匹配EGR和二级增压系统的柴油机性能仿真

为满足未来日益严格的排放法规要求,采用EGR和带有中冷的二级增压相结合的技术可有效降低NOx的排放.针对某6缸柴油机设计了两种不同的二级增压方案,第1种压比分配为高压级∶低压级为4∶6,第2种为高压级∶低压级为6∶4,并在各工况点对两种方案进行了EGR率和放气阀开度优化仿真计算.计算结果表明,采用EGR的二级增压系统较...     

机车柴油机现代技术与发展

介绍了机车柴油机行程缸径比、平均有效压力、活塞平均速度、燃油喷射技术及增压技术等的现状,并论述了国外在降低燃油消耗率、降低废气排放、提高耐疲劳寿命、开发代用燃料等方面的发展趋势,同时找出我国机车柴油机在燃油喷射系统、增压系统等与国外的差距.     

涡轮增压柴油机米勒循环分析及优化

米勒循环是降低柴油机NOx排放的有效措施.现建立涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型.研究了几何压缩比、有效压缩比、空燃比、涡轮增压器效率等对发动机性能的影响规律.考虑到实际发动机的爆发压力和NOx排放限制,对发动机的性能进行了优化设计.研究结果表明,只有进行参数优化匹配且涡轮增压器效率较高时,采用米勒循环才能提高热效...     

减排——对涡轮增压的新挑战

在今天的发动机开发中人们关注的主要焦点是如何满足未来排放法规的要求。这在很大程度上取代了传统的发动机开发的推动因素,诸如功率密度、效率和成本,所有这些因素在整个上世纪90年代已取得重大改进。这个新的焦点自然也对涡轮增压器制造商的开发工作有很大的影响。因为有效压比的积极作用被进气门关闭提前所消化,所以在过去10年中的开发工作已经导致功率密度的提高稍有停滞。在已实施严格的低NOx排放法规的地区,众所周知的发动机效率和低排放之间的折衷,常常需要喷射定时的延迟,这样就会导致发动机效率的损失。预计在不久的将来还将存在进一步降低排放的压力。一个很重要的问题是:这将会阻碍功率密度的进一步提高或针对高增压比水平而开展的开发工作将会充当发动机新一轮发展浪潮的推动力吗?非常高的增压比水平打开了降低循环温度之门,在诸多降低缸内温度的方法中,有一种特别令人感兴趣的方法是采用Miller定时。较低的循环温度不仅可以减少发动机的NOx排放量,而且还可以改善发动机效率和功率密度。对增压空气进行明智的管理也是保证在每种发动机负荷下提供适量空气的需要,并有助于对烟度和颗粒物排放量实行有效控制。ABB涡轮增压器公司在该领域通过与发动机制造商、大学及其他研究机构进行合作,积极开展了各项课题研究。研究结果表明,伴随着Miller方法、废气再循环、共轨或可变喷射压力、长行程等诸多发动机新技术的应用,高压比涡轮增压(单级或多级)的潜力仍然是巨大的。通常,单靠涡轮增压不可能解决所有问题。因此,本文客观地介绍未来实现高压比的多种方案,以满足各种型式和用途发动机的需要。然而,用来评判某个解决方法的适用性的标准在每种情况下都是一样的:低的排放(NOx和颗粒物),增强的工作能力,负荷响应和可靠性。所有这些都会为环境、发动机制造商、终端用户以及涡轮增压器制造商本身带来巨大益处。     

