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满足未来非道路用发动机排放法规的
技术策略的开发!
*+,-../01,2*3456
(7850-9:咨询工程师有限公司,英国)
摘要:回顾了发动机制造商为遵守未来非道路发动机排放法规而可以采取的有效措施.对最经济有效的一些
技术方案进行了分析和讨论.此外,还对非道路发动机更长期的开发中可能采用的技术方案进行了评价.
关键词:;8.-)标准;;8.-&标准;废气再循环;&'! %@@@文献标识码:A
!@引@言
全球的发动机制造商正在寻找统一的排放法
规,以至于能够对每一台发动机的制造只是进行
单个的改变.目前,对于未来的非道路排放标准
;8.-)和;8.-&来说,这种要求占有主导地位,如表
!所示.在;8.-)标准中,颗粒BC限值将继续保
持与;8.-'相同的水平.而;8.-&中,所建立的标
表!@;8.-)和;8.-&建议的排放限值(美国)
标@准实施时间
功率范围
DE
排放限值FG(DE 6)$!
HI!JHC*22IBC
;8.-!
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第&期(总第!!'期)@@@@@@@@@@@@@现代车用动力@@@@@@@@@@@@@H: &(P.-80QH: !!')
@'(()年!!月@@@@@@@@@@@@@CI+<7HR<*S2T<BIE==1%56#A8)技术,并使用
了为道路用发动机而开发的技术.在此主要关注
的是功率小于*; +,的发动机.
对于功率在*; +,以上的发动机,采用的方
法通常与道路卡车用发动机相似,即应用嘴端喷
射压力高(C 9(( DE.)的燃油喷射系统(FGH),而
且在适当场合还应用废气再循环技术(HIJ).
对功率在'* +, ) *; +,的发动机,可用增
压中冷(#A8)技术,改进燃油喷射系统和HIJ来
减小发动机的尺寸.
传统的降低排放的方法如下:
""减少颗粒(KA和碳烟)排放的方法———通过
改善混合燃烧来减少碳烟生成.即使用较小的喷
孔以获得较小的雾滴和更快的蒸发,使用较高的
喷射压力以缩短喷油持续时间,提高喷油能量并
降低进气涡流比.
""减少7L!排放的方法———缩短冲量在高温
下的停留时间,降低缸内燃烧温度.最典型的方
法就是推迟喷油正时,中冷和HIJ.
为了使得在采用常规的单体泵或直列泵时能
够达到#$%&'标准中7L!的排放限值,必须将喷
油定时推迟到足够迟,此时冷起动后的碳烟和
KA排放将是不能接受的.这再次说明改进燃油
喷射系统能力的必要性.
'"燃油喷射技术
燃油喷射技术是各类柴油机达到低排放的关
键可行技术.
在较高的功率范围内,电控泵喷嘴(HMG)或
电控单体泵(HME)在额定功率时的喷射压力可达
!(( DE.(图9).由于HMG系统的喷射压力随转
速下降而下降,因此实现多次喷射的能力受到限
制.而共轨系统则在整个转速范围内都能够提供
较高的压力,因此有能力实现多次喷射.
图9"共轨系统和电控泵喷嘴系统HMG
喷射压力之比较
虽然HMG和共轨系统的最高喷射压力不相
同,但是由于在喷射期间压力特性相异,它们在发
动机高转速时却有相似的平均有效喷射压力
(DHGE).较高输出功率的非道路发动机可以直
接利用HMG N HME技术来替代,这种技术原来是为
道路卡车发动机而开发的,采用两个电磁阀来控
制回油和针阀运动.
由于这种设计提高了整个转速范围内高负荷
工况下的喷射压力(至!(( DE.)加上能够采用多
次喷射,结果可以显著地降低排放.这也使HIJ
的许用量得到改善,以至即使在中等负荷工况下,
为实现低7L!排放而采用高HIJ率时也可以使
碳烟降低达O( P.图!说明在中等负荷,中等转
图!"双阀电控泵喷嘴对降低排放的能力
!现代车用动力" " " " " " " " " " " " " " " !(('年第:期"
万方数据
速时,采用双电磁阀的电控泵喷嘴系统! "#$系
统所具有的对排放的改进潜力[%].
目前,共轨燃油喷射系统能够提供高达%&'
()*的轨道压力和多次喷射能力[+].尽管根据
经验采用单次喷射也能够达到,-./0标准所建议
的)(限值(见图0),但是经验告诉我们,采用预
喷射和后喷射在能改善油耗的同时,还可以进一
步改善12!3碳烟的关系.在全负荷工况,只需采
用单次喷射或加上一次预喷即可,而在中等负荷
工况采用后喷是有益的,在小负荷工况则需要采
用预喷和后喷,预喷有助于控制小负荷时的失火
现象.这种喷射策略已经在重型和轻型发动机上
得到验证.
