直喷式柴油机排放颗粒的控制措施

作者：王燕军 杨庆佛 胡真

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 摘要：讨论了柴油机排放颗粒的形成机理。在此基础上，重点论述了直喷柴油机排放颗粒控制所取得的一系列重大成果，以及目前正在研究探索中的电控共轨系统和替代燃料二甲醚DME在柴油机上的应用。 关键词：颗粒排放；控制；直接喷射柴油机；电控 引言 近几十年来，由于直喷式柴油机的显著优点(如动力性、经济性好，热效高等)，所以尽管它的某些排放指标(如氮氧化物NOX，颗粒PM)要比非直喷式柴油机高， 全世界的年产量仍呈上升趋势。可是，由于全球环境的恶化，特别是出于对城市空气的关注，推动欧美各国制定越来越严格的排放法规，使得直喷柴油机的发展面临着巨大的挑战。现在内燃机研究的重点已由过去的提高比功率、比扭矩，降低比油耗转到降低排放和噪声上来。随着科研人力、物力的大量投入，排放控制措施也取得很大的进展，如颗粒排放的控制就是一例。降低颗粒排放的控制措施很多，但大多集中在改进燃烧系统方面，这与对燃烧过程中颗粒形成的深入理解有很大关系。 1　柴油机排放颗粒的形成机理 柴油机中的排气颗粒是一种类似石墨形式的含碳物质，表面凝聚和吸附了相当多的高分子量有机物。这些有机物包括未燃的燃油、润滑油和含碳化合物，来自燃油中硫份的硫酸盐和水，以及来自润滑油中灰分的残余物等［1］。颗粒大多是在扩散燃烧期燃烧向油束中心传播时产生的，此时由于油束中心的油滴较大，且局部空燃比较小，因此与空气的混合不好，容易在高温下裂解而形成碳烟。另外，一些燃油喷雾会撞击到燃烧室壁面形成液态油膜。这时，火焰前锋如被液态油膜激冷，也会产生碳烟。喷油将近终了时，由于喷油嘴的压差较小，燃油油滴速率低，贯穿距短，是高份额碳粒的另一来源。喷油终了时，一些燃油会从喷油嘴的喷孔容积压力室滴漏出来，从而增加未燃的颗粒。 2　颗粒排放的法规标准 由于柴油机的排气颗粒比汽油机复杂而且也多得多(一般要高出30倍～80倍)，它除了影响视野和交通外，还有毒性，可导致慢性肺病，并有致癌作用，所以日益引起各国的普遍重视。美国于1985年颁布轻型柴油机卡车的颗粒排放标准以后，就不断修改降低。欧盟于1989～1994年，日本于1993～1994年在不同种类的车上也分别实行各种标准。欧盟轻型卡车排放标准见表1，美联邦轻型货车排放标准见表2。 表1　欧盟轻型卡车排放标准 车辆等级(车重kg) 燃油 颗粒g/km 实施时间 等级1(＜1250) 所有燃油 0.14 1993-10-1～1994-10-1 等级1(＜1250) 非直喷柴油机 0.08 1997-10-1 等级1(＜1250) 直喷柴油机 0.10 1997-10-1 等级2(1251-1700) 所有燃油 0.19 1993-10-1～1994-10-1 等级2(1251-1700) 非直喷柴油机 0.12 1998-10-1 等级2(1251-1700) 直喷柴油机 0.14 1998-10-1 等级3(＞1700) 所有油机 0.25 1993-10-1～1994-10-1 等级3(＞1700) 非直喷柴油机 0.17 1998-10-1 等级3(＞1700) 直喷柴油机 0.20 1998-10-1 3　控制柴油机颗粒排放的措施 控制柴油机颗粒排放的措施，大体上可分为机内净化，排气后净化和燃油处理。 3.1　从燃油方面来考虑减少颗粒排放 颗粒的生成与燃油的理化性质有直接关系。如柴油中所含硫份在燃烧中会产生硫酸盐，是排气颗粒的一个重要组成部分，所以法规要求的燃油中硫的含量也逐渐减少。