现代化的喷油系统应对未来大功率柴油机排放法规的挑战

能够满足EPA Tier 4最终版排放标准要求的大功率柴油机刚刚投放市场。EPA劣化系数测试和现场验证进展顺利。目前尚无有关其坚固性、可靠性和耐久性的统计结果。据文献报道,目前市场上解决排放问题的方案有:CRS1 800 bar+SCR和CRS 2 200 bar+EGR和DOC。随着燃烧进一步优化,不久将出现共轨系统1 600 bar+SCR+DOC。与EPA Tier 2发动机相比,上述方案均将显著提高成本。EGR和SCR的成本以及冷却和配套要求均使得Tier 4方案的采样变得十分复杂并提高成本。虽然对EPA Tier 4系统的了解还不全面,新的排放标准已经在讨论之中。已经发布了EU Stage 5的提案,其将对PM和NOx的限制更加严格。文章对喷油系统和排气后处理系统的要求进行了概述。大功率发动机用2 200 bar CRS能够达到的怎样的排放标准?这种方案能否满足未来的排放法规要求?文章介绍了喷油系统及其在排放相关负荷点的性能,以及排放与燃油消耗的关联。详细分析了喷油率、喷雾特性以及喷油孔出口的喷雾速度。对一台配有单级和两级涡轮增压器的高速大功率单缸机进行了试验研究。基于重载公路和非公路柴油机的经验,针对未来排放法规,对高速大功率发动机的喷射系统和排气后处理需要达到的条件进行了预测。目前的EU Stage 4和EPA Tier 4重载非公路应用(560 k W)所能达到的标准接近于未来的LE(560 kW)EU Stage 5限值。EU Stage 4为0.4 g/(kWh)NOx和0.02 g/(kWh)PM。当前的公路排放标准处于类似的水平,但附加有PM限值,并已在进行运行测试。现有的重载方案和现有的大功率发动机的业绩为LE EU Stage 5排放达标所可能采取的技术提供了依据。在成本、配套性和结构复杂性方面影响较小的方案是可取的。所有方案必须具有坚固性、可靠性和耐久性。     

未来清洁柴油机的可用部件

现今,柴油机需满足严格的排放标准,这制约了燃油经济性的进一步改善。为了以一种“成本效益”的方法满足未来的排放法规,需要高水平的废气再循环（EGR）。一种以现代增压系统技术提高EGR水平的有效方法是采用低压闭环EGR。讨论了低压闭环EGR的优点及其存在的问题。介绍了可解决这些问题的新部件。此外,还介绍了一些压气机叶轮当前的工艺改进措施,以避免压气机叶轮被吸入的排气损坏。     

柴油机技术的10年回顾

在过去的10年里，柴油机所面临的最重要课题就是降低排放，改善城市的大气环境。针对这一课题，从1998年到2009年，排放法规限值被4次收紧，并且，涡轮增压、燃油喷射系统、废气再循环及排气后处理装置等众多柴油机技术也得到了显着提高。简要介绍10年来柴油机技术的发展。     

通过强力增压空气冷却实现低温燃烧

为使排气后处理系统设计得尽可能小，必须通过发动机内部措施来降低排放。研究了通过降低增压空气温度使发动机原始排放降低的可能性。在选定的全负荷和部分负荷工作点，通过把气门处的新鲜气体温度从50℃降到O℃，研究其对工作过程和有害物排放的影响。全负荷运转时，在通过增压压力修正使燃烧比恒定和不采用废气再循环（EGR）的状态下，且在温度下降的情况下，得出NOx排放下降40％。此时，黑烟只是略微有些变化，从0．2FSN提高至0．25FSN。不过，这种情况下，即使采用EGR也不会使排放进一步下降。在恒定的增压压力时，温度下降同样能促使NOx排放降低。值得一提的是，在这种状况下会使EGR率上升。将2种措施相结合，视工作点的不同可使NOx排放量从11g／（kW．h）下降至3g／（kW．h），     

高功率低燃油耗的新一代蜗壳式增压器

德国HandtmannSystemtechnik公司重新启用蜗壳式增压器的理念,以期通过增压提高汽油机的功率,并对其进行了全面的改进。这一项目的合作伙伴Bertrandt公司对发动机工作过程进行仿真,证实了蜗壳式增压器相比其他增压系统所具有的优越性。介绍了HandtmannSystemtech—nik公司的蜗壳式增压器在发动机缩缸强化理念中的应用。单级和两级蜗壳式增压器适用于汽油机和低排放柴油机。     

