20 5 v 1 50 4 62 o0 0 20 5 e e v1 50 2 52 o0 0 2o 15 1 2 柴油机n o x 控制技术分析 对于直喷式柴油机而言 由于是富氧燃烧 排放的c o 和h c 相对较少 其主要有 害排放物就是n o 和微粒 p m 排放标准从欧i i i 到欧i v 阶段的变化 也主要是对 n o 和p m 的排放限值做了较大修改 另外 n o 和微粒 p m 也是柴油机污染物中最 难达标的两种成分 因此柴油机排放控制技术的主要任务就是降低n o 和微粒 p m 同时降低有效燃油消耗率 这里主要针对n o x 的排放控制技术进行探讨 1 2 1n o 的生成机理与影响因素 在柴油机排放的n o x 中多数的是n o 其主要来源是参与燃烧的空气中的氮 n 2 轻柴油本身还有的氮很少 不足以产生显著的n o x 的排放 只有重质柴油可能含有千分 之几的氮 可能从排气中排放小部分所谓的燃油 n o 空气中的氮生成n o 的化学机 理服从我们熟知的扩展的z e l d o v i t c h 机理 4 2 o n o n d 2 孛 d 0 n o h 出 n o h k n o 的生成随温度的升高而成指数函数急剧增加 当温度低于1 8 0 0 k 时 n o 的生 成速率极低 到2 0 0 0 k 就达到很高的速率 大致可认为温度每提高1 0 0 k n o 的生成 速率几乎增大一倍 氧浓度提高也会增加n o 的生成量 另外高温环境持续时间也是影 响n o 生成的一个重要因素 因n o 的生成反应比燃料的燃烧反应慢 大部分的n o 是 在火焰离开后的已然气体中生成的 如果反应物在高温环境停留的时间不足 则n o 达 不到平衡含量 使得n o 排放减少 从n o 生成机理分析可知 柴油机气缸内达到的最高燃烧温度 高温环境持续时间 和氧含量是影响n o x 生成的最主要因素 对于柴油机而言 n o x 的排放会随着负荷和转 速变化而变化 柴油机负荷增大 n o x 排放会显著增加 但当负荷超过某一限度时 n o 所占百分比会下降 这主要是因为燃烧室内氧含量相对缺少造成了燃烧恶化 n o 排放 随转速的具体变化规律则与燃烧系统特性有密切的关系 如缸内涡流强度的变化规律 供气量和供油量的速度特性等 江南人学硕十学位论文 1 2 2 控制n o x 排放的技术措施 对于柴油机排放控制而言 重点是控制n o 和微粒 p m 控制p m 排放的核心是 改善柴油机的混合气形成和燃烧过程 使燃料充分燃烧 但是 柴油机燃烧过程的改变 往往会引起n o 的增加 即n o 和p m 的排放总是成反比的 正因为此 如何在保持 柴油机良好性能的同时降低n o 的排放 尚需解决的技术难题还很多 在控制n o 排放的同时 需要保证柴油机动力性能不出现明显降低 p m 排放不会 出现明显的恶化 目前降低柴油机n o 排放的技术主要有两条途径 其一是通过改善燃 烧环境和过程 抑制n o 的生成 其二是通过后处理技术 降低最终向大气环境中的排 放量 通过前一种途径降低n o 生成的技术主要有 1 增压中冷技术 增压可以提高柴油机的功率密度 较自然吸气式柴油机而言 可提供足够大的过量 空气系数 进气量大 单纯的采用涡轮增压技术 可有效降低碳烟和微粒的排放 但往 往会增加n o 的排放 因为增压后进气温度提高 同时进气中氧含量增 中冷技术则可 以很好的解决这一问题 采用增压后空气的中问冷却器 降低柴油机的进气温度 不仅 可以降低柴油机的热负荷 又能进一步的提高进气密度 降低最高燃烧温度 减少n o 的生成 目前满足欧i 标准的车用柴油机基本都采用涡轮增压器 满足欧i i 标准的车用 柴油机大部分采用增压中冷技术 目前满足欧i i i 排放标准的车用柴油机 尤其是要求 具有好的动态性能的轿车柴油机 已经开始应用可变截面涡轮增压器 v g t 5 j 2 先进的燃油喷射技术 为降低柴油机的排放 燃油喷射系统的改进是关键因素 满足低排放的燃油喷射技 术需具备以下要求 合理控制全工况喷油正时 循环喷油量随工况变化 优化喷油规律 燃油喷油雾化宏观形状与燃烧室结构及气流运动匹配 