美国1991～1993 年规定认证用油含硫分不得超过0.8%～0.12%，商用油含硫分不得超过0.2%～0.5%，1994～1997年压缩至认证用油含硫不得高于0.03%～0.06%，商用油含硫不得高于0.05%。 欧Ⅰ法规所规定的柴油含硫不超过0.2%～0.3%，欧Ⅱ法规则要求控制在0.05%以内。据报道，美国一公司开发的一种“城市柴油”能使硫排放减少98%，颗粒排放减少10%～30%，NOX减少10%。 表2 美联邦轻型货车排放标准 标准车重kg 0～1700 0～1700 0～1700 1701～2608 1701～2608 颗粒g/km 0.16 0.05 (0.05) 0.08 0.05 建议采用年份 1994～1996 1995～2003 2004 1994～1996 1995～2003 注：1试验循环——美联邦试验规范FTP。2使用期：80000km。3分阶段实施。 另外，减少柴油中的芳香烃含量，也能显著减少颗粒排放。据有关实验报道，将芳香烃含量由30%降到20%，则燃烧较好的柴油颗粒排放可降低20%。［4］ 3.2　机内净化措施 机内净化措施，如对进排气系统和燃烧室的改进，对燃油喷射系统的优化，大部分是围绕促进空气和油雾的混合，改善燃烧进行的。目前比较成熟的技术有以下几种。 3.2.1采用四气门技术 采用四气门技术的缸盖，可优化喷嘴位置，使其垂直置于燃烧室中央。活塞顶的燃烧室凹坑也同样处于中心位置或旋转对称位置，这样就可在活塞顶燃烧室凹坑内形成均匀的气流，多孔喷嘴喷出的油束处于沿任何方向流量均等的理想状态，从而改善了进气涡流和油雾分布的均匀性，达到了最佳的空气利用率和降低颗粒排放的效果。四气门结构不仅能提高发动机功率，而且改善了活塞和喷油器的冷却条件，可在不同转速下实现涡流比可变，优化了燃烧方式，降低了低转速区的排放。四气门结构可减少换热损失，从而改善了低速扭矩。图1为二气门和四气门直喷式柴油机颗粒排放的比较。 采用四气门结构的缺点是增加了柴油机成本和结构的复杂性，因而在排气要求不严格时不倾向于在小型柴油机上使用。但为了达到欧美各国严格的排放法规，小缸径柴油机上使用四气门的也越来越多。最小的已在AVL缸径为85mm的小型轿车柴油机上使用。 3.2.2　采用涡轮增压和中冷技术 采用涡轮增压式的发动机，除动力性提高以外，还能降低油耗。同时，涡轮增压能增大进入空气的密度，促进压缩空气的压力上升，促使预混合期缩短，扩散燃烧速率增大，颗粒排放可减少一半。 但增压器对吸入空气的压缩提高了空气温度， 使得燃烧时NOX有所增加。因此，采用中冷技术降低进气温度能大大改善NOX排放， 颗粒排放也会进一步下降。同时，为了解决低速扭矩特性问题，可采用放气阀和可变几何截面涡轮增压器等技术。 3.2.3　提高喷油压力，减小喷孔直径，增加孔数 近年来，柴油机上燃油喷射压力一再提高。燃料喷射的高压化可进一步改善燃烧室内的喷油雾化，促进空气和燃油的混合，对改善燃烧、降低颗粒排放很有帮助。高压化可采用大型供油泵来提高喷油速率，并配合缩小喷孔孔径的方法，可有效减少着火滞后期，降低颗粒和NOX排放。为了满足高喷油压力的需要， 曾发展了一系列高压供油泵。有的泵喷嘴的喷射压力可达180MPa。正在开发的共轨式系统的喷油压力也可达135MPa。 采用高压喷射的同时， 要控制好适当的喷油持续期。喷油始点的滞后也会引起油耗的上升，这时我们可通过提高初始喷油速率、 降低滞燃期内的喷油量来达到低的燃油消耗，同时满足低NOX的需要。 