图04 56 78 9 %0' 78共轨发动机采用单次
喷射策略无"#$时)(及燃油消耗率
与12!的关系
对于小型发动机(: 05 78)而言,每个泵的
压力及正时控制的局限性依然是个问题.尽管对
于每个柱塞泵而言都可以获得高达%'' ()*的嘴
端喷射压力,但是如果不采用电控,正时控制会受
到限制.根据; %标准循环,在中等负
荷时从工况%到工况0将喷射正时延迟6@是较为
理想的,而在小负荷时从工况0到工况A则要求
喷射正时提前6@,而为了能在标定功率时使用最
大的提前正时要求从最大扭矩工况到标定工况有
+@的速度提前角.燃油喷射系统制造商可以用在
顶端带螺旋槽的柱塞来实现所要求的与负荷有关
的正时,而用顶部有凹槽或第+回油口的柱塞来
实现所要求的与转速有关的正时,但是这两种效
果的互相作用,给正时和扭矩曲线形状的控制带
来一些问题.因此可以推论,自然吸气的直喷式
发动机要满足表%中颗粒的限值是很困难的.
A4功率小于05 78的非直喷式发动机
对非直喷式发动机来说,配置低压燃油喷射
系统便能够达到较低的颗粒和12!排放,因此是
一种费用低廉的选择方案.
图A表示典型的自然吸气式直喷式发动机和
非直喷式发动机之间的对比,此处所讨论的非直
喷式发动机的功率范围在05 78 9 5678,排放接
近,-./0标准.非直喷式发动机只需要较低压力
的燃油喷射系统(嘴端压力在0' ()* 9 A' ()*),
不需要进气涡流,能够较好的利用缸内空气,空燃
比(BC$)可小到+' D %.喷油正时最好随转速提
前的情况下在小负荷时提前.除了在一些扭矩目
标上需做些折中考虑外,将正时固定也是可以的.
非直喷技术为小至= 78以下的发动机提供了一
个经济有效的解决方案.当要求采用手动起动
时,对预燃室系统进行改进可能是大有裨益的.
图A4无"#$,低排放非直喷与直喷式发
动机的比较
64柴油机的小型化技术
小型化的含义就是指用排量在% E 9 + E之
间,比功率很高的增压中冷发动机代替A E以下
的自然吸气发动机.图6是$-F*/GH公司在一台
排量为%I 0 E,功率为A6 78,转速为0 ''' / 3 J-K
的发动机上得到的研究结果.由图可见,采用单
次喷射策略的共轨燃油喷射系统是能够满足很低
的)(和12!排放要求的.这个成果可以应用到
功率在05 78 9 56 78一组中较高功率的发动机
上,关键问题是这种改进的发动机,燃油系统和增
压中冷系统的成本相对于在现有的自然吸气式发
动机上加上较高喷射压力的燃油系统后成本的增
加.然而,最近在一台叉式起重车上配置%I L E
A缸车用发动机(装备E-KG.机械的大众发动机)
04 +''0年第A期4 4 4 4 M N C/..J*K等:满足未来非道路用发动机排放法规的技术策略的开发
万方数据
的情况表明,这可能是达到!"#$%排放标准的一条
途径.因为从经济学的角度来讲,其主要优点就是
可以利用车用发动机的大规模生产来降低成本.
图& ' (& )*的小型化发动机(共轨,带
或不带+,-)
.' +,-技术
+,-是一种已经被证明能有效降低/0!排
放的技术.目前已在客车和重型卡车发动机上得
到应用.但是,对于采用+,-的涡轮增压和增压
中冷发动机而言,需要增加进气量来维持空燃
比[%];然而,对自然吸气式发动机而言,在全负荷
工况下加入的废气会导致进气量减少而使空燃比
(12-)降低,所以明智之举是在全负荷时不使用
+,-.图.表示几种典型的+,-系统.在"长回
路系统"中(见图.3),废气以最简单的方式引入
进气管(又称外置+,-),因此对燃油经济性的影
响最小.但对增压4增压中冷发动机而言,这种方
法会导致压气机内积污垢,而且由于压气机的出
口温度太高,对于铝制的压气机叶轮来说会导致
疲劳强度问题.因此这种方案不适用于不采用钛
制压气机和4或在回路中无颗粒捕捉器的发动机
(见图.5).
"短回路系统"(见图.6),就是在将废气直
接从排气歧管引入进气歧管,用于涡轮增压4涡轮
增压发动机(又称内置+,-).但对重型发动机
而言,如果采用几何截面固定的涡轮增压器,那么
当负荷超过7&8以上时,由于进气压力超过排气
背压,所以需要采用诸如可变几何截面的涡轮增
压器(9,!)和文丘里管(带旁通)等其它措施(如
图.:所示)来将废气引入到进气中去.其它增
加+,-率的方法包括在排气系统中采用单向阀
以利用排气中的高压脉冲.虽然带放气阀的涡轮
增压器有助于通过控制增压压力来补偿空燃比,
但是可变截面的9,!增压器能在提高增压压力
和增加排气背压这两者之间取得更好的平衡,从
而使其对燃油经济性的影响最小.
图.' +,-系统
图7所示为一个典型的满足;<工况循环
要求的+,-脉谱图.
图7'典型的非道路发动机的+,-脉谱图
根据-"63$: 的经验,增加喷油率,提高喷油
压力和使用多次喷射(见图@),能够减少+,-对
颗粒的不利影响.对于采用直列式喷油泵或转子
式分配泵的发动机来说改用共轨喷油系统是合乎
逻辑的,而对于采用机械式单体泵+A的系统来
说可以用电控单体泵(+AB)来取代.对于已经使
用了电控泵喷嘴+AC或电控单体泵+AB的发动
机来说,接下来就是采用双电磁阀的电控泵喷嘴
(+AC)或电控单体泵+AB.而电控泵喷嘴+AC已
(现代车用动力' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' @DD%年第(期'
万方数据
在应用.
