柴油機(jī)綜合排放性能改善的應(yīng)用研究

邱國平，凌建群，周磊磊

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

1 概述

柴油機(jī)的CO和HC排放量相對汽油機(jī)來說要少得多，NOx與汽油機(jī)為同一數(shù)量級，但微粒和碳煙的排放要比汽油機(jī)大幾十倍甚至更多。因此柴油機(jī)排放控制的重點是NOx與微粒[1]。由于柴油機(jī)有害排放物的形成過程非常復(fù)雜，NOx排放往往與微粒和碳煙的排放控制相矛盾。現(xiàn)階段通用性的有效對策和技術(shù)非常之有限，特別是后處理技術(shù)還未真正達(dá)到實用的階段[2]，無法跟上時代發(fā)展的需要。因此，目前柴油機(jī)還主要是依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)來降低排放污染。如何在保持柴油機(jī)良好性能的前提下，同時減少NOx和微粒的生成，是目前柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)面臨的一個技術(shù)難題。

2 原機(jī)分析及研究目標(biāo)

2.1 目標(biāo)機(jī)型參數(shù)

以上柴公司的SC11CK柴油機(jī)為研究對象，原機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1所示，排放性能與目標(biāo)參數(shù)見表2。

2.2 原機(jī)結(jié)構(gòu)特點及影響因素分析

從進(jìn)、排氣效應(yīng)考慮，原設(shè)計中采用了較大氣門重疊角和氣門升程，為了避免氣門活塞干涉，活塞頂部分別開有躲避進(jìn)排氣門的兩個不同深度的避閥坑，如圖1所示。由于避閥坑的存在，使缸內(nèi)燃燒惡化。就微粒的生成而言，避閥坑產(chǎn)生了余隙容積的效應(yīng)。因此，事實上避閥坑的存在使得燃燒室容積比下降，導(dǎo)致柴油機(jī)的冒煙界限降低，對原機(jī)微粒的生成起到了一定的促進(jìn)作用。

2.3 優(yōu)化條件

在原機(jī)主體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)環(huán)境不變的條件下，以最低的成本、最少的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、最快的實施進(jìn)程，實現(xiàn)NOx和微粒排放性能的改善，達(dá)到國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

3 技術(shù)方案

改善柴油機(jī)綜合排放性能的核心內(nèi)容是尋求理想的燃燒放熱規(guī)律，為此理想的噴油、混合氣運(yùn)動規(guī)律、以及與之匹配的的燃燒室形狀是改善柴油機(jī)綜合排放性能必不可少的前提條件[2]。因此本文重點從燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油時刻及混合氣運(yùn)動等三方面著手研究。

3.1 推遲噴油時間

以往研究表明，降低柴油機(jī)NOx的機(jī)內(nèi)有效措施有兩種：（1）最簡單易行的方法是推遲噴油時間（即減小噴油提前角），（2）最有效的措施是通過配氣相位的設(shè)計實現(xiàn)內(nèi)部EGR，但凸輪型線的改型設(shè)計相對前者要復(fù)雜的多。

通過對目標(biāo)機(jī)型噴油提前角調(diào)整的試驗研究表明，減小噴油提前角，可有效地降低NOx排放量，但是過量調(diào)整噴油提前角將導(dǎo)致燃燒惡化，最高爆發(fā)壓力降低，因而使的油耗和微粒排放量明顯增加[3]。噴油提前角調(diào)整對各排放成分的影響如表3所示。由表3反應(yīng)出：采用減小噴油提前角的方法，可使NOx排放量顯著減小，但微粒排放量卻明顯上升。

由此可見，一種技術(shù)措施在降低某種排放成分的同時，也會受到一定的限制，即過度使用單一技術(shù)則會使在一種排放物成分降低的同時導(dǎo)致另一種排放成分的增加或發(fā)動機(jī)性能的惡化。

1980年，美國著名管理學(xué)大師邁克爾·波特提出的“鉆石模型”與旅游產(chǎn)業(yè)競爭力分析的要素基本相符。該模型認(rèn)為，某一產(chǎn)業(yè)在應(yīng)范圍內(nèi)的競爭力取決于生產(chǎn)要素，國內(nèi)需求，相關(guān)和支持產(chǎn)業(yè)，以及產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略、結(jié)構(gòu)和競爭狀態(tài)這四大核心條件的表現(xiàn)。除此之外，該競爭力還受到政府和機(jī)會兩個外部輔助因素的影響，但是由于政策條件和外部機(jī)會兩個因素不可控太強(qiáng)。目前，在“冬奧會”和“兩山理論”的契機(jī)下，吉林省開展冰雪旅游的政策紅利和市場機(jī)會都非常好。因此本文主要運(yùn)用該模型的四個條件對吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競爭力進(jìn)行分析，進(jìn)而提出促進(jìn)吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競爭力的對策。

3.2 燃燒室優(yōu)化

為了彌補(bǔ)由噴油提前角的減小帶來的顆粒排放增加的損失，考慮對原機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。主要目標(biāo)是取消活塞頂部兩個避閥坑，以消除易于產(chǎn)生碳煙的不利因素。同時為維持目標(biāo)機(jī)型的壓縮比不改變，保證動力性指標(biāo)不受影響，在燃燒室形狀大體不變的前提下，適當(dāng)?shù)卦黾恿巳紵业娜莘e。

消除避閥坑在某種意義上使余隙容積減少，加之燃燒室容積增加的因素，提供了燃燒室的容積比增大的條件，使柴油機(jī)的冒煙界限得到了提高，從而起到了降低柴油機(jī)碳煙和微粒的作用。

