柴油機(jī)排放性能優(yōu)化措施探究

佟長(zhǎng)宇　徐信峰　周海松

摘 要：隨著世界范圍對(duì)地球環(huán)境的日益重視，柴油機(jī)的排放污染問(wèn)題成為技術(shù)攻關(guān)的一個(gè)重要課題。如何通過(guò)技術(shù)手段和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝等措施降低柴油機(jī)排污染？針對(duì)此問(wèn)題，以非道路柴油機(jī)為例，提出改善柴油機(jī)排放性能，減少排放污染的主要措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排放；性能；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）12018901

1 前言

隨著世界范圍對(duì)地球環(huán)境的日益重視，柴油機(jī)的排放污染問(wèn)題成為技術(shù)攻關(guān)的一個(gè)重要課題。眾所周知柴油機(jī)具有良好的效率優(yōu)勢(shì)，但其所造成的排放污染遠(yuǎn)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高，其排放的成份也更為復(fù)雜，因此，對(duì)人體健康影響也更為嚴(yán)重。在柴油機(jī)的排放污染中，主要成分有：氮氧化物（NOX）、顆粒物（PM）、硫氧化物（SOX）、一氧化碳（CO）等，其中有的污染成份存在一定的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)通過(guò)技術(shù)手段降低一種排放物含量時(shí)，另一種排放物含量會(huì)必然增加，這就給技術(shù)解決柴油機(jī)的排放增加了很大的難度，怎樣通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的排放性能優(yōu)化，使得柴油機(jī)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、低排放運(yùn)行，本文主要針對(duì)非公路柴油機(jī)排放性能做進(jìn)一步的探討。

2 排放性能優(yōu)化的主要措施

為優(yōu)化非道路柴油機(jī)的工作效率，針對(duì)非道路柴油機(jī)排放物以氮氧化物（NOX）、顆粒物（PM）為主，因此對(duì)柴油機(jī)排放性能主要采取的優(yōu)化措施有機(jī)內(nèi)優(yōu)化和機(jī)外優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)能減排之目的。

2.1 機(jī)內(nèi)優(yōu)化

2.1.1 科學(xué)選擇燃燒方式

NOX是在燃燒產(chǎn)生的高溫環(huán)境下，由空氣中的O2和N2的化合作用產(chǎn)生的，與所用的碳?xì)淙剂希ú缓琋和O）組成無(wú)關(guān)。影響NOX生成率的主要因素有：（1）溫度—NOX生成與溫度之間呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)溫度低于1800K后，即達(dá)到NOX的凍結(jié)溫度。（2）當(dāng)量比Φ—Φ<1.0，則造成富O2環(huán)境，有利于NOX的生成。（3）高溫區(qū)停留時(shí)間—例如汽油機(jī)的ε較小，燃燒產(chǎn)物在膨脹沖程中停留時(shí)間較長(zhǎng)，生成的NOX就比柴油機(jī)（ε大）多。對(duì)于NOX最主要的是降低燃燒溫度，其技術(shù)措施有：中間冷卻、推遲燃燒、合理設(shè)計(jì)噴油率曲線、廢氣再循環(huán)等；對(duì)于PM：PM——是由碳粒，可溶性有機(jī)成分和硫酸鹽共同組成的。降低柴油的含S量，即可減少硫酸鹽的生成，可溶性有機(jī)成分主要是一些重碳?xì)浠衔铮苋菀子醚趸呋鞒?，因此降低PM排放的研究，重點(diǎn)是用增加對(duì)燃料的氧氣供給，其機(jī)內(nèi)技術(shù)措施有：渦輪增壓、高壓噴射、小直徑噴油孔、可變幾何渦輪增壓器；在常規(guī)的燃燒方式中，存在一條NOX和PM排放此消彼漲的trade—off曲線，如何解決NOX和PM排放此消彼漲的問(wèn)題，使NOX和PM排放量同時(shí)降低。在常規(guī)柴油機(jī)一般通過(guò)壓縮熱火化著火燃燒的方式，但其N(xiāo)OX和PM排放較高，為了有效降低柴油機(jī)污染物排放，人們通過(guò)技術(shù)手段，來(lái)研究不同的活化燃燒方式，如：ccd著火燃燒、可控活性化預(yù)混合著火燃燒、活化基著火燃燒等技術(shù)，在一定程度上能夠降低柴油機(jī)的的排放問(wèn)題，采取那種燃燒方式，需要根據(jù)燃燒室形狀、燃油噴射方式、缸內(nèi)氣流進(jìn)行科學(xué)選擇，從而降低柴油機(jī)排放。

