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柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨-5151doc

柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨
作者:未知 文章来源:网络 点击数: 更新时间:2009-4-15

  【摘要】柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从喷油系统出发,提出了改进排放的五种切实可行的方法,具有明显的现实意义。

  【关键词】柴油机;排放控制;措施
  
  柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程,而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。柴油机净化的关键,是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。恰恰这两项排放物的生成规律常常是互相矛盾的。因此,任何一个单项措施总有它的负面影响。人们总是在采取某项措施的同时,应用另一项措施来加以补救和平衡。最后,常常是多项措施的综合应用,才使排放性能达到一个新的水平。柴油机是一个多性能、多工况、多因素综合影响的统一体,再加上各种各样的排放净化措施,如何进行优选、折中和综合控制是一个极为困难和复杂的问题。柴油机的电子控制和综合管理是有效解决这一问题的最佳途径,也是使各种机内净化措施得以充分发挥效用的保证。在所有净化措施中,喷油系统的改进无疑是最为重要的环节。
  车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有两大类,直列泵系统和转子分配泵系统。直列泵系统包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统,多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统,和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统,多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。上述各系统都是应用柱塞往复运动、脉动供油的方式工作。以下是五种控制柴油机排放的具体措施:
  一、推迟喷油提前角降低NOχ排放
  喷油提前角是喷油始点早于汽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、经济性角度出发,最佳提前角随转速上升而增大;随负荷加大而略有增加。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。这种情况一般难于碰到。预混燃烧阶段是影响NOχ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NOχ的排放量。同时,由于压力升高率的下降,噪声也大大降低。因此推迟喷油提前角这一措施,是最早应用的有效降低NOχ排放和噪声的对策。推迟喷油,直喷机的NOχ大幅下降,而间接喷射式涡流室柴油机的下降幅度则小一些。但是喷油过迟,则燃油消耗率和烟度都会恶化,对CO和HC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。早期控制排放的措施不多,为了排放达标,不得不牺牲经济性能。近期已可通过提高喷射压力等多种办法来综合解决这一问题。
      二、燃油高压喷射降低微粒碳烟排放
  近年来,提高喷油压力的高压喷射措施,日渐成为直喷式柴油机机内净化的最佳手段。而间接喷射式柴油机,由于主要依靠气流进行雾化、混合,所以对喷油压力要求较低。在循环喷油量及喷孔大小和分布不变的情况下,提高喷油压力就是加大喷油速率,它直接产生两方面的效果。
  (一)降低微粒碳烟的排放量
  可以看出,喷油压力增高,则粒径减小,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,也会加快燃烧和氧化速率,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。
  (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,使燃烧放热更集中于上止点附近,从而降低了燃油消耗率。大量试验结果也证实了这一点。以上高压喷射降低烟度和油耗的优点,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NOχ排放必然有所增大。这一弱点又会被推迟喷油,降低的NOχ功效所弥补。应该记住,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NOχ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,NOχ和微粒碳烟排放都会同时降低。目前,两种措施并用是最常见的手段。

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  三、喷油率控制技术
  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,喷油长短和喷油率外形的控制。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形成是密不可分的。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;又如,初期喷油量很大,即使推迟喷油,也无法把NOχ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。可见,喷油率若能控制,将极富成果,因此,成为近年来喷油系统研究、开发的热门课题。
  理想的喷油率图形可分为三个时期,即喷油初期,喷油中期,喷油后期。理想的喷油率图形一般公认为:初期要求喷油率低,喷油量少,以降低NOχ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(下接第182页)(上接第173页)形成,使微粒碳烟排放和耗油率降低;后期则要求迅速结束喷油,以减少后燃油量和促进碳烟氧化。喷油中期的控制,一般是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,电控喷油系统控制预喷射。大量试验结果表明,要获得良好的效果,预喷射油量、主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型小型喷油器。此外,增大针阀开启压力也可加速针阀落座。但是真正有效控制的手段,仍是使用电磁阀的电控喷射系统的迅速断油。
  四、小直径、多喷孔加速雾化混合
  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,获得较好排放效果。六孔喷嘴与四孔喷嘴相比,六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,从而改善了燃油经济性。若喷孔过多,由于贯穿不足和相邻喷注的干扰,反有不利效果。
五.喷油系统的其他净化措施
  目前已广泛应用的降低HC排放的

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