【doc】车用柴油机降低油耗和排放的关键技术

【doc】车用柴油机降低油耗和排放的关键技术 车用柴油机降低油耗和排放的关键技术 第26卷第4期 客车技术与研究 BUSTECHNOLOGYANDRESEARCHVo1.26No.42004 车用柴油机降低油耗和排放的关键技术 环 (广州市第二公共汽车公司,广东广州510280) 摘要:分析柴油机降低油耗和排放的关键技术,包括燃油,燃油系统和后处理技术以及这些技术的 综合应用. 关键词:柴油机;油耗;废气;燃烧;再循环 Abstract:ThispaperanalyzesthekeytechnologieswhichareusedtOreducetheoilconsumpti onandemissionof dieselengine,includingfue1.fuelsystemandafter—treatment,andtheircomprehensiveapplication. Keywords:Dieselengines;Oilconsumption;Emission;Combustion;Recycle 中图分类号:464.172文献标识码:B文章编号:1006—3331(2004)04—0040—04 面对日益严峻的世界能源危机,柴油机在功率, 燃油经济性和耐久性方面具有明显优势.这些优势 加上不断的改进,使柴油机得以在汽车领域中广泛 作为动力源使用.但是为了满足已提出的越来越严 格的排放法规要求,在降排技术上要有一些新的突 破,以保持其应用竞争优势. 1废气排放法规 大约30年前,人们就已经认识到NOx对大气 和人体的影响.CO,HC及PM(颗粒物)也以不同的 方式对人体造成损害.因此,从那时起,日本,美国和 欧洲,纷纷制定各种法规对道路机动车用发动机的 排放进行限制.从2000年开始,机动车内燃机也开 始采用某些法规,且排放法规一年比一年严格.美国 推出的2004年排放法规是全球NOx排放限制最严 格的条例.在欧洲,有关欧? 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的基础工作已在展 开中,预计该标准将于2005年前后生效.此外,协调 世界各国排放法规的研究工作目前正在日本与欧 洲,美国之间进行.因此,柴油机排放法规很有可能 于21世纪在全球范围内获得统一.国外几个主要柴 油机排放法规见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1. 表1国外几个主要的车用柴油机排放法规1 法规类别试验程序级别HCC0N0xHC+NoxPM 美国87FTPg/mileLD0.413.41.OO,2O 加州1989FTPg/mileLD0.39(非甲烷烃)7,bO.4O.O8 美国91载货车重载循环g/mileHD1.315.55,OO.25 <1265kg0,622.70O,5O,2 日本199410工况g/km>1265kg0.622.70O.6O.2 <2500kg <1.4I19——51.1 欧洲EEC1990EECg/test1.4,2,0L30——81,1 >2.0I253,56.51,1 欧洲EEC1993EurolEECg/km客车2.720.97O.14 之后,拆检发现连杆螺栓,螺帽脱落损坏,分析其原 因为,进行车辆维修过程中,没有按照规定扭矩拧紧 后加以锁止. (3)故障排除及修复方法:按照车辆维修规定, 更换损坏零部件;严格按照维修标准进行操作,搪 配,安装;并加强过程检验工作的力度,确保维修质 量. 2结束语 通过上述三例客车故障的分析与排除,客车技 术与维修人员应该从中接受经验教训.客车厂的设 计人员在进行客车及有关配置安装设计中应力求设 计合理,避免存在某些技术缺陷,不断听取用户的意 见和建议,进一步完善设计方案,真正体现"质量第 一 ,客户至上"的经营理念.车辆维修人员,在进行车 辆维修作业中,要严格按照车辆维护标准操作,加强 过程检验,避免工作失误,尽量杜绝各类质量事故发 生,以免造成不应有的经济损失. 收稿日期:2003—07—29 第4期卢妙环:车用柴油机降低油耗和排放的关键技术41 2不同种类发动机的CO2排放比较 虽然目前的排放法规着重要求降低NOx和颗 粒,但从环保和降低用户使用费用观点来看,减少 CO排放也很重要.图1对几种内燃机的CO.排放 水平作了比较.以汽油机(SI)的CO排放作为比较 标准(此汽油机称为基准汽油机),即将该汽油机的 CO排放总量定为1O0.