柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的排放控制技術(shù)

　　車用柴油機(jī)中常用的機(jī)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(jī)上。轉(zhuǎn)子分配泵系統(tǒng)有端面凸輪驅(qū)動(dòng)的VE泵系統(tǒng)，和內(nèi)凸輪驅(qū)動(dòng)的徑向?qū)χ弥�塞系統(tǒng)，多用于輕型客車和柴油轎車的小型高速柴油機(jī)上。上述各系統(tǒng)都是應(yīng)用柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、脈動(dòng)供油的方式工作。

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　　【摘要】柴油機(jī)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(jìn)排放的五種切實(shí)可行的方法，具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。

　　【關(guān)鍵詞】柴油機(jī);排放控制;措施

　　柴油機(jī)的有害排放取決于柴油機(jī)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(jī)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(xiàng)排放物的生成規(guī)律常常是互相矛盾的。因此，任何一個(gè)單項(xiàng)措施總有它的負(fù)面影響。人們總是在采取某項(xiàng)措施的同時(shí)，應(yīng)用另一項(xiàng)措施來(lái)加以補(bǔ)救和平衡。最后，常常是多項(xiàng)措施的綜合應(yīng)用，才使排放性能達(dá)到一個(gè)新的水平。柴油機(jī)是一個(gè)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(jìn)行優(yōu)選、折中和綜合控制是一個(gè)極為困難和復(fù)雜的問題。柴油機(jī)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(jī)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(jìn)無(wú)疑是最為重要的環(huán)節(jié)。

　　以下是五種控制柴油機(jī)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(diǎn)早于汽缸壓縮上止點(diǎn)的角度。柴油機(jī)都要求噴油提前，這是因?yàn)閺膰娪偷街�火有一段滯燃期，為保證實(shí)際燃燒放熱中心能接近上止點(diǎn)，避免燃燒拖后，經(jīng)濟(jì)性下降，所以噴油要提前。單從動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，最佳提前角隨轉(zhuǎn)速上升而增大;隨負(fù)荷加大而略有增加。車用柴油機(jī)因?yàn)樵趯拸V的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，所以有專設(shè)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)提前裝置來(lái)滿足此要求。同一工況，若提前角改變，會(huì)使滯燃期改變。一般推遲噴油時(shí)，因初期噴油更接近上止點(diǎn)，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(dāng)然，若噴油太遲，使滯燃期挪到上止點(diǎn)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(shí)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(shí)，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(duì)策。推遲噴油，直噴機(jī)的NOχ大幅下降，而間接噴射式渦流室柴油機(jī)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(huì)惡化，對(duì)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(shí)期也拉長(zhǎng)的必然結(jié)果。早期控制排放的措施不多，為了排放達(dá)標(biāo)，不得不犧牲經(jīng)濟(jì)性能。近期已可通過提高噴射壓力等多種辦法來(lái)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(lái)，提高噴油壓力的高壓噴射措施，日漸成為直噴式柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的最佳手段。而間接噴射式柴油機(jī)，由于主要依靠氣流進(jìn)行霧化、混合，所以對(duì)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(qiáng)，這些都直接促進(jìn)了燃油與空氣的混合。其直接效果是降低了每一時(shí)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(huì)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(yàn)都證實(shí)了這一點(diǎn)。

　　(二)降低燃油消耗率

　　噴油速率增大必然縮短噴油時(shí)期，使燃燒加速，使燃燒放熱更集中于上止點(diǎn)附近，從而降低了燃油消耗率。大量試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。以上高壓噴射降低煙度和油耗的優(yōu)點(diǎn)，恰恰彌補(bǔ)了推遲噴油所帶來(lái)的缺點(diǎn)。反過來(lái)，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(diǎn)又會(huì)被推遲噴油，降低的NOχ功效所彌補(bǔ)。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(lái)的改善NOχ排放的顯著效果。因此若兩種措施同時(shí)應(yīng)用，進(jìn)行合理調(diào)配后，NOχ和微粒碳煙排放都會(huì)同時(shí)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(shí)(噴油提前角)控制、噴油期長(zhǎng)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(shí)，單指在定時(shí)和循環(huán)油量不變時(shí)，噴油長(zhǎng)短和噴油率外形的控制。噴油率是除混合氣形成因素外，對(duì)燃燒過程又一重大的影響因素。當(dāng)然，噴油率本身也和混合氣形成是密不可分的�？梢栽O(shè)想，如噴油時(shí)期控制得很長(zhǎng)，即使大幅度提高噴油壓力，也無(wú)法縮短放熱和燃燒時(shí)間;又如，初期噴油量很大，即使推遲噴油，也無(wú)法把NOχ和噪聲降得很低。反過來(lái)，如能把初期噴油量控制得很小，就是不推遲噴油，也可達(dá)到同樣效果�？梢�，噴油率若能控制，將極富成果，因此，成為近年來(lái)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(gè)時(shí)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(rèn)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(jìn)混合氣(下接第182頁(yè))(上接第173頁(yè))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(jìn)碳煙氧化。噴油中期的控制，一般是通過提高噴油壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)�？刂瞥跗趪娪吐实闹饕�技術(shù)有：機(jī)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(yàn)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(shí)間的控制精度都有嚴(yán)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(yùn)動(dòng)部分(針閥、推桿、彈簧)的質(zhì)量，加速針閥關(guān)閉速度來(lái)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(lái)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(gè)噴注較窄，芯部濃混合氣易于擴(kuò)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(duì)氣流的要求。渦流比可以減小，從而改善了燃油經(jīng)濟(jì)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(wú)壓力室式噴油嘴。大量使用試驗(yàn)表明，柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，其有害排放值基本沒有增加。這同汽油機(jī)長(zhǎng)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(jī)使用過程中，排放性能突然惡化，則相當(dāng)部分是噴油系統(tǒng)不能保持正常工作狀態(tài)所致。當(dāng)使用中發(fā)現(xiàn)過量冒煙時(shí)，首先要檢查各個(gè)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(shí)，應(yīng)在油泵試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)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(yán)重不均勻。造成循環(huán)油量不均勻及超標(biāo)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(jìn)行清洗。但應(yīng)注意，油泵及調(diào)速器一經(jīng)拆動(dòng)，必須重新在臺(tái)架上調(diào)整。如果冒煙現(xiàn)象很難解決，無(wú)法達(dá)標(biāo)上路，可以適當(dāng)降負(fù)荷運(yùn)行。這樣做會(huì)犧牲一些動(dòng)力性能。西方國(guó)家為了達(dá)標(biāo)，也會(huì)采取同樣措施。如德國(guó)大眾汽車公司推出的TDI1。9L轎車增壓直噴機(jī)，無(wú)排放限制(賽車)時(shí)，標(biāo)定功率達(dá)125KW;要滿足歐II法規(guī)，標(biāo)定為81KW;若要滿足美國(guó)加州標(biāo)準(zhǔn)，則只標(biāo)定66KW。還應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，高壓油泵及調(diào)速器出廠時(shí)已經(jīng)過細(xì)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(dòng)，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(jìn)行換件，必須重新調(diào)整。否則會(huì)使排放及動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)性能惡化。

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