柴油機噴油系統(tǒng)的排放控制技術(shù)的探討

孟慶林　宋宜海

【摘要】柴油機凈化的關(guān)鍵是如何有效地消除NOχ和微粒碳煙的生成量?文章從噴油系統(tǒng)出發(fā),提出了改進排放的五種切實可行的方法,具有明顯的現(xiàn)實意義?

【關(guān)鍵詞】柴油機;排放控制;措施

柴油機的有害排放取決于柴油機混合氣形成及缸內(nèi)燃燒過程,而這些歸根到底是由噴油?氣流?燃燒系統(tǒng)以及缸內(nèi)工作特質(zhì)的配合所決定的?柴油機凈化的關(guān)鍵,是如何有效地消除NOχ和微粒碳煙的生成量?恰恰這兩項排放物的生成規(guī)律常常是互相矛盾的?因此,任何一個單項措施總有它的負面影響?人們總是在采取某項措施的同時,應(yīng)用另一項措施來加以補救和平衡?最后,常常是多項措施的綜合應(yīng)用,才使排放性能達到一個新的水平?柴油機是一個多性能?多工況?多因素綜合影響的統(tǒng)一體,再加上各種各樣的排放凈化措施,如何進行優(yōu)選?折中和綜合控制是一個極為困難和復(fù)雜的問題?柴油機的電子控制和綜合管理是有效解決這一問題的最佳途徑,也是使各種機內(nèi)凈化措施得以充分發(fā)揮效用的保證?在所有凈化措施中,噴油系統(tǒng)的改進無疑是最為重要的環(huán)節(jié)?

車用柴油機中常用的機械燃油噴射系統(tǒng)有兩大類,直列泵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子分配泵系統(tǒng)?直列泵系統(tǒng)包括直列多缸泵?單體泵和泵噴嘴系統(tǒng),多用于大?中型車用柴油機上?轉(zhuǎn)子分配泵系統(tǒng)有端面凸輪驅(qū)動的VE泵系統(tǒng),和內(nèi)凸輪驅(qū)動的徑向?qū)χ弥到y(tǒng),多用于輕型客車和柴油轎車的小型高速柴油機上?上述各系統(tǒng)都是應(yīng)用柱塞往復(fù)運動?脈動供油的方式工作?以下是五種控制柴油機排放的具體措施:

一?推遲噴油提前角降低NOχ排放

噴油提前角是噴油始點早于汽缸壓縮上止點的角度?柴油機都要求噴油提前,這是因為從噴油到著火有一段滯燃期,為保證實際燃燒放熱中心能接近上止點,避免燃燒拖后,經(jīng)濟性下降,所以噴油要提前?單從動力?經(jīng)濟性角度出發(fā),最佳提前角隨轉(zhuǎn)速上升而增大;隨負荷加大而略有增加?車用柴油機因為在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作,所以有專設(shè)的轉(zhuǎn)速自動提前裝置來滿足此要求?同一工況,若提前角改變,會使滯燃期改變?一般推遲噴油時,因初期噴油更接近上止點,故缸內(nèi)壓力?溫度較高,滯燃期縮短?其結(jié)果是滯燃期的預(yù)混噴油量減少?當然,若噴油太遲,使滯燃期挪到上止點之后,則缸內(nèi)壓力?溫度未必上升?這種情況一般難于碰到?預(yù)混燃燒階段是影響NOχ排放最重要的時期?預(yù)混油量及混合氣量的減少將使速燃期中壓力?溫度上升程度降低,從而大大減少NOχ的排放量?同時,由于壓力升高率的下降,噪聲也大大降低?因此推遲噴油提前角這一措施,是最早應(yīng)用的有效降低NOχ排放和噪聲的對策?推遲噴油,直噴機的NOχ大幅下降,而間接噴射式渦流室柴油機的下降幅度則小一些?但是噴油過遲,則燃油消耗率和煙度都會惡化,對CO和HC也有不利影響?油耗和煙度的惡化是噴油推遲,燃燒跟著推遲以及緩燃期油量增加,燃燒時期也拉長的必然結(jié)果?早期控制排放的措施不多,為了排放達標,不得不犧牲經(jīng)濟性能?近期已可通過提高噴射壓力等多種辦法來綜合解決這一問題?

二?燃油高壓噴射降低微粒碳煙排放

近年來,提高噴油壓力的高壓噴射措施,日漸成為直噴式柴油機機內(nèi)凈化的最佳手段?而間接噴射式柴油機,由于主要依靠氣流進行霧化?混合,所以對噴油壓力要求較低?在循環(huán)噴油量及噴孔大小和分布不變的情況下,提高噴油壓力就是加大噴油速率,它直接產(chǎn)生兩方面的效果?

(一)降低微粒碳煙的排放量

可以看出,噴油壓力增高,則粒徑減小,貫穿距加大,霧錐角加大,噴霧區(qū)的總體積也跟著加大,再加上紊流的增強,這些都直接促進了燃油與空氣的混合?其直接效果是降低了每一時刻濃混合氣成分的比例,使生成微粒碳煙的范圍自然縮小?即使不可避免仍有過濃混合氣出現(xiàn),但因粒子小,周圍空氣多,也會加快燃燒和氧化速率,使碳煙形成之初就被加速氧化?所以高壓噴射必然使微粒碳煙排放降低?大量試驗都證實了這一點?