对于道路发动机,在欧洲稳态工况循环
(!"#)的基础上,带中冷的!$%能有效地把&'!
降低至( ) * +, -,而颗粒为./ .0 ) * +, -(见
图1).
图12 !$%技术对于降低排放的能力(!"#循环)
与"仅推迟喷油正时"的方法相比,采用!$%
还能用于改善油耗.图3表示!$%的优点在于
在较低的油耗情况下能改善&'!* 45之间的平
衡关系.
如果使用含硫较高(6 3.. 7 8.9 :)的燃油,
当再循环的废气温度低于8(. ;,冷却的!$%将
会引起磨损.值得瞩目的是,将需要一种能显著
增加散热器系统散热量的冷却器.
由于内部!$%(<=!$%)可以降低成本,克服
冷却的!$%可能会产生的磨损问题,因此,内部
!$%引起了人们广泛的兴趣,而且<=!$%还可消
除冷凝和压气机的积垢问题.可是,根据目前的
经验,这项技术仍然需要作进一步的开发工作,目
前所采用的2 . 0.(8 J ()
简单的柴油机微粒过滤器(K4I)8 (.. . . 3 6 C.(8 J 0)
K4I D再生的燃油添加剂8 (.. . J 3 . J 0. . J 0. 6 C.(8 J 0)
连续再生式捕捉器(#% )(3. J 3.. . J 3 6 >. 6 >. 6 (3(8 J 0)
非热型等离子体(& 4)81. J 0.. . 6 >. 6 >. 6 (3(8 J :)
&'!
主动型稀燃式&'!催化器(L&#)81. J 0.. 8. J (. 6 >. 6 >. 6 (3(( J B)
选择性的催化还原("#%)81. J 33. 1. J C. 6 C3 6 >3 6 8.(8)#
"#% D #% 复合型催化器81. J 33. 1. J C. 6 C3 6 >3 6 1.(()
稀燃式&'!捕捉器(L& )81. J 0.. 6 C. 6 >.(7 8.)6 >.(7 8.)8. J 0.(8.)##
2 2注:通过喷油定时提前还具有使燃油经济性提高:F J 8.F的潜力;
油耗恶化取决于是使用单系统还是双系统.再生会导致大量G#的残留.
32 (..0年第B期2 2 2 2 G K IA@@MNO等:满足未来非道路用发动机排放法规的技术策略的开发
万方数据
!!从图"!可以清楚地看到,仅仅依靠#$%是
不足以满足&'()*中+,!的标准的,因此必须使
用其它技术.同样,仅仅依靠改进燃油喷射系统
也是无法充分达到颗粒目标的.表-对当前各种
后处理技术的能力进行了总结.对于所有的各种
技术方案,由于排气背压的增加,燃油消耗几乎都
是恶化的.
.!讨!论
据估计,为了达到&'()/标准而应用的技术
将使成本增加高达/01,具体取决于采取的技术
方法.而为了达到&'()*标准,根据一些样机所
作的初步估计,对低端市场的发动机而言,采用后
处理技术后将使发动机的价格上升高达2331.
然而,可以预料如果达到一定的经济规模,随着大
批量生产后处理产品的价格一定会降下来.但
是,对于非道路发动机而言,由于产量相对较低,
价格偏高这个问题仍然会存在.具体结果在很大
程度上将取决于道路用发动机后处理技术的进展
以及与其相关的控制要求.可是,不管怎样,若想
简化后处理要求,最重要的就是要减少发动机本
身的排放,这一点现在已经很清楚.
表/从以下/个方面对各种不同功率范围的
发动机满足&'()/和&'()*排放标准所需要采取
的技术方案进行了详细说明:
!"最经济有效的技术方案;
!"按照成本有可能选择的方案;
!"在最佳燃油经济性情况下可以获得最佳工程
化余量的方案.
表/!满足&'()/和&'()*排放标准的技术方案
标!准实施时间
功率范围
45
排!放!限!值技!!术!!要!!求
+,!6
+789
9,:7成本效益可选策略
工程化余量最大;
燃油消耗率最低
&'()/,.2 .
稳态
测试
循环
-33. 2"@:@/ A0 0A0 3A* =B=
低增压&96高压机
械式C=#6正时控
制(内部#$% )
小型化,&9D,
共轨,#$%
-33./ @:@ 0*A 0
3A*
(3A/ )
=B=或&96高压机
械式C=#6正时控
制6内部#$%
&9D6高压机械式
C=#6正时控制6内
部#$%
小型化,&9D,共
射6多次喷射,
#$%
-33 0@:@2/3*E3A/
&9D,高压C=#6正
时控制
&9D,共轨6多次喷
射6内部#$%
&9D,共轨6多次喷
射,#$%
-33F2/3@:@003E/A03A-
&9D,共轨;#G=
;#G:6多次喷射
&9D,共轨
;#G=;#G:6多次喷
射,内部#$%
&9D,共轨
;#G=;#G:6多次喷
射,#$%
-33. H003 &9D,#G=;#G:
&9D,#G=;#G:
6内部#$%
&9D,#G=;#G:,
#$%
&'()*—
新瞬态循环
(对:7使用
瞬态循环,
对气态排
放物按照
=>,.2 .
