柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的排放控制技術(shù)

周偉 王藝穎 文李

摘要：隨著可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)理念的提出，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)環(huán)境的保護(hù)，而柴油機(jī)在運(yùn)行過程中，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定含量的氮氧化物NOX以及其他污染物，基于此，本文闡述了幾種柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的排放控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);噴油系統(tǒng);排放控制

中圖分類號(hào)：TK421+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0041-02

0 ?引言

一般情況下，柴油機(jī)的有害物質(zhì)的排放量主要受到缸內(nèi)燃燒過程以及柴油機(jī)混合氣形成等影響，而這些因素又直接受到柴油機(jī)氣流、噴油以及燃燒系統(tǒng)、缸內(nèi)運(yùn)行情況影響，所以，對(duì)于柴油機(jī)的凈化可以從以上幾個(gè)方面入手。而其中最為關(guān)鍵的部分就是如何有效的將氮氧化物NOX以及微粒碳煙進(jìn)行消除。但是此兩項(xiàng)排放物由于生成規(guī)律自相矛盾，所以，在凈化過程中必須要注意當(dāng)對(duì)某項(xiàng)采取凈化措施時(shí)還應(yīng)采取相關(guān)措施來對(duì)另一項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)救，進(jìn)而促使整個(gè)凈化過程達(dá)到相關(guān)要求。另外，柴油機(jī)本身就是一個(gè)具有多性能、多因素影響且多工況的統(tǒng)一體，再加上凈化技術(shù)的多樣性，所以，選擇科學(xué)、合理的凈化方式顯得尤為重要。就目前而言，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行綜合管理以及電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效的緩解其污染物的排放，但即使這樣，柴油機(jī)的凈化效果仍很難得到保證，其中最難解決的問題就是噴油系統(tǒng)的排放控制。對(duì)于車用柴油機(jī)而言其主要應(yīng)用的噴油系統(tǒng)有兩大類，即轉(zhuǎn)子分配泵以及直列泵系統(tǒng)。所謂的轉(zhuǎn)子分配泵技術(shù)主要被應(yīng)用在客車以及小型高速柴油轎車中，該系統(tǒng)還包括內(nèi)凸輪驅(qū)動(dòng)的徑向?qū)χ弥到y(tǒng)以及端面凸輪驅(qū)動(dòng)的VE泵系統(tǒng);列泵系統(tǒng)則主要被應(yīng)用在大中型車用柴油機(jī)上，其還包括單體泵、直列多缸泵以及泵噴嘴系統(tǒng)。無論怎樣，這兩大類噴油系統(tǒng)的工作方式均是脈動(dòng)供油或者柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以，本文主要針對(duì)此兩種噴油方式進(jìn)行排放控制。

1 ?柴油機(jī)噴油系統(tǒng)排放控制技術(shù)

1.1 推遲噴油提前角，降低NOX排放

所謂的噴油提前角指的主要是在噴油開始的點(diǎn)與氣缸壓縮結(jié)束之間的角度。一般情況下，柴油機(jī)均要求提前噴油。那是因?yàn)?，在噴油到著火之間是存在一定的滯燃期，而為了保證實(shí)際柴油機(jī)燃燒可以達(dá)到相關(guān)要求，所以，為了避免燃燒推遲、節(jié)省成本等，噴油必須要提前。

