柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨

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柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨




　　【摘要】柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从喷油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。




　　【关键词】柴油机；排放控制；措施
　　
　　柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。柴油机净化的关键，是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。恰恰这两项排放物的生成规律常常是互相矛盾的。因此，任何一个单项措施总有它的负面影响。人们总是在采取某项措施的同时，应用另一项措施来加以补救和平衡。最后，常常是多项措施的综合应用，才使排放性能达到一个新的水平。柴油机是一个多性能、多工况、多因素综合影响的统一体，再加上各种各样的排放净化措施，如何进行优选、折中和综合控制是一个极为困难和复杂的问题。柴油机的电子控制和综合管理是有效解决这一问题的最佳途径，也是使各种机内净化措施得以充分发挥效用的保证。在所有净化措施中，喷油系统的改进无疑是最为重要的环节。
　　车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有两大类，直列泵系统和转子分配泵系统。直列泵系统包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统，和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。上述各系统都是应用柱塞往复运动、脉动供油的方式工作。以下是五种控制柴油机排放的具体措施：
　　一、推迟喷油提前角降低NOχ排放 
　　喷油提前角是喷油始点早于汽缸压缩上止点的角度。柴油机都要求喷油提前，这是因为从喷油到着火有一段滞燃期，为保证实际燃烧放热中心能接近上止点，避免燃烧拖后，经济性下降，所以喷油要提前。单从动力、经济性角度出发，最佳提前角随转速上升而增大；随负荷加大而略有增加。车用柴油机因为在宽广的转速范围内工作，所以有专设的转速自动提前装置来满足此要求。同一工况，若提前角改变，会使滞燃期改变。一般推迟喷油时，因初期喷油更接近上止点，故缸内压力、温度较高，滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。当然，若喷油太迟，使滞燃期挪到上止点之后，则缸内压力、温度未必上升。这种情况一般难于碰到。预混燃烧阶段是影响NOχ排放最重要的时期。预混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低，从而大大减少NOχ的排放量。同时，由于压力升高率的下降，噪声也大大降低。因此推迟喷油提前角这一措施，是最早应用的有效降低NOχ排放和噪声的对策。推迟喷油，直喷机的NOχ大幅下降，而间接喷射式涡流室柴油机的下降幅度则小一些。但是喷油过迟，则燃油消耗率和烟度都会恶化，对CO和HC也有不利影响。油耗和烟度的恶化是喷油推迟，燃烧跟着推迟以及缓燃期油量增加，燃烧时期也拉长的必然结果。早期控制排放的措施不多，为了排放达标，不得不牺牲经济性能。近期已可通过提高喷射压力等多种办法来综合解决这一问题。
      二、燃油高压喷射降低微粒碳烟排放
　　近年来，提高喷油压力的高压喷射措施，日渐成为直喷式柴油机机内净化的最佳手段。而间接喷射式柴油机，由于主要依靠气流进行雾化、混合，所以对喷油压力要求较低。在循环喷油量及喷孔大小和分布不变的情况下，提高喷油压力就是加大喷油速率，它直接产生两方面的效果。
　　（一）降低微粒碳烟的排放量
　　可以看出，喷油压力增高，则粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷雾区的总体积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气多，也会加快燃烧和氧化速率，使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。大量试验都证实了这一点。
　　（二）降低燃油消耗率
　　喷油速率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速，使燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。大量试验结果也证实了这一点。以上高压喷射降低烟度和油耗的优点，恰恰弥补了推迟喷油所带来的缺点。反过来，高压喷射不可避免地使混合气快速变稀，燃烧加速，温度上升，从而NOχ排放必然有所增大。这一弱点又会被推迟喷油，降低的NOχ功效所弥补。应该记住，高压喷射并没有过大削弱推迟喷油，减小滞燃期喷油量所带来的改善NOχ排放的显著效果。因此若两种措施同时应用，进行合理调配后，NOχ和微粒碳烟排放都会同时降低。目前，两种措施并用是最常见的手段。

