康明斯柴油發(fā)電機(jī)排放控制技術(shù)最新策略
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)組逐漸成為大氣排放污染物的主要來(lái)源，使得對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排放的控制更為緊迫。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)排放出大量的微粒物質(zhì)(pm)和氮氧化物(nox)，所以微粒物質(zhì)和氮氧化物這兩種排放物的減少也成為柴油發(fā)電機(jī)排放控制的關(guān)鍵。主要目標(biāo)是為了有效降低nox的排放，研究了電控egr系統(tǒng)總體構(gòu)造、控制策略，建立了一套有效的egr控制系統(tǒng)，并在對(duì)同時(shí)降低nox和pm的方法進(jìn)行了相關(guān)探討。 本文以電控技術(shù)和egr技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)多個(gè)工況的試驗(yàn)，制取了egr最佳控制map圖，并通過(guò)試驗(yàn)表明，egr電控系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配良好，egr電控系統(tǒng)能夠在合理控制pm排放的基礎(chǔ)上切實(shí)有效的降低nox的排放，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性無(wú)明顯惡化。
根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的混合氣形成和燃燒特點(diǎn)，以及其有害排放物的產(chǎn)生機(jī)理，柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程或有害排放物的控制策略主要體現(xiàn)在放熱規(guī)律的控制上，如圖6-8所示。從控制柴油發(fā)電機(jī)燃燒噪聲及nox排放物的角度而言，應(yīng)盡可能降低預(yù)混合燃燒階段的放熱速率；而從改善動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及碳煙排放的角度而言，應(yīng)提高擴(kuò)散燃燒速度，由此縮短整個(gè)燃燒期間，使燃燒過(guò)程及時(shí)又完全。柴油發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的核心是對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動(dòng)可靠、排放較少的要求。采取機(jī)內(nèi)凈化是治本之舉， 它是通過(guò)改進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來(lái)改善燃燒性能，進(jìn)而達(dá)到減少 nox 排放的目的。所以，控制柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程的主要措施如下：
放熱規(guī)律的控制策略
1、改進(jìn)燃燒系統(tǒng)
改進(jìn)燃燒系統(tǒng)指的是燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的最佳匹配。應(yīng)保證在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況范圍內(nèi)，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動(dòng)，有合理的噴油規(guī)律。這一措施有可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低pm和nox的排放的目的。如高壓共軌、泵噴油器等，噴射壓力高達(dá)100～250mpa，可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多段噴射，由此提高放熱規(guī)律的控制自由度，有效地限制預(yù)混合燃燒放熱率，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒速率。
（1）電噴技術(shù)
采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油發(fā)電機(jī)性能，又可降低柴油發(fā)電機(jī)尾氣排放物，尤其是顆粒pm物質(zhì)的排放。防止機(jī)油串入燃燒室。由于柴油發(fā)電機(jī)排放顆粒狀物質(zhì)的相當(dāng)部分，是由串入燃燒室的機(jī)油的不完全燃燒造成的，所以應(yīng)盡可能地減少串機(jī)油量。防止和減少機(jī)油串入燃燒室，應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)機(jī)體剛度，改善汽缸蓋與機(jī)體的連接，減少汽缸工作面的變形，改善活塞、活塞環(huán)和汽缸表面的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)機(jī)油控制，減少?gòu)臍忾T推桿泄漏機(jī)油等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（2）推遲噴射時(shí)期
配合高壓噴射，有效地推遲噴射時(shí)期，由此縮短著火延遲期；同時(shí)，通過(guò)高壓噴射強(qiáng)制霧化，結(jié)合燃燒室內(nèi)的氣流特性促進(jìn)擴(kuò)散燃燒速率，縮短整個(gè)燃燒期間，從而在不改變經(jīng)濟(jì)性的條件下，有效地降低nox排放。
（3）使用縮口低排放型燃燒室
結(jié)合燃燒室結(jié)構(gòu)形狀的合理設(shè)計(jì)，利用壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程中燃燒室內(nèi)的氣流特性，保證擴(kuò)散燃燒階段具有較強(qiáng)的氣流強(qiáng)度及其保持性，促進(jìn)擴(kuò)激燃燒速率。