根據(jù)柴油機(jī)的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)兩方面性能考量，轉(zhuǎn)速的上升應(yīng)決定最佳提前角的增大，同時(shí)，負(fù)荷的增大也應(yīng)稍微的影響最佳提前角的增大。機(jī)動(dòng)車的柴油機(jī)往往因?yàn)楣ぷ鞯霓D(zhuǎn)速范圍寬廣，從而設(shè)定專門的轉(zhuǎn)速提前裝置來滿足此要求。在同樣的工況條件下，最佳提前角的改變會(huì)導(dǎo)致滯燃期的改變。實(shí)際情況當(dāng)中，初期噴油嘴距離上止點(diǎn)更為接近，因此缸內(nèi)壓力和溫度較高，滯燃期也隨之縮短;這樣就會(huì)減少滯燃期的預(yù)混噴油量。如果噴油時(shí)間過遲，當(dāng)滯燃期無限接近甚至達(dá)到上止點(diǎn)后，缸內(nèi)的壓力和溫度也不一定會(huì)升高;此類現(xiàn)象屬于特殊情況，日常工況下很難碰到。NOX排放的關(guān)鍵期就是預(yù)混燃燒階段。NOX排放量的減少主要是由于降低了缸內(nèi)壓力和溫度，而此現(xiàn)象又決定于預(yù)混油量及混合氣量的減少;不僅如此，噪聲也會(huì)隨著壓力的減少而降低。因此，最早最有效的降低NOX排放量和噪聲的措施就是推遲噴油。相比于間接噴射渦流式柴油機(jī)降低NOX排放量較少，直噴式柴油機(jī)要優(yōu)秀很多。應(yīng)該講的是，若過度的推遲噴油時(shí)間，不僅會(huì)嚴(yán)重消耗燃油和惡化煙度，更會(huì)對(duì)CO、HC的排放產(chǎn)生不利。噴油時(shí)間過度推遲、增加緩燃期用油量和增加燃燒時(shí)間也對(duì)直接導(dǎo)致油耗的增加和煙度的惡化。由于過去的技術(shù)水平較低，為了保證排放的合規(guī)合標(biāo)，就不得已犧牲經(jīng)濟(jì)性，但隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，如今有多種辦法可以綜合解決此類問題。

1.2 高壓噴射，降低微粒碳煙排放

如今隨著科技的進(jìn)步，凈化直噴式柴油機(jī)機(jī)內(nèi)的最佳措施是提高噴油壓力的高壓噴射。對(duì)于間接噴射柴油機(jī)而言，由于其霧化和混合是依賴于氣流，因此對(duì)噴油壓力不會(huì)有嚴(yán)格的要求。當(dāng)控制噴油孔大小的分布不變和循環(huán)噴油量一定的工況下，噴油壓力的提升就意味著噴油速率的提高，這樣會(huì)出現(xiàn)兩種積極現(xiàn)象。第一，微粒碳煙的排放量得以控制減少。可以預(yù)見的是，提升噴油壓力會(huì)使燃油顆粒直徑減小，從而增加貫穿距離，進(jìn)而使噴霧區(qū)域的體積增加，再加上增強(qiáng)紊流，這都會(huì)使燃油和空氣的混合更加充分。此類現(xiàn)象會(huì)使?jié)饣旌蠚獗壤档停s小微粒碳煙的范圍。即便是濃混合氣消除不盡，也會(huì)由于空氣的含量高，粒子較小，從而提高燃燒效率，進(jìn)而在形成碳煙的初期就會(huì)被氧化。第二，減少燃油用量。噴油速率的提高意味著噴油時(shí)間的縮短，使得燃燒速度更快、更充分，上止點(diǎn)附近充斥著燃燒所釋放的熱量，從而使燃油的用量大大減少，大量試驗(yàn)都可佐證這一現(xiàn)象。

高壓噴射和推遲噴油恰好可以相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)。高壓噴油會(huì)快速稀釋混合氣體，加速燃燒過程，溫度和壓力升高，導(dǎo)致NOX排放量增加;而推遲噴油時(shí)間又可以使NOX排放量減少。應(yīng)指出的是，高壓噴油不會(huì)減弱推遲噴油減少NOX排放量的效果。因此，二者取其長(zhǎng)補(bǔ)其短，完美結(jié)合后會(huì)使得柴油機(jī)噴油系統(tǒng)更為科學(xué)合理。

