第4节新型柴油机低温燃烧及高压共轨技术.ppt

,新型柴油机低温燃烧及高压共轨技术,概述,一、柴油机技术发展现状,鉴于柴油机优势，为满足国排放要求，不加后处理装置，采用如下措施：进气温度必须通过加强中冷来加以冷却或辅助EGR，以降低NOx的排放；国发动机的机械燃油喷射系统必须换为电控高压燃油喷射系统；电控技术可以实现各工况点的优化，以降低NOx和颗粒物的排放，同时较高的喷射压力将会进一步降低颗粒物的排放；优化燃烧室形状，与燃油喷注相匹配。,（一）电控燃油喷射系统,燃油喷射系统是高速直喷式柴油机燃烧中最为关键的部分，也是为达到最佳排放控制而改进燃烧的主要部分。电子控制技术在满足柴油机排放法规、进一步提高燃油经济性、提高安全驾驶性能背景下，从20世纪80年代开始，先后被个汽车生产厂用来控制喷油定时和喷油量，逐年发展，发展非常迅速，到目前为止已经经历了三代变化：第一代：凸轮压油、位置控制第二代：凸轮压油、时间控制第三代：共轨蓄压、电磁阀时间控制,（二）直喷燃烧室,燃烧室的形状控制空气的运动和燃烧过程中空气与燃油的混合。与涡流室式和预燃烧室式燃烧室相比，直流式燃烧室具有较好的燃油经济性，燃油消耗率减低15%20%，CO2排放减少20%。随着技术的发展NOx排放和噪声也得到了妥善解决。采用直喷式燃烧室已经成为现代柴油机的重要标志，也是柴油机达到更高排放要求的标准配置。,(三)四气门结构,采用四气门的目的是增加进排气门的流通截面积，再高速时增加进气量和降低泵气损失。采用四气门布置，燃油分布更加均匀，有利于油气混合和高效率燃烧，其结果使NOx和微粒排放降低，同时也提高了燃油经济性。例如1999年奥迪公司推出的结构最为紧凑的3.3LV8TDI柴油机、福特公司2001年研制的新一代1.8L乘用车柴油机都采用了四气门结构。,（四）废气再循环,为取得最佳的NOx和燃油消耗率的均衡关系，自2000年起冷却EGR的应用越来越多。由于涡轮增压器和发动机的不同特性，在排气和进气之间可能会发生因压力差不足而不能提供足够的EGR气流量的情况，但是可通过使用一个进气节流阀或者使用可变截面涡轮增压器解决这一问题。,（五）增压中冷及可变截面增压器,增压技术可以改善柴油机在中、低速下的转矩特性。目前越来越多的乘用车柴油机开始采用可变截面涡轮增压器。这种增压器能根据发动机工况的变化实时调节导向叶片的角度，改变涡轮喷嘴环横截面积，从而实现进气量的动态调整。采用可变截面涡轮增压器不仅可以改进发动机额定工况点附近的效率，而且还可以改进发动机整个特性曲线范围内的增压压力，提高低速区的转矩，改善起动性能和低速区域的加速性能。,（六）燃油品质的提高,降低柴油机排放的一个有效措施是改进燃油性能。欧洲工作研究表明：燃油密度：由855kg/m3降到826kg/m3多环芳香烃：质量分数由8%降到1%十六烷值：由50提高到58T96馏出点温度：由370降到325摄氏度,二、新型低温燃烧技术,柴油机的NOx和碳烟排放存在此消彼长关系低温燃烧模式两类燃烧举例均质充量压燃柴油机浓混合气无烟燃烧,三、高压共轨技术,高压共轨技术是指在由高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。,高压共轨优点,高压油泵提将燃油输送到公共供油管，通过控制喷油器将燃油直接喷射到缸内。高压共轨将喷射过程和油压产生完全分开，使供油压力不会受到发动机转速的影响。优点：高压共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa200MPa），可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。,柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性。由电磁阀控制喷油，控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。,高压共轨结构,典型车介绍,1999年年底诞生了装配着3缸共轨柴油发动机的Smart，它的排量只有799mL，最大功率30kW，在18002800rpm时输出最大扭矩100Nm。奔驰推出的E320上安装了第二代共轨发动机，最大功率150kW/1000rpm时输出扭矩250Nm，在1400rpm时即可得到峰值扭矩的85%，在18002600rpm的广阔区域内实现500Nm的峰值扭矩。0100km/h的加速时间只有7.7秒，最高车速243km/h。综合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使续航能力达到了1000km。而配有汽油机的E320的综合油耗是9.9L/100km。,技术概括,在柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为共轨的技术。,高压共轨原理,高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器（共轨管）、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨（蓄压器），高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。,高压油轨（共轨管）,共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。高压