内燃机论文

柴油机电控燃油喷射系统及排放韩宁（大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028）摘要：柴油机是一种热机，其热效率和燃油经济性很高，因此被广泛应用，尤其是大功率内燃机，被广泛应用于船舶、机车和电站等。本论文仅讨论大功率柴油机电控喷射系统和排放过程。关键字：柴油机；喷射系统；排放Dieselengineelectronicallycontrolledfuelinjectionsystemandemissions(DalianJiaotongUniversityinstituteoftransportationengineering,DalianLiaoning116028）Abstract:thedieselengineisaheatengine,itsthermalefficiencyandhighfueleconomy,sowidelyused,especiallyhigh-powerinternalcombustionengine,iswidelyusedinships,locomotivesandpowerstation,etc.Thispaperdiscussthehigh-powerdieselengineelectroniccontrolinjectionsystemandonlydischargeprocess.Keywords:dieselengine;Injectionsystem;emissions0引言通常，人们把燃油喷射系统看作是柴油机的心脏。事实上，柴油机没有任何一个部件比燃油喷射系统更重要;没有任何一个部件对设计和加工的要求超过燃油喷射系统。燃油喷射系统的功能是在精准的时刻为柴油机提供精确定量的燃油。燃油必须以足够高的压力通过适当的喷油器喷射，以实现在燃烧室内的最佳雾化状态，并且在有限的时间内与足够的空气混合，以实现充分燃烧，从而使发动机以尽可能少的燃油消耗和最低的排放发出预期的功率在未来几年中，柴油机的发展趋势主要有：更加追求提高燃油经济性和降低排放，在不断强化柴油机的同时追求高可靠性，越来越多地应用电子控制技术，在更广泛的领域特别是汽车行业使用柴油机等等。为了实现这些目标，目前柴油机已应用和将要应用的先进技术主要有高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一，高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳，从而降低排放，提高整机性能。1电控燃油喷射系统的构成电喷柴油喷射系统由燃油喷射系统、控制计算机（ECU）和传感器三部分组成。ECU根据由转速、节气门踏板位置、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器采到的发动机运行状态，用设定的控制逻辑进行计算，根据计算结果控制喷油系统执行电磁阀的动作，实现对燃油喷射量、喷射时刻和喷射压力的动态调节。由于燃油的喷射量、喷射时刻和喷射压力在柴油机整个转速和负荷范围都可以通过标定实验最优化，因此电喷柴油机可以实现在满足严格的排放标准条件下的最佳燃油经济性。2电控燃油喷射系统介绍2.1.电控直列式喷油泵电控直列式喷油泵是在直列泵基础上发展起来的，是一种由机械喷油泵到电控喷油泵之间过渡的非主流产品。它具有与喷油和定时控制功能或只具备喷油量调控功能，有些控制系统还具有喷油压力和喷油速率等控制功能。因为它只能满足欧Ⅲ排放而且结构复杂、造价高，目前国外工业国家已停止生产。2.2电控分配泵柴油机电控分配泵采用高速电磁阀控制喷油量及喷油定时，如德国博世公司的电控VE泵，喷油峰值喷油压力接近140MPa。电控分配泵也是只能满足欧Ⅲ排放的过渡性非主流产品。2.3电控泵喷嘴系统（EUI）电控泵喷嘴系统是由凸轮驱动的喷油系统，是世界上最早出现的电喷产品。目前生产电控泵喷嘴系统的有德国博世（Bosch）公司、美国卡特彼勒（Caterpillar）公司、美国德尔福（Delphi）公司和美国康明斯（Cummins）公司。电控泵喷嘴系统北美重型车用柴油机中占有统治地位。电控泵喷嘴系统具有以下特点：(1)喷射压力在所有喷油系统中最高，最高喷射压力220MPa。(2)结构筒单，可靠性/耐久性最好，几乎没有高压接头。(3)喷油器成本一般，但由于采用顶置凸轮轴和重负荷传动齿轮系，发动机成本较高。(4)喷射压力随发动机转速负荷变化，不能动态控制。(5)喷射规律，后三角型，与发动机燃烧系统配合较好，有利于降低NOX。(6)喷射规律可以通过凸轮型面的设计加以调整。(7)喷油器体积较大，气缸头设计中需要与气道，气阀及水腔设计综合考虑。(8)喷油时刻被凸轮型面限制，预喷能力有限，不能后喷。2.4电控单体泵系统（EUP）电控单体泵系统主要由单体泵、油管和喷油器组成。电控单体泵是由电控泵喷嘴技术发展而来的。电控单体泵系统在欧洲中型/重型车用柴油机中占有统治地位。主要生产厂家是德国博世公司，在欧美车用柴油机市场占据100%的市场。近年来，德尔福也研制出了电控单体泵，但是市场应用刚刚起步，其用户目前仅局限于中国的玉柴和大柴。电控单体泵系统具有以下特点：(1)喷射压力较高180MPa。(2)结构最简单，可靠性/耐久性较好，有少量高压接头。(3)喷油系统成本较低（包括单体泵，高压油管和常规喷嘴），采用下置凸轮轴，对齿轮传动系要求低于EUI，发动机总成本最低。(4)喷射压力随发动机转速负荷变化，不能动态控制。(5)喷射规律，后三角型，与发动机燃烧系统配合较好。