柴油機噴油系統的排放控制技術

周偉 王藝穎 文李

摘要：隨著可持續發展經濟理念的提出，人們越來越重視對環境的保護，而柴油機在運行過程中，勢必會產生一定含量的氮氧化物NOX以及其他污染物，基于此，本文闡述了幾種柴油機噴油系統的排放控制技術。

關鍵詞：柴油機;噴油系統;排放控制

中圖分類號：TK421+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0041-02

0 ?引言

一般情況下，柴油機的有害物質的排放量主要受到缸內燃燒過程以及柴油機混合氣形成等影響，而這些因素又直接受到柴油機氣流、噴油以及燃燒系統、缸內運行情況影響，所以，對于柴油機的凈化可以從以上幾個方面入手。而其中最為關鍵的部分就是如何有效的將氮氧化物NOX以及微粒碳煙進行消除。但是此兩項排放物由于生成規律自相矛盾，所以，在凈化過程中必須要注意當對某項采取凈化措施時還應采取相關措施來對另一項進行補救，進而促使整個凈化過程達到相關要求。另外，柴油機本身就是一個具有多性能、多因素影響且多工況的統一體，再加上凈化技術的多樣性，所以，選擇科學、合理的凈化方式顯得尤為重要。就目前而言，對柴油機進行綜合管理以及電子控制系統的應用可以有效的緩解其污染物的排放，但即使這樣，柴油機的凈化效果仍很難得到保證，其中最難解決的問題就是噴油系統的排放控制。對于車用柴油機而言其主要應用的噴油系統有兩大類，即轉子分配泵以及直列泵系統。所謂的轉子分配泵技術主要被應用在客車以及小型高速柴油轎車中，該系統還包括內凸輪驅動的徑向對置柱塞系統以及端面凸輪驅動的VE泵系統;列泵系統則主要被應用在大中型車用柴油機上，其還包括單體泵、直列多缸泵以及泵噴嘴系統。無論怎樣，這兩大類噴油系統的工作方式均是脈動供油或者柱塞往復運動，所以，本文主要針對此兩種噴油方式進行排放控制。

1 ?柴油機噴油系統排放控制技術

1.1 推遲噴油提前角，降低NOX排放

所謂的噴油提前角指的主要是在噴油開始的點與氣缸壓縮結束之間的角度。一般情況下，柴油機均要求提前噴油。那是因為，在噴油到著火之間是存在一定的滯燃期，而為了保證實際柴油機燃燒可以達到相關要求，所以，為了避免燃燒推遲、節省成本等，噴油必須要提前。

根據柴油機的動力和經濟兩方面性能考量，轉速的上升應決定最佳提前角的增大，同時，負荷的增大也應稍微的影響最佳提前角的增大。機動車的柴油機往往因為工作的轉速范圍寬廣，從而設定專門的轉速提前裝置來滿足此要求。在同樣的工況條件下，最佳提前角的改變會導致滯燃期的改變。實際情況當中，初期噴油嘴距離上止點更為接近，因此缸內壓力和溫度較高，滯燃期也隨之縮短;這樣就會減少滯燃期的預混噴油量。如果噴油時間過遲，當滯燃期無限接近甚至達到上止點后，缸內的壓力和溫度也不一定會升高;此類現象屬于特殊情況，日常工況下很難碰到。NOX排放的關鍵期就是預混燃燒階段。NOX排放量的減少主要是由于降低了缸內壓力和溫度，而此現象又決定于預混油量及混合氣量的減少;不僅如此，噪聲也會隨著壓力的減少而降低。因此，最早最有效的降低NOX排放量和噪聲的措施就是推遲噴油。相比于間接噴射渦流式柴油機降低NOX排放量較少，直噴式柴油機要優秀很多。應該講的是，若過度的推遲噴油時間，不僅會嚴重消耗燃油和惡化煙度，更會對CO、HC的排放產生不利。噴油時間過度推遲、增加緩燃期用油量和增加燃燒時間也對直接導致油耗的增加和煙度的惡化。由于過去的技術水平較低，為了保證排放的合規合標，就不得已犧牲經濟性，但隨著社會的進步和科技的發展，如今有多種辦法可以綜合解決此類問題。