进一步提高喷射压力对大功率中速柴油机烟排放的影响

有很多措施能够将NOx排放调整到规定值,诸如冷却排气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)等。然而,使用捕集器降低烟度值却不一样,由于成本、安装控件以及维修方面的原因,其可行性受到质疑。碳烟形成及氧化过程极其复杂,使得烟排放目标的实现比NOx的控制要困难许多。在原理上,碳烟的控制需要配给足够的空气,并需要与蒸发的燃油形成良好的混合。最有效的途径是优化喷油系统,亦即增大喷油压力、实施多级喷射、优化喷嘴几何形状。为了解非常高的喷射压力对烟度的影响,在格拉茨大功率柴油机技术中心(LEC)安装了一套先进的轨压可高达3 000 bar的喷射系统,并配有Bosch喷油器。为定量研究喷射对烟排放的影响,在试验台上以固定转速按螺旋桨运行规律考察了全负荷和部分负荷各工况的运行。试验中,在改变喷射定时和空燃比的情况下,采用了SCR和EGR方法。另外,试验规划法的采用有助于减少试验次数。喷雾和燃烧过程的研究采用了光学设备。为更清晰地了解碳烟的起源以及为了能够对喷射压力高达3 000bar的3D CFD FIRE喷雾模型进行核准,获取了用两色法表示的碳烟浓度曲线。用很高的压力喷射可以获取非常低的烟排放值,其中包括使用EGR的条件。采用试验规划法获取的结果清晰地表达了各参数之间的关系,从而可用来优化整个转速和负荷范围内的数值。可靠的油束碎裂模型可用于进一步的3D CFD FIRE仿真,以探索如何进一步降低碳烟的排放。     

商用车用机电一体化控制的废气再循环阀

全球的排放法规限值日益收紧,为了降低商用车、公路和非公路车辆用发动机的排放,要求采取一些更有效的技术措施。除发动机下游的排气后处理措施外,在轿车柴油机中采用了外部废气再循环（EGR）技术,这对于降低发动机原始排放具有巨大的潜力。因此,Pierburg公司开发出一种重型商用车用的、全电子控制的EGR系统。     

低压废气再循环柴油机对废气涡轮增压器的挑战

行驶动力性好和燃油耗低的柴油机已成为交通运输领域极具吸引力的动力装置。除了成本高外,压燃式柴油机还存在机理性的高氮氧化物和颗粒排放问题。为满足未来排放法规,柴油机面临技术上的挑战。Borg—Warner Turbo＆Emission System公司进行了试验研究和计算,已掌握低压废气再循环（EGR）影响废气涡轮增压器的相关参数,并开发出保护流通零部件的有效措施,从而使可进一步降低柴油机有害物排放的低压EGR系统得到批量使用。     

关于机械式增压器对商用车柴油机的适用性研究

用试验和数值分析方法,对1台商用车柴油机的增压系统进行了研究,该增压系统由1个机械式增压器和1个涡轮增压器组成。通过与涡轮增压器的组合,降低了系统中机械式增压器的机械损失。另外,发现优化的动力总成技术参数还可用于改善车辆的燃油经济性,同时,两级增压系统中的机械式增压器也提高了柴油机的低速扭矩。     

单级顺序增压涡轮增压器——超低排放柴油机的增压新理念

涡轮增压柴油机以超低排放达到了较高的平均有效压力水平。传统涡轮增压器的涡轮与压气机的匹配要达到期望的性能和响应特性变得越来越困难。为了满足排放法规的要求,采用超高水平的废气再循环控制氮氧化物排放,采用柴油颗粒过滤器控制碳烟和颗粒排放。这些技术使涡轮修正流量减少到压气机修正流量的一半,从而使压气机与涡轮的匹配恶化。介绍一种通过改变压气机作功一转速关系来显著改善涡轮性能的新设计理念。通过使用双面压气机叶轮,使压气机的1个叶轮停止工作,从而改善压气机的流量范围。由于压气机的流量范围得到改善,叶轮后弯曲率得以减小,进而改善了高压比能力。与球轴承相结合,该理念会使单级涡轮增压器的涡轮效率改善几十个百分点,压力高、流量范围大、尺寸小的压气机能提供传统结构的涡轮增压器所无法达到的性能水平。     

利用二级增压降低Wrtsil四冲程中速柴油机排放

NOx和CO2的减排要求是促进未来内燃机发展的主要因素。NOx排放可通过使用Miller循环冷却燃烧过程来有效地降低。但是高度Miller循环(进气门提前关闭)需要高增压压力。对此,有效的措施之一就是采用二级增压系统,可使增压压力达到10bar。采用二级增压还可提高发动机效率以及降低CO2排放。发动机效率的提高是采用高效二级增压系统以及通过Miller循环使发动机压缩和膨胀冲程之间实现更佳的比例划分的结果。因此,Miller循环与二级增压系统相结合能使NOx和CO2排放都得到有效降低。为查明进气门关闭(IVC)提前与二级增压系统相结合所蕴含的潜力,采用一维模拟软件进行了研究。为寻求各种负荷下的最佳IVC,还利用可变的IVC系统进行了研究。在Wartsila20型柴油机上进行了二级增压系统样机、极端提前的Miller定时以及短的扫气期的试验。将这些试验结果与模拟结果以及与前期试验(一级增压,压比最高达6.2bar,中度Miller定时)的结果进行了对比。本文还介绍了样机的结构以及目前的发动机为适应增压度的提高以及为增设辅助设施而需要作出的修改。模拟结果以及作出的假定通过试验得到验证。以下几点是在Wartsila...     