(二)降低燃油消耗率

噴油速率增大必然縮短噴油時期,使燃燒加速,使燃燒放熱更集中于上止點附近,從而降低了燃油消耗率?大量試驗結(jié)果也證實了這一點?以上高壓噴射降低煙度和油耗的優(yōu)點,恰恰彌補了推遲噴油所帶來的缺點?反過來,高壓噴射不可避免地使混合氣快速變稀,燃燒加速,溫度上升,從而NOχ排放必然有所增大?這一弱點又會被推遲噴油,降低的NOχ功效所彌補?應(yīng)該記住,高壓噴射并沒有過大削弱推遲噴油,減小滯燃期噴油量所帶來的改善NOχ排放的顯著效果?因此若兩種措施同時應(yīng)用,進行合理調(diào)配后,NOχ和微粒碳煙排放都會同時降低?目前,兩種措施并用是最常見的手段?

三?噴油率控制技術(shù)

廣義的噴油率控制,指的是噴油規(guī)律控制,應(yīng)包括定時(噴油提前角)控制?噴油期長短控制和噴油率大小(噴油率曲線外形)控制?此處撇開噴油定時,單指在定時和循環(huán)油量不變時,噴油長短和噴油率外形的控制?噴油率是除混合氣形成因素外,對燃燒過程又一重大的影響因素?當然,噴油率本身也和混合氣形成是密不可分的?可以設(shè)想,如噴油時期控制得很長,即使大幅度提高噴油壓力,也無法縮短放熱和燃燒時間;又如,初期噴油量很大,即使推遲噴油,也無法把NOχ和噪聲降得很低?反過來,如能把初期噴油量控制得很小,就是不推遲噴油,也可達到同樣效果?可見,噴油率若能控制,將極富成果,因此,成為近年來噴油系統(tǒng)研究?開發(fā)的熱門課題?

理想的噴油率圖形可分為三個時期,即噴油初期,噴油中期,噴油后期?理想的噴油率圖形一般公認為:初期要求噴油率低,噴油量少,以降低NOχ和噪聲;中期要求短而高的噴油率段,以提高噴油壓力,縮短緩燃期,促進混合氣形成,使微粒碳煙排放和耗油率降低;后期則要求迅速結(jié)束噴油,以減少后燃油量和促進碳煙氧化?噴油中期的控制,一般是通過提高噴油壓力來實現(xiàn)?控制初期噴油率的主要技術(shù)有:機械式預(yù)噴射裝置,雙彈簧噴油器,電控噴油系統(tǒng)控制預(yù)噴射?大量試驗結(jié)果表明,要獲得良好的效果,預(yù)噴射油量?主預(yù)噴射的間隔角度以及油量和時間的控制精度都有嚴格的規(guī)定?只有電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)才能全面滿足這些要求?末期噴油段要求迅速關(guān)閉,可以通過減輕油嘴往復(fù)運動部分(針閥?推桿?彈簧)的質(zhì)量,加速針閥關(guān)閉速度來控制?這就是已廣泛推廣使用的低慣量噴油器和 P型J型小型噴油器?此外,增大針閥開啟壓力也可加速針閥落座?但是真正有效控制的手段,仍是使用電磁閥的電控噴射系統(tǒng)的迅速斷油?

四?小直徑?多噴孔加速霧化混合

在噴油速率不變情況下,可以通過減小噴孔直徑,增加噴孔數(shù)目,使噴注在燃燒室內(nèi)分布更均勻?更充滿的方法,來加速油?氣混合,獲得較好排放效果?六孔噴嘴與四孔噴嘴相比,六孔的總混合容積加大,單個噴注較窄,芯部濃混合氣易于擴散?燃燒?這些都與加大噴油壓力的效果相似?增加噴孔數(shù)后,可以降低對氣流的要求?渦流比可以減小,從而改善了燃油經(jīng)濟性?若噴孔過多,由于貫穿不足和相鄰噴注的干擾,反有不利效果?

五?噴油系統(tǒng)的其他凈化措施

目前已廣泛應(yīng)用的降低HC排放的措施就是減小孔式噴嘴壓力室容積或采用無壓力室式噴油嘴?大量使用試驗表明,柴油機長期運行后,其有害排放值基本沒有增加?這同汽油機長期使用后,有害排放量增幅較大的情況是不一樣的?如果柴油機使用過程中,排放性能突然惡化,則相當部分是噴油系統(tǒng)不能保持正常工作狀態(tài)所致?當使用中發(fā)現(xiàn)過量冒煙時,首先要檢查各個噴油器開啟壓力是否明顯下降,或噴霧狀態(tài)是否良好?有條件時,應(yīng)在油泵試驗臺上測試循環(huán)油量是否超過所規(guī)定之值以及各缸油量是否嚴重不均勻?造成循環(huán)油量不均勻及超標的原因是很多的,如柱塞副的磨損,出油閥密封性變差,油孔的堵塞等等?應(yīng)查明原因,該更換的更換,或進行清洗?但應(yīng)注意,油泵及調(diào)速器一經(jīng)拆動,必須重新在臺架上調(diào)整?如果冒煙現(xiàn)象很難解決,無法達標上路,可以適當降負荷運行?這樣做會犧牲一些動力性能?西方國家為了達標,也會采取同樣措施?如德國大眾汽車公司推出的TDI1?9L轎車增壓直噴機,無排放限制(賽車)時,標定功率達125KW;要滿足歐II法規(guī),標定為81KW;若要滿足美國加州標準,則只標定66KW?還應(yīng)強調(diào)指出,高壓油泵及調(diào)速器出廠時已經(jīng)過細致調(diào)整,很多調(diào)整部分還加上鉛封,不允許使用中私自變動,包括任意拆換其上的與性能有關(guān)的零件,如油管,油嘴等等?發(fā)現(xiàn)問題須進行換件,必須重新調(diào)整?否則會使排放及動力,經(jīng)濟性能惡化?

【參考文獻】

[1] 蔡鳳田.汽車排放污染物控制實用技術(shù)[M].人民交通出版社,1999.

[2] 李岳林主編.交通運輸環(huán)境污染與控制[M].機械工業(yè)出版社,2003.