3.2.4　对柴油机活塞的改进 由于采用了一系列优化措施和高新技术，现代柴油机的排放量不断降低。这时润滑油对颗粒产生的影响变得越来越重要起来。采用钢或铸铁组合式活塞曾经是中小功率柴油机降低排放、改善燃烧过程的动向之一。现在，随着有利于很好控制机油的气缸镜面加工技术和活塞环组的开发，机油对现代发动机产生颗粒的影响越来越小。 3.3　排气后处理措施 当机内净化措施及燃油改质尚不能达到颗粒排放法规要求时，则可采用排气后处理措施，如增设颗粒收集器来达到净化目的。其技术难点在于，当对被收集的颗粒进行氧化时，为清理过滤器而必须的载体再生成技术遇到严重困难。另外，颗粒收集器的采用会使柴油机的排气背压升高，对柴油机产生不利影响。现在颗粒收集器的价格较贵，也限制了它在车上的应用。 4　目前正在研制的降低柴油机排放颗粒的新举措 4.1　采用共轨系统和电控喷油器，用多级喷射降低柴油机排放 正在研制或装机的共轨式喷油系统，可在柴油机运转的整个特性曲线范围内改变喷油过程。如德国Bosch公司开发的共轨喷射系统， 可自由选择喷油压力，高精度控制喷油量，灵活控制喷油定时，并可灵活进行预喷射和多级喷射，对颗粒和烟度的降低很有利。 Piepont等人在采用共轨多级喷射系统和电控喷油器的柴油机试验中观察到，由于分段喷射加强了空气的卷吸和紊流， 加强了燃油和空气的混合，可明显降低烟度。AVL 公司也证实了将喷油过程分为二级或二级以上时在降低排放和提高性能方面的吸引力。据报道，斯太尔汽车公司设计的两级喷射式喷嘴已在试验发动机上使用，目前工作的重点是三级喷射。 4.2　新型超洁净替代燃料二甲醚(DME)在柴油机上的试验 出于对能源日益枯竭和大气质量的关注，人们纷纷把目光转向了替代燃料的研究。丹麦工业大学的S.C.Sorenson等人在一台0.273升直喷式柴油机上用纯DME和不同浓度的DME作了排放和性能实验。实验结果发现，DME柴油机在未经仔细匹配的情况下，就保持了原有传统柴油机的高热效率和相等的动力输出，并且在全部负荷范围内都消除了烟度，颗粒也降至极低。同时，NOX排放也显著下降，燃烧噪声降低15dB(A)，接近汽油机水平。随后Theo.Fleisch 等人在一台Navistor7.3升直喷涡轮增压柴油机上进行的燃用DME实验表明， 即使不采用排气后处理，排放就可满足1998年加州中等负荷车超低排放法规(ULEV)(表3)和欧Ⅲ重载荷车排放标准(表4)。 DME的应用需要开发适合其自身特色的燃油供给系统。DME不仅能用天燃气制备，也可用煤和生物原料制备，它的开发对我国很有现实意义。 表3 AVL8工况瞬态循环模拟结果 排放物g/bhp-hr ULEV标准 DME结果 非甲烷烃 1.3 0.241) CO 7.2 3.2 NOX及非甲烷烃 2.5 2.4 颗粒 0.05 0.033 甲醛 0.025 0.022 注1)所测总烃。 表4ECER49排放测试结果 排放物g/kw-hr 欧Ⅲ建议 DME结果 总HC 0.60 0.20 CO 2.0 2.171) NOX 5.0 3.85 颗粒 0.10 0.05(最多) 注1)稍加改进，可符合标准。 5　结束语 颗粒排放的降低，对其它排放的降低很有现实意义。如废气再循环技术被证明有利于NOX的降低。 可废气再循环的采用却会减少进入燃烧室的空气，使燃烧恶化，颗粒生成增多。当我们同时采用各种技术，如共轨系统和高压喷射、废气再循环等时，就可同时降低各种排放物的水平，满足现有和将来的法规要求。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/12/2004)