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节能、低排放可变涡流增压柴油机
扬州柴油机有限责任公司 谢国华 郭林山
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[摘要] 通过增压(包括中冷增压)柴油机进气道放掉多余的空气，改变进气涡流，在不牺牲燃油经济性的前提下，能同时降低柴油机排放物的难点指标：颗粒、氮氧化物，其原因在于柴油机需要在高速及中、低负荷时为弱涡流，在低速全负荷为强涡流。气道稳流试验、增压柴油机排放试验表明：本专利具有良好的实用前景，特别是运用在增压柴油机欧II 达欧III 情况下，可降低对喷油泵、喷油器的要求，降低颗粒、氮氧化物效果更显著。
关键词：增压柴油机 可变涡流 颗粒 氮氧化物
1 专利简介
1.1 背景技术
目前，增压柴油机(包括中冷柴油机)气缸盖螺旋进气道涡流比无法兼顾柴油机高低性能速、部分负荷、全负荷性能，即柴油机需要在高速及中、低负荷时为弱涡流，在低速全负荷为强涡流。对可变涡流比，日本五十铃、三菱等公司在20 世纪80 年代中期研制的“可变涡流”，由于成本、可靠性、效果等因素，只在柴油机产品上进行大量试验和试用，虽获得满意的结果，但生产未大批量使用(见《九十年代内燃机》、《SAE Paper 890466》)；国内对可变涡流进气系统进行了排放性能研究，试验结果显示喷气式可变涡流进气系统可以有效改善柴油机的排放性能(见1999 年第4 期《内燃机学报》“用喷气式可变涡流进气系统改善柴油机的排放性能”，此项目是国家自然科学基金59676028、中国高等教育博士学科专项基金资助项目)，由于需要空气压缩机、同时只能手动调节喷气方向，此项目只能作为台架试验排放研究，尚不能实用。另外，国家排放法规对汽车柴油机有害排放物的指标是：CO、HC、NOx、Pt。而目前主要排放物NOx、Pt 降低措施往往是相互矛盾的，如燃烧越充分，Pt 偏低，但NOx 则偏高，采取的方案是根据排放数据折中考虑。NOx 是高温条件下的生成物，同时取决于氧含量和温度，Pt 是不完全燃烧产物。随着对柴油机环保、节能、动力的要求越来越高，车用柴油机普遍了采用增压、增压中冷技术。
1.2 技术方案
本发明目的是为了克服现有增压型柴油机不足，提供一种可适合柴油机高、低速运转、部分或全负荷工作，且降低NOx、Pt 排放的节能、低排放可变涡流增压柴油机。
本发明包括涡轮增压器的压气机、进气歧管、排气歧管、涡轮增压器的涡轮、排气管，缸盖内的螺旋进气道与进气歧管连接，缸盖内的排气道与排气歧管连接，在缸盖内的螺旋进气道壁上连接分流管，该分流管管道上连接控制阀。
本发明在螺旋进气道的壁上连通分流管，并通过控制阀控制分流管的分流量，起到了改变进气道内涡流比的作用，节省燃油，实现柴油机气缸盖螺旋进气道性能兼顾柴油机性能高低速、部分或全负荷性能。同时，还可加大柴油机低速扭矩，降低高速运转时发动机的烟度和NOx 排放量，为柴油机达到更高的排放标准，提供了又一有效措施。
在轻型车用增压柴油机或HC排放数值较低的3.5T 以上车用增压柴油机中还可将分流管的出口端连接在涡轮增压器的涡轮与排气管的结合部位，使分流的空气由分流管进入涡轮增压器的排气口，破坏NOx生成温度，减少NOx 排放。
本发明中控制阀由温控放气阀和压力放气阀并用，目的在于，温控放气阀用以控制中、低速部分负荷放气量，而压力放气阀用以控制高速放气量。
而电控阀则可替代温度、压力控制阀，对放气控制效果更佳。
1.3 具体实施
涡轮增压器压气机1 的空气出口端连接至各路进气歧管3，如设有中冷器，则将中冷器2 串接在其间。每路进气歧管3 连接设置在缸盖4 内的螺旋进气管8，在螺旋进气道8 的管壁开设分流孔12，在分流孔12 上连接分流管13，分流管13 另一端连接温控放气阀10 和压力放气阀11，并使温度放气阀10 和压力放气阀11 为并联设置，可由温度或压力控制阀门开启大小，实现分流量的控制。缸盖4 中的各排气道9通过排气歧管5 连接至涡轮增压器的窝轮6，在HC 排放量大的3.5T 以上车用增压柴油机中，将分流管14分流空气直接排放至大气。如图1 所示。

