浅议柴油机排放控制技术

柴油机的有害排放量取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程,而这些过程归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工况的配合所决定的。柴油机排气净化的关键,是如何有效地消除N0_x和微粒碳烟的生成量。

车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有2大类。即直列泵系统和转子分配泵系统。下面就谈谈从上述2类喷油系统出发,控制柴油机有害排放量的各种具体措施。

1.推迟喷油,降低排放

喷油提前角是喷油始点早于气缸压缩上止点的角度。柴油机都要求喷油提前,这是因为从喷油到着火有一段滞燃期,为保证实际燃烧放热中心能接近上止点,避免燃烧拖后,经济性下降,所以喷油要提前。单从动力性和经济性出发,最佳提前角应随转速上升而增大,也应随负荷加大而稍稍增大。车用柴油机因为在宽广的转速范围内工作,所以有专设的转速自动提前装置来满足此要求。同一工况,若提前角改变,会使滞燃期改变。一般推迟喷油时,因初期喷油更接近上止点,故缸内压力、温度较高,滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。当然,若喷油太迟,使滞燃期挪到上止点之后,则缸内压力、温度未必上升。这种情况一般难以碰到。预混燃烧阶段是影响NO_x排放最重要的时期。预混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低,从而大大减少NO_x的排放量。同时,由于压力升高率下降,噪声也大大降低。因此推迟喷油这一措施,是最早应用的有效降低NO_x排放和噪声的对策。

应当指出,过度推迟喷油,燃油消耗率和烟度都会恶化,对CO和HC的排放也有不利影响。油耗和烟度的恶化是喷油推迟、燃烧跟着推迟,以及缓燃期油量增加、燃烧时期也拉长的必然结果。

2.降低微粒碳烟排放

在循环喷油量及喷孔大小和布不变的情况下,提高喷油压力就加大喷油速率,它直接产生2方面效果。其一,降低微粒碳烟的排放量。显然,喷油压力增高,则燃油颗粒粒径减小,贯穿距加大,雾锥角加大,喷雾区的总体积也跟着加大,再加上紊流的增强,这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例,使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现,但因粒子小,周围空气多,也会提高燃烧和氧化速率,使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。大量试验都证实了这一点。其二,降低燃油消耗率。喷油速率增大必然缩短喷油时期,使燃烧加速燃烧放热更集中于上止点附近,从而降低了燃油消耗率。

高压喷射降低烟度和油耗优点,恰恰弥补了推迟喷油所带来的缺点。反过来,高压喷射不可避免地使混合气快速变稀,燃烧加速,温度上升,从而NO_x排放必然有所增大。这一弱点又会被推迟喷油可以降低NO_x功效所弥补。应强调指出,高压喷射并没有过大削弱推迟喷油、减小滞燃期喷油量所带来的改善N0x排放的显著效果。因此若两种措施同时应用,进行合理调配后,NO_x和微粒碳烟排放会同时降低。

3.喷油率控制

广义的喷油率控制,指的是喷油规律控制,应包括定时(喷油提前角)控制、喷油期长短控制和喷油率大小(喷油率曲线外形)控制。此处撇开喷油定时,单指在定时和循环油量不变时,喷油期长短和喷油率曲线的控制。喷油率是除混合气形成因素外,对燃烧过程又一重大的影响因素。当然,喷油率本身也和混合气的形成密不可分。可以设想,如喷油时期控制得很长,即使大幅度提高喷油压力,也无法缩短放热和燃烧时间;同样可以设想,如初期喷油量很大,即使推迟喷油,也无法把N0x和噪声降得很低。反过来,如能把初期喷油量控制得很小,就是不推迟喷油,也可达到同样效果。理想的喷油率图形可分为3个时期,即喷油初期、喷油中期和喷油后期。理想的喷油率图形一般公认,初期要求喷油率低,喷油量少,以降低NO_x和噪声;中期要求短而高的喷油率段,以提高喷油压力,缩短缓燃期,促进混合气形成,使微粒碳烟氧化。喷油中期的控制,一般通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有机械式预喷射装置、双弹簧喷油器以及电控喷油系统控制预喷射。大量的试验结果表明,要获得良好的效果,预喷射油量、主喷射和预喷射的间隔角度以及油量和时间的控制精度都有严格的规定。只有电控高压共轨式喷油系统才能全面满足这些要求。末期喷油段要求迅速关闭,可以通过减轻喷油嘴往复运动部分(针阀、推杆、弹簧)的质量、加速针阀关闭速度来控制;这就是已广泛推广使用的低惯量喷油器和P型、J型等小型喷油器。

加速燃料雾化混合

在喷油速率不变情况下.可以通过减小喷孔直径、增加喷孔数目,使喷注在燃烧室内分布更均匀、更充满的方法,来加速油、气混合,获得较好的排放效果。6孔喷嘴与4孔喷嘴相比,6孔的总混合容积加大,单个喷注较窄,芯部浓混合气易于扩散、燃烧。这些都与加大喷油压力的效果相似。增加喷孔数后,可以降低对气流的要求,涡流比可以减小,从而改善燃油经济性。当然,喷孔也不能过多,否则由于贯穿不足和相邻喷注的干扰,反而有不利的效果。

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