节流阀式EGR控制系统技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.53MB 68 页 15积分
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1
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
§1.1 日趋严格的汽车排放法规 .................................................................................1
§1.2 直喷式柴油机有害排放物的控制措施 .............................................................3
§1.3 国内外 EGR 技术的现状及发展分析 ...............................................................7
§1.4 EGR 技术概述 ....................................................................................................8
§1.4.1 定义及特点..................................................................................................8
§1.4.2 EGR 降低 NOx排放的机理 ........................................................................9
§1.5 本论文的主要内容和意义 ............................................................................... 11
第二章 节流阀式 EGR 控制系统设计方案.............................................................12
§2.1 柴油机 EGR 控制系统特点及设计中的问题 .................................................. 12
§2.1.1 柴油机 EGR 控制系统特点........................................................................12
§2.1.2 柴油机 EGR 控制系统设计需考虑的问题................................................14
§2.2 增压柴油机 EGR 系统 ...................................................................................... 15
§2.2.1 使用与涡轮增压器一体的 EGR 系统......................................................15
§2.2.2 采用进气节流阀结构的 EGR 系统..........................................................16
§2.2.3 废气与空气混合后同时增压的 EGR 系统..............................................16
§2.2.4 带有文丘里管混合器的 EGR 系统..........................................................17
§2.3 节流阀式 EGR 控制系统设计方案 .................................................................17
§2.3.1 EGR 废气流动路线...................................................................................17
§2.3.2 再循环废气的逆行动力方式....................................................................19
§2.3.3 EGR 冷却系统的种类和选取...................................................................20
§2.3.4 节流阀式 EGR 控制系统设计方案..........................................................20
§2.4 本章小结 ...........................................................................................................27
第三章 EGR 率标定系统开发....................................................................................28
§3.1 节流阀位置标定系统组成及功能 .................................................................... 28
§3.2 EGR 率标定系统硬件设计 ..............................................................................29
§3.3 EGR 率标定系统软件设计 ..............................................................................32
§3.4 本章小结 ............................................................................................................ 39
第四章 节流阀式 EGR 电控系统设计.......................................................................40
2