1.2 高壓噴射，降低微粒碳煙排放

如今隨著科技的進步，凈化直噴式柴油機機內的最佳措施是提高噴油壓力的高壓噴射。對于間接噴射柴油機而言，由于其霧化和混合是依賴于氣流，因此對噴油壓力不會有嚴格的要求。當控制噴油孔大小的分布不變和循環噴油量一定的工況下，噴油壓力的提升就意味著噴油速率的提高，這樣會出現兩種積極現象。第一，微粒碳煙的排放量得以控制減少。可以預見的是，提升噴油壓力會使燃油顆粒直徑減小，從而增加貫穿距離，進而使噴霧區域的體積增加，再加上增強紊流，這都會使燃油和空氣的混合更加充分。此類現象會使濃混合氣比例降低，縮小微粒碳煙的范圍。即便是濃混合氣消除不盡，也會由于空氣的含量高，粒子較小，從而提高燃燒效率，進而在形成碳煙的初期就會被氧化。第二，減少燃油用量。噴油速率的提高意味著噴油時間的縮短，使得燃燒速度更快、更充分，上止點附近充斥著燃燒所釋放的熱量，從而使燃油的用量大大減少，大量試驗都可佐證這一現象。

高壓噴射和推遲噴油恰好可以相互補充、相互促進。高壓噴油會快速稀釋混合氣體，加速燃燒過程，溫度和壓力升高，導致NOX排放量增加;而推遲噴油時間又可以使NOX排放量減少。應指出的是，高壓噴油不會減弱推遲噴油減少NOX排放量的效果。因此，二者取其長補其短，完美結合后會使得柴油機噴油系統更為科學合理。

1.3 噴油率控制

噴油率控制，顧名思義是控制噴油的規律。主要包括提前角控制、噴油嘴的長度控制和噴油率大小的控制。除去提前角控制，只說在時間和循環油量一定的情況下，噴油嘴長度的控制和噴油率的控制。除了混合氣體形成的因素之外，噴油率也會對燃燒過程產生重大的影響。噴油嘴和混合氣體的形成也是緊密相連的。可以預見的是，如果控制很長的噴油時間，即便是提升噴油壓力，也沒有辦法減少放熱、燃燒的時間;同理可得，如果控制很大的初期噴油量，即便是推遲噴油時間，也沒有辦法降低NOX排放量。相反，如果降低初期噴油量，即使噴油時間不變，也能保證同樣的效果。由此可見，若能控制噴油率，將會極大豐富成果。所以，當今柴油機噴油系統研發的熱門課題已變成噴油率的控制。

較為理想的噴油率圖形分為三個階段，主要是噴油的初期、中期和后期;要求初期較低的噴油率，降低噴油量，使得NOX的排放量和噪聲降低;要求中期噴油率圖形短、高，使得噴油壓力得以提高，緩燃期得以縮短，從而使混合氣體的形成更充分，進而降低耗油量和微粒碳煙排放量;要求后期結束噴油應快速，從而使碳煙得以充分氧化和降低燃油量。提升噴油壓力主要是作用于噴油中期。初期噴油率的控制技術主要是機械式的預噴裝置、雙彈簧式的噴油器以及電控式的噴油系統控制預噴方式。根據大量的試驗結果來看，只有嚴格要求預噴射的用油量、主噴和預噴的間隔角度、油量和時間的精度控制，才能獲取良好的效果。

而全部滿足此類要求的系統只有電控高壓共軌式噴油系統。后期要求快速關閉噴油，可以采用降低噴油嘴運動零件的重量、加快針閥作用速率來完成。以上所述就是目前已廣為流傳的低慣量的噴油器、P型及J型等小型噴油器。除此之外，也可以通過增加針閥作用的壓力來實現。但電控式的噴射系統仍然是快速斷油首選最為有效的方法。

