4柴油机低温燃烧及高压共轨技术2013

4柴油机低温燃烧及高压共轨技术2013第一页，共36页。汽油机和柴油机的区别汽油机的压缩比为6～10。柴油机的压缩比为16～22。从理论上讲，压缩比越大，效率越高。汽油机热效率比较低，而柴油机有着更好的热效率，也就是更好的油耗表现。发火方式不同，汽油机是点燃式。柴油机是压燃式。汽油机体积小，重量轻，起动方便，运转平稳，转速快，适用于汽车等要求体积小、速度快的运输工具。柴油机的压缩比大，气缸因为要承受较大的压力而做得较为牢固笨重，它的功率大，适用于载重较大的大型卡车、拖拉机、机车和船舰。引言第二页，共36页。柴油机与汽油机相比主要有三大优点1.经济。一般柴油机的油耗要比汽油机的低30%-40%。2.环保。相对而言，柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳排放量极低，但在颗粒物和氮氧化物的排放控制上要比汽油机更难处理。3.柴油机低速大扭矩的特性，为汽车提供了更好的使用性能。第三页，共36页。

由于柴油机效率高、使用经济性好、扭矩大，在车用动力方面有很大的发展潜力，国外大中型汽车基本上都用柴油机。目前：欧洲柴油动力乘用车出厂新车比例已经超过50%！3--C:\Users\wlg123\Desktop\2013共轨视频\3分钟不断进步的乘用车柴油技术博世共轨系统5--C:\Users\wlg123\Desktop\2013共轨视频\5分钟-博世的创新柴油技术高压共轨系统第四页，共36页。第五页，共36页。一、车用柴油机是我国重点发展产品• 轿车柴油机

将采用增压，增压中冷，顶置凸轮、四气门、高压喷射技术，同时应用电控燃油喷射技术控制喷油量、喷油定时、喷油规律、废气再循环（EGR）技术•载货车用柴油机

还存在明显差距，体现在排放、噪声、动力性和经济性方面可靠性和耐久性差距明显，国外大中型货车第一次大修期已分别达到140万公里和90万公里，比我国同类车用发动机高2－3倍。

新课第六页，共36页。Luxury&Executive

Class89101112131415160102030405060708019851990199520002005年份

1980DieselPoweredPassengerCars轿车总销量(百万)柴油动力所占份额(%)欧洲乘用车的年销量以及柴油机轿车所占的比重目前：欧洲柴油动力乘用车出厂新车比例已经超过50%！第七页，共36页。乘用车柴油机在中国的发展趋势预测乘用车柴油机在中国的发展将受到以下几个方面的限制：柴油机系统成本：一台4缸、带高压共轨（达欧五排放标准）的柴油机的制造与采购成本比同功率+三效催化器的电喷汽油机高约1.5万元（主要原因是以上关键技术仍掌握在国外品牌供应商手中）；油品：中国的柴油含硫量太高含硫量太高将导致DPF（柴油颗粒捕捉器）快速失效；另外由于柴油中含杂质太高也将引起供油系统的维护问题；柴/汽比问题（柴油的可获得性）：据中石化介绍：中国的柴/汽比已趋偏高，大力发展柴油机可能导致柴/汽比失衡，柴油难得，需中石化大力投入进一步改变柴/汽比据资深专家预测：当汽油价格上升至8元/升时，将是中国乘用车柴油机的快速发展点第八页，共36页。二、车用柴油机废气净化汽车已经成为城市大气的主要污染源柴油机燃烧产生HC、CO、NOx和微粒PM等有害排放物第九页，共36页。柴油机的主要排放污染物柴油机的油气混合不像汽油机那么均匀，它是通过把柴油高压喷入已压缩到温度很高的空气中迅速混合、自燃而工作的。所以总有一部分燃料不能完全燃烧，造成以碳为主体的微粒排放。同时，由于混合气不均匀，燃烧过程中局部温度很高，并有过量空气，因此导致大量NOx的生成。柴油机的过量空气系数很大，因此CO和HC的排放量相对较小。NOx和PM是柴油机的控制重点第十页，共36页。1.

NOx

NOx生成的条件是：高温富氧，当温度超过1800K就有NOx产生，当温度大于2300K左右时，NOx急剧增加。

控制NOx生成的主导思想就是降低混合气含氧量、反应温度和在高温区停留时间。

第十一页，共36页。2.颗粒物PM

颗粒物是指温度在52℃以下时，排气中除水以外的固态和液态物质。柴油机废气中的颗粒物主要由炭烟粒子和吸附凝聚其上的HC化合物组成。颗粒物中的多种成分具有致癌作用。炭烟粒子是在高温缺氧的条件下生产的。一般认为颗粒物经过成核、表面增长、凝聚、集聚和吸附等阶段，生成的颗粒物在随后的燃烧过程中还会被部分氧化。当过量空气系数下降到一定程度后，颗粒物的排放较快地增长。第十二页，共36页。柴油机排放控制涉及以下四大技术领域柴油机排放控制的关键技术发动机本体优化设计技术先进的缸内燃烧控制技术燃料和润滑油设计控制技术先进的后处理技术3.柴油机有害物排放控制第十三页，共36页。

机内控制1）PM通过提高燃油喷射压力、增加喷油器孔数和喷油规律的电控等措施使燃油喷射更趋均匀化和细化，从而改善混合气的均匀性，降低PM的排放量。2）NOX

从发动机自身的角度考虑，降低柴油机NOX排放的基本思路是控制燃烧温度。采用EGR，特别是冷却式EGR并适当减小喷油提前角，是降低NOX排放的常用措施。还有减小喷油提前角，混合气加水等措施。