(6)由于高压油管的存在，凸轮型面对喷射规律的影响较弱。(7)喷油时刻被凸轮型面限制，预喷能力更加有限，不能后喷。2.5液压电控泵喷嘴系统（HEUI）液压电控泵喷嘴系统将电控和液压技术相结合主要由美国卡特彼勒（Caterpillar）公司生产。HEUI系统按时间控制喷射过程，喷射压力与发动机转速无关，可在宽广的工况范围内保持所需要的喷油压力。HEUI系统主要应用在北美中型车用柴油机中。该系统的工作具有以下特点：(1)喷射压力较高，180MPa。(2)理论上在所有发动机转速及负荷可随意调节喷射压力。(3)喷射时刻灵活。(4)喷射规律类似高压共轨，但初始喷射率比高压共轨略低。(5)多次喷射能力有限，预喷由硬件设计实现，后喷困难。(6)喷油器结构较复杂，液压油(5～25MPa)及柴油(低压及高压)两套油路。(7)气缸盖设计复杂，必须保证液压油及低压柴油两套油路的密封。(8)由于采用发动机润滑油作为液压油，对润滑油的要求高于常规柴油机，更换周期也更加严格。(9)发动机的维护保养要求较高。(10)低温下发动机润滑油粘度大，造成冷起动困难。(11)喷油系统功率消耗较大，机油压力靠泄放调控。3我国机车柴油机采用电控燃油喷射的概况我国机车柴油机无论是戚墅堰机车车辆厂生产的16V280/300(6400公制马力,4707kW)还是大连机车车辆厂生产的12V280/320(6000公制马力,4413kW)柴油机,其电子控制燃油喷射系统均成套购自Bosch公司。资阳内燃机车厂生产的16V280ZJG(5750公制马力,4229kW)型柴油机的电控燃油喷射系统是由Woodward公司提供电喷控制器、功率调节器和EDS电喷头,资阳厂生产柱塞泵、喷油器等相关产品。虽然以上各种机车柴油机在装用了电控燃油喷射系统后性能和经济性都有所提高(图1、2),但也仅仅局限在1~2台机车柴油机上实现。大批量、低价位、高可靠性的电子喷射技术产品要组织装车,尚有待进一步的进行研制和考核。4机车柴油机装用电控燃油喷射系统的社会和经济效益通过采用高压电控燃油喷射系统,可以提高机车柴油机的经济性,尤其是可以降低机车柴油机部分工况下的油耗,降低最低稳定空转转速。降低空转转速意味着柴油机内部机械阻力降低,柴油机空转油耗降低,同时也可以使我国机车柴油机在标定工况的燃油消耗率降低到200g/kW·h以下,提高柴油机的经济性。柴油机最低稳定空转转速降低10%,空转油耗率可以降低10%,可使我国铁路机车行业每年节约燃料费2·5~3亿元,同时,机车柴油机的运用寿命和可靠性将大大增加。因此,我们要大力发展高压电控燃油喷射系统技术与产品,使机车柴油机技术攀升一新的高度。如果国产机车柴油机(240、280系列)采用高压电控燃油喷射系统,以智能化的微电子控制(执行)装置取代目前使用的结构复杂的机械结构,并设有机车柴油机状态检测和故障报警功能(在线),可以使国产机车柴油机在性能和可靠性档次产生一个质的飞跃,跟上世界先进水平。同样,采用高压电控燃油喷射系统,既具有保护环境的长远社会效益,又具有满足环保排放法规、促进产品出口的现实意义。5各种类型发动机的CO2排放比较虽然现有的排放规定主要是强调降低NOx和颗粒物质(PM)的排放量,但是CO2的排放无论是从环保角度,还是从用户的运营费用方面考虑也是至关重要的。图1对各种内燃机的CO2排放水平进行了比较〔1〕。SI(火花点火)汽油发动机被选作比较的基准,所以它的CO2总排放水平是以100%的参考值给出的。在图中,CO2的排放被分成两部分。其中第一部分代表发动机单独运转所产生的CO2,该CO2是发动机效率和燃油化学成分的函数。第二部分是在燃料生产和运输过程中所排放的所有CO2。图中右手侧栏中还给出了每种发动机的最大热效率以供参考。涡轮增压、中冷式DI(直喷式)柴油机具有最低的CO2排放水平。这是由于此种发动机热效率好和燃料在生产过程中生成CO2量少的缘故。因此,在参比的几种发动机中,NA(自然吸气)和T(涡轮增压、中冷)柴油机的CO2排放特性最好。6废气排放法规的比较柴油机可以在满足所有废气排放规定的同时保持其明显的燃油经济性优势。在日本、美国和欧洲,废气排放规定也一年比一年严格。图2示出了每个国家废气排放规定水平的比较。在欧洲,Euro-Ⅱ和Euro-Ⅲ法规定与美国1994年和199年的法规类似。然而,日本在1998~1999年对NOx的规定却是最严格的。因此有必要优化发动机以满足每个国家的规定。在美国,考虑到要在过渡工况进行测试,从2004年开始实施的排放法规成为全球最为严格的NOx法规。从2004年开始实施的颗粒物质(PM)排放法规将与1998年的保持一样。而且,在欧洲,制定有望在2005年左右开始生效的Euro-Ⅳ法规的基础工作正在进行。在日本,对1998-1999年以后开始实施的法规也已开始纳入计划之中并开始进行调研。此外,在欧洲、美国和日本之间,协调全球的废气排放规定的讨论和调研也在进行之中。所以,在21世纪,柴油机废气排放法规将很可能在全球范围内得到统一。7参考文献[1]、徐家龙等.柴油机电控喷油技术.内燃机燃油喷射和控制[2]、《PapersCIMACDAY1999Shanghai》译者：董金龙校者:苏明[3]、大连内燃机车研究所.内燃机车技术的昨天、今天和明天.中国铁道出版社[4]、董尧清.柴油机共轨式电控喷射系统的进展.国外内燃机[5]、刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京:机械工业出版社[6]、陈冠国机械设备维修【M】，机械工业出版社[7]、市场百科，柴油机发展[OL]