柴油机技术及发展(吉大汽车工程学院)

柴油机控制排放污染、振动噪声以及提高燃油经济性的技术措施吉林大学汽车学院内燃机工程系袁兆成一、概述•内燃机工业水平的高低是衡量一个国家发达程度的重要标志之一,发动机技术掌握的程度决定了汽车企业的发展水平•全国内燃机保有量达9一10亿kW。消耗我国石油资源的45％、柴油的75％、汽油的60%以上,是能源的消耗大户。•有害排放物和噪声是我国城市环境的主要污染源，是环境破坏的主要根源之一。二、内燃机产品及技术的发展方向1、国外•应用现代设计技术和手段，缩短产品开发周期，提高产品智能化水平，改善综合性能。•开发全电控内燃机产品•发展高效率涡轮增压及中冷技术•开发高速小型直喷燃烧系统柴油机•采用先进技术，进一步降低内燃机产品能耗•发展新型喷油系统，提高喷油系统的喷射压力和控制喷油规律•不断降低有害排放物和噪声，满足越来越严格的环保要求，发展排气后处理技术•开发应用汽油机缸内喷射技术•推广应用清洁能源内燃机，如LPG、CNG、混合动力（Hybrid）、燃料电池（Fuelcell）等替代燃料发动机2、国内•开发电控内燃机产品，柴油机电控尚处于研究开发阶段•发展高速、高喷射压力的新型喷油系统嘴端压力在90MPa左右，国外可达180MPa以上•研究开发顶置凸轮、多气门高速内燃机配气系统•研究汽油机多点喷射和缸内喷射技术•研究开发高速直喷燃烧系统（小型高速柴油机）•进一步提高内燃机产品可靠性和耐久性（大约是进口机型的1／3--1／2）•降低内燃机有害排放物和噪声。气体排放已经达到欧洲1号标准，噪声比国外同类型机高2一5dB（A）•开发代用燃料内燃机，气体燃料发动机已经较大范围应用，其他正处于研发阶段三、车用柴油机是我国重点发展产品•由于柴油机效率高、排放低（CO2，HC，CO）、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，在西欧，柴油轿车也已达到25％以上。•轿车柴油机（实际上国内还没有产品）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•轻型汽车、重型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。•柴油机的发展方向和重点—大幅度提高柴油机使用可靠性；—提高扭矩储备，改善使用性能；—降低柴油机的使用燃油耗；这是永恒的主题。—提高柴油机使用寿命；—改善低温起动性能；—降低柴油机噪声；—提高柴油机零部件制造精度；—进一步降低柴油机排放污染物;—推广应用现代设计制造技术四、车用柴油机废气净化•柴油机燃烧产生HC、CO、NOx和微粒PM等有害排放物,其中NOx和PM是柴油机的控制重点•汽车已经成为城市大气的主要污染源，柴油汽车的不良表现更为明显•需要机内和机外净化技术措施，使车用柴油机有害废气排放减少到国家排放法规要求的水平4冲程柴油机污染物形成法规名称车型CO/g/kmHC/g/kmNO/g/kmHC+NO/g/kmPM/g/km实施日期欧洲I号汽油车和柴油车型式/一致性认证2.72/3.160.97/1.130.14/0.18型式认证1992.7.1一致性认证1992.12.31欧洲II汽油车2.20.5型式认证1996.1.1非直喷柴油1.00.70.08一致性认证1997.1.1直喷柴油1.00.90.10欧洲III汽油车2.30.20.15型式认证2000.1.1柴油车0.640.50.560.05一致性认证2001.1.1欧洲IV汽油车1.00.10.080.025型式认证2005.1.1柴油车0.50.250.3一致性认证2006.1.1欧洲汽车排放标准1、柴油机排放控制技术及发展趋势（1）NOx生成的机理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。