燃油喷雾粒度足够细化且分布均 匀 对于喷油正时的控制 可以显著提高柴油机的性能和排放 大量试验证明 通过推 迟喷油正时 可以显著降低柴油机n o 的排放量 喷油规律对燃烧的过程有及其重要的影响 通过控制供油规律 降低初期喷油速率 可以降低缸内压力升高率和最高燃烧温度与压力 可以很好的抑制n o 的生成 优化喷 油规律还可以很好的控制碳烟的生成 柴油机的喷油雾化细度取决于很多因素 其中喷油压力是一个重要因素 喷油压力 越高 喷孔直径越小燃油雾化就越细 在其他条件不能做很大改进的条件下 提高喷油 压力是改善雾化细度的最有效手段 传统的泵 管 嘴式 p l n 喷油系统实际喷油压力 由于受到固有物理特性的限值 能达到的最高喷油压力一般不超过1 0 0 m p a 泵喷嘴 p n 系统由于没有高压油管 有害的高压油腔很小 其能达到1 8 0 m p a 的喷油压力 但是其 尺寸比一般的喷油器大 驱动力大 很难在小型柴油机上应用 目前最为先进的高压喷油系统是电控高压共轨喷油系统 c r 其具有传统喷油系 4 第一章绪论 统无法匹敌的优点 首先共轨系统中的喷油压力可根据不同工况自由控制 优化了柴油 机综合性能 其次可独立的柔性控制喷油正时 配合高的喷油压力 2 0 0 m p a 可同 时控制n o 和p m 在较小的范围内 满足排放要求 第三可以自由控制喷油速率 得到 理想的喷油规律 可有效降低n o 的排放 又能保证良好的动力性和经济性 第四就是 可以精确控制各缸喷油量 均匀的喷油量控制可以减轻柴油机的振动和降低排放 6 j 3 新燃烧方式应用 常规的内燃机燃烧方式有两种 点燃式和压燃式 汽油机为点燃式 柴油机为压燃 式 这两种燃烧方式都会出现气缸内温度分布不均匀 存在局部高温区域 造成排放物 的生成均不可避免 这里以压燃式为例 可燃混合气分布极不均匀 首先在适宜着火区 域存在多点着火 然后进行扩散燃烧 这样不仅造成混合气分布更不均匀 同时也使温 度分布不均 高温稀混合气区会造成n o 大量生成 而浓混合气区会生成p m 另外 这两种燃烧方式都会出现n o 和p m 排放此消彼长的现象 鉴于以上问题的存在 研究 人员提出了一种新的燃烧方式 均质充量压缩着火 h c c i 燃烧方式 并且已经得到 初步应用 7 1 均质充量压缩着火 h c c i 燃烧方式是采用均匀的稀混合气 几乎全部混合气在 同一时刻被压缩着火 气缸内燃烧温度并不高 基本不存在火焰传播 这样燃烧室内便 不会出现局部高温区域 因而n o 排放可比常规柴油机减少9 0 9 8 值得注意的是 h c c i 的n o 排放随负荷的增加而增加 在高负荷时 燃油消耗率和n o 急剧增加 因 此它只适用于中 低负荷 在高负荷区域h c c i 技术尚不成熟 在h c c i 燃烧方式的基础上 又发展出部分预混充量压缩着火 p c c i 和燃料直接 喷射 d i 燃烧的组合 即p c c i d i 燃烧方式 以及m k 燃烧方式 这两种燃烧方式和 h c c i 原理基本相似 其中m k 燃烧方式是日本n i s s a n 汽车公司提出的 并且已经成功 应用与y d 2 5 柴油机上 h c c i 燃烧方式在国内研究起步较晚 离实际应用还有很大距 离 通过后处理技术降低n o 排放的技术主要是s c r 催化转换技术 目前为增加柴油机的动力性能 大部分柴油机采用增压中冷技术 但是会造成某些 工况下n o 的排放较大 不能达到国三以上标准 s c r 催化转换系统的应用 可以很 好解决n o x 排放过大的问题 并且目前被认为是我国重型柴油机达到国四排放标准的主 要技术路线 s c r 技术全称是选择性催化还原 是依据氮氧还原基本原理 将尿素 u r e a 与水以 适当比例混合组成浓度为3 2 5 的尿素溶液 喷入废气中 尿素溶液蒸发后分解成氨气 n h 3 在高温环境中 温度高于3 0 0 c 再加上催化剂的作用 n o x 能迅速与氨气反应 生成氮气和水 而柴油机的排气温度一般在3 0 0 5 0 0 的范围内 满足了n o x 还原所需 的温度条件 因此柴油机应用s