對柴油機噴油系統的排放控制技術(shù)的探討

摘要：柴油機凈化的關(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，具有明顯的現實(shí)意義。

關(guān)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(guò)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(zhì)的配合所決定的。柴油機凈化的關(guān)鍵，是如何有效地消除NOχ和微粒碳煙的生成量。恰恰這兩項排放物的生成規律常常是互相矛盾的。因此，任何一個(gè)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(shí)，應用另一項措施來(lái)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(gè)新的水平。柴油機是一個(gè)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(jìn)行優(yōu)選、折中和綜合控制是一個(gè)極為困難和復雜的問(wèn)題。柴油機的電子控制和綜合管理是有效解決這一問(wèn)題的最佳途徑，也是使各種機內凈化措施得以充分發(fā)揮效用的保證。在所有凈化措施中，噴油系統的改進(jìn)無(wú)疑是最為重要的環(huán)節。
　　車(chē)用柴油機中常用的機械燃油噴射系統有兩大類(lèi)，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(chē)用柴油機上。轉子分配泵系統有端面凸輪驅動(dòng)的VE泵系統，和內凸輪驅動(dòng)的徑向對置柱塞系統，多用于輕型客車(chē)和柴油轎車(chē)的小型高速柴油機上。上述各系統都是應用柱塞往復運動(dòng)、脈動(dòng)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(diǎn)早于汽缸壓縮上止點(diǎn)的角度。柴油機都要求噴油提前，這是因為從噴油到著(zhù)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)濟性下降，所以噴油要提前。單從動(dòng)力、經(jīng)濟性角度出發(fā)，最佳提前角隨轉速上升而增大；隨負荷加大而略有增加。車(chē)用柴油機因為在寬廣的轉速范圍內工作，所以有專(zhuān)設的轉速自動(dòng)提前裝置來(lái)滿(mǎn)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(diǎn)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(shí)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(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(guò)遲，則燃油消耗率和煙度都會(huì )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(zhù)推遲以及緩燃期油量增加，燃燒時(shí)期也拉長(cháng)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(jīng)濟性能。近期已可通過(guò)提高噴射壓力等多種辦法來(lái)綜合解決這一問(wèn)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(jìn)行霧化、混合，所以對噴油壓力要求較低。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。
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　　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(zhù)加大，再加上紊流的增強，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(guò)濃混合氣出現，但因粒子小，周?chē)�空氣多，也�?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。大量試驗都證實(shí)了這一點(diǎn)。
　�。ǘ�）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。大量試驗結果也證實(shí)了這一點(diǎn)。以上高壓噴射降低煙度和油耗的優(yōu)點(diǎn)，恰恰彌補了推遲噴油所帶來(lái)的缺點(diǎn)。反過(guò)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。應該記住，高壓噴射并沒(méi)有過(guò)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(zhù)效果。因此若兩種措施同時(shí)應用，進(jìn)行合理調配后，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(jiàn)的手段�！∪�、噴油率控制技術(shù)
　　廣義的噴油率控制，指的是噴油規律控制，應包括定時(shí)（噴油提前角）控制、噴油期長(cháng)短控制和噴油率大�。▏娪吐是�線(xiàn)外形）控制。此處撇開(kāi)噴油定時(shí)，單指在定時(shí)和循環(huán)油量不變時(shí)，噴油長(cháng)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(guò)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�？梢栽O想，如噴油時(shí)期控制得很長(cháng)，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(guò)來(lái)，如能把初期噴油量控制得很小，就是不推遲噴油，也可達到同樣效果�？梢�(jiàn)，噴油率若能控制，將極富成果，因此，成為近年來(lái)噴油系統研究、開(kāi)發(fā)的熱門(mén)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(guò)提高噴油壓力來(lái)實(shí)現�？刂瞥跗趪娪吐实闹饕�技術(shù)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(shí)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(mǎn)足這些要求。末期噴油段要求迅速關(guān)閉，可以通過(guò)減輕油嘴往復運動(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(kāi)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(guò)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(mǎn)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(jīng)濟性。若噴孔過(guò)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(wú)壓力室式噴油嘴。大

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