PDF《宣读交流》

宣读交流4JB1 国Ⅳ柴油机开发 陆子平 潘明军 刘涛郭洪辉 (北汽福田汽车股份有限公司,北京 100084) 摘要:本文首先介绍 4JB1 国Ⅳ柴油机开发基础,开发背景,重点叙述了 4JB1 国Ⅳ柴油机为 满足国Ⅳ排放法规而进行的一系列改进设计及试验等,主要采取措施:升级电控系统、改进燃 烧室的设计、优化喷油器、优化增压器的设计、采用冷却 EGR、采用先进的后处理技术,最终 达到国Ⅳ排放标准.

关键词:国Ⅳ;

柴油机;

排放法规

0 前言 相比汽油机而言,柴油机的动力性和经 济性好的特点,使得柴油机在汽车上得到了 广泛的应用,特别一些中重型商用车,90% 以上都是柴油机.另一方面,随着环境的不 断恶化,特别是近来 PM2.5 颗粒越来越引起 了人们的重视,PM2.5 颗粒的主要来源就是 汽车尾气的排放,为了保护环境,排放法规 的要求也越来越严格, 我国将在

2013 年7月1日执行国Ⅳ排放标准,为了适应这些市场 需求并延长 4JB1 产品的生命周期, 公司决定 在4JB1 国Ⅲ柴油机基础上, 继续采用

2 气门 结构,重新设计燃烧系统,进行适合中国国 情的 4JB1 国Ⅳ柴油机开发,以下介绍 4JB1 国Ⅳ柴油机采用的主要技术及技术效果.

1 国Ⅲ与国Ⅳ排放的比较 根据 GB17691―2005《车用压燃式、 气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物 排放限值及测量方法 (中国Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ阶段) 》 要求, 国Ⅲ、 国Ⅳ阶段排放污染物限值见表

1、表

2、表3. 从国Ⅲ到国Ⅳ, 如图

1 所示, 必须使氮 氧化物(NOx)降低 30%,颗粒(PM)降低80%,对发动机的燃烧提出了更高的要 求, 在通过改善燃烧降低排放的同时还需要 采用后处理技术,对柴油机颗粒进行过滤. 表1ESC 排放污染物限值 国Ⅲ 国Ⅳ CO/(g/kW・h) 2.1 1.5 HC/(g/kW・h) 0.66 0.46 NOx/(g/kW・h) 5.0 3.5 PM/(g/kW・h) 0.1 0.13 0.02 注:对每缸排量低于 0.75 升级额定功率转速超过 3000r/min 的发动机国Ⅲ的PM 限值 0.13. 表2ELR 烟度限值 国Ⅲ 国Ⅳ 烟度/(1/m) 0.8 0.5 表3ETC 排放污染物限值 国Ⅲ 国Ⅳ CO/(g/kW・h) 5.45 4.0 HC/(g/kW・h) 0.78 0.55 NOx/(g/kW・h) 5.0 3.5 PM/(g/kW・h) 0.16 0.21 0.03 注:对每缸排量低于 0.75 升级额定功率转速超过 3000r/min 的发动机国Ⅲ的PM 限值 0.21. 图1NOx 与PM 国Ⅲ到国Ⅳ变化 内燃机科技(上)

4 2 发动机主要技术规格 发动机的主要技术规格见表 4. 表4发动机主要技术规格 发动机型式 直列

4 缸直喷 排量/L 2.771 缸径*冲程/mm 93*102 压缩比 17.4:1 额定功率/转速/kW/(r/min) 81/3200 最大扭矩/转速/N・m/(r/min) 280/1800 供油系统方式 电控高压共轨

3 发动机排放的降低开发 3.1 燃油系统和燃烧室采取的措施 首先为了满足国Ⅳ排放标定的要求, 电 控单元由原来国Ⅲ的EDC16 版本升级到 EDC17. 针对国Ⅳ阶段颗粒值要求比较高, 为了 降低颗粒排放,改善燃烧,采取以下措施: (1) 燃油系统的轨压由 1400bar 提升到 1600bar. (2) 为了提高燃油雾化水平, 使燃油在 燃烧室内能够充分混合, 采用减小喷油器的 喷孔直径的措施, 同时为了保证燃油的流量 要求, 增加喷油器的孔数, 并重新进行了喷 油器的油线分布设计. (3) 重新进行了燃烧室的设计, 加大燃 烧室的最大直径,对比如图

2 所示. 经过排放对比试验后, 最终确定了燃油 系统和燃烧室最佳方案, 图2为燃烧室最佳 方案比较. 图2燃烧室比较 3.2 燃油系统和燃烧室的排放改善效果 提高共轨压力, 减小喷孔直径, 增大燃 烧室的最大直径, 使燃油雾化变好, 在燃烧 室内混合充分, 试验后, 颗粒排放从国Ⅲ时的0.11g/kW・h 降到 0.064g/kW・h,并且 HC 和CO 也都有大幅降低,整个外特性上的烟 度都有明显改善,外特性最大烟度只有 1.2FSN. 3.3 增压器的优化设计 国Ⅲ阶段没有采用废气再循环 (EGR) , 而国Ⅳ阶段采用了冷却废气再循环(EGR+cooler)技术,并且国Ⅳ阶段需要进 行发动机瞬态循环试验 (ETC 试验) ,因此为了提高增压器的 瞬态响应特性,对增压器重新进行匹配计 算, 经过几轮排放对比试验后, 确定增压器 的最佳方案. 3.4 增压器的排放改善效果 由于减小蜗壳的截面积, 增加叶片数及 改变叶片的弯曲角度等, 提高了压气机的效 率,使压气机的最大效率由 75%提高到 78%,并且高效率区也变宽,所以发动机性 能改善很多,特别是低速性能改善非常明 显,1000r/min 时的扭矩由国Ⅲ阶段的180N・m 提升到 200N・m, 外特性最大烟度降 低到 1.0 FSN 以下. 3.5 冷却废气再循环系统(EGR+cooler) 氮氧化物(NOx)是在火焰前锋高温区 间氮气和氧气反应产生,反应的温度越高, 时间越长, 燃烧的越充分, 产生的氮氧化物 (NOx)量越多,因此燃油系统采取提高轨 压和减小喷孔直径后, 虽然有效地降低了颗 粒的排放, 但由于混合充分, 燃烧温度也高, 产生的氮氧化物(NOx)量也就越多,为了 降低氮氧化物(NOx) ,采用了冷却废气再 循环系统. 废气再循环(EGR)原理是将一部分废 气引回燃烧室, 重新参与燃烧, 可使燃烧放 热反应的强度下降, 反应的最高温度和压力 降低,从而来降低氮氧化物(NOx)的排放 量. 为了进一步降低反应混合气的温度, 又在EGR 管路中连接了冷却器, 对进入燃烧室 4JB1 国Ⅳ柴油机开发