3.3 內(nèi)部EGR

減小噴油提前角是降低NOx的一個有效措施，但當(dāng)噴油提前角過小時，在NOx排放得到改善的同時，會使微粒排放上升。從表3中可見，原機(jī)實測的NOx和微粒排放值與目標(biāo)值相差甚遠(yuǎn)，難以通過采用某種單一措施能夠同時降低NOx和微粒排放量。為了避免過度采用某一種減排措施而帶來的其它眾多負(fù)面影響，考慮在適當(dāng)減小噴油提前角的同時，還應(yīng)通過采用其它多項技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，來實現(xiàn)NOx和微粒排放一同下降的目標(biāo)。

采用柴油機(jī)內(nèi)部EGR降低柴油機(jī)NOx排放最有效的措施是改變排氣門晚開時刻[4]，即減小排氣門晚關(guān)角，使排氣門較原機(jī)提前關(guān)閉。由于排氣門開啟持續(xù)時間縮短，使排氣量減少，可使得一部分沒有來得及排出機(jī)外的廢氣停留在氣缸內(nèi)，重新與新鮮混合氣混合。而停留在氣缸內(nèi)這部分廢氣幾乎不能參與燃燒，但由于它的加入，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，可有效抑制NOx的產(chǎn)生[5]。排氣門晚關(guān)角越小，排氣包角越小，停留在氣缸內(nèi)的廢氣越多，對NOx的抑制效果越顯著。但是廢氣的加入可造成失火率增加，廢氣量的過度增加，將會導(dǎo)致HC排放惡化[5]。

由于進(jìn)氣門關(guān)閉時，活塞距下止點已較遠(yuǎn)，其運(yùn)動速度已相當(dāng)大，因而晚關(guān)角的變化對氣缸內(nèi)的容積及充氣效率影響最大[6]，所以進(jìn)氣遲閉角對發(fā)動機(jī)的性能影響最大。鑒于這個考慮為了保證發(fā)動機(jī)性能，進(jìn)氣遲閉角可考慮采取保持原值或略有增大的方案。

進(jìn)氣門提前開角與排氣門晚關(guān)角共同構(gòu)成了氣門重疊角，適當(dāng)減少進(jìn)氣門提前開角，可適當(dāng)減輕掃氣效果，有利于缸內(nèi)一部分廢氣的存留。同時由于進(jìn)氣量的減少，泵氣損失減小會更有利于燃油消耗率的改善。

基于以上的分析研究，初步制定出用于內(nèi)部EGR的幾種配氣相位設(shè)計方案。通過對原機(jī)氣道與配氣相位的數(shù)值模擬計算，優(yōu)選出在滿足原機(jī)性能要求前提下的，具有最佳EGR效果的配氣相位，如表4所示。

在取消活塞避閥坑后，在氣門下行與活塞不發(fā)生干涉的基本前提下，以表4所示的配氣相位為基礎(chǔ)，建立了幾種新的EGR凸輪的型線設(shè)計方案。運(yùn)用tycon軟件，建立了配氣機(jī)構(gòu)模型，分別對同種配氣相位、不同型線的凸輪進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真計算及優(yōu)化，得出與原機(jī)匹配可靠的凸輪型線設(shè)計方案，其氣門運(yùn)動規(guī)律如圖2所示。

4 試驗結(jié)果分析

在原機(jī)上換裝優(yōu)化后的活塞和EGR凸輪，再通過調(diào)整噴油提前角尋找最佳的排放綜合指標(biāo)。對SC11CK柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行13工況試驗。試驗結(jié)果表明：在原機(jī)上換裝優(yōu)化后的活塞和EGR凸輪后，在噴油提前角5℃A時，NOx和顆粒排放指標(biāo)均得到有效的控制，且可滿足國Ⅲ排放限值的要求。其排放物性能指標(biāo)見表5，整機(jī)外特性曲線見圖3。

5 結(jié)束語

（1）活塞頂部的避閥坑，易導(dǎo)致柴油機(jī)的冒煙界限降低，對柴油機(jī)微粒的生成起到了明顯的促進(jìn)作用。

（2）推遲噴油時間，即采用減小噴油提前角的措施，可使NOx排放量得到明顯的改善，但在NOx排放量得到改善的同時，顆粒排放量有不同程度的上升。尤其是過量調(diào)整噴油提前角將導(dǎo)致燃燒變差，最高爆發(fā)壓力降低，油耗和微粒排放量增加。

（3）減小進(jìn)、排氣門重疊角，尤其是排氣包角的減小，是實現(xiàn)柴油機(jī)內(nèi)部EGR降低柴油機(jī)NOx排放最有效的措施。

（4）以上三種措施的配合使用，實現(xiàn)了在維持原機(jī)基本性能的前提下，NOx和微粒排放量一同降低的協(xié)同效應(yīng)。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：192-230.

2馮健章.汽車發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚摚ǖ诙妫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

3韓同群.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.

4 UchidaN,Daisho Y,Saito Y,etal.Combined Effectsof EGR and Supercharging on Diesel Combustion and Em issions[C].SAE 930601.

5褚超美，陳家琪.減小氣門重疊角改善EQ6100汽油機(jī)怠速排放的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報2001（1）：447-450.

6李文祥，葛蘊(yùn)珊，劉金玉等.內(nèi)部EGR在增壓柴油機(jī)的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，200（6）：43-46.