【文章內容簡介】 和參數(shù)優(yōu)化 (1)優(yōu)化壓縮比 柴油機壓縮比控制著著火延遲期的長短。降低壓縮比，有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可使燃燒最高溫度降低， NOX 排放減少，碳煙增加。但壓縮比過低，柴油機難于著火。壓縮比對 NOX的影響較為復雜，選取壓縮比時應綜合考慮。 (2)燃燒室型式的優(yōu)化 燃燒室型式與 NOX的排放有著密切關系。直噴式柴油機 NOX排放明顯高于非直噴式柴油機，這是因為非直噴式柴油機前期的燃燒發(fā)生在混合氣過濃的預燃室或渦流室里，由于缺氧 NOX的生成受到了抑制，又因在主燃燒室中的燃燒開始較晚，且是在較低溫度下進行的。對于同一類型但結構不完全相同的燃燒室，其NOX 的排量也有差異。例如在直噴式柴油機中，渦流最強的球型燃燒室最高，淺盆型燃燒室最低。 燃燒室噴水冷卻技術 水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術在降低 NOX排放的同時，還有利于 改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。 噴水冷卻有如下形式：進氣管噴水；用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室；通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室；在噴嘴的兩個燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。但如何控制噴水的時機、數(shù)量和噴嘴的腐蝕等問題還有待于進一步研究。 燃料的改進 (1)提高柴油機十六烷值 十六烷值在柴油機燃料參數(shù)中對 NOX排放影響最大。十六烷值較高時，由于其穩(wěn)定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較高，但其發(fā)火性能好，柴油機點火延遲期縮短，缸內溫度與壓力降低， NOX排放亦降 低。當十六烷值從 40提高到 50 時， NOX排放可降低 10%左右 ［ 19］ 。 (2)使用柴油添加劑 在柴油中添加適量的硝酸鹽、亞硝酸鹽和各種過氧化物，可以提高燃料的十六烷值，縮短著火延遲期，使得 NOX排放減少。但使用添加劑會導致二次污染 (3)使用代用燃料 可以采用醇類、氫氣和天然氣等代替柴油。柴油機燃用醇類燃料時，基本可以實現(xiàn)無煙排放，在中、低負荷時 NOX的排量也很低。近年來可以作為內燃機代用的醇類燃料很多，其中甲醇是目前應用最廣的內燃機代用燃料。但如果不采用適當措施，柴油機排放的 HC、甲醛將成 為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機代用燃料時， NOX和其它污染物的排放都很低。將來太陽能利用及氫的存儲技術解決之后，氫將成為柴油機的主要燃料，但缺點是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉化效率在 40%65%之間，遠遠高于柴油。燃料電池的工作溫度低于1000℃ ，此時基本不產生 NOX，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應用在技術上已不存在重大問題，唯一的障礙在于成本太高。燃用壓縮天然氣 (CNG)或液化天然氣 (LNG)， NOX和微粒排放可同時減少 75%80%。二甲基乙醚作為最新出現(xiàn)的液體燃料，其燃燒后無微粒產生 且 NOX的排放亦很低。 采用多氣門技術 在柴油機上采用多氣門技術是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。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)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現(xiàn)渦流比在不同轉速下的變化，這使混和氣的形成進一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經濟性的同時減少了 NOX排放，但增加了成本和結構的復雜性。在燃用汽油的大、中、小型轎車上，多氣門技術已經作為成熟技術得到了應用。在柴油機上應用多氣門技術是國際學術界研究熱點之一，國外內燃機的氣門最多時已達到 5個 ，目前已在大型柴油機應用的基礎上，逐漸開始在小型柴油機上應用，國內在這方面的研究尚未成熟。 