一 柴油機(jī)所采取技術(shù)措施

1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)

近幾年來(lái),根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種不同要求(如在小型廂式送車(chē)和客車(chē)上安裝直噴發(fā)動(dòng)機(jī))促進(jìn)了各種柴油機(jī)直噴系統(tǒng)的發(fā)展,在這些噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中均瞄準(zhǔn)了特殊用途的要求,著重點(diǎn)不僅僅是增加了功率,而且也是適應(yīng)減少燃油消耗、降低噪聲和減少排放的要求,與傳統(tǒng)的凸輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,共軌噴油系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配方面表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性。共軌式噴油系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代中后期才正式進(jìn)入實(shí)用化階段。高壓共軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能,壓力產(chǎn)生與燃油噴射完全消除了彼此間的相互影響。噴油壓力的產(chǎn)生不依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與噴油量,燃油在高壓下貯存于高壓蓄油器(軌道)中準(zhǔn)備噴油,噴油量由操作者確定,噴油始點(diǎn)與噴油壓力由ECU(電子控制單元)根據(jù)已貯存的圖譜計(jì)算出來(lái),ECU觸發(fā)電磁閥,每缸的噴油器可相應(yīng)地噴射燃油。其優(yōu)點(diǎn)主要有:

(1)共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào),對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。

(2)可獨(dú)立地柔性控制噴油正時(shí),配合高的噴射壓力(120~200MPa),可同時(shí)控制NOx和微粒(PM)的排放,以滿(mǎn)足排放法規(guī)要求。

(3)柔性控制噴油速率變化,實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律,容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射,既可降低柴油機(jī)NOx排放,又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

(4)由電磁閥控制噴油,其控制精度較高,高壓油路中不會(huì)出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象,因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi),循環(huán)噴油量變動(dòng)小,各缸供油不均勻可得到改善,從而減輕柴油機(jī)的振動(dòng)和降低NOx排放。但是NOx排放降低的同時(shí)會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)生成更多的煙塵,煙塵一旦進(jìn)入油底殼中,就很快與機(jī)油混合并隨著機(jī)油一起在發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行循環(huán),造成對(duì)油品性能的損害而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。而解決由煙塵所引起的問(wèn)題基本上是由潤(rùn)滑油來(lái)解決,因此隨著高壓共軌系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,相應(yīng)的潤(rùn)滑油開(kāi)發(fā)工作也應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

2 采用增壓中冷技術(shù)

不但可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力，降低排放和噪聲，并能有效地提高燃油經(jīng)濟(jì)性，這一技術(shù)已應(yīng)用到中、小缸徑的柴油機(jī)中。目前，美國(guó)15t以上柴油機(jī)貨車(chē)100%采用渦輪增壓，歐洲約70%，日本80年代后也大量采用渦輪增壓。增壓中冷技術(shù)是滿(mǎn)足1994年美國(guó)排放法規(guī)的重要機(jī)內(nèi)凈化措施之一。

3 電子控制技術(shù)

電子控制技術(shù)的應(yīng)用可使柴油機(jī)排放控制與燃油經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾得到有效的調(diào)和，通

過(guò)按最佳噴油定時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的關(guān)系連續(xù)調(diào)節(jié)噴油定時(shí)，使排放與經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況良好匹配。利用電控技術(shù)可使顆粒排放降低40%以上，并且發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡工況的排放性能也可顯著改善。電控噴射可對(duì)噴油規(guī)律進(jìn)行控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)最佳噴油，同時(shí)通過(guò)控制預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒的比例，可同時(shí)降低有害排放和改善其他性能。通過(guò)電控噴油系統(tǒng)和可變幾何尺寸渦輪相連，可控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，有利于實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)外凈化措施，所以未來(lái)的電控技術(shù)將是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全面控制，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的最佳匹配。

4 廢氣再循環(huán)(EGR)

廢氣再循環(huán)(EGR)可有效地控制NOx排放量。這一技術(shù)由于減少了進(jìn)氣充量中含氧量,廢氣的熱容量增加而使最高燃燒溫度TZ下降,所以只有在部分負(fù)荷或空燃比足夠大的工況下采用,以不使HC和PM排放量明顯增加。EGR技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)使NOx在最大程度降低情況下,又不影響柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和HC與PM排放。采用有效的調(diào)整裝置來(lái)優(yōu)化柴油機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi)的廢氣再循環(huán)量,電控技術(shù)可有效地解決這一矛盾,和增壓中冷技術(shù)的結(jié)合使用,可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能。

