柴油机排放性能优化措施探究

佟长宇　徐信峰　周海松

摘 要：随着世界范围对地球环境的日益重视，柴油机的排放污染问题成为技术攻关的一个重要课题。如何通过技术手段和先进的生产工艺等措施降低柴油机排污染？针对此问题，以非道路柴油机为例，提出改善柴油机排放性能，减少排放污染的主要措施。

关键词：柴油机；排放；性能；优化

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）12018901

1 前言

随着世界范围对地球环境的日益重视，柴油机的排放污染问题成为技术攻关的一个重要课题。众所周知柴油机具有良好的效率优势，但其所造成的排放污染远比汽油发动机高，其排放的成份也更为复杂，因此，对人体健康影响也更为严重。在柴油机的排放污染中，主要成分有：氮氧化物（NOX）、颗粒物（PM）、硫氧化物（SOX）、一氧化碳（CO）等，其中有的污染成份存在一定的关联性，当通过技术手段降低一种排放物含量时，另一种排放物含量会必然增加，这就给技术解决柴油机的排放增加了很大的难度，怎样通过对柴油机的排放性能优化，使得柴油机运行更加经济、稳定、低排放运行，本文主要针对非公路柴油机排放性能做进一步的探讨。

2 排放性能优化的主要措施

为优化非道路柴油机的工作效率，针对非道路柴油机排放物以氮氧化物（NOX）、颗粒物（PM）为主，因此对柴油机排放性能主要采取的优化措施有机内优化和机外优化，以达到节能减排之目的。

2.1 机内优化

2.1.1 科学选择燃烧方式

NOX是在燃烧产生的高温环境下，由空气中的O2和N2的化合作用产生的，与所用的碳氢燃料（不含N和O）组成无关。影响NOX生成率的主要因素有：（1）温度—NOX生成与温度之间呈指数关系。当温度低于1800K后，即达到NOX的冻结温度。（2）当量比Φ—Φ<1.0，则造成富O2环境，有利于NOX的生成。（3）高温区停留时间—例如汽油机的ε较小，燃烧产物在膨胀冲程中停留时间较长，生成的NOX就比柴油机（ε大）多。对于NOX最主要的是降低燃烧温度，其技术措施有：中间冷却、推迟燃烧、合理设计喷油率曲线、废气再循环等；对于PM：PM——是由碳粒，可溶性有机成分和硫酸盐共同组成的。降低柴油的含S量，即可减少硫酸盐的生成，可溶性有机成分主要是一些重碳氢化合物，很容易用氧化催化器除掉，因此降低PM排放的研究，重点是用增加对燃料的氧气供给，其机内技术措施有：涡轮增压、高压喷射、小直径喷油孔、可变几何涡轮增压器；在常规的燃烧方式中，存在一条NOX和PM排放此消彼涨的trade—off曲线，如何解决NOX和PM排放此消彼涨的问题，使NOX和PM排放量同时降低。在常规柴油机一般通过压缩热火化着火燃烧的方式，但其NOX和PM排放较高，为了有效降低柴油机污染物排放，人们通过技术手段，来研究不同的活化燃烧方式，如：ccd着火燃烧、可控活性化预混合着火燃烧、活化基着火燃烧等技术，在一定程度上能够降低柴油机的的排放问题，采取那种燃烧方式，需要根据燃烧室形状、燃油喷射方式、缸内气流进行科学选择，从而降低柴油机排放。

2.1.2 优化燃油喷射过程

柴油机的燃烧与燃油雾化关系密切，当燃油雾化质量好、能够迅速充满燃烧室时，燃烧就越充分，产生的NOX和PM就越少。影响燃油雾化的参数有很多，但在实际中，很多参数是无法随意改变，如燃油物性、背压、喷嘴长度和直径等。针对此，提高雾化效率的最有效的技术手段便是通过提喷嘴压力，可采用多级喷和高压喷射技术。在当前柴油机最先进的燃油喷射技术是共轨式喷射系统（CRI），CRI技术采用先进电子控制技术，可以使得喷射燃油的压力根据实际工况的情况改变而改变，最高喷射压力可达到150MPa，从而使燃油燃烧更充分，气缸使用率更高，机械效率也大幅提高，减少了排放。