c r 技术可有效降低n o 的排放 典型的s c r 系统主要 由s c r 催化转化器 电控单元 尿素罐 尿素泵 尿素溶液供给模块 计量模块 喷雾 器及各种传感器组成 如图1 1 所示 为博世公司开发的s c r 催化转换器系统 5 江南大学硕十学位论文 i 翎i j 糨麟俐懈置辐酶 泛涉 稚 懈置 蒜兹肇淤 唧 文惑7 铲4 磅每强 拶 图卜1s c r 催还转换器系统 s c r 催还转换系统是欧洲首先研究并以成熟应用的降低n o 排放的后处理装置 目前在欧洲重型车上已经得到应用 s c r 技术是目前欧洲满足欧i v 标准的主要技术 同时国内国四柴油机开发也在研究并应用s c r 技术 据试验证明 使用s c r 技术的国 四发动机相比同等排量的国i i i 发动机 在最大扭矩和最大功率方面大约有近1 0 的提 升 同时 使用s c r 技术的四发动机油耗比同等排量的国i i i 发动机低5 7 可以说 采用s c r 技术后发动机动力更强劲 但是s c r 技术也存在一些具体的问题需要解决 第一是尿素的配送问题 应用在 汽车上对s c r 催化转换器的体积有很大的限制 目前因为车上所带的尿素罐 可能无 法提供超过1 0 0 0 0 公罩行驶所需的尿素 第二是发动机的排气温度不断变化 这样就造 成s c r 转换效率的变化 使n o 排放控制不稳定 第三s c r 技术的关键是精确控制喷 射量 而目前国内相关关键部件全部外购 例如尿素泵和传感器等 这些关键部件的制 造技术还不是很成熟 这些问题在一方面也阻止了s c r 技术的应用 1 3e g r 技术概述 1 3 1e g r 概念和原理 e g r 即废气再循环 e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 是将内燃机燃烧后排气中的一部 分废气分离出来并导入进气侧 使其进入气缸再度参与燃烧的一种技术 主要目的是降 低排气中的n o 氮氧化物与提高部分负荷时燃油经济性 废气再循环系统可将柴油机产生的废气的少部分送回气缸 其主要组成结构包括电 控e g r 阀 各种传感器及废气管道等 典型的e g r 系统工作原理如图1 2 所示 系统 通过e c u 电控单元 根据柴油机工况精确控制回流废气量 使每个工况下都能达到最 佳状态 从而使燃烧过程处于最理想状态 最终控制排气中污染物含量最低 由于e g r 技术的应用 会造成其他污染物的增多 例如p m 的含量会增加 因此柴油机在应用 e g r 技术的时候 考虑到最终排放的控制 往往需采用折中方式 使n o 和p m 等都 达到最佳结果 6 n o h 半n o h n o 的生成速率与温度有很大关系 并且会随着温度升高而成指数关系急剧增加 因此控制气缸内最高燃烧温度可以延缓n o 的生成 进而控制其生成量 同时从上述反 应机理来看 n o 的生成与氧含量有很大关系 每一步都需要大量的氧 因此如果降低 燃烧后期氧含量的话 也可以控制n 2 向n o 的转换 另外从反应机理和大量试验研究 我们知道 n o 的生成反应是在燃烧后期进行的 并且反应过程需要高温环境 如果缩 短燃烧后期高温持续时间 则n o 生成环境会遭到破坏 同样会减少n o 的生成 经过上面的分析我们得知 影响n o x 生成的因素主要有三个方面 温度 氧含量和 高温环境持续时间 如何可以控制以上三个因素的话 就会抑制n o 的生成 e g r 技术 正是利用这一点 来降低n o 排放的 e g r 是将排气的部分引入到进气系统中 进入 气缸重新参与燃烧 废气中含有大量的c 0 2 等惰性气体 会增加新鲜充量的惰性气体 比例 由于惰性气体的比热容较大 使得引入废气的混合气比热容增大 根据热力学知 识可知气缸内最高燃烧温度会降低 同时 因引入部分废气 稀释了新鲜空气 使氧浓 度降低 使得燃烧过程减缓 同时缩短燃烧持续时间及高温持续时间 采用e g r 后破 坏了n o 的生成条件 从而降低了n o 的排放 7 江南人学硕 学1 1 论文 1 4 国内外研究现状分析 1 4 1 国外e g r 技术研究现状 