对柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨

时间：2023-03-20 04:48:53 理工毕业论文我要投稿

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对柴油机喷油系统的排放控制技术的探讨

摘要：柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从喷油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。

关键词：柴油机；排放控制；措施
　　
　　柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。柴油机净化的关键，是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。恰恰这两项排放物的生成规律常常是互相矛盾的。因此，任何一个单项措施总有它的负面影响。人们总是在采取某项措施的同时，应用另一项措施来加以补救和平衡。最后，常常是多项措施的综合应用，才使排放性能达到一个新的水平。柴油机是一个多性能、多工况、多因素综合影响的统一体，再加上各种各样的排放净化措施，如何进行优选、折中和综合控制是一个极为困难和复杂的问题。柴油机的电子控制和综合管理是有效解决这一问题的最佳途径，也是使各种机内净化措施得以充分发挥效用的保证。在所有净化措施中，喷油系统的改进无疑是最为重要的环节。
　　车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有两大类，直列泵系统和转子分配泵系统。直列泵系统包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统，和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。上述各系统都是应用柱塞往复运动、脉动供油的方式工作。以下是五种控制柴油机排放的具体措施：
　　一、推迟喷油提前角降低NOχ排放
　　喷油提前角是喷油始点早于汽缸压缩上止点的角度。柴油机都要求喷油提前，这是因为从喷油到着火有一段滞燃期，为保证实际燃烧放热中心能接近上止点，避免燃烧拖后，经济性下降，所以喷油要提前。单从动力、经济性角度出发，最佳提前角随转速上升而增大；随负荷加大而略有增加。车用柴油机因为在宽广的转速范围内工作，所以有专设的转速自动提前装置来满足此要求。同一工况，若提前角改变，会使滞燃期改变。一般推迟喷油时，因初期喷油更接近上止点，故缸内压力、温度较高，滞燃期缩短。其结果是滞燃期的预混喷油量减少。当然，若喷油太迟，使滞燃期挪到上止点之后，则缸内压力、温度未必上升。这种情况一般难于碰到。预混燃烧阶段是影响NOχ排放最重要的时期。预混油量及混合气量的减少将使速燃期中压力、温度上升程度降低，从而大大减少NOχ的排放量。同时，由于压力升高率的下降，噪声也大大降低。因此推迟喷油提前角这一措施，是最早应用的有效降低NOχ排放和噪声的对策。推迟喷油，直喷机的NOχ大幅下降，而间接喷射式涡流室柴油机的下降幅度则小一些。但是喷油过迟，则燃油消耗率和烟度都会恶化，对CO和HC也有不利影响。油耗和烟度的恶化是喷油推迟，燃烧跟着推迟以及缓燃期油量增加，燃烧时期也拉长的必然结果。早期控制排放的措施不多，为了排放达标，不得不牺牲经济性能。近期已可通过提高喷射压力等多种办法来综合解决这一问题。
二、燃油高压喷射降低微粒碳烟排放
　　近年来，提高喷油压力的高压喷射措施，日渐成为直喷式柴油机机内净化的最佳手段。而间接喷射式柴油机，由于主要依靠气流进行雾化、混合，所以对喷油压力要求较低。在循环喷油量及喷孔大小和分布不变的情况下，提高喷油压力就是加大喷油速率，它直接产生两方面的效果。
　　（一）降低微粒碳烟的排放量
　　可以看出，喷油压力增高，则粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷雾区的总体积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气多，也会加快燃烧和氧化速率，使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。大量试验都证实了这一点。
　　（二）降低燃油消耗率
　　喷油速率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速，使燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。大量试验结果也证实了这一点。以上高压喷射降低烟度和油耗的优点，恰恰弥补了推迟喷油所带来的缺点。反过来，高压喷射不可避免地使混合气快速变稀，燃烧加速，温度上升，从而NOχ排放必然有所增大。这一弱点又会被推迟喷油，降低的NOχ功效所弥补。应该记住，高压喷射并没有过大削弱推迟喷油，减小滞燃期喷油量所带来的改善NOχ排放的显著效果。因此若两种措施同时应用，进行合理调配后，NOχ和微粒碳烟排放都会同时降低。目前，两种措施并用是最常见的手段。　三、喷油率控制技术
　　广义的喷油率控制，指的是喷油规律控制，应包括定时（喷油提前角）控制、喷油期长短控制和喷油率大小（喷油率曲线外形）控制。此处撇开喷油定时，单指在定时和循环油量不变时，喷油长短和喷油率外形的控制。喷油率是除混合气形成因素外，对燃烧过程又一重大的影响因素。当然，喷油率本身也和混合气形成是密不可分的。可以设想，如喷油时期控制得很长，即使大幅度提高喷油压力，也无法缩短放热和燃烧时间；又如，初期喷油量很大，即使推迟喷油，也无法把NOχ和噪声降得很低。反过来，如能把初期喷油量控制得很小，就是不推迟喷油，也可达到同样效果。可见，喷油率若能控制，将极富成果，因此，成为近年来喷油系统研究、开发的热门课题。
　　理想的喷油率图形可分为三个时期，即喷油初期，喷油中期，喷油后期。理想的喷油率图形一般公认为：初期要求喷油率低，喷油量少，以降低NOχ和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混合气（下接第182页）(上接第173页)形成，使微粒碳烟排放和耗油率降低；后期则要求迅速结束喷油，以减少后燃油量和促进碳烟氧化。喷油中期的控制，一般是通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有：机械式预喷射装置，双弹簧喷油器，电控喷油系统控制预喷射。大量试验结果表明，要获得良好的效果，预喷射油量、主预喷射的间隔角度以及油量和时间的控制精度都有严格的规定。只有电控高压共轨式喷油系统才能全面满足这些要求。末期喷油段要求迅速关闭，可以通过减轻油嘴往复运动部分（针阀、推杆、弹簧）的质量，加速针阀关闭速度来控制。这就是已广泛推广使用的低惯量喷油器和P型J型小型喷油器。此外，增大针阀开启压力也可加速针阀落座。但是真正有效控制的手段，仍是使用电磁阀的电控喷射系统的迅速断油。
　　四、小直径、多喷孔加速雾化混合
　　在喷油速率不变情况下,可以通过减小喷孔直径，增加喷孔数目，使喷注在燃烧室内分布更均匀、更充满的方法，来加速油、气混合，获得较好排放效果。六孔喷嘴与四孔喷嘴相比，六孔的总混合容积加大，单个喷注较窄，芯部浓混合气易于扩散、燃烧。这些都与加大喷油压力的效果相似。增加喷孔数后，可以降低对气流的要求。涡流比可以减小，从而改善了燃油经济性。若喷孔过多，由于贯穿不足和相邻喷注的干扰，反有不利效果。
五．喷油系统的其他净化措施
　　目前已广泛应用的降低HC排放的措施就是减小孔式喷嘴压力室容积或采用无压力室式喷油嘴。大

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