（4）采用egr技術(shù)
通過(guò)egr和噴射壓力以及噴射時(shí)刻的協(xié)調(diào)控制，可以有效地抑制預(yù)混合燃燒階段的放熱速率和燃燒溫度，達(dá)到有效控制nox排放的目的，同時(shí)結(jié)合高壓噴射及燃燒室內(nèi)的氣流特性，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒，由此改善燃油經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放。
（5）提高噴油壓力和減小噴孔直徑
提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低 pm 的排放。為了避免高壓噴射導(dǎo)致的 nox 的增加，要求適當(dāng)降低空氣渦流運(yùn)動(dòng)，提高壓縮比和可變定時(shí) 燃油噴射與其相適應(yīng)。高壓噴油系統(tǒng)需要和燃 燒室良好配合， 以避免過(guò)多燃油噴射到汽缸的冷表面上，減少 hc 和 pm 中 sof(有機(jī)可溶物)的排放； 同時(shí)減少噴嘴壓力室容積或采用無(wú)壓力室噴油嘴，能使 pm 和 hc 排放大大減少；通過(guò)燃油噴射率的優(yōu)化，如采用雙彈簧噴油器，可降低 pm 和 nox 的排放。
（6）共軌式噴油系統(tǒng)
可在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)特牲曲線范圍內(nèi)改變噴油過(guò)程。如德國(guó)bosch公司開發(fā)的共軌噴射系統(tǒng)，可自由選擇噴油壓力，高精度控制噴油量，靈活控制噴油定時(shí)，并可靈活進(jìn)行預(yù)噴射和多級(jí)噴射，對(duì)顆粒和煙度的降低很有利。在采用共軌多級(jí)噴射系統(tǒng)和電控噴油器的柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)中觀察到，由于分段噴射加強(qiáng)了空氣的卷吸和紊流，加強(qiáng)了燃油和空氣的混合，可明顯降低煙度。電子控制柴油發(fā)電機(jī)高壓噴射技術(shù)(如電控高壓共軌噴射)的應(yīng)用可使柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)最佳噴油定時(shí)、最佳噴油率和預(yù)噴射，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，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得到顯著改善。電控高壓噴射控制對(duì)噴油規(guī)律進(jìn)行控制，能根據(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。
電控高壓共軌式燃油系統(tǒng)
2、采用增壓中冷技術(shù)
（1）普通的增壓中冷
柴油發(fā)電機(jī)采用進(jìn)氣增壓技術(shù)后，由于壓縮溫度升高，在動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性提高的同時(shí)，nox的排量也必然增加。但增壓柴油發(fā)電機(jī)在采用中冷技術(shù)以后，增壓空氣在進(jìn)入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制nox的排放。廢氣渦輪增壓提高了汽缸內(nèi)平均有效壓力、過(guò)量空氣系數(shù)和整個(gè)循環(huán)的平均溫度，可使柴油發(fā)電機(jī)顆粒物的排放量降低50%左右，并減少co和ch的排放。利用中冷技術(shù)，no的排放量可降低60%-70%。廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用大大提高了柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，并且還在降低發(fā)電機(jī)組排放有害物、減少溫室效應(yīng)氣co2、保護(hù)環(huán)境等方面起到了重要作用。為使柴油發(fā)電機(jī)滿足歐洲i、ⅱ法規(guī)，渦輪增壓中冷技術(shù)是一個(gè)很好的技術(shù)方案；為滿足更高的排放法規(guī)歐洲ⅲ、ⅳ的要求，則必須采用電控可變噴嘴渦輪增壓器。隨著渦輪增壓器技術(shù)和其他先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)將會(huì)成為真采用柴油電控高壓噴射技術(shù)。柴油電控技術(shù)已從第一代的位置控制、第二代的時(shí)間控制發(fā)展到今天的共軌式電控高壓噴射。
（2）采用可變壓縮比技術(shù)
可變?cè)鰤旱哪康木褪窃诓煌D(zhuǎn)速下盡可能達(dá)到最佳的增壓效果。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓，實(shí)際上就是提高進(jìn)氣密度，這不僅能夠增加壓縮終了的壓力和溫度，有利于縮短著火延遲期，而且對(duì)一定的噴射系統(tǒng)，噴注的錐角加大，貫穿距離縮短，有利于改善霧化特性。因此，增壓與高壓噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可進(jìn)一步改善放熱規(guī)律。