由于历史的原因 国外发达国家的汽车工业较我国发展早 随着汽车保有量的增加 由于汽车尾气造成的环境污染问题也日益被重视 从上世纪6 0 年代开始 美国 日本 及西欧等工业化国家已经开始制定汽车排放法规 限制汽车尾气中c o h c 和n o 等 污染物的排放 严格的排放法规的制定 迫使汽车生产企业不断的对汽车和发动机排放 控制技术进行研究和开发 早期控制汽车排放主要采用机内调整措施 通过调整发动机 结构 喷油状况等优化燃烧以控制排放 中期便开始以e g r 技术作为主要控制措施哺j 自6 0 年代刀 始 国外便对e g r 技术进行了理论研究 并很快被投入于实际应用当中 e g r 技术首先被应用与汽油机上 并且经历了机械式e g r 系统 气动式e g r 系统和电 控式e g r 系统三个阶段的发展 机械式e g r 系统已经被淘汰 9 进入9 0 年代后期 欧 洲 美国等西方国家制定的排放标准的已经步入第三阶段 较第二阶段各种污染物的排 放限值有很大的降低 这就要求必须利用更为先进的技术才能满足排放要求 但很难达 到欧i i i 的要求 必须采用更为先进的e g r 控制技术 许多研究人员已经开始对电控 e g r 系统进行试验研究 主要是应用电子控制技术 提高e g r 系统的响应速度 进而 提高e g r 率的控制精度和响应性 1 0 1 从7 0 年代开始 国外就有学者将研究目标转向非增压柴油机e g r 技术 并且成功 应用在客车和轻型卡车上 重型柴油机卡车上也逐步采用了这项技术 l 因柴油机的压 缩比很高 并且空燃比较汽油机大的多 始终处于富氧燃烧状态 具有高的热效率 这 就造成了燃烧温度很高 并且富氧燃烧造成混合气的氧浓度高 这些原因都会造成柴油 机燃烧产生大量的n o 因此柴油机很适合应用e g r 技术降低排放 根据研究e g r 率 为1 5 时 n o 排放可减少5 0 以上 而e g r 率为2 5 时 可减少8 0 以上 如果采 用冷e g r 技术 不仅可以显著降低n o 的排放 还可同时减少h c 和p m 的排放 并 且油耗不会明显升高 l2 1 9 0 年代开始 国外开始在增压柴油机上使用e g r 增压柴油机由于排气压力低于 增压后的进气压力 多数工况下很难实现废气的回流 因此需要采取措施实现 e g r 1 3 1 4 1 并且随着排放法规的不断严格 需要拓宽e g r 率的使用工况范围 增大相 应工况下的e g r 率 进一步降低n o 的排放 随着排放法规的日益严格及柴油机动力的广泛应用 目前国外对e g r 的研究方向 转向e g r 与发动机各系统优化匹配及如何在精确控制e g r 的前提下 充分发挥e g r 降低n o 排放的潜能 e g r 与其他技术相结合 是改善发动机整体性能的发展趋势 采用高压共轨喷油系统 可变截面涡轮增压器 先进的燃烧系统及e g r 冷却技术等与 e g r 匹配应用 可进一步提高e g r 技术的作用 福特公司在直喷柴油机上通过联合控 制涡轮增压器喷嘴界面和e g r 阀开度 成功实现了较高预期e g r 率 五十铃公司采用 共轨技术和可变截面增压器 装备了冷却e g r 系统 扩大了e g r 的实施范围 日野公 8 第一章绪论 司采用共轨喷油系统和町变截面增压器 开发了脉冲e g r 系统 大大提高了控制精度 l5 1 康明斯2 0 0 3 年推出采用冷却e g r 和颗粒捕集器相结合的技术路线 以满足美国 2 0 0 7 年重型卡车排放标准 日本为满足排放法规 开发了一种由带高效e g r 冷却器的 外部e g r 和带阀动装置的内部e g r 组成的复合e g r 系统 在不需要大型发动机冷却 散热器的情况下 降低所有工况下n o 的排放 1 6 1 4 2 国内e g r 技术研究现状 国内研究e g r 技术起步较晚 研究范围较窄 并且多集中在汽油机上 对柴油机 e g r 技术多停留在电控系统设计 结构研究和试验分析阶段 吉林大学内燃机系在一直 在做这方面的研究 分别做过基于电磁阀式的e g r 系统和基于步进电机式的e g r 系统 