2.1.3 采用先进的增压技术

增压是提高柴油机经济性的最有效手段之一，通过增压技术的运用，可以有效提高机械效率，改善燃油燃烧过程，充分利用废气能量，达到降低燃油消耗率的目的。针对非道路用柴油机的工作特点，满足柴油机运行要求的涡轮增压器及增压中冷系统对柴油机排放有很大的改善。在运用先进增压技术改进柴油机排放性能时，要注意涡轮增压器的运行特性与柴油机工作特性的匹配关系，建立可变涡轮截面与废气进气量、燃油消耗率之间的联系，开展增压系统的结构优化设计，包括：中冷器的选型和结构设计、涡轮截面参数调整、可变（电控）涡轮的匹配；从而达到同时兼顾高速、低速柴油机性能，满足不同负荷条件下，柴油机的经济性和加速性能要求。通过先进的增压技术的运用，使得喷油更稳定、更精确、雾化更好，从而达到降低污染物排放和较好的燃烧效果。

2.2 机外优化处理

随着对非道路柴油机的排放要求越来越严格，为了更好的控制柴油机排放中NOX和PM排放量，就需要进行相应的机外尾气处理技术，现在较为成熟的机外处理技术主要有：

2.2.1 氧化催化器技术

通过在柴油机加装氧化催化器，可达到有效净化排气中的可燃气体，降低污染物排放的目的。经实验证实：PM排放可降低了50%-70%，CO、HC可减少50%以上，还可以减少排气的臭味；但是，加装氧化催化器会在将排气中的SOF转化为SO2，形成固态硫酸盐颗粒或硫酸雾，又增加了颗粒物的排放量。这一缺点使氧化催化器更适合于含硫量小的燃料柴油机，为提高净化效果，要保证发动机特性、催化转换器的大小、废气流入转换器的进口温度、催化剂及载体等良好的匹配。

2.2.2 NOX催化转化器技术

NOX催化转化技术分为两种：选择性催化还原反应和催化热分解；其中选择性催化还原反应是在柴油机的排气中喷入NOX和HC，经催化反应，生成H、CO、N；催化热分解是以钼、钒、金属离子沸石组成的催化剂使NOX热分解反应的活化，从而将NOX转化为N2。实验证明：NOX催化转化器在温350-550℃时，对柴油机尾气中处理效果最好，可降低20%-30%左右NOX的排放，该法具有方法简单、反应转化无毒的优点。

2.2.3 颗粒过滤技术

颗粒过滤技术是颗粒过滤器、再生装置两部分组成，其中颗粒过滤器通过其过滤介质极微小的间隙来收集柴油机排放中可燃颗粒物（例如，烟灰本身或和其它未完全燃烧的废气冷凝物）。颗粒过滤器可以去除排放中60-90%的可燃颗粒物，但是随着介质收集颗粒物的增加，会导致柴油机排气背压增高，因此需要定期对过滤器进行清理，使过滤器恢复到良好的工作状。此技术对尾气中微粒净化最为有效，而且具有简单、可靠、成本低等优点。

2.2.4 废气再循环技术

废气再循环（EGR）在上世纪70年代便被国外所使用，不过当时并不能很好的控制吸入的排气量，对发动机性能和经济性都有很大的影响。直到上世纪90年代，与目前类似的EGR率先在柴油机上使用，有效解决了柴油机的排放问题。EGR是通过与排气歧管和进气歧管相连，将一部分尾气重新引入到进气歧管中，再次参与燃烧从而减少NOX的排放。NOX主要是在高温富氧的条件下产生的，因此，EGR的主要目的也就是为燃烧室降温和减小氧气浓度。废气中的水蒸汽和二氧化碳比热容大，可以降低气缸内的燃烧温度，氨和二氧化碳这些惰性气体也可以稀释混合气中的氧含量。EGR实质是为燃烧室降温和减小氧气浓度，那么在发动机温度低，以及需要高浓度氧气的时候，不需要EGR阀工作，也就是说，发动机起动、怠速、水温低以及急加速时，EGR是不工作的。所以，在EGR阀打开时，发动机是处于暖机状态下平稳工作的，此时对动力会有一定影响，但是很小，而对油耗则没有任何影响。当废气再循环率为25%时，NOX排放可能减省80%，废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上。

3 结语

非道路柴油机的因为其工作条件比较恶劣、功率范围大，空间分布广，这些都对其尾气的排放控制增加了一定的难度。我国于2007年正式公布《非道路用柴油机排气污染物限值及测量方法（中国I、II阶段）》，对非道路柴油机的排放提出了严格要求，欧盟、美国等国家也针对非公路柴油机制定、完善相应的排放法规，柴油机生产厂家只有先进的技术手段和先进的生产工艺等措施降低柴油机排污染，才能提高产品的国际、国内竟争力。

参考文献

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