汽车柴油机涡轮增压与排放控制

汽车柴油机涡轮增压与排放控制 汽车柴油机涡轮增压与排放控制

newmaker 1.前言 柴油机废气涡轮增压技术自问世以来已有90余年历史。早期废气涡轮增压的主要目的是改善发动机的动力性。至今，废气涡轮增压仍是提高柴油机功率、减轻单位功率质量、减小外形尺寸、降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一。 经过不断的改进和提高，先进的涡轮增压器以其优良的性能和较低的价格愈来愈被广泛应用。涡轮增压器已广泛用于轿车；轻、中、重型汽车；工程机械；农业机械；工业和航空等领域。近二十年来，随着人们环境保护意识的增强，对汽车尾气排放的限制越来越严。为满足不断加严的排放法规的要求，许多新的发动机技术被采用。然而，废气涡轮增压技术在降低柴油机排放方面又发挥了十分重要的作用。涡轮增压中冷技术既是减少柴油机排放的有效措施，又可消除某些排放控制技术对动力性和经济性产生的负面影响。废气涡轮增压是汽车柴油机的一项重要技术，它促进了柴油技术的发展，并将为汽车柴油机的发展开拓更加广阔的前景。 2.汽车柴油机涡轮增压技术的发展 由于柴油机优良的动力性和经济性，目前，国内外重型汽车全部采用柴油机作为动力，并且绝大多数采用了涡轮增压技术或涡轮增压中冷技术；原来以汽油机动力为主的轻型汽车和轿车也有明显的柴油化趋势。在欧洲，柴油轿车市场的发展迅速。据预测，到2000年，欧洲柴油轿车销售量占整个轿车销售量的30%；采用涡轮增压的柴油轿车将超过300万辆，约占柴油轿车的83%。 促进重型汽车柴油机发展的主要因素有功率密度、燃油经济性和环境保护。涡轮增压进气中冷技术能显著提高功率密度、降低排放和改善燃油消耗率。与1980年以前的机型相比，现今的重型汽车柴油机的功率密度提高了100%，燃油消耗率改善了16%，NOX和微粒物的排放分别降低了80%和90%。图1为重型汽车柴油机功率密度、燃油消耗率和降低排放的发展趋势。

促进轿车柴油机发展的主要因素是排放、功率密度、性能、噪声和燃油经济性。图2为轿车柴油机功率密度、燃油经济性能的发展趋势。 轿车柴油机技术发展已趋成熟，其功率密度和转矩已与轿车汽油机相当；柴油机的动力性和环境性(排放和噪声)与汽油机的性能也不差上下。例如，最近大众汽车公司推出的3升路波TDI轿车柴油机，采用了涡轮增压、进气中冷、直接喷射、泵喷嘴、可变喷嘴涡轮等先进技术，燃油经济性可以达到100km燃油消耗2.99L；该车还采用了初级催化、主催化和废气再循环等技术，其排放指标可以达到欧洲Ⅳ标准；该机是目前世界上唯一能达到这两项指标的轿车发动机。 3.涡轮增压与排放控制技术 具有代表性的国际三大排放体系(欧洲、美国、日本)分别制定了分阶段的汽车柴油机的排放限值。虽然三个排放法规体系采用了各自的测试方法和阶段限值，但不断加严的趋势是一致的。 为满足越来越严的排放法规要求，必须提高燃料质量和采用先进的发动机技术。要达到各阶段排放限值需有相应的发动机技术作保证。图3和图4分别为满足欧洲轿车、重型汽车不同阶段排放限值的技术措施的实例。由图可知，对于各型柴油车，既要稳定达到高于欧洲Ⅰ的排放标准，又要保证汽车柴油机优良的动力和燃油经济性，必须采用废气涡轮增压及中冷技术。对应于不同的排放限值阶段，除了采用其他先进技术，诸如高压喷射、多气门技术、泵喷嘴、EGR、预喷射、电控喷射、De-NOX催化器等技术外，各阶段都对应一定的增压技术的改进和提高。 4.涡轮增压及中冷技术对排放的影响 柴油机增压时，空气被压缩，温度与压力同时提高，如果不采用中冷，进入气缸的空气密度为： 式中：ηad,k--压气机绝热效率； π=Pk/P1--增压压比。 增压加中冷时，空气的密度为： 由以上两式可见，未采用中冷时，进气密度受压气机绝热效率的限制；当柴油机高增压时，增压压比大，应同时采用中冷技术，以提高进气密度。 汽车柴油机的排放污染物主要有CO、HC、NOX和微粒物，此外，由于温室效应引起全球变暖的问题，CO2的排放量也受到限制。 a)一氧化碳(CO)。柴油机中CO是燃料不完全燃烧的产物，主要是在局部缺氧或低温下形成的。由于柴油机在过量空气系数α>1下燃烧的特点，汽车柴油机的CO排放较低。采用涡轮增压后，可供燃烧的空气增多，并且增压发动机大多数工况负荷较大，发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。 b)碳氢化合物(HC)。柴油机排气中的HC是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中间化合物所组成；小部分HC是由润滑油生成的。增压时，由于进气密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，HC减少；增压还使柴油机燃烧整个循环的平均介质温度升高，氧化反应速率大，未燃HC排放降低。 c)氮氧化物(NOX)。柴油机中氮氧化物的主要成分NO的生成取决于氧的浓度、温度及反应时间等。降低NO的措施是以降低火焰温度、氧浓度及高温下停留时间为目标。 对于现有的自然吸气柴油机，如果只简单采用增压措施，可能会因为过量空气系数增大和燃烧温度的升高而导致NOX增加。实际应用中，柴油机增压时采用减小压缩比、推迟喷油定时等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度；推迟喷油定时，可以缩短滞燃期，减少油束稀薄火焰区的燃料蒸发和混合，降低最高燃烧温度。为减少喷油定时导致的后燃期过长的问题，须增大供油速率，缩短喷油时间，以加快燃烧速率，缩短燃烧时间。 废气再循环EGR是降低NOX排放的一种有效措施。引入热容量较高的废气成分与新气混合，可以降低最高燃烧温度；同时，废气对新鲜混合气的稀释作用，减小了氧的浓度，达到降低NOX的目的。根据柴油机燃烧理论，降低NOX的生成浓度的措施将会影响燃烧效率、增加燃油消耗、降低动力性能。增压柴油机在燃油经济性和动力性能上的改善，可以使汽车柴油机在降低NO2的同时，保持良好的燃油经济性和动力性。 采用进气中冷技术降低进气温度，可降低增压柴油机NOX排放；特别采用先进的空--空中冷后，可进一步降低进气充量的温度。进气充量温度降低，燃烧温度可以得到有效控制，有利于NOX的减少。如图5所示，随着中冷后的进气温度的降低，NOX和燃油消耗率都有所改善。 试验数据表明，增压中冷柴油机中NOX排放物可以降低60%。 d)微粒物(PM)。影响柴油机微粒物生成的原因较复杂，其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。此外，柴油机机内净化降低NOX的措施通常会带来PM增加。增压柴油机，特别是采用高增压压比和空--空中冷技术后，可显著增大进气密度，增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、共轨电控喷射、低排放燃烧室和中心喷嘴四气阀技术，并提高燃油雾化质量，改善燃烧过程，则可有效地控制PM排放。试验数据表明，采用增压中冷技术的柴油机可降低PM排放约45%。在大负荷区，与微粒物排放密切相关的可见污染物排放，也随着柴油机增压压力比的增大而显著下降，如图6。

