柴油机涡轮增压中冷技术及对排放控制分析

1、2008年第1期农业装备与车辆工程柴油机涡轮增压中冷技术及对排放控制分析潘跃,吴子文(金湖县农业机械化学校,江苏淮安211600摘要:涡轮增压技术由涡轮和压气机两个主要部件组成的增压器来进行增压工作。对于增压压力较高的中、高增压发动机,一般需装置中间冷却器,以提高进气密度。涡轮增压主要作用是提高柴油机功率、降低燃油消耗。同时分析表明涡轮增压及增压中冷技术对降低柴油机排放起着重要作用。关键词:柴油机;功率提升;排放控制中图分类号:TK421+.8;TK421+.5文献标识码:B 文章编号:1673-3142(200801-0048-02收稿日期:2007-11-26作者简介:潘跃(1979-,男

2、,学士,助理工程师,主要从事农业机械教学研究工作。Technology of Inter-cooling Turbo and Analysis to Its Emissions Controlling in Diesel EnginesPAN Yue ,WU Zi-wen(Jinhu School of Agricultural Machinery ,Huaian 211600,China Abstract:Turbo is composed of turbine and compressor.High supercharging engine needs to install inter -

3、cooling to enhance air density.Turbo is mainly used to enhance power in diesel engine and to reduce fuel consumption.Analysis shows that turbo and inter-cooling technology play very important role in controlling engine emissions.Key Words:diesel engine ;enhancing power ;controlling emissions引言柴油机涡轮增

4、压技术主要作用是提高柴油机功率、降低燃油消耗,同时涡轮增压中冷技术对降低柴油机排放起到十分重要的作用。增压技术的发展主要归结于涡轮增压技术,涡轮增压技术最早应用在柴油发动机上,现在一些汽油发动机也采用涡轮增压技术,因为汽油和柴油的燃烧方式不一样,因此发动机采用涡轮增压的形式也有所区别,这里仅讨论柴油机涡轮增压技术。目前涡轮增压技术应用非常广泛,在工程机械、农业机械方面应用较为普遍,美国70kW 以上拖拉机有70%采用涡轮增压,其中40%为增压中冷,欧洲大功率拖拉机中增压占40%。1涡轮增压器的组成及工作原理1.1组成部件及关键零件涡轮增压器由涡轮和压气机两个主要部件以及轴承与密封装置、润滑与冷

5、却系统所组成。涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上,处在高温、高压和高速运转的工作状况下,因此对部件材料和加工技术都要求很高。其中关键零件是支承涡轮轴运转的“浮动轴承”,浮动轴承与轴承颈、轴承座孔之间均有间隙,依靠相对滑动形成的油楔产生的压力把浮动轴承悬浮在轴承座孔中,目前是小型高速径流涡轮增压器广泛采用的一种轴承。1.2工作原理涡轮增压器类似于空气压缩机,它利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮再压送由空气滤清器管道进来的空气,使之增压或者增压冷却进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,提高了充入气缸的

6、空气密度,可以有更多的燃料进入气缸进行充分燃烧。达到提高平均有效压力,提升功率,改善经济性和降低污染的目的。采用废气涡轮增压一般可降低燃油消耗3%-10%。2与其它增压器的比较涡轮增压器也有它的缺点,其中最明显的是“滞后响应”,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,使发动机延迟增加或减少输出功率。目前除涡轮增压以外,应用较普遍的是机械增压。机械增压是指增压器由发动机直接驱动,二者之间的转速比一般固定不变。原则上只要发动机在运转,机械增压就自然而然地产生,发动机转速越高加压力度就越大,具有较快的响应性,加速线性化。但机械增压器靠发动机驱动力,需消耗动力。3中间冷却器的作用对于增压压力较高的

7、中、高增压发动机,一般需农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING2008年第1期(总第198期No.12008(Totally 198482008年1月装置中间冷却器,这是因为涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会升高,空气在流动过程中与进气管壁摩擦还会进一步升温,这样不仅影响充气效率,还容易产生爆燃。发动机的有效功率N与充入气缸的气体密度成正比,密度越大,功率越大,增压空气密度由气体状态方程决定。即:=P/RT(kg/m3式中:P增压压力,Pa(绝对压力;T增压时空气绝对温度,K;R气体常数(287.14J/kgK。增压发动机

8、功率大小与增压压力P成正比,与增压空气温度T成反比。只有当空气温度T保持不变的条件下,发动机的有效功率N才与P成线性关系。由此可见,对增压空气进行中间冷却是很重要的。一般高速柴油机采用增压可提高功率30%,采用中冷技术可进一步提高50%-60%。4涡轮增压及增压中冷技术对降低排放分析柴油机的排放污染物主要有CO、HC、NO X和微粒物等。此外,由于温室效应引起全球变暖的问题, CO2的排放量也受到限制。采用涡轮增压和增压中冷技术可降低其排放值。4.1一氧化碳(CO柴油机中CO是燃料不完全燃烧的产物,主要是在局部缺氧或低温下形成的。采用涡轮增压后,可供燃烧的空气增多,并且增压发动机大多数工况负荷

9、较大,发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧,CO排放可进一步降低。4.2碳氢化合物(HC柴油机排气中的HC是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中间化合物所组成;小部分HC是由润滑油生成的。增压时,由于进气密度增加,可以改善油束的形成、提高燃油雾化质量,减少沉积于燃烧室壁面上的燃油,HC减少;增压还使柴油机燃烧整个循环的平均介质温度升高,氧化反应速率大,未燃HC排放降低。4.3氮氧化物(NO X柴油机中氮氧化物的主要成分NO的生成取决于氧的浓度、温度及反应时间等。降低NO的措施是以降低火焰温度、氧浓度及高温下停留时间为目标。对于现有的自然吸气柴油机,如果只简单采用增压措施,可能会因为

10、过量空气系数增大和燃烧温度的升高而导致NO X增加。采用进气中冷技术降低进气温度,可降低增压柴油机NO X排放;如果采用先进的中冷技术后,可进一步降低进气充量的温度。进气充量温度降低,燃烧温度可以得到有效控制,有利于NO X的减少。实际应用中,柴油机增压时采用减小压缩比、推迟喷油定时等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度;推迟喷油定时,可以缩短滞燃期,减少油束稀薄火焰区的燃料蒸发和混合,降低最高燃烧温度。为减少喷油定时导致的后燃期过长的问题,须增大供油速率,缩短喷油时间,以加快燃烧速率,缩短燃烧时间。4.4微粒物(PM影响柴油机微粒物生成的原因较复杂,其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。此外,柴油机机内净化降低NO X的措施通常会带来PM增加。增压柴油机,特别是采用高增压压比和空空中冷技术后,可显著增大进气密度,增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、共轨电控喷射、低排放燃烧室和中心喷嘴四气阀技术,并提高燃油雾化质量,改善燃烧过程,则可有效地控制PM排放。5结语废气涡轮增压及中冷技术的应用大大提高了柴油机的动力性,改善了燃油经济性,并且还对有害物的排放、环境保护等方面起到了重要作用。随着涡轮增压器技术和其他先进发动机技术的进一步发展,柴油机将会成为