满足未来排放法规的非道路用柴油机技术研究

李进 吴西艳 王少明

摘 要：随着非道路用柴油机在现实生活中的使用越来越广泛，柴油机的排放对大气污染的负面影响也越来越明显，为了缓解非道路用柴油机排放的尾气对大气污染，需要从技术上入手，必须加强对非道路用柴油机的技术研究。为此，主要通过研究CF495TE柴油机的开发来探讨非道路用柴油机的技术。

关键词：排放法规；非道路用柴油机；技术

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）12019302

1 前言

如今我国的非道路柴油机的尾气排放时刻都在污染着环境，危害着人们的生活，加强对非道路柴油机的技术研究与改进才能使其满足未来排放法规，减轻对大气及环境的污染。但是由于非道路柴油机的工作条件较为恶劣、功率范围大及工况变化剧烈等原因，柴油机的尾气排放难以控制，以至于柴油机的尾气排放量对环境的污染越来越严重。社会及人类可持续发展的的需要，提高了对发动机的经济性、加速性及可靠性的要求。因此，发动机的尾气排放法规也越来越严格，能同时兼顾经济性、动力性及排放性的内燃机越来越复杂，而且成本非常高。为了实现对柴油机尾气排放进行有效的控制，使其满足未来尾气排放法规，必须加强对非道路用柴油机技术的研究。

2 非道路用柴油机排放控制现状

目前我国非道路用柴油机还面临着工作条件差、冷却效果差等困难，再加上所使用的机油质量难以保证，以至于柴油机的尾气排放严重污染大气，对环境造成了恶劣的影响。我国非道路用柴油机的数量日益增多，但是柴油机的技术非常薄弱。国内现有的柴油机技术装备及相关工艺与国外柴油机技术相比有很大的差距，内燃机的开发创新及技术储备明显落后于很多国家，高排放、高油耗是我国柴油机存在的明显不足。为了满足未来排放法规的要求，我国很多柴油机制造商开始重视对非道路柴油机的尾气排放控制的研究，并提出了满足柴油机尾气排放技术控制，但是根据目前我国柴油机尾气排放量过大的现状，技术创新与投入使用需要一定的过程，所以要实现非道路柴油机排放的有效控制还需要经过研究与实践。

3 改进非道路用柴油机技术的措施

3.1 优化机体部件

柴油机机体是内燃机的骨架，它的受力情况及结构非常复杂，对刚度、强度、尺寸及重量进行优化是实现柴油机设计与制造技术优化的重要一步，也是实现机体部件优化的核心。柴油机部件的优化包括对机体的改进设计、提高机体铸件质量水平及采用压板珩磨等新技术，对机体进行改进后能有效降低窜气量及机油耗量。

3.1.1 机体的改进设计

通过采用刚性化设计的指导思想在对CF495TE柴油机进行有限元分析的基础上对柴油机机体进行强化改进。使机体的强度与刚度都能满足今后进一步提高平均有效压力的设计要求，机体的设计还要满足其性能的排放要求，利用深沉孔结构来设计机体气缸盖螺栓孔，并采用较粗的加强筋将主轴盖螺栓孔搭及气缸盖螺栓孔搭连在一起，从而降低机体因承受气缸爆发时的压力而形成的变形程度，同时还可以将机体裙部改为双曲面的结构。通过对机体进行改进设计，强化了机体的整体性能，降低了集体缸套孔的变形程度。

3.1.2 注重机体铸件质量

CF495TE柴油机的机体是干缸套结构，其缸孔壁厚均匀情况在一定程度上会影响柴油机的散热效果，更严重的还是使其产生巨大的变形。因此，提高机体铸件质量水平是改进柴油机技术的重要内容与措施。首先要重新设计一个铸模，可以采用汽车缸内工艺生产铸件，生产出的铸件其缸套孔壁厚度均匀，铸件的质量水平有明显的改善与提高，主要变现在铸件的强度、刚度及外观质量等方面。