2.1.2 優(yōu)化燃油噴射過(guò)程

柴油機(jī)的燃燒與燃油霧化關(guān)系密切，當(dāng)燃油霧化質(zhì)量好、能夠迅速充滿燃燒室時(shí)，燃燒就越充分，產(chǎn)生的NOX和PM就越少。影響燃油霧化的參數(shù)有很多，但在實(shí)際中，很多參數(shù)是無(wú)法隨意改變，如燃油物性、背壓、噴嘴長(zhǎng)度和直徑等。針對(duì)此，提高霧化效率的最有效的技術(shù)手段便是通過(guò)提噴嘴壓力，可采用多級(jí)噴和高壓噴射技術(shù)。在當(dāng)前柴油機(jī)最先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)是共軌式噴射系統(tǒng)（CRI），CRI技術(shù)采用先進(jìn)電子控制技術(shù)，可以使得噴射燃油的壓力根據(jù)實(shí)際工況的情況改變而改變，最高噴射壓力可達(dá)到150MPa，從而使燃油燃燒更充分，氣缸使用率更高，機(jī)械效率也大幅提高，減少了排放。

2.1.3 采用先進(jìn)的增壓技術(shù)

增壓是提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的最有效手段之一，通過(guò)增壓技術(shù)的運(yùn)用，可以有效提高機(jī)械效率，改善燃油燃燒過(guò)程，充分利用廢氣能量，達(dá)到降低燃油消耗率的目的。針對(duì)非道路用柴油機(jī)的工作特點(diǎn)，滿足柴油機(jī)運(yùn)行要求的渦輪增壓器及增壓中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)排放有很大的改善。在運(yùn)用先進(jìn)增壓技術(shù)改進(jìn)柴油機(jī)排放性能時(shí)，要注意渦輪增壓器的運(yùn)行特性與柴油機(jī)工作特性的匹配關(guān)系，建立可變渦輪截面與廢氣進(jìn)氣量、燃油消耗率之間的聯(lián)系，開(kāi)展增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括：中冷器的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、渦輪截面參數(shù)調(diào)整、可變（電控）渦輪的匹配；從而達(dá)到同時(shí)兼顧高速、低速柴油機(jī)性能，滿足不同負(fù)荷條件下，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和加速性能要求。通過(guò)先進(jìn)的增壓技術(shù)的運(yùn)用，使得噴油更穩(wěn)定、更精確、霧化更好，從而達(dá)到降低污染物排放和較好的燃燒效果。

2.2 機(jī)外優(yōu)化處理

隨著對(duì)非道路柴油機(jī)的排放要求越來(lái)越嚴(yán)格，為了更好的控制柴油機(jī)排放中NOX和PM排放量，就需要進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)外尾氣處理技術(shù)，現(xiàn)在較為成熟的機(jī)外處理技術(shù)主要有：

2.2.1 氧化催化器技術(shù)

通過(guò)在柴油機(jī)加裝氧化催化器，可達(dá)到有效凈化排氣中的可燃?xì)怏w，降低污染物排放的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：PM排放可降低了50%-70%，CO、HC可減少50%以上，還可以減少排氣的臭味；但是，加裝氧化催化器會(huì)在將排氣中的SOF轉(zhuǎn)化為SO2，形成固態(tài)硫酸鹽顆?；蛄蛩犰F，又增加了顆粒物的排放量。這一缺點(diǎn)使氧化催化器更適合于含硫量小的燃料柴油機(jī)，為提高凈化效果，要保證發(fā)動(dòng)機(jī)特性、催化轉(zhuǎn)換器的大小、廢氣流入轉(zhuǎn)換器的進(jìn)口溫度、催化劑及載體等良好的匹配。