标准 )
-322 H2/33A* E3A32/
&9D,#G=;#G:,
I+&,B:C
&9D,#G=;#G:,
I+&,9%&
&9D,+9%69%&
-32- @2/3EE3A3/
&9D,共轨,
I+&,B:C
&9D,共轨,
I+&,9%&
&9D,共轨,
>9%69%&
燃烧系统为B=式,除非另行规定.嘴端压力$2337:J的高压喷油系统
!!注:低增压&9———用来恢复采用内部#$%的发动机空燃比的涡轮增压器;机械式C=#———机械式(无电控的)燃油喷射系统.
"!结!论
!"高压燃油喷射系统是满足未来排放法规的关
键技术,对直喷式发动机而言要求标定工况下的
嘴端喷射压力至少达到2337:J压力.
!"多次喷射被看作是在最大限度降低油耗恶化
(下转第/.页)
注释!:表示原文中标注的是图22,而不是图",这里根据需要而改的.
F现代车用动力!!!!!!!!!!!!!!!-33/年第*期!
万方数据
表!"优化后的工艺方案对质量的影响(水温#$%)
序号
空载
电压
&
加热
时间
'
喷水
时间
'
有无
裂纹
淬硬
层深
((
金相
组织级
)*+
,!-./0.-0.无$0.1$0221!2/123
#!2./04$02无$0#1$0422412/
$!!.40$$0.无#0/1$0#22412/
-!2./04$0.无$0#1$0-22!124
2!!./0.$02无$0.1$0$22!12/
!!-.40$-0.无#041$0#!2/1!.
4!!.40$$02无#031$0$!2412/
/!2./0.-0.无$0#1$02!2/123
3!-./04$0.无$0#1$0!!2!12/
!2.&5,.&;加热时间:402'1/02';喷水压力:
.0,#5.0..2678;喷水时间:$0#'1$0/';淬火
水温:#.%1$2%.
""经过长期生产实践验证,该工艺操作性强,稳
定可靠.
参考文献:
[,]钢的热处理裂纹和变形[6]0北京:机械工业出版
社,,34/0
[#]现代质量管理统计方法[6]0学术期刊出版社,
############################################
,3//0
(上接第!页)
的情况下达到9:;*是一种既可以获得较好的燃
油经济性又可获得合理的工程化余量的降低 @!
的有效办法.但是,对于非道路用发动机而言,由
于所使用的燃油的含硫量相对较高,以及还要应
对附加的散热量等问题,采用冷=>*时的难度更
大.
""内部=>*是一种最经济有效的技术方案,但
是为了最大限度地提高=>*率和瞬态响应性能,
还需要对该项技术作进一步的开发.
""如果使用外部=>*和后处理,为防止性能恶
化和磨损增加,必须采用低硫(A,2B,.C!)燃油.
""虽然小型化具有达到9:;<$及以上标准的潜
力,但是从成本经济性来说它似乎并不可取,除非
采用汽车用发动机,即大批量生产.
""对于功率A$4DE的发动机而言,采用非直
喷技术是达到9:;<$排放标准的最经济有效的途
径;而对于功率在42DE以下的发动机来说,也可
以把非直喷技术作为一种选择方案.
""对非道路用发动机而言,尽管尚需解决诸如
补给用基础设施,随车携带的存储装置和强制连
续使用尿素溶液等一系列有关问题,F+*(可选择
的催化还原装置)有望成为一种可行的技术方
案.
""虽然稀燃型 @!捕捉技术被看作为在9:;<-
排放实施阶段可能采用的技术,但是该技术还有
很多难题需要加以解决,如随时间的有效性(寿
命)问题,成本问题以及对燃油中含硫量的敏感
性问题等等.
参考文献:
[,]+)FGHI,JK*LM;<',+)J;'N,*;H8<OL+LP'GQN:PM
=PM:P;;<'RNO0SPT;'N:M8N:LPLU89VL&8QT;=Q;HN<LP:W
H8QQX+LPN<LQQ;OYP:NSPZ;HNL<LP8=G<LS&);8TX[GNX
[:;';Q=PM:P;Y':PM[;':MPLU=\];<:(;PN6;NILO'0^G;Q
SPZ;HN:LPFX'N;('0S06;HI=,#..#,(,,):#!C#40
[#][<_R:PM;P',J)GQ'(8PP,[<'WY6GPHIW[;GNa0^G;Q
SPZ;HN:LPFN<8N;M:;'UL<6;O:G([GNX=PM:P;'NL6;;N
^GNG<;=(:'':LP'FN8PO8<O'078];=_PO;<''LP,)[^<;;(8P,K* ;;OW
I8(,*;H8<OL+LP'GQN:PM=PM:P;;<'RNO0Y'09I;[;W
T;QL](;PNLU9;HIPLQLMXUL<=G<L-);8TX[GNX=PW
M:P;'04NI_8HI;P'LQQLbG:G(,_GNL(Lc:Q;8PO=PM:P;
N;HIPLQLMX,,33/,(,.):2C40
翻译:林学新
审校:居钰生
/$现代车用动力"""""""""""""""#..$年第-期"
万方数据
满足未来非道路用发动机排放法规的
技术策略的开发!