§4.1 EGR 电控系统硬件设计 ..................................................................................40
§4.2 EGR 电控系统软件设计 ..................................................................................44
§4.3 本章小结 ...........................................................................................................52
第五章 节流阀式 EGR 控制系统评定.........................................................................53
§5.1 柴油机 EGR 率测试 .........................................................................................54
§5.1.1 柴油机基本参数........................................................................................54
§5.1.2 试验用油及试验方法................................................................................54
§5.1.3 试验工况....................................................................................................55
§5.2 节流阀式 EGR 控制系统评定 .........................................................................56
§5.2.1 最佳 EGR 率的优选..................................................................................56
§5.2.2 柴油机十三工况排放及控制效果评定....................................................58
§5.3 本章小结 ...........................................................................................................61
第六章 总结与展望.......................................................................................................62
§6.1 全文总结 ...........................................................................................................62
§6.2 工作展望 ...........................................................................................................63
参考文献.........................................................................................................................64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................67
致 谢.............................................................................................................................68
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 日趋严格的汽车排放法规
增压直喷柴油机以其优良的经济性和动力性受到用户的普遍关注，柴油机的
油耗及 CO2排放量可比同排量的汽油机低 30%~35%，仅从 CO2排放性能和经济性
能方面的优点来看，柴油机相比于汽油机具有更广泛的应用前景[1]。目前，欧美和
日本等发达国家的大、中型载重汽车基本柴油机化。近年来随着柴油机增压技术
发展，柴油机的升功率达到了汽油机水平，从而大大改善了柴油机的动力性，因
此在轿车和轻型车上也开始逐步应用柴油机。由于直喷式柴油机在保持其良好的
经济性的同时，提高了升功率，优化了燃烧过程，改善了排放特性，世界范围内
汽车柴油机化将在各种车型上继续发展 [2, 3]。
随着汽车工业的飞速发展，汽车保有量急剧增加，汽车排放问题受到极大关
注。美国、欧洲和日本等发达国家相继颁布了愈来愈严格的排放法规，载重车用
柴油机的排放限制指标见表 1-1～表 1-2[4, 5]。欧美的排放限值代表了世界排放控制
的发展趋势和前沿水平。以欧洲标准为例，从 1992 年的欧Ⅰ标准到 2008 年的欧
Ⅴ标准，其排放控制法规限值的发展极为迅速并极为严格。欧美的排放限值基本
上代表了世界上排放控制的总发展趋势。从表 1-1～表 1-2 中可以看出，载重车用
柴油机排放限值逐年加严，特别是体现在 NOx和PT 的控制上，因此柴油机排放控
制是二十一世纪汽车柴油机化的核心问题。
表1-1 美国载重车用柴油机的排放限值 [g/kW.h]
生效日期
测试循环
CO
THC
NOx
PT
1994
EPA
20.8
1.74
6.71
0.134
1998
EPA
20.8
1.74
5.36
0.134
2004
EPA
20.8
NMHC+ NOx=3.30
0.134
2007
EPA
20.8
NMHC+ NOx=0.80
0.027
我国自行研制开发的中型载货车用柴油机在结构设计、燃油经济性、噪声等
方面还比较落后，特别是在排放控制方面同国外差距更大。我国在 1996 年7月召
开了柴油机及柴油机排放物控制法规研讨会，会上对柴油车和柴油机排放做出了
