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對柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的排放控制技術(shù)的探討
摘要：柴油機(jī)凈化的關(guān)鍵是如何有效地消除NOχ和微粒碳煙的生成量。文章從噴油系統(tǒng)出發(fā)，提出了改進(jìn)排放的五種切實可行的方法，具有明顯的現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排放控制；措施
柴油機(jī)的有害排放取決于柴油機(jī)混合氣形成及缸內(nèi)燃燒過程，而這些歸根到底是由噴油、氣流、燃燒系統(tǒng)以及缸內(nèi)工作特質(zhì)的配合所決定的。柴油機(jī)凈化的關(guān)鍵，是如何有效地消除NOχ和微粒碳煙的生成量。恰恰這兩項排放物的生成規(guī)律常常是互相矛盾的。因此，任何一個單項措施總有它的負(fù)面影響。人們總是在采取某項措施的同時，應(yīng)用另一項措施來加以補(bǔ)救和平衡。最后，常常是多項措施的綜合應(yīng)用，才使排放性能達(dá)到一個新的水平。柴油機(jī)是一個多性能、多工況、多因素綜合影響的統(tǒng)一體，再加上各種各樣的排放凈化措施，如何進(jìn)行優(yōu)選、折中和綜合控制是一個極為困難和復(fù)雜的問題。柴油機(jī)的電子控制和綜合管理是有效解決這一問題的最佳途徑，也是使各種機(jī)內(nèi)凈化措施得以充分發(fā)揮效用的保證。在所有凈化措施中，噴油系統(tǒng)的改進(jìn)無疑是最為重要的環(huán)節(jié)。
車用柴油機(jī)中常用的機(jī)械燃油噴射系統(tǒng)有兩大類，直列泵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子分配泵系統(tǒng)。直列泵系統(tǒng)包括直列多缸泵、單體泵和泵噴嘴系統(tǒng)，多用于大、中型車用柴油機(jī)上。轉(zhuǎn)子分配泵系統(tǒng)有端面凸輪驅(qū)動的VE泵系統(tǒng)，和內(nèi)凸輪驅(qū)動的徑向?qū)χ弥到y(tǒng)，多用于輕型客車和柴油轎車的小型高速柴油機(jī)上。上述各系統(tǒng)都是應(yīng)用柱塞往復(fù)運(yùn)動、脈動供油的方式工作。以下是五種控制柴油機(jī)排放的具體措施：
一、推遲噴油提前角降低NOχ排放
噴油提前角是噴油始點早于汽缸壓縮上止點的角度。柴油機(jī)都要求噴油提前，這是因為從噴油到著火有一段滯燃期，為保證實際燃燒放熱中心能接近上止點，避免燃燒拖后，經(jīng)濟(jì)性下降，所以噴油要提前。單從動力、經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，最佳提前角隨轉(zhuǎn)速上升而增大；隨負(fù)荷加大而略有增加。車用柴油機(jī)因為在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，所以有專設(shè)的轉(zhuǎn)速自動提前裝置來滿足此要求。同一工況，若提前角改變，會使滯燃期改變。一般推遲噴油時，因初期噴油更接近上止點，故缸內(nèi)壓力、溫度較高，滯燃期縮短。其結(jié)果是滯燃期的預(yù)混噴油量減少。當(dāng)然，若噴油太遲，使滯燃期挪到上止點之后，則缸內(nèi)壓力、溫度未必上升。這種情況一般難于碰到。預(yù)混燃燒階段是影響NOχ排放最重要的時期。預(yù)混油量及混合氣量的減少將使速燃期中壓力、溫度上升程度降低，從而大大減少NOχ的排放量。同時，由于壓力升高率的下降，噪聲也大大降低。因此推遲噴油提前角這一措施，是最早應(yīng)用的有效降低NOχ排放和噪聲的對策。推遲噴油，直噴機(jī)的NOχ大幅下降，而間接噴射式渦流室柴油機(jī)的下降幅度則小一些。但是噴油過遲，則燃油消耗率和煙度都會惡化，對CO和HC也有不利影響。油耗和煙度的惡化是噴油推遲，燃燒跟著推遲以及緩燃期油量增加，燃燒時期也拉長的必然結(jié)果。早期控制排放的措施不多，為了排放達(dá)標(biāo)，不得不犧牲經(jīng)濟(jì)性能。近期已可通過提高噴射壓力等多種辦法來綜合解決這一問題。
二、燃油高壓噴射降低微粒碳煙排放
近年來，提高噴油壓力的高壓噴射措施，日漸成為直噴式柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的最佳手段。而間接噴射式柴油機(jī)，由于主要依靠氣流進(jìn)行霧化、混合，所以對噴油壓力要求較低。在循環(huán)噴油量及噴孔大小和分布不變的情況下，提高噴油壓力就是加大噴油速率，它直接產(chǎn)生兩方面的效果。
