小議柴油機噴油系統的排放控制技術的探討

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

【關鍵詞】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燃燒過程，而這些歸根到底是由噴油、氣流、燃燒系統以及缸內工作特質的配合所決定的。柴油機凈化的關鍵，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一體，再加上各種各樣的排放凈化措施，如何進行優選、折中和綜合控制是一個極為困難和復雜的問題。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，也是使各種機內凈化措施得以充分發揮效用的保證。在所有凈化措施中，噴油系統的改進無疑是最為重要的環節。

車用柴油機中常用的機械燃油噴射系統有兩大類，直列泵系統和轉子分配泵系統。直列泵系統包括直列多缸泵、單體泵和泵噴嘴系統，多用于大、中型車用柴油機上。轉子分配泵系統有端面凸輪驅動的VE泵系統，和內凸輪驅動的徑向對置柱塞系統，多用于輕型客車和柴油轎車的小型高速柴油機上。上述各系統都是應用柱塞往復運動、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，經濟性下降，所以噴油要提前。單從動力、經濟性角度出發，最佳提前角隨轉速上升而增大；隨負荷加大而略有增加。車用柴油機因為在寬廣的轉速范圍內工作，所以有專設的轉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，故缸內壓力、溫度較高，滯燃期縮短。其結果是滯燃期的預混噴油量減少。當然，若噴油太遲，使滯燃期挪到上止點之后，則缸內壓力、溫度未必上升。這種情況一般難于碰到。預混燃燒階段是影響NOχ排放最重要的時期。預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果。早期控制排放的措施不多，為了排放達標，不得不犧牲經濟性能。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，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。大量試驗結果也證實了這一點。以上高壓噴射降低煙度和油耗的優點，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用，進行合理調配后，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

廣義的噴油率控制，指的是噴油規律控制，應包括定時（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研究、開發的熱門課題。

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（下接第182頁）(上接第173頁)形成，使微粒碳煙排放和耗油率降低；后期則要求迅速結束噴油，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。控制初期噴油率的主要技術有：機械式預噴射裝置，雙彈簧噴油器，電控噴油系統控制預噴射。大量試驗結果表明，要獲得良好的效果，預噴射油量、主預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定。只有電控高壓共軌式噴油系統才能全面滿足這些要求。末期噴油段要求迅速關閉，可以通過減輕油嘴往復運動部分（針閥、推桿、彈簧）的質量，加速針閥關閉速度來控制。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，增加噴孔數目，使噴注在燃燒室內分布更均勻、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．噴油系統的其他凈化措施

目前已廣泛應用的降低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不能保持正常工作狀態所致。當使用中發現過量冒煙時，首先要檢查各個噴油器開啟壓力是否明顯下降，或噴霧狀態是否良好。有條件時，應在油泵試驗臺上測試循環油量是否超過所規定之值以及各缸油量是否嚴重不均勻。造成循環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。應查明原因，該更換的更換，或進行清洗。但應注意，油泵及調速器一經拆動，必須重新在臺架上調整。如果冒煙現象很難解決，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，標定為81KW；若要滿足美國加州標準，則只標定66KW。還應強調指出，高壓油泵及調速器出廠時已經過細致調整，很多調整部分還加上鉛封，不允許使用中私自變動，包括任意拆換其上的與性能有關的零件，如油管，油嘴等等。發現問題須進行換件，必須重新調整。否則會使排放及動力，經濟性能惡化。

【參考文獻】

［1］蔡鳳田．汽車排放污染物控制實用技術［M］．人民交通出版社，1999．

［2］李岳林主編．交通運輸環境污染與控制［M］．機械工業出版社，2003．