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　　三、喷油率控制技术
　　广义的喷油率控制，指的是喷油规律控制，应包括定时（喷油提前角）控制、喷油期长短控制和喷油率大小（喷油率曲线外形）控制。此处撇开喷油定时，单指在定时和循环油量不变时，喷油长短和喷油率外形的控制。喷油率是除混合气形成因素外，对燃烧过程又一重大的影响因素。当然，喷油率本身也和混合气形成是密不可分的。可以设想，如喷油时期控制得很长，即使大幅度提高喷油压力，也无法缩短放热和燃烧时间；又如，初期喷油量很大，即使推迟喷油，也无法把NOχ和噪声降得很低。反过来，如能把初期喷油量控制得很小，就是不推迟喷油，也可达到同样效果。可见，喷油率若能控制，将极富成果，因此，成为近年来喷油系统研究、开发的热门课题。
　　理想的喷油率图形可分为三个时期，即喷油初期，喷油中期，喷油后期。理想的喷油率图形一般公认为：初期要求喷油率低，喷油量少，以降低NOχ和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混合气（下接第182页）(上接第173页)形成，使微粒碳烟排放和耗油率降低；后期则要求迅速结束喷油，以减少后燃油量和促进碳烟氧化。喷油中期的控制，一般是通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有：机械式预喷射装置，双弹簧喷油器，电控喷油系统控制预喷射。大量试验结果表明，要获得良好的效果，预喷射油量、主预喷射的间隔角度以及油量和时间的控制精度都有严格的规定。只有电控高压共轨式喷油系统才能全面满足这些要求。末期喷油段要求迅速关闭，可以通过减轻油嘴往复运动部分（针阀、推杆、弹簧）的质量，加速针阀关闭速度来控制。这就是已广泛推广使用的低惯量喷油器和P型J型小型喷油器。此外，增大针阀开启压力也可加速针阀落座。但是真正有效控制的手段，仍是使用电磁阀的电控喷射系统的迅速断油。
　　四、小直径、多喷孔加速雾化混合
　　在喷油速率不变情况下,可以通过减小喷孔直径，增加喷孔数目，使喷注在燃烧室内分布更均匀、更充满的方法，来加速油、气混合，获得较好排放效果。六孔喷嘴与四孔喷嘴相比，六孔的总混合容积加大，单个喷注较窄，芯部浓混合气易于扩散、燃烧。这些都与加大喷油压力的效果相似。增加喷孔数后，可以降低对气流的要求。涡流比可以减小，从而改善了燃油经济性。若喷孔过多，由于贯穿不足和相邻喷注的干扰，反有不利效果。
五．喷油系统的其他净化措施
　　目前已广泛应用的降低HC排放的措施就是减小孔式喷嘴压力室容积或采用无压力室式喷油嘴。大量使用试验表明，柴油机长期运行后，其有害排放值基本没有增加。这同汽油机长期使用后，有害排放量增幅较大的情况是不一样的。如果柴油机使用过程中，排放性能突然恶化，则相当部分是喷油系统不能保持正常工作状态所致。当使用中发现过量冒烟时，首先要检查各个喷油器开启压力是否明显下降，或喷雾状态是否良好。有条件时，应在油泵试验台上测试循环油量是否超过所规定之值以及各缸油量是否严重不均匀。造成循环油量不均匀及超标的原因是很多的，如柱塞副的磨损，出油阀密封性变差，油孔的堵塞等等。应查明原因，该更换的更换，或进行清洗。但应注意，油泵及调速器一经拆动，必须重新在台架上调整。如果冒烟现象很难解决，无法达标上路，可以适当降负荷运行。这样做会牺牲一些动力性能。西方国家为了达标，也会采取同样措施。如德国大众汽车公司推出的TDI1。9L轿车增压直喷机，无排放限制（赛车）时，标定功率达125KW；要满足欧II法规，标定为81KW；若要满足美国加州标准，则只标定66KW。还应强调指出，高压油泵及调速器出厂时已经过细致调整，很多调整部分还加上铅封，不允许使用中私自变动，包括任意拆换其上的与性能有关的零件，如油管，油嘴等等。发现问题须进行换件，必须重新调整。否则会使排放及动力，经济性能恶化。
【参考文献】
      ［1］蔡凤田．汽车排放污染物控制实用技术［M］．人民交通出版社，1999．
      ［2］李岳林主编．交通运输环境污染与控制［M］．机械工业出版社，2003．