（2）影响NOx生成的参数•进气状态、喷油系统性能、燃油品质、运行工况都对NOx有影响：1、进气湿度、温度、压力2、供油参数：A:喷油定时B:喷油压力C:喷油速率D:喷嘴孔大小和数目3、燃油16烷值4、负荷燃烧温度5、发动机转速6、进气涡流强度（3）降低NOx的技术—延迟喷油，降低最高压力和最高温度，但油耗增加—增压＋中冷，缩短滞燃期＋降低进气温度—降低涡流强度，缩短放热过程中的预混合燃烧阶段—预喷射或多段喷射，提高混合速度和燃烧速度—废气再循环，减弱初始反应，降低燃烧温度，减小氧气浓度—燃料改质，增加十六烷值，55—延迟喷油•通过推迟喷油，可以缩短滞燃期，减少滞燃期内喷入的油量，降低最高燃烧温度和压力。喷油推迟导致的后燃期过长的问题，通过增大供油速率，缩短喷油时间，加快燃烧速率，缩短燃烧时间解决•目前最小喷油提前角可达到7～8oCA•Pmax降低，压力升高率dp/dφ减小，对降低燃烧噪声也有好处•但是烟度增加—增压＋中冷•增压后各种排放水平呈现总体上下降的趋势，其中HC和CO由于空气充足而充分氧化更为明显•用较大的过量空气系数组织燃烧，降低了碳烟，同时使燃烧温度不致过高，抑制了NOx的增加•增压后需要配合降低压缩比和推迟喷油，以避免温度过高•增压空气中冷后温度降到50oC，进一步减低了NOx的排放•中冷方式有空气冷却和水冷两种两级增压系统—预喷射和多段喷射减少滞燃期内喷入的油量，提高混合速度和燃烧速度●双弹簧喷油器－针阀先上升0.03~0.07mm,喷入少量燃油，喷油停止主喷射（0.2mm）●高速电磁阀控制的：–直列式预喷射泵–有预行程分配泵（VE泵）–高压共轨喷射系统–单体泵–泵喷嘴高压共轨喷射系统第二预喷与主喷间隔不同预喷射宽度对NOx，噪声、烟度和油耗的影响—废气再循环技术•与汽油机类似，但是柴油机排气中含氧量比汽油机排气高，所以允许柴油机以较大的EGR率来降低NOx排放•直喷式可以大于40％，非直喷式可以达到25％•全负荷时不用，转速提高时EGR率降低•一般流到增压器后，以防止沾污压气机叶轮•为了有效降低混合气温度,回流的废气也要进行冷却，同时也可以提高进气密度•增压中冷柴油机中NOx排放物可以降低60%AuxiliaryRadiator序号实现EGR的方式工作原理及特点1内部EGR系统在进气行程内，排气阀再开启一次，让排气管中废气流入气缸内。很难控制低负荷的EGR率，也很难对流入气缸的废气进行冷却。无凸轮配气机构2进、排气管装节流阀的EGR系统废气引入压气机或中冷器的出口，通过节流阀提高排气压力，或降低进气压力而实现废气再循环。会引起发动机泵气损失增大，油耗显著增加，烟度的明显上升，很难做到NOX和微粒排放的平衡，有一定的局限性。3废气引入压气机口的EGR系统废气直接引入压气机口。由于压气机入口处压力较低，在高速工况时，废气再循环虽然可以方便实现，但压气机的寿命将受到严重影响4利用辅助压气机的EGR系统利用辅助压气机将废气压力提高，再引入压气机或中冷机出口，需要增加一个辅助压缩机，成本增加，并要消耗额外的功。5利用进排气管压力波动的EGR系统利用排气管的压力波动，在排气管平均压力低于进气管平均压力时，实现废气再循环。涡轮增压柴油机在高负荷时的排气平均压力虽然低于进气平均压力，但车用发动机排气峰值压力高，每个排气周期中有相当的时间排气压力高于进气压力。此系统可以使发动机在高负荷时有较高的EGR率。6双涡轮EGR系统采用两个涡轮。从排气管分出一部分废气带动另一个小涡轮转动，同时带动同轴的压气机转动，从而将废气引入进气管。系统的缺陷是，由于小的涡轮和小的压气机的压比不匹配，使得其效率不高，另外尽管废气经过冷却再通过压气机，但废气对其腐蚀作用还是存在的,三是结构复杂.7EGR系统采用变截面涡轮对于使用可变截面涡轮增压器的柴油机，高负荷时可以通过减少涡轮的流通面积来提高排气压力，进而增大高负荷时的EGR率。这样能拓宽EGR的使用工况范围。