（图片）

图1 为本发明的结构示意图；
1-涡轮增压器压气 2-中冷器 3-进气歧管 4-缸盖 5-排气歧管
6-涡轮增压器的窝轮 7-排气管 8-缸盖内的螺旋进气道 9-缸盖内的排气道
10-温度放气阀 11-压力放气阀 12-分流孔 13-分流管 14-分流管

在轻型车用增压柴油机或HC 排放量小的3.5T 以上车用增压柴油机中，还于涡轮增压器涡轮6 与排气
管7 的连接部位设置接口，并将该接口与分流管14 出口端连接。如图2 所示。

（图片）

图2 为本发明的另一结构示意图
1-涡轮增压器压气 2-中冷器 3-进气歧管 4-缸盖 5-排气歧管
6-涡轮增压器的窝轮 7-排气管 8-缸盖内的螺旋进气道 9-缸盖内的排气道
10-温度放气阀 11-压力放气阀 12-分流孔 13-分流管 14-分流管

上述温控放气阀10 和压力放气阀11 可由一电控阀替代。
2 试验验证
2.1 气道稳流试验
通过气道稳流试验试验发现：气缸盖进气道放气，不但可以减小涡流强度，还可增加涡流强度。但要通过两个放气孔实现，具体放气孔位置由气道稳流试验确定。
2.2 初步整机排放试验
2002 年12 月于济南汽车检测中心对气缸盖进气道不放气与放气在同台柴油机同时进行了对比试验，具体数据如表1、表2、图3。

表1 十三工况不放气排放数据

（图片）

表2 十三工况放气排放数据

（图片）
注：1～10 工况，放气阀部分开，11～13，放气阀全开。

（图片）

图3 十三工况加权计算相对比较结果

2.3 结果说明与分析
(1)1～13 工况均为手动控制阀门，1～10 工况为放气阀部分开，11～13 工况为阀全开。
(2) 由于生产缸盖结构限制，2～6 工况，进气道放气增加涡流，涡流强度上升不多，2～6 工况：
烟度、NOX、均略有下降；2～4 工况，油耗略有下降；5～6 工况：油耗基本不变，说明5～6 工况所能提供的放气量较少，或放气所提高的涡流强度还不够。
(3)8～12 工况，进气道放气降低涡流，烟度、NOX、均下降较多；8～9 工况，油耗基本不变，说
明8～9 工况所能提供的放气量较少。10～12 工况油耗均下降。
(4)三个怠速工况放气由于扭矩相差较大，所测数据不好分析。
(5)由于放气降低了废气温度，使CO 略有上升。但增压柴油机CO 排放指标相当宽松，有牺牲余地。
(6)放气与不放气数据对比：Pt 下降11%、NOX下降5%、HC 下降11%、CO 上升5%(CO 限值宽松)、油耗下降1%。
2.4 专利运用范围
本专利尚有较大潜力，初步试验放气量未优化，标定点转速涡流下降较多，扭矩点转速涡流上升不多，通过加大扭矩点转速的涡流(缸盖须改进)， Pt 还有更进一步下降空间(欧II 排放中，扭矩点转速占排放物大头)；对增压柴油机达欧III 法规，使用效果更佳(与欧II 加权系数不一样)。本专利的优势：扩大了喷油器匹配范围，可降低对喷油泵的要求；本专利可使废气再循环更方便(无需进气节流：进气压力小于排气涡轮背压)、更理想。
3 结论
通过增压柴油机进气道可放掉多余的空气，改变进气涡流(想法独特)，从而改善柴油机经济性，能降低柴油机排放物的难点、重点指标(主要降低Pt 、NOx)，对增压柴油机达到更高排放标准提供了又一有效途径。初步试验说明：《节能、低排放可变涡流增压柴油机》专利，是可以运用于增压柴油机产品的。
参考文献
1 蒋德明主编. 内燃机原理. 北京：机械工业出版社，1988.6
2 赵士林主编. 九十年代内燃机. 上海交通大学出版社，1992.7
3 张兆合，刘忠长，闫淑方等. 用喷气式可变涡流进气系统改善柴油机的排放性能. 内燃机学报，1999.4:335～338
4 刘巽俊编著. 内燃机的排放与控制. 北京：机械工业出版社，2003.1 5/16/2005

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