*+,-../01,2*3456
(7850-9:咨询工程师有限公司,英国)
摘要:回顾了发动机制造商为遵守未来非道路发动机排放法规而可以采取的有效措施.对最经济有效的一些
技术方案进行了分析和讨论.此外,还对非道路发动机更长期的开发中可能采用的技术方案进行了评价.
关键词:;8.-)标准;;8.-&标准;废气再循环;&'! %@@@文献标识码:A
!@引@言
全球的发动机制造商正在寻找统一的排放法
规,以至于能够对每一台发动机的制造只是进行
单个的改变.目前,对于未来的非道路排放标准
;8.-)和;8.-&来说,这种要求占有主导地位,如表
!所示.在;8.-)标准中,颗粒BC限值将继续保
持与;8.-'相同的水平.而;8.-&中,所建立的标
表!@;8.-)和;8.-&建议的排放限值(美国)
标@准实施时间
功率范围
DE
排放限值FG(DE 6)$!
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了为道路用发动机而开发的技术.在此主要关注
的是功率小于*; +,的发动机.
对于功率在*; +,以上的发动机,采用的方
法通常与道路卡车用发动机相似,即应用嘴端喷
射压力高(C 9(( DE.)的燃油喷射系统(FGH),而
且在适当场合还应用废气再循环技术(HIJ).
对功率在'* +, ) *; +,的发动机,可用增
压中冷(#A8)技术,改进燃油喷射系统和HIJ来
减小发动机的尺寸.
传统的降低排放的方法如下:
""减少颗粒(KA和碳烟)排放的方法———通过
改善混合燃烧来减少碳烟生成.即使用较小的喷
孔以获得较小的雾滴和更快的蒸发,使用较高的
喷射压力以缩短喷油持续时间,提高喷油能量并
降低进气涡流比.
""减少7L!排放的方法———缩短冲量在高温
下的停留时间,降低缸内燃烧温度.最典型的方
法就是推迟喷油正时,中冷和HIJ.
为了使得在采用常规的单体泵或直列泵时能
够达到#$%&'标准中7L!的排放限值,必须将喷
油定时推迟到足够迟,此时冷起动后的碳烟和
KA排放将是不能接受的.这再次说明改进燃油
喷射系统能力的必要性.
'"燃油喷射技术
燃油喷射技术是各类柴油机达到低排放的关
键可行技术.
在较高的功率范围内,电控泵喷嘴(HMG)或
电控单体泵(HME)在额定功率时的喷射压力可达
!(( DE.(图9).由于HMG系统的喷射压力随转
速下降而下降,因此实现多次喷射的能力受到限
制.而共轨系统则在整个转速范围内都能够提供
较高的压力,因此有能力实现多次喷射.
图9"共轨系统和电控泵喷嘴系统HMG
喷射压力之比较
虽然HMG和共轨系统的最高喷射压力不相
同,但是由于在喷射期间压力特性相异,它们在发
动机高转速时却有相似的平均有效喷射压力
(DHGE).较高输出功率的非道路发动机可以直
接利用HMG N HME技术来替代,这种技术原来是为
道路卡车发动机而开发的,采用两个电磁阀来控
制回油和针阀运动.
由于这种设计提高了整个转速范围内高负荷
工况下的喷射压力(至!(( DE.)加上能够采用多
次喷射,结果可以显著地降低排放.这也使HIJ
的许用量得到改善,以至即使在中等负荷工况下,
为实现低7L!排放而采用高HIJ率时也可以使
碳烟降低达O( P.图!说明在中等负荷,中等转
图!"双阀电控泵喷嘴对降低排放的能力
!现代车用动力" " " " " " " " " " " " " " " !(('年第:期"
万方数据
速时,采用双电磁阀的电控泵喷嘴系统! "#$系
统所具有的对排放的改进潜力[%].
目前,共轨燃油喷射系统能够提供高达%&'
()*的轨道压力和多次喷射能力[+].尽管根据
经验采用单次喷射也能够达到,-./0标准所建议
的)(限值(见图0),但是经验告诉我们,采用预
喷射和后喷射在能改善油耗的同时,还可以进一
步改善12!3碳烟的关系.在全负荷工况,只需采
用单次喷射或加上一次预喷即可,而在中等负荷
工况采用后喷是有益的,在小负荷工况则需要采
用预喷和后喷,预喷有助于控制小负荷时的失火
现象.这种喷射策略已经在重型和轻型发动机上
得到验证.
图04 56 78 9 %0' 78共轨发动机采用单次
喷射策略无"#$时)(及燃油消耗率
与12!的关系
对于小型发动机(: 05 78)而言,每个泵的
压力及正时控制的局限性依然是个问题.尽管对
于每个柱塞泵而言都可以获得高达%'' ()*的嘴
端喷射压力,但是如果不采用电控,正时控制会受
到限制.根据; %标准循环,在中等负
荷时从工况%到工况0将喷射正时延迟6@是较为
理想的,而在小负荷时从工况0到工况A则要求
喷射正时提前6@,而为了能在标定功率时使用最
大的提前正时要求从最大扭矩工况到标定工况有
+@的速度提前角.燃油喷射系统制造商可以用在
顶端带螺旋槽的柱塞来实现所要求的与负荷有关
的正时,而用顶部有凹槽或第+回油口的柱塞来
实现所要求的与转速有关的正时,但是这两种效
果的互相作用,给正时和扭矩曲线形状的控制带
来一些问题.因此可以推论,自然吸气的直喷式
发动机要满足表%中颗粒的限值是很困难的.