明确规定，自 1997 年10 月1日起，对柴油机的 CO、HC、NOx排放制定正式限
值，如不合格便不准进入市场，并对 PT 排放提出参考性限值，作为生产厂家的努
力目标，还规定从 1997 年10 月起实行过渡标准，2000 年1月1日起实行欧Ⅰ标
准，表 1-3 为我国的柴油机限值标准（按 ECE R49 十三工况实验循环进行测试）。
节流阀式 EGR 控制系统技术研究
2
表1-2 欧洲载重车用柴油机的排放限值 [g/kW.h]
排
放
标
准
测试
循环
实施
年份
排放限值
CO
HC
NMHC
CH4
NOx
PT
欧
Ⅰ
ECE
R49
1992
4.5
1.1
----
----
8.0
0.36
0.61
①
欧
Ⅱ
ECE
R49
1996
4.0
1.1
----
----
7.0
0.15
0.25
②
欧
Ⅲ
ESC
2000
2.1
0.66
----
----
5.0
0.10
0.13
1
m
ETC
2000
5.45
----
0.78
1.6
5.0
0.16
0.21
②
欧
Ⅳ
2005
1.5
0.46
3.5
0.02
1
m
欧
Ⅴ
2008
1.5
0.46
2.0
0.02
1
m
表1-3 我国载重车用柴油机的排放限值 [g/kW.h]
标准
实施日期
实验类型
CO
HC
NOx
PT
Pe85kW
Pe85kW
国 Ⅰ
2000.1.1
型式认证
4.5
1.1
8.0
0.61
0.36
2001.10.1
产品一致性
4.9
1.23
9.0
0.68
0.40
国 Ⅱ
2004.1.1
型式认证
4.0
1.1
7.0
0.15
2005.10.1
产品一致性
4.0
1.1
7.0
0.15
国 Ⅲ
2008
2.1
0.66
5.0
0.1
由此可以看出，我国载重车用柴油机开始从单纯烟度控制发展到气态污染物
与微粒排放的综合控制，引入了欧洲排放法规制定我国的排放控制标准标志着我
国的载重车用柴油机排放控制工作已步入正轨，必将大大促进各柴油机生产厂家
投入力量开展柴油机排放控制工作。同样的限值标准，我国执行年限要比欧洲晚
十年，这也从另一侧面反映出我国柴油机排放控制工作还很落后，需从根本上采
取有效措施控制排放，使我国柴油机发展水平同国际接轨[6]。
第一章 绪 论
3
§1.2 直喷式柴油机有害排放物的控制措施
柴油机排出的 NOx有害气体和碳烟数量一直居高不下，是阻碍其进一步推广
应用的一个主要原因。从总体上来说，柴油机尾气排放中的主要污染物为 CO、HC、
NOx和PT。与同类型的汽油机相比，由于柴油机的混合气较稀，使得 CO 和HC
的排放量一般比汽油机低得多，但柴油机的 NOx排放较高，潜在的有害 PT 排放量
很大，PT 排放比汽油机高数十倍。因此 NOx和PT 排放成为柴油机亟待解决的两
大主要污染物，其生成机理与生成环境又基本上相反，二者之间存在着折衷关系，
这成为柴油机排放控制所面临的主要技术难题[7]。
减少发动机 NOx排放的措施及其相应的技术见表 1-4 所示。减少 NOx的方法
可分为两种，一种是抑制它的生成，二是对排出的 NOx进行后处理。在发动机燃
烧室内 NOx的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的控制。因此，为了减少 NOx
的生成，就要采取使燃烧室内温度降低和降低氧浓度的方法。降低燃烧温度的方
法有推迟喷油、冷却进气、废气再循环等。此外，控制喷射率、采用小喷口喷嘴、
延长喷射时间、引燃喷射、提高压缩比使着火滞后、减少快速预混合燃烧的比例
等方法对减少 NOx的排放也是有效的。采用 EGR 降低 NOx排放是提高降低燃烧室
内温度和氧浓度来完成的[8, 9]。
后处理的典型方法是采用 NOx催化净化剂，目前常使用氨、尿素作还原剂等
等。此外，还在研究不采用催化剂而采用氨基酸直接还原的方法，以及用等离子
分解 NOx的方法等。但是，柴油发动机往往是在高负荷下长时间工作，要求有高
的可靠性和耐久性，因此开发耐用的后处理装置极为困难。柴油机空燃比大，含
有大量的氧，从原理上难以使用三元催化剂。
以往控制 NOx的传统方法是采用增压中冷和推迟喷油起始点，但迟后喷油会
使燃油经济性恶化，直接影响到车主的利益，并导致 CO2排放增加，因此这种措
施最终也会被放弃。所以任何降低 NOx排放的策略必须保持目前占优势的直喷式
柴油机的效率。
PT 由炭、可溶性有机物（SOF）、燃料中的硫份生成的硫酸盐及其结合水构成。
硫酸盐的形成基于燃料中的硫份，所以在发动机方面就必须采用措施减少烟灰等
炭素物质，首先是抑制它的生成，一旦生成了炭灰，在燃烧后期使其氧化是非常
重要的。为使以上的设想成为现实，应使燃料或生成的炭灰与空气充分混合，具
体的方法可通过增压和多气门技术增加吸入的空气量，采用小喷孔喷嘴和增加向
油雾内导入的空气量，缩小燃烧室内的无效容积提高空气利用率、采用高压喷射
和改进燃烧室形状从而加强紊流的形成等等。此外，喷油嘴布置在燃烧室的中心，
节流阀式 EGR 控制系统技术研究
4
使燃料均匀分散，不产生局部过浓的部位，对抑制 PT 的产生也是有效的。SOF 是
由未燃烧的燃料和润滑油产生的一些成分构成的。对源于燃料的成分采取减少在
燃烧室上的燃料附着量和降低喷射喷嘴的尾滴等措施来解决。对源于润滑油的成
分主要采取改进活塞环、缸套，减少润滑油消耗量的措施来解决[10]。
PT 的后处理方法主要是采用消除 SOF 的氧化型催化剂及捕集微粒再加以焚烧
的DPF（柴油机微粒捕集器 Diesel Particulate Filter）。催化剂要解决的问题是抑制
燃料中的硫份所产生的硫酸盐，对于 DPF 所要解决的问题是捕集器的再生方法及
其耐久性和可靠性。具体减少 PT 排放的控制措施见表 1-5。
表1-4 控制 NOx排放的技术措施
减少
NOx
减少排放的措施
减少排放的技术
抑制生成
降低燃烧温度
推迟喷油
控制喷射时间
控制喷射率波形
控制燃烧率
引燃喷射
小喷口喷嘴
高压缩比
进气冷却
中冷器
添加非活性物质
EGR
水喷射
降低氧浓度
添加非活性物质
EGR
水喷射
消除生成区
控制稀薄混合气区
控制涡流
喷嘴中心布置
后处理
化学处理
催化剂
还原催化剂
分解催化剂
其它
氨基酸
氨化合物
电化学处理
电化学处理
等离子处理
众所周知，柴油机的排放与燃料的性质有密切的关系。近几年，随着对排放
限制越来越严格，除改进发动机本身减少排放外，在燃料方面也有必要采取措施。
从燃料方面采取的一些措施见表 1-6。
摘要：

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