1.3 噴油率控制

噴油率控制，顧名思義是控制噴油的規(guī)律。主要包括提前角控制、噴油嘴的長(zhǎng)度控制和噴油率大小的控制。除去提前角控制，只說在時(shí)間和循環(huán)油量一定的情況下，噴油嘴長(zhǎng)度的控制和噴油率的控制。除了混合氣體形成的因素之外，噴油率也會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生重大的影響。噴油嘴和混合氣體的形成也是緊密相連的。可以預(yù)見的是，如果控制很長(zhǎng)的噴油時(shí)間，即便是提升噴油壓力，也沒有辦法減少放熱、燃燒的時(shí)間;同理可得，如果控制很大的初期噴油量，即便是推遲噴油時(shí)間，也沒有辦法降低NOX排放量。相反，如果降低初期噴油量，即使噴油時(shí)間不變，也能保證同樣的效果。由此可見，若能控制噴油率，將會(huì)極大豐富成果。所以，當(dāng)今柴油機(jī)噴油系統(tǒng)研發(fā)的熱門課題已變成噴油率的控制。

較為理想的噴油率圖形分為三個(gè)階段，主要是噴油的初期、中期和后期;要求初期較低的噴油率，降低噴油量，使得NOX的排放量和噪聲降低;要求中期噴油率圖形短、高，使得噴油壓力得以提高，緩燃期得以縮短，從而使混合氣體的形成更充分，進(jìn)而降低耗油量和微粒碳煙排放量;要求后期結(jié)束噴油應(yīng)快速，從而使碳煙得以充分氧化和降低燃油量。提升噴油壓力主要是作用于噴油中期。初期噴油率的控制技術(shù)主要是機(jī)械式的預(yù)噴裝置、雙彈簧式的噴油器以及電控式的噴油系統(tǒng)控制預(yù)噴方式。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果來看，只有嚴(yán)格要求預(yù)噴射的用油量、主噴和預(yù)噴的間隔角度、油量和時(shí)間的精度控制，才能獲取良好的效果。

而全部滿足此類要求的系統(tǒng)只有電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)。后期要求快速關(guān)閉噴油，可以采用降低噴油嘴運(yùn)動(dòng)零件的重量、加快針閥作用速率來完成。以上所述就是目前已廣為流傳的低慣量的噴油器、P型及J型等小型噴油器。除此之外，也可以通過增加針閥作用的壓力來實(shí)現(xiàn)。但電控式的噴射系統(tǒng)仍然是快速斷油首選最為有效的方法。

1.4 既小且多的噴嘴噴孔，加速燃料霧化混合

噴油率一定的工況下，為了使油、氣排放效果更為優(yōu)秀，也可以縮短噴油孔直徑、增加噴油孔數(shù)量，從而使燃燒室內(nèi)油氣更充滿。相比于4孔噴嘴，6孔噴嘴混合體積更大，單個(gè)噴嘴更窄，濃混合氣體擴(kuò)散和燃燒更充分。這種方法也和提升噴油壓力效果類似。增加噴油孔數(shù)量以后，對(duì)氣流的要求可以適當(dāng)降低，可以適當(dāng)減少渦流比例，從而使燃油燃燒更經(jīng)濟(jì)。需要特別指出的是，噴油孔也不能太多，不然會(huì)因?yàn)樨灤┎蛔愫拖噜弴娮斓奈蓙y，導(dǎo)致不利的效果。