e)燃油经济性及二氧化碳(CO2)。增压柴油机的燃油经济性改善得利于废气能量的利用和燃烧效率的提高；另外，增压柴油机的平均有效压力增加，发动机的摩擦损失增加相对较小，且没有任何进气损失，因而机械效率提高；增压柴油机的质量密度大，同样功率的柴油机可以做得更小、更轻，整车质量可以减小，也有利于燃油经济性的改善。柴油机的燃油经济性与进气密度有一定关系，因此，高增压柴油机采用进气中冷技术降低进气温度、提高进气密度能改善燃油经济性，如图7所示。 欧洲轿车柴油化的重要原因之一是柴油轿车的运行费低，增压直喷柴油机的优势更为突出，直喷式柴油机的运行费仅为轿车汽油机的47%，直喷汽油机的56%。 CO2是导致全球环境温度上升的主要温室效应气体之一，发达国家已达成共识降低CO2的排放量。欧洲国家在2005年要削减25%的CO2排放量。欧洲把汽车柴油化作为减少CO2排放的重要途径之一。德国大众3升路波车100km CO2排放量为81g，低于德国政府规定的100km CO2排放90g的目标值。试验数据表明，采用涡轮增压和中冷技术可降低CO215%-20%。 f)少的燃油消耗意味着更多的清洁空气。采用涡轮增压柴油机作动力的汽车具有良好的燃油经济性。汽车柴油化可以减少汽车燃料消耗总量。较小的燃油消耗量可消耗的新鲜空气量少，汽车有害污染物排放的总量也下降。 5.涡轮增压技术的发展趋势 促进涡轮增压技术发展的主要因素是增大发动机输出功率、提高发动机低速转矩、加快瞬态响应速度、降低排放有害物和改善燃油经济性。增压器的技术关键是改善涡轮和压气机的效率，拓宽工作范围、提高增压压比、降低轴承系统的损失和提高稳定性及耐久性。 汽车柴油机增压器的新技术包括：可变喷嘴涡轮VNT、铁铝合金、滚动轴承、可擦涂层、混流式涡轮、电子控制执行器总成、电控涡轮复合式发动机等。 进一步改善增压器效率必须提高峰值效率，并考虑非设计工况效率的提高对发动机性能的影响。采用改进轴承和先进的可擦涂层技术是有效的技术措施。试验表明，涡轮增压器压气机室涂复聚酯可擦涂层，涡轮壳室涂复一种镍铝石墨材料可擦涂层的小型增压器的效率可以提高7%-8%；采用滚动轴承可以提高涡轮低转速的效率约10%。 采用可调喷嘴增压器VNT可以提高发动机低速进气压力而不增加发动机背压。VNT可进一步改善涡轮的响应特性，提高涡轮效率、拓宽流量范围。与旁通式增压器相比，采用先进的可调喷嘴增压器性能可以得到进一步提高，功率密度增大，具有更好的燃油经济性和更低的排放水平；油耗可降低2%-5%，低速烟度可降低，发动机转矩显著增加。 采用轻质的铁铝合金，可以减小涡轮转动惯量，改善响应特性。与陶瓷材料相比，铁铝合金材料便宜60%，而且比陶资涡轮具有较高的抗击碎强度。 此外，混流式涡轮可进一步提高涡轮的效率；电子控制执行器总成可更精确地完成对增压器的控制；对于高增压的柴油机，采用电控涡轮复合增压式可回收废气中多余的能量作为动力输出。 6.结语 废气涡轮增压中冷技术的应用大大提高了汽车柴油机的动力性、改善了燃油经济性，并且还在降低汽车排放有害物、减少温室效应气CO2、保护环境等方面起到了重要作用。为使汽车柴油机满足欧洲Ⅰ、Ⅱ法规，涡轮增压中冷技术是一个很好的技术方案；为满足更高的排放法规