A4功率小于05 78的非直喷式发动机
对非直喷式发动机来说,配置低压燃油喷射
系统便能够达到较低的颗粒和12!排放,因此是
一种费用低廉的选择方案.
图A表示典型的自然吸气式直喷式发动机和
非直喷式发动机之间的对比,此处所讨论的非直
喷式发动机的功率范围在05 78 9 5678,排放接
近,-./0标准.非直喷式发动机只需要较低压力
的燃油喷射系统(嘴端压力在0' ()* 9 A' ()*),
不需要进气涡流,能够较好的利用缸内空气,空燃
比(BC$)可小到+' D %.喷油正时最好随转速提
前的情况下在小负荷时提前.除了在一些扭矩目
标上需做些折中考虑外,将正时固定也是可以的.
非直喷技术为小至= 78以下的发动机提供了一
个经济有效的解决方案.当要求采用手动起动
时,对预燃室系统进行改进可能是大有裨益的.
图A4无"#$,低排放非直喷与直喷式发
动机的比较
64柴油机的小型化技术
小型化的含义就是指用排量在% E 9 + E之
间,比功率很高的增压中冷发动机代替A E以下
的自然吸气发动机.图6是$-F*/GH公司在一台
排量为%I 0 E,功率为A6 78,转速为0 ''' / 3 J-K
的发动机上得到的研究结果.由图可见,采用单
次喷射策略的共轨燃油喷射系统是能够满足很低
的)(和12!排放要求的.这个成果可以应用到
功率在05 78 9 56 78一组中较高功率的发动机
上,关键问题是这种改进的发动机,燃油系统和增
压中冷系统的成本相对于在现有的自然吸气式发
动机上加上较高喷射压力的燃油系统后成本的增
加.然而,最近在一台叉式起重车上配置%I L E
A缸车用发动机(装备E-KG.机械的大众发动机)
04 +''0年第A期4 4 4 4 M N C/..J*K等:满足未来非道路用发动机排放法规的技术策略的开发
万方数据
的情况表明,这可能是达到!"#$%排放标准的一条
途径.因为从经济学的角度来讲,其主要优点就是
可以利用车用发动机的大规模生产来降低成本.
图& ' (& )*的小型化发动机(共轨,带
或不带+,-)
.' +,-技术
+,-是一种已经被证明能有效降低/0!排
放的技术.目前已在客车和重型卡车发动机上得
到应用.但是,对于采用+,-的涡轮增压和增压
中冷发动机而言,需要增加进气量来维持空燃
比[%];然而,对自然吸气式发动机而言,在全负荷
工况下加入的废气会导致进气量减少而使空燃比
(12-)降低,所以明智之举是在全负荷时不使用
+,-.图.表示几种典型的+,-系统.在"长回
路系统"中(见图.3),废气以最简单的方式引入
进气管(又称外置+,-),因此对燃油经济性的影
响最小.但对增压4增压中冷发动机而言,这种方
法会导致压气机内积污垢,而且由于压气机的出
口温度太高,对于铝制的压气机叶轮来说会导致
疲劳强度问题.因此这种方案不适用于不采用钛
制压气机和4或在回路中无颗粒捕捉器的发动机
(见图.5).
"短回路系统"(见图.6),就是在将废气直
接从排气歧管引入进气歧管,用于涡轮增压4涡轮
增压发动机(又称内置+,-).但对重型发动机
而言,如果采用几何截面固定的涡轮增压器,那么
当负荷超过7&8以上时,由于进气压力超过排气
背压,所以需要采用诸如可变几何截面的涡轮增
压器(9,!)和文丘里管(带旁通)等其它措施(如
图.:所示)来将废气引入到进气中去.其它增
加+,-率的方法包括在排气系统中采用单向阀
以利用排气中的高压脉冲.虽然带放气阀的涡轮
增压器有助于通过控制增压压力来补偿空燃比,
但是可变截面的9,!增压器能在提高增压压力
和增加排气背压这两者之间取得更好的平衡,从
而使其对燃油经济性的影响最小.
图.' +,-系统
图7所示为一个典型的满足;<工况循环
要求的+,-脉谱图.
图7'典型的非道路发动机的+,-脉谱图
根据-"63$: 的经验,增加喷油率,提高喷油
压力和使用多次喷射(见图@),能够减少+,-对
颗粒的不利影响.对于采用直列式喷油泵或转子
式分配泵的发动机来说改用共轨喷油系统是合乎
逻辑的,而对于采用机械式单体泵+A的系统来
说可以用电控单体泵(+AB)来取代.对于已经使
用了电控泵喷嘴+AC或电控单体泵+AB的发动
机来说,接下来就是采用双电磁阀的电控泵喷嘴
(+AC)或电控单体泵+AB.而电控泵喷嘴+AC已
(现代车用动力' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' @DD%年第(期'
万方数据
在应用.