但是控制困难。8文丘里管的EGR系统不消耗机械能就能降低流体的压力，并能在扩压段内使流体的压力得到较大恢复。不仅可以较方便的在高速工况时实现充足的EGR率，从而降低NOX的排放，并且能够利用可以恢复大部分流体压力的特点，基本上不增加燃油消耗率。从满足越来越严格排放法规的角度考虑，带文丘里管的EGR系统与其它为在高工况时实现EGR而采取的措施比较，是有很大的优势的。BOSCH公司EGR对NOx的影—后处理技术•对NOx进行催化还原处理•现有技术是对NOx等有害物通常利用金属三元催化剂等活性催化剂，对其进行还原和分解•但是NOx在催化剂上的还原需要H2、CO和HC作为还原剂，当过量空气系数α1时,这些还原剂首先与氧反应，NOx的还原反应不能进行，所以柴油机中无法同时进行三元催化，柴油机中通常利用二元催化反应器•近来日本首次开发出了可用于柴油引擎尾气净化的电化学陶瓷反应器生产技术。与现有的过滤器方式不同，它能够在与氧气共存的状态下边还原NOx、边氧化PM，而且还是连续反应。利用此技术，能够实现取代DPF(柴油颗粒过滤器)的柴油尾气净化系统减少HC排放的技术•提高缸内温度，可以通过提前喷油、提高压缩比来实现•减小余隙容积•缩短着火滞后期并提高混合速率，可通过减小喷油嘴喷孔直径来实现•减小喷油嘴压力室容积（4）减少PM排放的技术•减少碳烟•减少燃油和机油所产生的HC•减少燃油的含硫量和硝酸盐含量•提高空燃比到25左右，颗粒排放随着空燃比增大而减少，•提高喷射压力，提高雾化水平•改善冷起动性能•采用适当形状的燃烧室•合理布置喷油器油孔数目、大小、方向，采用4气门，喷油器中间布置•合理组织气流•后处理－微粒捕集过滤器（5）机外净化措施•采用催化器•颗粒捕集器，但是对NOx有影响•催化式捕集器，可以连续再生。适用于非道路小型柴油机•氧化催化剂•废气再循环•喷水，主要降低NOx（6）达到极低排放值时需采取的措施•主要是通过提高喷油压力来达到•采用电控高压喷射系统•多段喷射技术•可变几何截面增压器VGT（可变喷嘴增压器VNT）•先进的EGR系统•高品质柴油－低含硫量、高十六烷值•采用新的燃烧控制和燃烧方式，如HCCI（homogeneouschargecompressedignition）进气废气进入废气排出去进气歧管执行器EPR来自进气歧管增压压力反馈ELECTRONICSECMEVR0VPWM+14V增压增强增压减弱图2通用公司的VGT控制系统进气压力传感器进气温度传感器海拔高度传感器增压压力控制电磁阀增压压力控制阀中冷器电子控制单元图4－11TDI发动机VNT控制系统TDI公司的变截面涡轮增压器控制系统图1尼桑公司的变截面涡轮增压器控制系统尼桑公司的变截面涡轮增压器控制系统某车用柴油机满足欧Ⅲ、欧Ⅳ和欧Ⅴ标准所采用的技术变化©Ricardoplc200422OutlineSpecificationForPremiumLDTPowertrainSystemSYSTEMEuroIIIEuroIVEuroV4valvespercylinderYesYesYesSwirllevel(Rs)1.7-2.21.4-2.01.2-1.6VariableswirlNoNoYesCompressionRatio18-1916-1716ElectronicEGRvalveNoYesYesCooledEGRNoYesYesVGTTurbochargerNoYesYesMaxSpeficPower(kW/litre)475255FuelS(ppm)2505020ParticlefilterNoNoYesControlledEGRtemperatureNoYes–By-passYes-ModulatedFuelCetaneNo.465055FuelInjectionEquipmentRotaryCommonRailEUICommonRailEUICommonRa