设计电控系统进行台架试验 研究e g r 对柴油机燃烧和排放的影响 同时对e g r 率的 标定进行了分析 1 7 同济大学也有人在对e g r 进行研究 只是在在试验阶段 通过试 验验证电控系统的可靠性 得出不同工况最佳e g r 率等结论 无锡油泵油嘴研究所也 在做这方面的研究 不断改进e g r 阀的驱动方式进行试验 主要验证控制策略的合理 性 l8 1 除了进行电控系统设计研究外 江苏大学 上海交通大学针对e g r 系统对内燃 机性能的影响以及e g r 气体流动工作过程数值模拟进行了研究 为e g r 系统的改进提 供了参考 1 9 l 另外 目前国内对于e g r 系统的研究 只是验证e g r 系统对n o 控制 效果 并没有形成产品化 有的一些研究也并没有针对满足目前实施的国三排放标准 国内对e g r 系统的研究相对于国外技术还有一定的差距 并且研究的内容较窄 多数集中在对燃烧性能的影响分析 和电控系统的开发 并且是针对欧i i 标准的 对于 更高的排放标准难以满足 需要最进一步的研究和开发 2 0 2 1 2 2 1 2 0 1 2 年我国将施行国 四排放标准 这对于使用e g r 系统降低n o x 的排放技术要求更加高 因此开发出一套 能满足国三及以上标准的e g r 系统并推向实用 是十分有意义的 1 5 本文研究的主要内容 柴油机e g r 技术可以有效降低n o 的排放 是目前控制排放满足更严格的排放标 准的有效技术 同时 e g r 技术的应用 会对内燃机的动力性能和经济性能产生一定的 影响 只有在综合排放降低与性能未受太大影响的前提下 设计的e g r 系统才能满足 于实际应用 因此需对柴油机e g r 系统进行合理的优化 并且选择合理的控制策略 才能最大限度的降低排放 并且不会影响到柴油机经济性能与动力性能 本文研究的主 要内容有一下几个方面 1 柴油机e g r 技术控制策略研究 分析当前e g r 技术采用的控制策略 选择合理 的e g r 实现方式 以满足增压柴油机排放控制要求 2 柴油机e g r 系统数值模拟分析 探索采用数值模拟进行e g r 系统开发的方法 为e g r 系统试验研究奠定理论基础 同时通过模拟计算 对系统进行合理设计 节省 台架试验的时间和成本 3 设计柴油机e g r 电控系统硬件及软件 根据e g r 系统工作原理 设计电控系统 9 江南大学硕 学位论文 硬件软件 并完成实验室调试验证 4 编写基于串行通信的上位机标定软件 可实现试验标定和工况参数检测功能 5 完成满足e g r 系统试验要求的步进电机驱动式e g r 阀的设计 并通过试验研究 其流量特性 验证是否满足设计要求 1 0 第二章柴油机e g r 控制方式及策略研究 第二章柴油机e g r 控制方式及策略研究 2 1e g r 控制技术概述 2 1 1e g r 系统控制目标 e g r 是降低柴油机n o 排放的有效措施 它是将柴油机排出的废气中的一部分引 入到进气侧 重新参与燃烧的一种方法 通过精确控制引入的废气量 最终达到控制排 放的目的 在e g r 技术实际应用过程中 引入的废气量是通过e g r 率来描述或者计算 的 e g r 率的定义为参与再循环的排气的质量占新鲜充量的百分比 其中新鲜充量包括 新鲜空气和引入的废气 如何精确的控制e g r 率在合理的范围 使排气中污染物的成 分尽可能减少 并不影响动力性能和经济性能 是e g r 系统的控制目标 在e g r 系统中 关键部件是e g r 阀 它是整个系统的执行件 也是控制终端 e g r 系统工作过程就是电控e c u 根据传感器采集到的转速 油门位置信号 判断发动机所 处的工况 经过计算得出此时的e g r 率的范围 然后通过控制e g r 阀的开度得到合理 的e g r 率 2 1 2e g r 率计算方法 e g r 率的定义是再循环废气量占新鲜充量的百分比 其计算方式比较多 目前应用 的主要有质量流量型e g r 率 体积流量型e g r 率 c 0 2 浓度型e g r 率 2 3 1 质量流量型e g r 率巩眠 以质量流量来计算e g