对于道路发动机,在欧洲稳态工况循环
(!"#)的基础上,带中冷的!$%能有效地把&'!
降低至( ) * +, -,而颗粒为./ .0 ) * +, -(见
图1).
图12 !$%技术对于降低排放的能力(!"#循环)
与"仅推迟喷油正时"的方法相比,采用!$%
还能用于改善油耗.图3表示!$%的优点在于
在较低的油耗情况下能改善&'!* 45之间的平
衡关系.
如果使用含硫较高(6 3.. 7 8.9 :)的燃油,
当再循环的废气温度低于8(. ;,冷却的!$%将
会引起磨损.值得瞩目的是,将需要一种能显著
增加散热器系统散热量的冷却器.
由于内部!$%(<=!$%)可以降低成本,克服
冷却的!$%可能会产生的磨损问题,因此,内部
!$%引起了人们广泛的兴趣,而且<=!$%还可消
除冷凝和压气机的积垢问题.可是,根据目前的
经验,这项技术仍然需要作进一步的开发工作,目
前所采用的2 . 0.(8 J ()
简单的柴油机微粒过滤器(K4I)8 (.. . . 3 6 C.(8 J 0)
K4I D再生的燃油添加剂8 (.. . J 3 . J 0. . J 0. 6 C.(8 J 0)
连续再生式捕捉器(#% )(3. J 3.. . J 3 6 >. 6 >. 6 (3(8 J 0)
非热型等离子体(& 4)81. J 0.. . 6 >. 6 >. 6 (3(8 J :)
&'!
主动型稀燃式&'!催化器(L&#)81. J 0.. 8. J (. 6 >. 6 >. 6 (3(( J B)
选择性的催化还原("#%)81. J 33. 1. J C. 6 C3 6 >3 6 8.(8)#
"#% D #% 复合型催化器81. J 33. 1. J C. 6 C3 6 >3 6 1.(()
稀燃式&'!捕捉器(L& )81. J 0.. 6 C. 6 >.(7 8.)6 >.(7 8.)8. J 0.(8.)##
2 2注:通过喷油定时提前还具有使燃油经济性提高:F J 8.F的潜力;
油耗恶化取决于是使用单系统还是双系统.再生会导致大量G#的残留.
32 (..0年第B期2 2 2 2 G K IA@@MNO等:满足未来非道路用发动机排放法规的技术策略的开发
万方数据
!!从图"!可以清楚地看到,仅仅依靠#$%是
不足以满足&'()*中+,!的标准的,因此必须使
用其它技术.同样,仅仅依靠改进燃油喷射系统
也是无法充分达到颗粒目标的.表-对当前各种
后处理技术的能力进行了总结.对于所有的各种
技术方案,由于排气背压的增加,燃油消耗几乎都
是恶化的.
.!讨!论
据估计,为了达到&'()/标准而应用的技术
将使成本增加高达/01,具体取决于采取的技术
方法.而为了达到&'()*标准,根据一些样机所
作的初步估计,对低端市场的发动机而言,采用后
处理技术后将使发动机的价格上升高达2331.
然而,可以预料如果达到一定的经济规模,随着大
批量生产后处理产品的价格一定会降下来.但
是,对于非道路发动机而言,由于产量相对较低,
价格偏高这个问题仍然会存在.具体结果在很大
程度上将取决于道路用发动机后处理技术的进展
以及与其相关的控制要求.可是,不管怎样,若想
简化后处理要求,最重要的就是要减少发动机本
身的排放,这一点现在已经很清楚.
表/从以下/个方面对各种不同功率范围的
发动机满足&'()/和&'()*排放标准所需要采取
的技术方案进行了详细说明:
!"最经济有效的技术方案;
!"按照成本有可能选择的方案;
!"在最佳燃油经济性情况下可以获得最佳工程
化余量的方案.
表/!满足&'()/和&'()*排放标准的技术方案
标!准实施时间
功率范围
45
排!放!限!值技!!术!!要!!求
+,!6
+789
9,:7成本效益可选策略
工程化余量最大;
燃油消耗率最低
&'()/,.2 .
稳态
测试
循环
-33. 2"@:@/ A0 0A0 3A* =B=
低增压&96高压机
械式C=#6正时控
制(内部#$% )
小型化,&9D,
共轨,#$%
-33./ @:@ 0*A 0
3A*
(3A/ )
=B=或&96高压机
械式C=#6正时控
制6内部#$%
&9D6高压机械式
C=#6正时控制6内
部#$%
小型化,&9D,共
射6多次喷射,
#$%
-33 0@:@2/3*E3A/
&9D,高压C=#6正
时控制
&9D,共轨6多次喷
射6内部#$%
&9D,共轨6多次喷
射,#$%
-33F2/3@:@003E/A03A-
&9D,共轨;#G=
;#G:6多次喷射
&9D,共轨
;#G=;#G:6多次喷
射,内部#$%
&9D,共轨
;#G=;#G:6多次喷
射,#$%
-33. H003 &9D,#G=;#G:
&9D,#G=;#G:
6内部#$%
&9D,#G=;#G:,
#$%
&'()*—
新瞬态循环
(对:7使用
瞬态循环,
对气态排
放物按照
=>,.2 .