2.2.2 NOX催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)

NOX催化轉(zhuǎn)化技術(shù)分為兩種：選擇性催化還原反應(yīng)和催化熱分解；其中選擇性催化還原反應(yīng)是在柴油機(jī)的排氣中噴入NOX和HC，經(jīng)催化反應(yīng)，生成H、CO、N；催化熱分解是以鉬、釩、金屬離子沸石組成的催化劑使NOX熱分解反應(yīng)的活化，從而將NOX轉(zhuǎn)化為N2。實(shí)驗(yàn)證明：NOX催化轉(zhuǎn)化器在溫350-550℃時(shí)，對(duì)柴油機(jī)尾氣中處理效果最好，可降低20%-30%左右NOX的排放，該法具有方法簡(jiǎn)單、反應(yīng)轉(zhuǎn)化無(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 顆粒過(guò)濾技術(shù)

顆粒過(guò)濾技術(shù)是顆粒過(guò)濾器、再生裝置兩部分組成，其中顆粒過(guò)濾器通過(guò)其過(guò)濾介質(zhì)極微小的間隙來(lái)收集柴油機(jī)排放中可燃顆粒物（例如，煙灰本身或和其它未完全燃燒的廢氣冷凝物）。顆粒過(guò)濾器可以去除排放中60-90%的可燃顆粒物，但是隨著介質(zhì)收集顆粒物的增加，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓增高，因此需要定期對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行清理，使過(guò)濾器恢復(fù)到良好的工作狀。此技術(shù)對(duì)尾氣中微粒凈化最為有效，而且具有簡(jiǎn)單、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.4 廢氣再循環(huán)技術(shù)

廢氣再循環(huán)（EGR）在上世紀(jì)70年代便被國(guó)外所使用，不過(guò)當(dāng)時(shí)并不能很好的控制吸入的排氣量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。直到上世紀(jì)90年代，與目前類似的EGR率先在柴油機(jī)上使用，有效解決了柴油機(jī)的排放問(wèn)題。EGR是通過(guò)與排氣歧管和進(jìn)氣歧管相連，將一部分尾氣重新引入到進(jìn)氣歧管中，再次參與燃燒從而減少NOX的排放。NOX主要是在高溫富氧的條件下產(chǎn)生的，因此，EGR的主要目的也就是為燃燒室降溫和減小氧氣濃度。廢氣中的水蒸汽和二氧化碳比熱容大，可以降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，氨和二氧化碳這些惰性氣體也可以稀釋混合氣中的氧含量。EGR實(shí)質(zhì)是為燃燒室降溫和減小氧氣濃度，那么在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，以及需要高濃度氧氣的時(shí)候，不需要EGR閥工作，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、怠速、水溫低以及急加速時(shí)，EGR是不工作的。所以，在EGR閥打開(kāi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)是處于暖機(jī)狀態(tài)下平穩(wěn)工作的，此時(shí)對(duì)動(dòng)力會(huì)有一定影響，但是很小，而對(duì)油耗則沒(méi)有任何影響。當(dāng)廢氣再循環(huán)率為25%時(shí)，NOX排放可能減省80%，廢氣再循環(huán)率為15%時(shí)，NOX排放可以減少50%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

非道路柴油機(jī)的因?yàn)槠涔ぷ鳁l件比較惡劣、功率范圍大，空間分布廣，這些都對(duì)其尾氣的排放控制增加了一定的難度。我國(guó)于2007年正式公布《非道路用柴油機(jī)排氣污染物限值及測(cè)量方法（中國(guó)I、II階段）》，對(duì)非道路柴油機(jī)的排放提出了嚴(yán)格要求，歐盟、美國(guó)等國(guó)家也針對(duì)非公路柴油機(jī)制定、完善相應(yīng)的排放法規(guī)，柴油機(jī)生產(chǎn)廠家只有先進(jìn)的技術(shù)手段和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝等措施降低柴油機(jī)排污染，才能提高產(chǎn)品的國(guó)際、國(guó)內(nèi)竟?fàn)幜Α?/p>

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