柴油机综合排放性能改善的应用研究

2011-03-23邱国平凌建群周磊磊

柴油机设计与制造 2011年2期

邱国平，凌建群，周磊磊

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

1 概述

柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多，NOx与汽油机为同一数量级，但微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此柴油机排放控制的重点是NOx与微粒[1]。由于柴油机有害排放物的形成过程非常复杂，NOx排放往往与微粒和碳烟的排放控制相矛盾。现阶段通用性的有效对策和技术非常之有限，特别是后处理技术还未真正达到实用的阶段[2]，无法跟上时代发展的需要。因此，目前柴油机还主要是依靠机内净化技术来降低排放污染。如何在保持柴油机良好性能的前提下，同时减少NOx和微粒的生成，是目前柴油机机内净化技术面临的一个技术难题。

2 原机分析及研究目标

2.1 目标机型参数

以上柴公司的SC11CK柴油机为研究对象，原机技术参数见表1所示，排放性能与目标参数见表2。

2.2 原机结构特点及影响因素分析

从进、排气效应考虑，原设计中采用了较大气门重叠角和气门升程，为了避免气门活塞干涉，活塞顶部分别开有躲避进排气门的两个不同深度的避阀坑，如图1所示。由于避阀坑的存在，使缸内燃烧恶化。就微粒的生成而言，避阀坑产生了余隙容积的效应。因此，事实上避阀坑的存在使得燃烧室容积比下降，导致柴油机的冒烟界限降低，对原机微粒的生成起到了一定的促进作用。

2.3 优化条件

在原机主体结构和生产环境不变的条件下，以最低的成本、最少的结构改进、最快的实施进程，实现NOx和微粒排放性能的改善，达到国Ⅲ排放标准的目标。

3 技术方案

改善柴油机综合排放性能的核心内容是寻求理想的燃烧放热规律，为此理想的喷油、混合气运动规律、以及与之匹配的的燃烧室形状是改善柴油机综合排放性能必不可少的前提条件[2]。因此本文重点从燃烧室结构、喷油时刻及混合气运动等三方面着手研究。

3.1 推迟喷油时间

以往研究表明，降低柴油机NOx的机内有效措施有两种：（1）最简单易行的方法是推迟喷油时间（即减小喷油提前角），（2）最有效的措施是通过配气相位的设计实现内部EGR，但凸轮型线的改型设计相对前者要复杂的多。

通过对目标机型喷油提前角调整的试验研究表明，减小喷油提前角，可有效地降低NOx排放量，但是过量调整喷油提前角将导致燃烧恶化，最高爆发压力降低，因而使的油耗和微粒排放量明显增加[3]。喷油提前角调整对各排放成分的影响如表3所示。由表3反应出：采用减小喷油提前角的方法，可使NOx排放量显著减小，但微粒排放量却明显上升。

由此可见，一种技术措施在降低某种排放成分的同时，也会受到一定的限制，即过度使用单一技术则会使在一种排放物成分降低的同时导致另一种排放成分的增加或发动机性能的恶化。

1980年，美国著名管理学大师迈克尔·波特提出的“钻石模型”与旅游产业竞争力分析的要素基本相符。该模型认为，某一产业在应范围内的竞争力取决于生产要素，国内需求，相关和支持产业，以及产业的战略、结构和竞争状态这四大核心条件的表现。除此之外，该竞争力还受到政府和机会两个外部辅助因素的影响，但是由于政策条件和外部机会两个因素不可控太强。目前，在“冬奥会”和“两山理论”的契机下，吉林省开展冰雪旅游的政策红利和市场机会都非常好。因此本文主要运用该模型的四个条件对吉林省冰雪旅游产业竞争力进行分析，进而提出促进吉林省冰雪旅游产业竞争力的对策。

3.2 燃烧室优化

为了弥补由喷油提前角的减小带来的颗粒排放增加的损失，考虑对原机燃烧室结构进行优化改进。主要目标是取消活塞顶部两个避阀坑，以消除易于产生碳烟的不利因素。同时为维持目标机型的压缩比不改变，保证动力性指标不受影响，在燃烧室形状大体不变的前提下，适当地增加了燃烧室的容积。

消除避阀坑在某种意义上使余隙容积减少，加之燃烧室容积增加的因素，提供了燃烧室的容积比增大的条件，使柴油机的冒烟界限得到了提高，从而起到了降低柴油机碳烟和微粒的作用。

3.3 内部EGR

减小喷油提前角是降低NOx的一个有效措施，但当喷油提前角过小时，在NOx排放得到改善的同时，会使微粒排放上升。从表3中可见，原机实测的NOx和微粒排放值与目标值相差甚远，难以通过采用某种单一措施能够同时降低NOx和微粒排放量。为了避免过度采用某一种减排措施而带来的其它众多负面影响，考虑在适当减小喷油提前角的同时，还应通过采用其它多项技术的协同效应，来实现NOx和微粒排放一同下降的目标。

采用柴油机内部EGR降低柴油机NOx排放最有效的措施是改变排气门晚开时刻[4]，即减小排气门晚关角，使排气门较原机提前关闭。由于排气门开启持续时间缩短，使排气量减少，可使得一部分没有来得及排出机外的废气停留在气缸内，重新与新鲜混合气混合。而停留在气缸内这部分废气几乎不能参与燃烧，但由于它的加入，使得缸内燃烧温度降低，可有效抑制NOx的产生[5]。排气门晚关角越小，排气包角越小，停留在气缸内的废气越多，对NOx的抑制效果越显著。但是废气的加入可造成失火率增加，废气量的过度增加，将会导致HC排放恶化[5]。

由于进气门关闭时，活塞距下止点已较远，其运动速度已相当大，因而晚关角的变化对气缸内的容积及充气效率影响最大[6]，所以进气迟闭角对发动机的性能影响最大。鉴于这个考虑为了保证发动机性能，进气迟闭角可考虑采取保持原值或略有增大的方案。

进气门提前开角与排气门晚关角共同构成了气门重叠角，适当减少进气门提前开角，可适当减轻扫气效果，有利于缸内一部分废气的存留。同时由于进气量的减少，泵气损失减小会更有利于燃油消耗率的改善。

基于以上的分析研究，初步制定出用于内部EGR的几种配气相位设计方案。通过对原机气道与配气相位的数值模拟计算，优选出在满足原机性能要求前提下的，具有最佳EGR效果的配气相位，如表4所示。

在取消活塞避阀坑后，在气门下行与活塞不发生干涉的基本前提下，以表4所示的配气相位为基础，建立了几种新的EGR凸轮的型线设计方案。运用tycon软件，建立了配气机构模型，分别对同种配气相位、不同型线的凸轮进行了运动学、动力学仿真计算及优化，得出与原机匹配可靠的凸轮型线设计方案，其气门运动规律如图2所示。

4 试验结果分析

在原机上换装优化后的活塞和EGR凸轮，再通过调整喷油提前角寻找最佳的排放综合指标。对SC11CK柴油发动机进行13工况试验。试验结果表明：在原机上换装优化后的活塞和EGR凸轮后，在喷油提前角5℃A时，NOx和颗粒排放指标均得到有效的控制，且可满足国Ⅲ排放限值的要求。其排放物性能指标见表5，整机外特性曲线见图3。