5車(chē)載診斷(OBD)系統(tǒng)

診斷(OBD)系統(tǒng)。OBD是英文“OnBoard Diagnostics”的縮寫(xiě),中文翻譯“為車(chē)載自診斷系統(tǒng)”。OBD是國(guó)際上在用車(chē)排放治理中最有效的手段，這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況隨監(jiān)控尾氣是否超標(biāo),一旦超標(biāo)馬上發(fā)出警示。簡(jiǎn)單地講,OBD就是監(jiān)測(cè)所有與排放有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)和零部件的工作情況,其中包括:排氣催化轉(zhuǎn)化器的工作效能;λ傳感器的失效或輸出信號(hào)減小;點(diǎn)火系統(tǒng)故障;燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)控制電路;燃油噴射系統(tǒng)控制電路;其它與排放有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損壞或失效(排放超出限值)情況等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),故障燈(MIL)或檢查發(fā)動(dòng)機(jī)警告燈(CHECKENGINE)點(diǎn)亮,同時(shí)動(dòng)力總成控制模塊(PCM)將故障信息存入存儲(chǔ)器。通過(guò)一定的程序,可以將故障碼從PCM中讀出。根據(jù)故障碼的提示,維修人員能迅速準(zhǔn)確地確定故障的部位和性質(zhì),以便有效地對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)

6 顆粒過(guò)濾及再生技術(shù)

顆粒過(guò)濾及再生系統(tǒng)由兩部分組成，即顆粒過(guò)濾器和再生裝置，顆粒過(guò)濾器通過(guò)其中有極小孔隙的過(guò)濾介質(zhì)(濾芯)捕集柴油機(jī)排氣中的顆粒，其中絕大部分是固態(tài)碳粒和吸附了可溶性有機(jī)成分的碳煙。一般對(duì)碳的過(guò)濾效率較高，可達(dá)到60%一90%。濾芯應(yīng)滿(mǎn)足較的性能指標(biāo):

(l)具有較高的過(guò)濾效率。

(2)耐熱沖擊性好，具有較強(qiáng)的機(jī)械性能指標(biāo)。

(3)熱穩(wěn)定性好，能承受很高的熱負(fù)荷。

(4)通過(guò)特性好，流通阻力小，同時(shí)它還要適應(yīng)再生方法的要求。目前，最常使用的過(guò)濾材料為荃青石，它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和較好的抗熱沖擊能力，熱脹系數(shù)小，但它的弱點(diǎn)是耐高溫能力不足，一般不超過(guò)12加℃，導(dǎo)熱系數(shù)小，在再生時(shí)，內(nèi)部燃燒的熱量不易傳出，致使濾芯燒融或破裂。近年來(lái)，出現(xiàn)了一些新的濾芯材料應(yīng)用到柴油機(jī)粒過(guò)濾器中，如SIC是一種比較好的新型過(guò)濾材料，它和荃青石相比孔徑更均勻，并具有流通性好、過(guò)濾效率高、耐高溫(超過(guò)1600℃)、通用性好等特點(diǎn)，為解決再生系統(tǒng)復(fù)雜化及再生難的問(wèn)題提供了廣闊的前景。在濾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，再生方式即外加能量的再生方式，主要有噴油助燃再生、電加熱再生、逆向噴氣凈化再生、電自加熱再生和微波再生等幾種形式。噴油助燃再生是適時(shí)地向過(guò)濾器上游空間噴人一定量的燃油和供給一定的空氣，然后點(diǎn)燃噴人的燃油，使顆粒著火燃燒。電加熱再生則是利用電能加熱空氣或廢氣，使顆粒著火燃燒，近年來(lái)，提出一種逆向再生技術(shù)，即將電加器安裝在過(guò)濾器出口側(cè)，使顆粒更易著火燃燒及火焰?zhèn)鞑?，降低過(guò)濾器的熱負(fù)荷。逆向噴氣凈化再生是在再生時(shí)，將壓縮空氣從過(guò)濾體出口高速?lài)娙?，將顆粒從過(guò)濾體表面清除，落人顆粒漏斗中，由電加熱器加熱燒凈，電自加熱是利用高導(dǎo)電性的結(jié)晶siC作為過(guò)濾材料，再生時(shí)直接將過(guò)濾體作為加熱元件通電加熱，使顆粒燃燒。微波再生則是利用微波所獨(dú)具選擇加熱及體積加熱特性，對(duì)過(guò)濾體的顆粒對(duì)微波具有極強(qiáng)吸收能力以及過(guò)濾體本身進(jìn)行加熱，使顆粒迅燃燒。這些再生方式在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中又可分為旁通再生和全流再生，旁通再生是在再生過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不經(jīng)過(guò)過(guò)濾器而直接排出機(jī)外，避免廢氣對(duì)再生時(shí)火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生影響，有利于過(guò)濾體內(nèi)顆粒的氧化燃燒。再生方式的選擇根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行工況和濾芯材料及結(jié)構(gòu)來(lái)確定。