在图中,CO的排放分成 两部分:第一部分是发动机运行单独产生的CO,它 既是机器效率的函数,又是燃油化学成分的函数;第 二部分是在燃油生产和运输过程中排放出的CO. 各发动机的最大热效率示于图的右侧. TI柴油机的CO排放最低,原因是它的热效率 高,以及燃油生产过程中产生的CO.较少.就CO. 排放而言,NA柴油机和TI柴油机是最具有竞争力 的机型. r2040舶lj0100 机种— 基准汽油机L一———一 直唬话泐TI 直喷j蝻卜蝴二二I..=] tL~(sI)一 液1.油气:慨(SI)二]=:.::::: 甲踟(压缩自动点灼二=二工一二二二 .......:.............................................一 ,燃油生产中放出量 34 9 34 Sl一涡流喷射型;Tl一增压中冷型;NA一自然进气型 图1CO2排放比较 未来发动机的关键技术 为了适应未来排放法规要求,要想巩固柴油机 的使用优势,关键技术是解决燃油问题,后处理问题 和缸内燃烧问题.下面主要就改善缸内燃烧技术作 一 论述. 3.1燃烧技术 (1)更改进气系统.由于使用条件关系,非增压 柴油机得到了非常广泛的使用,而近年来为了满足 严格的排放要求和保持低的油耗,多采用增压中冷 柴油机.如图2所示,把NA改为TI可以降低排放 和油耗. (2)采用四气门.每缸改用双进气门和双排气 门后,泵气损失减少,可利用的气缸充气容量增大. 如图3所示.将喷油嘴垂直布置在燃烧室中央,使燃 烧效果改善,HC和油耗率降低.作此改动时,需要 提高平均有效压力和低速扭矩以保持良好的动力 性. 孚 辑 睦 囊 篡爵 翎 堪 《 图2NA柴油机与Tl柴油机排放和油耗的比较 孚 ^ 簌 懈 删 斌 【诋8.2L卧发动机 I1740r/tinI..........................................................一 鬃 O20加6080100 供油量,m/次 图3采用四气门的效果 (3)改进燃烧室.在NOx排放一定的情况下, 采用浅盘式燃烧室,高压喷射和低涡流工作平稳燃 烧系统的油耗低于采用深盘式燃烧室,高压喷射系 统和中高涡流度的涡流式燃烧系统.如图4所示. 3.2燃油喷射系统 单体式喷油器和共轨系统赋予未来电控高压喷 射系统许多优点.采用共轨式高压燃油喷射系统,可 使油雾更加细化,并可通过增加进入油雾的空气量 而改善油气混合.由此可获得近于均质的贫燃油气 42客车技术与研究第26卷 混合物,从而使燃烧性能明显改善. 薹 舞 NOxg/h 图4燃浇涡流的影响 (1)喷射系统.在增压中冷柴油机中,共轨式高 压喷射系统特别有助于减少其低速时的黑烟排放. 同时,通过增加发动机低速扭矩,还可改善汽车的动 力性和燃油经济性,如图5所示. 薹liI 羹奏{ 012345 图5过量空气系数的影响 (2)喷油定时.喷油延迟是降低NOx的有效手 段,但会使颗粒排放增加.另一方面,高压喷射可以 降低颗粒排放,但是NOx排放增加.因此,要是有一 种能够单独控制喷射定时和喷射压力的喷油系统, 就可以综合解决这些矛盾.实际上,高压喷射会伴随 动力损失增大和发动机噪声增加的情况,必须加以 克服. (3)引燃喷射.引燃喷射是优化燃烧过程来降 低NOx排放的方法之一.未采用引燃喷射时,一旦 不稳定性达到极限,喷油延时就会引发CO和黑烟 迅速增加.采用引燃喷射,就可以避免此情况,同时 可以进一步延迟主喷射. (4)多级喷射.与普通喷射相比,后期喷射的燃 油对正在进行的燃烧起到一种扰动作用,将促进燃 烧后期的混合气形成及加速燃烧,因而燃烧压力提 高,燃烧持续期缩短,碳烟排放降低.它具有可同时 降低NOx,烟度和燃油油耗率的可能性. 4新的燃烧概念 近来,一些研究人员提出一种新的燃烧概念,即 预混合均质贫柴油燃烧,这种燃烧具有大幅度降低 NOx排放的可能. (1)UNIBUS燃烧方式].丰田公司于1995年 发明了一种被称为UNIBUS(UniformBulkyCorn— bustirmSystem)的均匀高扩散预混合燃烧方法.这 种燃烧方式采用了喷雾锥角为60.的轴针式喷油 器,在燃烧室内形成了一种油束贯穿距离小,喷雾范 围大,油粒细而均匀的燃油喷雾;同时为降低No 而大幅度提前喷油时间,以便在着火前使燃油有充 分的蒸发混合时间,形成均质的稀混合气.如图6所 示. 