工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望（四）

陶瓷磨

　　2.3.2多气门设计
　　采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底；实现进气涡流比可变。在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOx、另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，PM的影响试验，该机为4气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。
　　2.4优化燃烧系统
　　优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。
- w7 t& k$ Q, m! \+ }7 k; E+ B" g　　目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3-1/2。新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。
　　2.5应用柴油机电控技术
　　采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度，而且在EGR、放气阀或可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。控制系统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。
2 d$ ~& ?1 z: h' ~8 x  P' G% j　　电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油正时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，采用先导喷射及多次喷射技术，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。大大降低了颗粒排放，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术，共轨系统的开发、应用与研究工作在国外报道较多，然而在国内，这方面的研究还处于起步阶段。
　　2.6采用废气再循环(EGR)
: z9 C  F  Q' [( b% Q　　废气再循环(EGR)是再保证内燃机动力性不降低的前提下，将一部分排气导入进气系统中，和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用废气再循环(EGR)来降低NOx，的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。
' O+ ]+ n3 B6 J: w  M　　目前，EGR在汽油机上的应用比较成功，而在柴油机上却不尽人意。主要原因在于，柴油机排放中大量的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质。柴油机采用EGR相当于将一定数量的CO和水蒸气添加到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR率增大还使进气工质的密度和O浓度下降，致使缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低，最终导致发动机的动力性和经济性下降，HC，CO和PM排放增加。发动机处于中小负荷工况时，采用EGR的效果十分显著。当EGR率为30%左右时，发动机的排放及综合性能较好：采用较大的EGR率降低NOx排放效果更加明显，且发动机经济性的下降并不突出。发动机在大负荷工况时，若采用EGR，则会导致发动机的经济性和动力性明显下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质。因此大负荷工况时不宜采用EGR。
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