利用二级增压降低Wartsila四冲程中速柴油机排放

NOx和CO2的减排要求是促进未来内燃机发展的主要因素。NOx排放可通过使用Miller循环冷却燃烧过程来有效地降低。但是高度Miller循环（进气门提前关闭）需要高增压压力。对此,有效的措施之一就是采用二级增压系统,可使增压压力达到10bar。采用二级增压还可提高发动机效率以及降低CO2排放。发动机效率的提高是采用高效二级增压系统以及通过Miller循环使发动机压缩和膨胀冲程之间实现更佳的比例划分的结果。因此,Miller循环与二级增压系统相结合能使NOx和CO2排放都得到有效降低。为查明进气门关闭（IVC）提前与二级增压系统相结合所蕴含的潜力,采用一维模拟软件进行了研究。为寻求各种负荷下的最佳IVC,还利用可变的IVC系统进行了研究。在Wartsila 20型柴油机上进行了二级增压系统样机、极端提前的Miller定时以及短的扫气期的试验。将这些试验结果与模拟结果以及与前期试验（一级增压,压比最高达6．2bar,中度Miller定时）的结果进行了对比。本文还介绍了样机的结构以及目前的发动机为适应增压度的提高以及为增设辅助设施而需要作出的修改。模拟结果以及作出的假定通过试验得到验证。以下几点是在Wartsila 20型机上通过二级增压技术结合IVC提前技术所得到的结果：①极端提前的Miller定时使NOx排放减少达50％;②燃油消耗率的改进潜力得到证实;③由于高空／燃比使高负荷区热负荷得到改善,但由于进气流量受到限制,使部分负荷性能较差;④负荷承受能力及烟排放性能变差。但可采取可变的进气门关闭（VIC）系统加以解决。     

高速直喷式柴油机在不同废气再循环路线下的瞬态性能

为了满足未来排放法规的要求，各种可供选择的以提高废气再循环（EGR）率的EGR技术路线正受到研究人员的广泛关注，由于稳态排放在不断降低，排放试验运转循环中瞬态部分的排放峰值变得十分重要。因此，需要分析不同EGR技术路线的瞬态性能。对装有冷却式短线EGR和可变截面涡轮增压器的1．9L轿车柴油机采用GT—Power软件进行了1维仿真分析。为了对仿真进行标定，测量了瞬态负荷，包括采用快速二氧化碳分析仪测量瞬态EGR率和气缸压力，以测取放热数据。采集了瞬态燃烧放热率的数据库进行仿真。用瞬态EGR率和进气压力作为选择某一循环正确放热率的判据。     

ABB公司推出Power2涡轮增压技术

ABB Turbocharging公司推出了它的新型Pow-er2二级涡轮增压器和阀控管理技术,以帮助发动机制造商达到NOx排放要求。Power 2二级涡轮增压系统由两台不同调整尺寸的增压器组成,它们的压气机端通过一台中冷器串联在一起(图1)。冷却来自第一台增压器的压     

V型柴油机采用定压和脉冲增压系统对性能影响的比较

在1台高速12缸柴油机提高转速、功率的改进设计过程中,应用性能分析软件AVL-BOOST对该机采用了不同的增压系统及其影响进行了分析计算比较.并以满足功率、油耗、排温及爆发压力等指标要求为目标,并对压缩比、增压压力、排气系统等进行优化,为提高柴油机性能提供综合依据与改进方向.     

商用车柴油机技术的发展

为适应全球市场的需要,日本已确定了2009年之后的轻型车及重型车排放法规。日本的柴油机技术正是伴随排放法规及降低燃油耗要求的不断提高而取得进步的。描述了自然吸气发动机及增压发动机的技术发展动向,介绍了这类发动机采用的新技术和新装置。同时,对柴油机喷油系统及排气后处理装置的技术变迁作了介绍。