3.1.3 采用压板珩磨工艺

CF495TE柴油机将半成品气缸套压入集体缸套孔后再采用压板珩磨技术能有效地降低装机后缸孔的变形程度，为非道路柴油机的技术的创新与改进提供帮助。

3.2 燃油系统的设计

目前我国的非道路柴油机数量越来越多，但是我国的柴油机的基础技术及结构设计都相对落后，污染及油耗水平偏低。开展非道路用柴油机节能减排技术研究不容忽视，柴油机的整体性能及质量水平的提高最重要的步骤是对燃烧过程进行有效改进，燃油喷射系统是柴油机的中心部分，对柴油机性能、油耗及污染物排放有很大的影响。涡流式柴油机的燃油系统具有低噪音、低排放的特点。将原有的直喷燃烧系统改为涡流式燃烧系统。喷油嘴是柴油机燃油系统的核心内容，对柴油机的燃油经济性、动力性及排放指标有重要的影响，柴油机技术更新与发展要求喷油嘴的设计也要采用高新技术，目前喷油嘴的设计一直往多孔、下孔径的方向发展。喷油嘴的压力室也从大压力室转向小压力室或无压力室。可以通过加强喷油泵来提高燃油系统的最高喷射压力，对喷油嘴进行重新设计，从而确保油气有更好的混合状态，提高燃油的雾化状态。

3.3 进气系统的设计改进

涡流式燃烧系统对进气涡流的要求不是很高，因此可以采用切向起到来降低节流损失，从而增大气量。由于涡流式燃烧系统可以实现更大程度地偏离气缸中心，所以气门会有较大的空间，可以对原有的燃烧室及气门进行重新的设计，可以适当增大进气门直径。

3.4 配气相位的调整

配气相位的可靠性及准确性对内燃机的寿命和工作的经济性及动力性能有很大影响。内燃机的相位会收到运转磨损、维修质量、动态变形以及使用条件变更等原因的影响而发生变化，所以根据不同的原因及需求来采取不同的调整措施。合理的配气相位能有效地提高柴油机的性能，对柴油机的尾气排放也有很大的影响。进气采用较小的晚关角，使气缸内留有适量的参与废弃，从而改善NOX的排放。

3.5 改进冷起动性能

由于CF495TE柴油机采用的是涡流式燃烧系统，所以它的起动性并没有原CF495T柴油机那么强，可以在进气管上安装电磁火焰加热装置来改善冷起动性能，并在-30℃的气温环境下进行冷起动，经过反复试验来不断改进冷起动性能。

3.6 提高排放性能

能同时兼顾柴油机的经济性、起动性及排放性的内燃机设计非常复杂，在技术方面是一大难题。可以采用排气后处理，在不影响内燃机经济性、起动性等其它性能的前提下降低排放指标是一种切实可行的措施。通过匹配不同的催化剂可以降低CF495TE柴油机的HC排放，从而达到降低颗粒排放效果的目的。值得注意的是，发动机如果选用氧化型催化器来实现排放的减少，需要根据发动机的实际使用柴油含硫量来配置催化剂，从而取得良好的排放效果，提高柴油机的排放性能。

4 结语

非道路柴油机的应用领域非常广，包括工程机械、拖拉机、低速货车、收获机械及泵机等。随着科技的发展及社会的需求，柴油机的经济动、动力性、排放性等已经成为柴油机技术发展与改善索要考虑的首要问题。高性能、低排放的非道路柴油机的开发是环境保护及经济发展的需求，根据现有的柴油机技术特点来提高柴油机的性能、降低其排放。首先应该对柴油机机体部件进行优化，其次还要注重燃油系统及进气系统的设计与改进，调整配气相位、改进冷起动性能，提高排放性能。其中最关键的是要改进燃烧系统设计及提高柴油机的排放性能。对非道路用柴油机的排放进行控制是一项系统化工程，通过改进超有机的机体设计及改善柴油机的燃烧过程对非道路用柴油机的排放进行有效控制。国家应该加大对非道路用柴油机技术研究的投资力度，从而实现技术的不断创新与改进，使其满足未来排放法规，提高非道路用柴油机的性能，实现柴油机经济性、动力性及排放性的有效统一。

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