第十四页，共36页。

2.机外净化

由于过量空气系数大于1，柴油机难以应用三元催化转化器，而采用微粒捕集器和催化转化器控制废气中的有害物。1）微粒捕集器

2）还原性催化转化器

第十五页，共36页。低温燃烧定义

当缸内燃烧温度可以保持在低于1650K的水平，燃烧可以避开NOx和碳烟的主要生成区域，这种燃烧模式就是低温燃烧。三、柴油机低温燃烧第十六页，共36页。低温燃烧(LTC)是一种新型的燃烧方式,近年来在国内外得到广泛研究。其实现方法就是通过大量的废气再循环(EGR),降低缸内的温度,同时实现较低的NOx和碳烟排放。第十七页，共36页。低温燃烧可同时降低缸内碳烟与氮氧原排放；低温燃烧通过采用大量冷却EGR来实现；由于采用了大量冷却EGR来稀释缸内混合气，低温燃烧只适用于发动机中低负荷；轿车用柴油机大部分时间只在部分负荷下工作；因此低温燃烧模式可以涵盖轿车用柴油机的大部分工作区域；全负荷运行条件下仍采用传统(0EGR)燃烧模式。第十八页，共36页。

柴油机低温燃烧是一种新型的燃烧方式，其实现方法是通过大量的废气再循环（EGR）,降低缸内温度，同时实现较低的NOx排放。柴油机低温燃烧实现方式第十九页，共36页。废气再循环系统ExhaustGasRecirculation作用：机内净化装置主要降低Nox排放量。汽油发动机–发动机中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧，怠速、全负荷时不起作用。柴油发动机–发动机怠速、中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧，全负荷时不起作用。第二十页，共36页。1、发动机控制单元2、废气再循环阀（电磁）3、废气再循环阀（机械）4、空气流量计5、尾气净化装置有的EGR系统将废气再循环电磁阀-N18-与机械阀合二为一，直接由发动机控制单元控制。第二十一页，共36页。

EGR是将一部分已燃的废气再引入燃烧室内参与燃烧，可与电控喷射系统相结合，实现更准确的控制。通过EGR降低燃烧室内氧气的浓度和工质温度，从而有效控制NOX的生成。但由于EGR实际降低了过量空气系数，因而对完全燃烧产生不利的影响，使炭烟排放量增多，特别是高速、高负荷工况。因此在低速、低负荷工况下才使用EGR，掺入的废气不超过30%。目前还出现了冷却式EGR。除增压中冷外，一般措施不能是微粒和NOX同时减小，如EGR，提高喷射压力等。第二十二页，共36页。四、柴油机电控高压共轨燃油喷射技术第二十三页，共36页。位置控制式时间控制式高压共轨系统1柴油机电控燃油喷射系统发展史柴油机电控燃油喷射系统的开发研究从20世纪70年代开始，己经经历了三代。从第一代的“位置控制式”到第二代的“时间控制式”，再到现在的第三代“时间一压力控制式”。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术,它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身,它有助于减少柴油机的尾气排放量,改善噪声,并降低燃油消耗。第二十四页，共36页。

柴油机电控技术从诞生到现在仅仅20多年时间，发展了三代，取得了巨大的进步。尤其是共轨系统的开发，极大的提高了柴油机性能和排放性能，代表了柴油机喷射技术未来的发展方向。有一个观点认为：随着排放后处理技术和空燃比控制技术的进步，不再以牺牲柴油机的高热效率为代价，就可以生产出排放和噪声都接近或者超过汽油机的柴油机车。柴油机汽车所占的比例越来越高就是一个象征。第二十五页，共36页。共轨系统主要生产厂家德国ROBERTBOSCH公司的CR系统日本电装公司的ECD-U2系统美国的德尔福DELPHI公司的LDCR系统等意大利的菲亚特FIAT集团的unijet系统第二十六页，共36页。2BOSCH的高压共轨系统第二十七页，共36页。高压共轨系统在BMW轿车柴油机上第二十八页，共36页。系统框图高压泵PCV阀ECU参考脉冲位置脉冲踏板位置增压压力滤清器输油泵高压油管压力传感器共轨腔限压阀低压油管喷油器水温空气流量大气压力温度油温燃油箱第二十九页，共36页。电控高压共轨燃油喷射系统组成高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元(ECU)、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。柴油机高压共轨燃油喷射系统的构成和工作方式与汽油机电控燃油喷射系统相似，主要由燃油供给系统和电子控制系统两大部分组成。10-C:\Users\wlg123\Desktop\2013共轨视频\10分钟-博世共轨系统CRS2-14_ww.gonggui8_视频.flv第三十页，共36页。电控高压共轨燃油喷射系统组成供油系统柴油机电控高压共轨喷油系统的燃油供给系统又分为低压供油和高压供油两部分第三十一页，共36页。控制系统框图控制系统由传感器、电控单元(ECU)和执行器组成。ECU根据各个传感器的信息，计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并确定合理的喷油时刻和喷油持续期，向执行器(电控喷油器的电磁阀)发出开关指令，从而精确控制发动机的工作过程。第三十二页，共36页。电控高压共轨燃油喷射系统工作原理高压共轨系统是一种全新概念的喷油系统，给人耳目一新的感觉。它可以全方位的改进柴油机性能，使得其成为目前柴油机研究领域的一大热门方向。其组成主要包括高压泵、带压力调节阀的共轨管、带电池阀的喷油器、电控单元和各种传感器。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，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，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由喷油器将燃油喷入气缸。5-C:\Users\wlg123\Desktop\2013共轨视频\5分钟高清高压共轨柴油机工作过程_.hlv第三十三页，共36页。1.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。2.可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120Mpa～200MPa），可同时控制NOx和微粒在较小的数值内，以满足排放要求。3.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。4.由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此