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可以看出，噴油壓力增高，則粒徑減小，貫穿距加大，霧錐角加大，噴霧區(qū)的總體積也跟著加大，再加上紊流的增強(qiáng)，這些都直接促進(jìn)了燃油與空氣的混合。其直接效果是降低了每一時刻濃混合氣成分的比例，使生成微粒碳煙的范圍自然縮小。即使不可避免仍有過濃混合氣出現(xiàn)，但因粒子小，周圍空氣多，也會加快燃燒和氧化速率，使碳煙形成之初就被加速氧化。所以高壓噴射必然使微粒碳煙排放降低。大量試驗都證實了這一點。
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噴油速率增大必然縮短噴油時期，使燃燒加速，使燃燒放熱更集中于上止點附近，從而降低了燃油消耗率。大量試驗結(jié)果也證實了這一點。以上高壓噴射降低煙度和油耗的優(yōu)點，恰恰彌補(bǔ)了推遲噴油所帶來的缺點。反過來，高壓噴射不可避免地使混合氣快速變稀，燃燒加速，溫度上升，從而NOχ排放必然有所增大。這一弱點又會被推遲噴油，降低的NOχ功效所彌補(bǔ)。應(yīng)該記住，高壓噴射并沒有過大削弱推遲噴油，減小滯燃期噴油量所帶來的改善NOχ排放的顯著效果。因此若兩種措施同時應(yīng)用，進(jìn)行合理調(diào)配后，NOχ和微粒碳煙排放都會同時降低。目前，兩種措施并用是最常見的手段�！∪�、噴油率控制技術(shù)
廣義的噴油率控制，指的是噴油規(guī)律控制，應(yīng)包括定時（噴油提前角）控制、噴油期長短控制和噴油率大�。▏娪吐是�外形）控制。此處撇開噴油定時，單指在定時和循環(huán)油量不變時，噴油長短和噴油率外形的控制。噴油率是除混合氣形成因素外，對燃燒過程又一重大的影響因素。當(dāng)然，噴油率本身也和混合氣形成是密不可分的�？梢栽O(shè)想，如噴油時期控制得很長，即使大幅度提高噴油壓力，也無法縮短放熱和燃燒時間；又如，初期噴油量很大，即使推遲噴油，也無法把NOχ和噪聲降得很低。反過來，如能把初期噴油量控制得很小，就是不推遲噴油，也可達(dá)到同樣效果�？梢姡瑖娪吐嗜裟芸刂�，將極富成果，因此，成為近年來噴油系統(tǒng)研究、開發(fā)的熱門課題。
理想的噴油率圖形可分為三個時期，即噴油初期，噴油中期，噴油后期。理想的噴油率圖形一般公認(rèn)為：初期要求噴油率低，噴油量少，以降低NOχ和噪聲；中期要求短而高的噴油率段，以提高噴油壓力，縮短緩燃期，促進(jìn)混合氣（下接第182頁）(上接第173頁)形成，使微粒碳煙排放和耗油率降低；后期則要求迅速結(jié)束噴油，以減少后燃油量和促進(jìn)碳煙氧化。噴油中期的控制，一般是通過提高噴油壓力來實現(xiàn)。控制初期噴油率的主要技術(shù)有：機(jī)械式預(yù)噴射裝置，雙彈簧噴油器，電控噴油系統(tǒng)控制預(yù)噴射。大量試驗結(jié)果表明，要獲得良好的效果，預(yù)噴射油量、主預(yù)噴射的間隔角度以及油量和時間的控制精度都有嚴(yán)格的規(guī)定。只有電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)才能全面滿足這些要求。末期噴油段要求迅速關(guān)閉，可以通過減輕油嘴往復(fù)運(yùn)動部分（針閥、推桿、彈簧）的質(zhì)量，加速針閥關(guān)閉速度來控制。這就是已廣泛推廣使用的低慣量噴油器和P型J型小型噴油器。此外，增大針閥開啟壓力也可加速針閥落座。但是真正有效控制的手段，仍是使用電磁閥的電控噴射系統(tǒng)的迅速斷油。
四、小直徑、多噴孔加速霧化混合
在噴油速率不變情況下,可以通過減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目，使噴注在燃燒室內(nèi)分布更均勻、更充滿的方法，來加速油、氣混合，獲得較好排放效果。六孔噴嘴與四孔噴嘴相比，六孔的總混合容積加大，單個噴注較窄，芯部濃混合氣易于擴(kuò)散、燃燒。這些都與加大噴油壓力的效果相似。增加噴孔數(shù)后，可以降低對氣流的要求。渦流比可以減小，從而改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。若噴孔過多，由于貫穿不足和相鄰噴注的干擾，反有不利效果。
五．噴油系統(tǒng)的其他凈化措施
目前已廣泛應(yīng)用的降低HC排放的措施就是減小孔式噴嘴壓力室容積或采用無壓力室式噴油嘴。大
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