标准 )
-322 H2/33A* E3A32/
&9D,#G=;#G:,
I+&,B:C
&9D,#G=;#G:,
I+&,9%&
&9D,+9%69%&
-32- @2/3EE3A3/
&9D,共轨,
I+&,B:C
&9D,共轨,
I+&,9%&
&9D,共轨,
>9%69%&
燃烧系统为B=式,除非另行规定.嘴端压力$2337:J的高压喷油系统
!!注:低增压&9———用来恢复采用内部#$%的发动机空燃比的涡轮增压器;机械式C=#———机械式(无电控的)燃油喷射系统.
"!结!论
!"高压燃油喷射系统是满足未来排放法规的关
键技术,对直喷式发动机而言要求标定工况下的
嘴端喷射压力至少达到2337:J压力.
!"多次喷射被看作是在最大限度降低油耗恶化
(下转第/.页)
注释!:表示原文中标注的是图22,而不是图",这里根据需要而改的.
F现代车用动力!!!!!!!!!!!!!!!-33/年第*期!
万方数据
表!"优化后的工艺方案对质量的影响(水温#$%)
序号
空载
电压
&
加热
时间
'
喷水
时间
'
有无
裂纹
淬硬
层深
((
金相
组织级
)*+
,!-./0.-0.无$0.1$0221!2/123
#!2./04$02无$0#1$0422412/
$!!.40$$0.无#0/1$0#22412/
-!2./04$0.无$0#1$0-22!124
2!!./0.$02无$0.1$0$22!12/
!!-.40$-0.无#041$0#!2/1!.
4!!.40$$02无#031$0$!2412/
/!2./0.-0.无$0#1$02!2/123
3!-./04$0.无$0#1$0!!2!12/
!2.&5,.&;加热时间:402'1/02';喷水压力:
.0,#5.0..2678;喷水时间:$0#'1$0/';淬火
水温:#.%1$2%.
""经过长期生产实践验证,该工艺操作性强,稳
定可靠.
参考文献:
[,]钢的热处理裂纹和变形[6]0北京:机械工业出版
社,,34/0
[#]现代质量管理统计方法[6]0学术期刊出版社,
############################################
,3//0
(上接第!页)
的情况下达到9:;*是一种既可以获得较好的燃
油经济性又可获得合理的工程化余量的降低 @!
的有效办法.但是,对于非道路用发动机而言,由
于所使用的燃油的含硫量相对较高,以及还要应
对附加的散热量等问题,采用冷=>*时的难度更
大.
""内部=>*是一种最经济有效的技术方案,但
是为了最大限度地提高=>*率和瞬态响应性能,
还需要对该项技术作进一步的开发.
""如果使用外部=>*和后处理,为防止性能恶
化和磨损增加,必须采用低硫(A,2B,.C!)燃油.
""虽然小型化具有达到9:;<$及以上标准的潜
力,但是从成本经济性来说它似乎并不可取,除非
采用汽车用发动机,即大批量生产.
""对于功率A$4DE的发动机而言,采用非直
喷技术是达到9:;<$排放标准的最经济有效的途
径;而对于功率在42DE以下的发动机来说,也可
以把非直喷技术作为一种选择方案.
""对非道路用发动机而言,尽管尚需解决诸如
补给用基础设施,随车携带的存储装置和强制连
续使用尿素溶液等一系列有关问题,F+*(可选择
的催化还原装置)有望成为一种可行的技术方
案.
""虽然稀燃型 @!捕捉技术被看作为在9:;<-
排放实施阶段可能采用的技术,但是该技术还有
很多难题需要加以解决,如随时间的有效性(寿
命)问题,成本问题以及对燃油中含硫量的敏感
性问题等等.
参考文献:
[,]+)FGHI,JK*LM;<',+)J;'N,*;H8<OL+LP'GQN:PM
=PM:P;;<'RNO0SPT;'N:M8N:LPLU89VL&8QT;=Q;HN<LP:W
H8QQX+LPN<LQQ;OYP:NSPZ;HNL<LP8=G<LS&);8TX[GNX
[:;';Q=PM:P;Y':PM[;':MPLU=\];<:(;PN6;NILO'0^G;Q
SPZ;HN:LPFX'N;('0S06;HI=,#..#,(,,):#!C#40
[#][<_R:PM;P',J)GQ'(8PP,[<'WY6GPHIW[;GNa0^G;Q
SPZ;HN:LPFN<8N;M:;'UL<6;O:G([GNX=PM:P;'NL6;;N
^GNG<;=(:'':LP'FN8PO8<O'078];=_PO;<''LP,)[^<;;(8P,K* ;;OW
I8(,*;H8<OL+LP'GQN:PM=PM:P;;<'RNO0Y'09I;[;W
T;QL](;PNLU9;HIPLQLMXUL<=G<L-);8TX[GNX=PW
M:P;'04NI_8HI;P'LQQLbG:G(,_GNL(Lc:Q;8PO=PM:P;
N;HIPLQLMX,,33/,(,.):2C40
翻译:林学新
审校:居钰生
/$现代车用动力"""""""""""""""#..$年第-期"
万方数据
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