1.4 既小且多的噴嘴噴孔，加速燃料霧化混合

噴油率一定的工況下，為了使油、氣排放效果更為優秀，也可以縮短噴油孔直徑、增加噴油孔數量，從而使燃燒室內油氣更充滿。相比于4孔噴嘴，6孔噴嘴混合體積更大，單個噴嘴更窄，濃混合氣體擴散和燃燒更充分。這種方法也和提升噴油壓力效果類似。增加噴油孔數量以后，對氣流的要求可以適當降低，可以適當減少渦流比例，從而使燃油燃燒更經濟。需要特別指出的是，噴油孔也不能太多，不然會因為貫穿不足和相鄰噴嘴的紊亂，導致不利的效果。

1.5 NOX催化轉化器

催化熱分解和選擇性催化還原兩種技術是NOX主要的催化轉化技術;催化熱分解技術是采用特殊的化學物質合成催化劑用以分解的活化能，并且把NOX反應轉化為N2，整個催化過程保證無毒無害;選擇性催化還原是將飽和的HC和NOX加入到排放的廢氣之中，最終轉化為N2、CO2和水等清潔無毒無害產物。柴油機微粒PM高效的后處理技術是柴油機微粒捕集器（簡稱DPF）。采用裝置將PM進行過濾之后，定期對捕集器中的PM進行處理，實現對DPF的連續使用，也就是再生。燃燒PM的方式是再生最為常見的一種方式。由于PM是柴油燃燒產生，因此我們只需要對PM進行升溫，就可以保證PM繼續燃燒，最終轉化為CO2和水。PM的燃燒溫度一般控制在550～650℃之間，而這個溫度是比正常排氣溫度要高的。所以，主動再生和被動再生是PM充分燃燒的兩種研究方向。主動再生技術是對柴油機排放溫度或者過濾體溫度進行升溫;被動再生技術是通過加入適當的催化劑使反應活化能降低。微粒捕集器之所以能夠捕集PM，其原理是過濾技術和非過濾技術，粒子之間的碰撞、阻截或重力下沉等原理將PM吸附于捕集器單元之中，和靜電除塵技術大同小異。

1.6 其他措施

當前最為推廣的可以降低HC排放的方法是縮小孔式的噴嘴壓力室體積和采取無壓力室式的噴油嘴。需要強調的是，除了上述設計的方式方法之外，日常的使用和維護方面也應注意采用相應的措施，從而更科學更合理地控制柴油機有害物排放。根據大量的試驗結果來看，在柴油長期運行時，有害物的排放基本保持一致。這種情況和汽油機長期使用的有害物排放量大幅增長是不同的。若柴油機工作過程中發生冒煙的現象，立即應對噴油嘴的壓力情況進行檢查，看是否有明顯變化或者噴霧是否正常。有必要時，還應對循環油量是否超過規定值進行檢查以及缸內油量是否均勻。若發現缸內油量不均和超標，導致這一異常的原因有很多，比如柱塞副出現磨損、出油閥的密封性降低和噴油孔不通順等情況，則應具體問題具體分析，進行清洗或更換。特別強調的是，一旦對噴油泵和調速器進行拆卸，必須要在臺架上進行重新調整。若冒煙實在無法解決，且無法達到上路標準，應降低負荷運行，即使這樣會損失一定的動力性能。此類方法是西方國家為了達標普遍采取的措施。比如德國的大眾集團上市的TDI1.9L型增壓直噴機，當解除排放限值后，額定功率125kW;若要達到歐洲標準，則標定為81kW;若要達到美國加州標準，則標定66kW。還應指出的是，噴油泵和調速器廠家已經進行細致的調整，大部分還都裝上鉛封，在使用中禁止私自進行改動;也嚴禁隨意對系統中與性能相關的部件進行拆卸和更換;如必須執行此類操作時，則應必須對機器進行重新調整，否則會嚴重影響排放和動力。

2 ?結語

隨著社會的發展和科技的進步，未來排放的要求勢必會更加嚴格，這也就要求柴油機的發展必定會更加節能、更加環保，從而為可持續發展的社會做出一定的貢獻。

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作者簡介：周偉（1979-），男，重慶人，本科。