图6用于UNIBUS燃烧的喷油器 图7为UNIBUS燃烧系统的排放特性和平均 指示压力.随喷油提前角的增大,NO和碳烟的排 放急剧减少,同时HC排放和功率输出(平均有效压 力P)明显恶化,但在喷油提前角为上止点前50. (CA)左右时,NO和碳烟的排放都接近于0,而这 时的HC和p并没有恶化太多.由此说明,采用预 混合稀燃方式有可能大幅度改善柴油机的Nox和 碳烟的排放.当然,上述实验结果是在较小负荷下得 到的,并不是在所有工况下都可以实现;同时,如何 控制着火时间也是一个关键问题. n=1000r/min 4000 2000 O 1O0o Z O \/3 . f ×\ /,,/-.X, 篮 最 馨 300 150 O 啧捆时同(CABTIX;) 1-NO排放;2一碳烟排放;3-HC排放;4-平均有效压力P 图7UNIBUS燃烧的排放特性 (2)MK燃烧方法.日产汽车公司在1996年提 出的MK(ModulatedKinetics)燃烧方法,其核心思 想是低温预混合燃烧,而低温燃烧的目的是为了进 一 步抑制NO的生成. 第4期卢妙环:车用柴油机降低油耗和排放的关键技术43 产生均匀预混合气的主要方法是延长着火滞后 期和加速混合气的形成速度,为此,MK燃烧中大幅 度推迟喷油时间并采用EGR率高达45的排气再 循环.EGR在这里不仅是控制燃烧速率和燃烧温度 以抑制NO产生的对策,而且是控制着火滞后期长 短的手段.采用这些方法后往往会带来燃烧过缓,时 间过长,热效率降低以及HC和sOF(可溶有机馏 分)排放恶化的后果.为此采用燃烧室参数优化,提高进气涡流,降低冷却损失和改进缸内j昆合气流动 等方法来弥补. 图8给出了燃烧的主要实现方法及排放降低效 果.通过采用EGR,混合气中的O含量由21降低 到15,使NO降低了大约6/7,但由此带来碳烟恶 化的后果;将喷油时间由上止点前7.(CABTDC)推 迟到上止点后3.(CAATDC),在NO进一步降低 的同时,碳烟明显改善;通过将进气涡流比SR由3 提高到5以加速混合气的形成手段,加快了后期燃 烧速度,使碳烟进一步降低,HC排改大幅改善.MK 燃烧最终使NOx降低到原机水平的1/12左右,碳 烟由2波许度(BSU)降至几乎为0,HC也降低了 50左右. NO/10 图8MK燃烧的技术路线及降低排放效果 图9是MK燃烧过程的示功图(a)及燃烧放热 率(b).原机的放热率呈现出一般DI(直喷)柴油机 固有的特点,即初期放热率又陡又高,并可区分出前 期的预混合燃烧和后期的扩散燃烧(以C点为分 界).MK燃烧由于推迟喷油和EGR的阻燃作用,在 上止点后10.CA才开始着火,放热率上升较缓,且 峰值也明显降低.这就使得MK燃烧的示功图呈现 出双峰形状,第二个峰值才使燃烧放热引起压力升 高,最高燃烧压力仅有4MPa左右,明显低于普通 发动机的7MPa.这不仅抑制了NOx的生成,也使 燃烧噪声显着降低.由于缸内混合气形成较快,整个 燃烧持续期并未拖长,因而可避免热效率恶化.同 时,MK燃烧时的放热率曲线形状接近正三角形,与 一 般汽油机的放热率曲线形状接近. /l }\l/ .HK ^ kTDc 曲轴转角(CAATDC)曲轴转角(CAATDC) (a)示功图(b)燃烧放热事 图9MK燃烧的不功图及燃烧放热翠 另外,由缸内燃烧过程的高速摄影也可看出, MK燃烧火焰呈现出透明度高,亮度低以及颜色均 匀的特点,基本不出现一般柴油机中由碳粒造成的 明亮火焰.这就证明了MK燃烧过程基本不产生碳 烟,混合气浓度分布均匀,燃烧温度低,基本接近预 混合燃烧的初始设想. MK燃烧方式已被日产公司应用在1998年推 出的YD25DDT柴油发动机(110kW,4000r/min) 上,并达到了日本的长期排放法规和欧?排放法规 所要求的限值. 5结束语 另外,排气再循环对于汽油机和柴油机而言都 是降低NO排放的一项有效技术.尽管排气再循环 由于会使颗粒和烟气排放增加,发动机耐久性降低 而影响了其在柴油机上的使用率,但由于其能降低 NO以及未来排放法规对NOx的限制更加严格, 因此排气再循环仍为一项降NOx的候选对策.采用 废气再循环会付出增加一点油耗率的代价. 参考文献: [1]崔心存.现代汽车新技术[M].北京:人民交通出版 社.2001 [2]杨妙梁.汽车发动机与环境保护IN].北京:中国物 资出版社,2001 [3]王建昕,傅立新,黎维彬.汽车排气污染治理及催化转 化器EM].北京:化学工业出版社,2001 修改稿日期:2004—06一lO