一般發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是不可變動(dòng)的，因?yàn)槿紵胰莘e及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)定好。不過(guò)，為了使得現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)能在各種變化的工況中發(fā)揮更好的效率，以變對(duì)變來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。其中氣門可變驅(qū)動(dòng)技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)，做為重要參數(shù)的壓縮比，也有人嘗試由固定不變改為“隨機(jī)應(yīng)變”。近年紳寶(saab)開發(fā)的svc發(fā)動(dòng)機(jī)以改變壓縮比來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量。它的核心技術(shù)就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運(yùn)動(dòng)，使得燃燒室與活塞頂面的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變?nèi)紵业目头e，從而改變壓縮比。其壓縮比范圍可從8：1至14：1之間變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)采用高壓縮比以節(jié)約燃油；在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)采用低壓縮比，并輔以機(jī)械增壓器以實(shí)現(xiàn)大功率和高扭矩輸出。紳寶svc發(fā)動(dòng)機(jī)是1.6l5缸發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸缸徑68mm，活塞行程88mm，最大功率166kw，最大扭矩305n·m，綜合油耗比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低了30%，并且滿足歐洲ⅳ號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)。
3、進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化。
對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 主要目的是在提高充氣效率的同時(shí)，合理組織進(jìn)氣渦流， 以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少 nox 的生成。提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結(jié)果可導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使nox的排放明顯增加；若減少進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度雖可減少nox的排放，但又勢(shì)必會(huì)犧牲柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此，可采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)使渦流比在0.2-2.5范圍內(nèi)變化，以兼顧柴油發(fā)電機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)務(wù)個(gè)方面的性能。但采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高的問題，因而限制了該技術(shù)的推廣。
4、改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)
減少潤(rùn)滑油轉(zhuǎn)化為50%，可有效降低柴油發(fā)電機(jī)的pm排放。增加活塞環(huán)壓力，減少裙部間隙，優(yōu)化活塞環(huán)形狀設(shè)計(jì)，提高汽缸套圓度及改進(jìn)進(jìn)氣門挺桿的密封等措施，可有效地降低潤(rùn)滑油消耗量，使串漏的潤(rùn)滑油有效地燃燒，也可有效地降低排放。
5、采用多氣門技術(shù)
在柴油發(fā)電機(jī)上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴(yán)格排放指標(biāo)的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優(yōu)化了進(jìn)氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實(shí)現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化，這使混和氣的形成進(jìn)一步優(yōu)化，因而在提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)減少了nox排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。例如采用四氣門技術(shù)的缸蓋，可優(yōu)化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央。活塞頂?shù)娜紵野伎右餐瑯犹幱谥行奈恢没蛐D(zhuǎn)對(duì)稱位置，這樣就可在活塞頂燃燒室凹坑內(nèi)形成均勻的氣流，多孔噴嘴噴出的油束處于沿任何方向流量均等的理想狀態(tài)，從而改善了進(jìn)氣渦流和油霧分布的均勻性，達(dá)到了最佳的空氣利用率和降低顆粒排放的效果。四氣門結(jié)構(gòu)不僅能提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而且改善了活塞和噴油器的冷卻條件，可在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)渦流比可變，優(yōu)化了燃燒

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