7氧化催化器

柴油機(jī)氧化催化器的工作原理與汽油機(jī)排放控制原理相似，它主要用于消除排氣中的可燃?xì)怏w和可溶性有機(jī)組分，如HC、CO和顆粒中的SOF。實(shí)踐證明，這是一種有效的機(jī)外凈化措施。為燃用含硫量為0.3%(質(zhì)量)的燃油而開(kāi)發(fā)的幾種低活性氧化催化器，分別能使HC、

和顆粒減少40%一50%、50%一70%和加%一40%。在重型柴油機(jī)燃用含硫量為0.01%

的燃油，使用貴金屬鉑為催化劑的氧化催化器，使HC減少70%，顆粒減少27%，其中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴都有明顯減少，而對(duì)NO:和顆粒中的固態(tài)碳粒排放幾乎無(wú)影響，對(duì)于HC轉(zhuǎn)化效率較高的氧化催化器還可有效地減少排氣的臭味。但是氧化催化器的缺點(diǎn)是會(huì)將排氣中的陽(yáng)2氧化為503，生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒，額外增加顆粒物質(zhì)排放量。所以，柴油機(jī)氧化催化器一般適用含硫量較低的柴油燃料的柴油機(jī)。氧化催化器的催化劑一般由稀有鉑R、把Pd等貴金屬組成，并浸在氧化鋁和二氧化硅等高度表面載體上。催化劑及載體、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、燃油的含硫量、廢氣的流速和內(nèi)燃機(jī)工程第18卷第3期催化轉(zhuǎn)換器的大小以及廢氣流人轉(zhuǎn)換器的進(jìn)口溫度等對(duì)氧化催化器的轉(zhuǎn)換效率有明顯影響，這些參數(shù)的選擇是使HC、CO和SOF轉(zhuǎn)換效率盡量高，而使S氧化率盡量低之間的折衷。解決這一矛盾的辦法是燃用低硫油和對(duì)催化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)于催化劑及載體的選擇應(yīng)該根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)確定，選用活性高的催化劑，HC和CO氧化效率提高，但對(duì)于排溫大于500℃的工況，即使燃用無(wú)硫的燃油，由于潤(rùn)滑油中含有硫，SO2的氧化率仍很高，仍會(huì)使顆粒排放量增加困。降低催化劑的活性或在催化劑中加人抑制劑，會(huì)使HC和CO氧化的有效溫度提高，同時(shí)也使S的氧化溫度提高，由于氧化的有效溫度比HC和CO的有效氧化溫度高，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)排溫范圍內(nèi)，可有效抑制SO2的氧化但又能有效氧化HC和CO，使其排放得到明顯降低。所以，開(kāi)發(fā)使HC和CO高效氧化而又能抑制SO2的氧化是未來(lái)催化氧化器研究的重要課題。柴油機(jī)的排放成分比較復(fù)雜，其中含有潤(rùn)滑油和燃油添加劑的非可燃沉積物以及由排氣中S形成的雜質(zhì)，會(huì)縮短催化劑的使用壽命。這可通過(guò)開(kāi)發(fā)高純度潤(rùn)滑油、改進(jìn)載體的表面化學(xué)特性、微孔結(jié)構(gòu)、表面面積以及定期再生處理并清除雜質(zhì)等措施來(lái)解決。

8更高一代的共軌壓力

更高的噴油壓力對(duì)改善燃油霧化、油氣混合縮短燃燒持續(xù)期和改善排放有利。噴油壓力提高后,噴孔處的噴油壓力差和油束的初速度增強(qiáng),油束參加混合氣形成的能量增加,混合氣形的速度快而且混合充分,使燃燒改善,空氣利用率高,油耗率降低。這樣,柴油機(jī)在低速工況時(shí),HC排放量和碳煙度均有所降低。而在高速工況時(shí),由于噴油壓力高,盡管?chē)娍仔?仍具有較短的噴油持續(xù)期,因而調(diào)整時(shí)的煙度也是滿(mǎn)意的。