1.5 NOX催化轉(zhuǎn)化器

催化熱分解和選擇性催化還原兩種技術(shù)是NOX主要的催化轉(zhuǎn)化技術(shù);催化熱分解技術(shù)是采用特殊的化學(xué)物質(zhì)合成催化劑用以分解的活化能，并且把NOX反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2，整個(gè)催化過程保證無毒無害;選擇性催化還原是將飽和的HC和NOX加入到排放的廢氣之中，最終轉(zhuǎn)化為N2、CO2和水等清潔無毒無害產(chǎn)物。柴油機(jī)微粒PM高效的后處理技術(shù)是柴油機(jī)微粒捕集器（簡(jiǎn)稱DPF）。采用裝置將PM進(jìn)行過濾之后，定期對(duì)捕集器中的PM進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF的連續(xù)使用，也就是再生。燃燒PM的方式是再生最為常見的一種方式。由于PM是柴油燃燒產(chǎn)生，因此我們只需要對(duì)PM進(jìn)行升溫，就可以保證PM繼續(xù)燃燒，最終轉(zhuǎn)化為CO2和水。PM的燃燒溫度一般控制在550～650℃之間，而這個(gè)溫度是比正常排氣溫度要高的。所以，主動(dòng)再生和被動(dòng)再生是PM充分燃燒的兩種研究方向。主動(dòng)再生技術(shù)是對(duì)柴油機(jī)排放溫度或者過濾體溫度進(jìn)行升溫;被動(dòng)再生技術(shù)是通過加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦狗磻?yīng)活化能降低。微粒捕集器之所以能夠捕集PM，其原理是過濾技術(shù)和非過濾技術(shù)，粒子之間的碰撞、阻截或重力下沉等原理將PM吸附于捕集器單元之中，和靜電除塵技術(shù)大同小異。

1.6 其他措施

當(dāng)前最為推廣的可以降低HC排放的方法是縮小孔式的噴嘴壓力室體積和采取無壓力室式的噴油嘴。需要強(qiáng)調(diào)的是，除了上述設(shè)計(jì)的方式方法之外，日常的使用和維護(hù)方面也應(yīng)注意采用相應(yīng)的措施，從而更科學(xué)更合理地控制柴油機(jī)有害物排放。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果來看，在柴油長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，有害物的排放基本保持一致。這種情況和汽油機(jī)長(zhǎng)期使用的有害物排放量大幅增長(zhǎng)是不同的。若柴油機(jī)工作過程中發(fā)生冒煙的現(xiàn)象，立即應(yīng)對(duì)噴油嘴的壓力情況進(jìn)行檢查，看是否有明顯變化或者噴霧是否正常。有必要時(shí)，還應(yīng)對(duì)循環(huán)油量是否超過規(guī)定值進(jìn)行檢查以及缸內(nèi)油量是否均勻。若發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)油量不均和超標(biāo)，導(dǎo)致這一異常的原因有很多，比如柱塞副出現(xiàn)磨損、出油閥的密封性降低和噴油孔不通順等情況，則應(yīng)具體問題具體分析，進(jìn)行清洗或更換。特別強(qiáng)調(diào)的是，一旦對(duì)噴油泵和調(diào)速器進(jìn)行拆卸，必須要在臺(tái)架上進(jìn)行重新調(diào)整。若冒煙實(shí)在無法解決，且無法達(dá)到上路標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)降低負(fù)荷運(yùn)行，即使這樣會(huì)損失一定的動(dòng)力性能。此類方法是西方國(guó)家為了達(dá)標(biāo)普遍采取的措施。比如德國(guó)的大眾集團(tuán)上市的TDI1.9L型增壓直噴機(jī)，當(dāng)解除排放限值后，額定功率125kW;若要達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)，則標(biāo)定為81kW;若要達(dá)到美國(guó)加州標(biāo)準(zhǔn)，則標(biāo)定66kW。還應(yīng)指出的是，噴油泵和調(diào)速器廠家已經(jīng)進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整，大部分還都裝上鉛封，在使用中禁止私自進(jìn)行改動(dòng);也嚴(yán)禁隨意對(duì)系統(tǒng)中與性能相關(guān)的部件進(jìn)行拆卸和更換;如必須執(zhí)行此類操作時(shí)，則應(yīng)必須對(duì)機(jī)器進(jìn)行重新調(diào)整，否則會(huì)嚴(yán)重影響排放和動(dòng)力。

2 ?結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，未來排放的要求勢(shì)必會(huì)更加嚴(yán)格，這也就要求柴油機(jī)的發(fā)展必定會(huì)更加節(jié)能、更加環(huán)保，從而為可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出一定的貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：周偉（1979-），男，重慶人，本科。