采用廢氣再循環(huán)技術 采用廢氣再循環(huán) (EGR)是降低 NOX排放的一項極為有效的措施，目前只是在汽油機上得到了較為成熟的應用。 EGR 在所有負荷條件下都可以有效減少 NOX排放。將定量廢氣引入柴油機進氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室內，有利于點火延遲，增加了參與反應物質的熱容量以及 CO H2O、 N2等惰性氣體的對氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少 NOX的生成。大約 60%70%的 NOX是在高負荷時產生的， 此時采用合適的廢氣再循環(huán)率對于減少 NOX是很有效的。廢氣再循環(huán)率為15%時， NOX排放可以減少 50%以上，而廢氣再循環(huán)率為 25%時， NOX排放可減少 80%以上，但隨著廢氣再循環(huán)率的增加，發(fā)動機燃燒速度變慢，燃燒穩(wěn)定性變差， HC和油耗增加，功率下降。若采用 “ 熱 EGR” 還可以同時減少 HC和 PM的排放，并且不會增加油耗，在中、低負荷時凈化效果更佳。由于 EGR氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映 EGR 量，其響應速度較慢，所以廢氣再循環(huán)量應通過進氣流量和 EGR 氣門的升程信號相結合來反映。 控制柴油機排 放的措施 從控制柴油機排放的角度．可以從三方面來考慮：燃油、柴油機燃燒過程組織、機外控制， 而最主要的，還是柴油機燃燒過程對排放的影響最大。 2． 1 NOX的控制措施 控制排氣中的 NO 含量最簡單可行的方法是降低柴油機的燃燒溫度，而降低柴油機的燃燒 溫度，則會帶來降低柴油機熱效率，增加燃油消耗的結果。所以，在采取降低最高燃燒溫度措施 的同時，還必須兼顧柴油機的其他性能指標，具體措施有： (1)適當推遲燃油的噴射，使發(fā)火點和燃燒后移，將降低柴油機最高燃燒溫度，據(jù)計算” J： 在采用 噴射延遲的方法降低 NO 時，每降低 10％的 NO ，燃油消耗率會上升 2％。 （ 2)增壓中冷：柴油機增壓，可以提高柴油機功率，但如增壓后不中冷，則由于汽缸進氣溫 度的提高，會提高柴油機的燃燒溫度，促進 NO 的生成；對增壓不中冷的柴油機而言，增壓中冷是一條減少 NO 排放的有效途徑；對已增壓中冷的柴油機而言，改善中冷器的冷卻效果，降 低中冷后的進氣溫度，也是降低 NO 排放的方法。根據(jù)粱桂森等人對 D6114ZL柴油機的試驗研 究，在標定工況：中冷后進氣溫度從 6o℃降低到 30℃， NO 降低約 34％ I 。 (3)為改善推遲噴油后對柴油機熱效率的影響，目前國外有學者在研究先導噴油．多次噴油 以及預混合壓縮著火等技術，這些技術從根本上說，是通過限制柴油機燃燒時的燃油量，來降低最高燃燒溫度，而通過多次噴油．使相對而言較低的柴油機燃燒溫度維持較長的時間．使柴油機 的熱效率下降較少或不下降。Haruyuki等人建議采用多次噴射和稀薄預混合壓燃結合的一種新燃燒概念，其模擬結果表明可以使柴油機的燃油消耗與 NO 的排放的折衷關系獲得改善㈣。 (4)燃油乳化 燃油乳化是在柴油中，加入一定比例的水和表面活性劑 ，形成乳化油。實驗證明：乳化柴油 除具有節(jié)油的效果外，由于乳化油中的水在燃燒室高溫的條件下，發(fā)生氣化要吸收大量的熱量， 所以，乳化柴油燃燒的最高溫度較純柴油燃燒溫度低， NO 的排放量可降低 30％ t 。 (5)要降低 NO，的排放量，還可以采取廢氣再循環(huán)【 EGR)，利用 10％的廢氣量進行再循環(huán)， 可以使 NO 排放量下降 30％，而對燃油消耗率影響不大 采用廢氣再循環(huán)后，柴油機的管路會 增加，這將給柴油機的設計布置帶來一定的麻煩。 此外，提高壓縮比，改善燃燒室結構，提高噴油壓力，電子控制噴射等措施，對改善柴油機 的 NO 排放也有效，而對具體的柴油機而言，則應根據(jù)柴油機的技術狀況和可能條件，有選擇 __柴油機的主要特點 （ 1） 有能量密度高（大型低速增壓柴油機的有效熱效率已超過 50%），燃油消耗率低，這對節(jié)約能源和提高經濟效益都很重要。 （ 2） 好的燃油經濟性； （ 3） 溫室效應氣體排放少，其二氧化碳的排放量比汽油機大約低3035%，但廢氣中含有害成分（ NO，顆粒物等）較多，噪聲較大，在環(huán)境環(huán)抱方面已引起重視。 （ 4） 功率和轉速范圍很大（功率 1— 65580KW，轉速 54— 5000r/min），因此應用領域寬 （ 5） 結構較復雜，零部件材料和工藝要求較高，制造成本較高，與汽油機相比質量較大。 （ 6） 新技術（電子控制，增壓，廢氣再循環(huán)，新材料）應用多，發(fā)展快。產品研制開發(fā)和生產裝備的投資大，屬于技術密集和資金密集性產品。 NOx 多種氮氧化物的 統(tǒng)稱； NO 可以與某些烴類發(fā)生化學反應 ，生成光化學煙霧，危害人的繼康，是車用柴油機排放 污染的主要成分 ，使得壓縮空氣達到要求的冷卻溫度。 柴油機排氣中包含各種成分，其基本成分是二氧化碳（ CO2），水蒸氣（ H2O），過剩的氧氣（ O2）以及存留下來的氮氣（ N2）等。他們是燃料和空氣完全燃燒后的產物，從毒物學的觀點看，排氣中的這些成分是無害的，除上述基本成分外，柴油機排氣中還含有不完全燃燒的產物和燃燒反應的中間產物，包括一氧化碳（ CO），碳氫化合物（ HC），氮 氧化合物（ NOX），微粒（ PT）及醛類生平。這些成分的質量總和在柴油機排氣中所占的比例雖然還不到 1%，但它們大部分是有害的，或有強烈刺激的臭味，有的還有致癌作用，因此被列為有害排放物。 —— 高壓共軌噴射系統(tǒng) 柴油機降低排放的對策主要是改善燃燒，而噴射系統(tǒng)性能是影響柴油機燃燒過程的關鍵因素，要改進傳統(tǒng)的由柱塞泵分缸脈動噴射系統(tǒng)難度較大，高壓共軌噴射系統(tǒng)正是順應上述需求而誕生，且正得到了很大發(fā)展。它被世界內燃機行業(yè)公認為二十世紀三大突破之一（另外兩項是汽油直噴技術和 DME 代用燃料）。 高壓共軌噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術、預噴射技術和電控技術基礎之上的一種全新概念的噴射系統(tǒng)。它主要有高壓泵，帶調壓閥的共軌管，帶電磁閥的噴油器， ECV（電子控制單元）和各種傳感器組成高壓共軌系統(tǒng)不再用柱塞泵分缸脈動供油原理，而是用一個設置在噴油泵和噴油器之間的具有較大容積的共軌管把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來并平抑壓力波，再通過各高壓油管輸送到噴油器上，由噴油器上的電磁閥的動作控制噴油的開始和終止。電磁閥作用的時刻決定噴油定時，起作用的持續(xù)時間和共軌壓力共同決定噴油量。由于這種系統(tǒng)采用壓力時間式燃油計量原理 ，因此又可稱為壓力時間控制式控噴射系統(tǒng)。 高壓共軌噴射系統(tǒng)的特點是；噴油壓力的建立與噴油過程無關；噴油壓力，噴油過程和噴油持續(xù)期不受負荷和轉速的影響；噴油定時與噴油計量完全分開，可以自由調整每缸的噴油量和噴油始點；能實現(xiàn)預噴射，快速停噴和多段噴射。因此高壓共軌噴射系統(tǒng)通過對噴油要素的優(yōu)化控制柴油機燃燒更充分，從而減少燃燒中有害物的形成，使柴油機的有害排放，噪聲排放和冷起動性能都得到很大改善。 —— 廢氣再循環(huán)系統(tǒng) 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是將柴油機產生的廢氣的一小部分再送回氣缸。由于柴油 機中富余的氧氣較多，當送回汽缸的廢氣與新鮮空氣混合后，該過程導致氣缸內氧氣濃度降低，使燃燒速度減慢，燃燒溫度下降，從而減少有害成分氮氧化物（ NOX）的形成。 目前采用和研究廢氣再循環(huán)系統(tǒng)有多種類型，日野汽車公司開發(fā)的脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機進氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流到汽缸內。排氣門的這個作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)微升來實現(xiàn)的。 在脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，廢氣被重新送回氣缸內，因此廢氣的壓力應高到足以使氣流反向。要達到這樣高的壓力只有通過優(yōu)化氣門微 升和定時，從而利用廢氣的壓力波才能實現(xiàn)，在該廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，廢氣壓力“脈沖”被有效利用。 增壓中冷柴油機實現(xiàn)廢氣再循環(huán)還有另外兩種方式，一種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反向。采用可變截面渦輪增壓器，可以擴大廢氣再循環(huán)有效工作范圍，降低氮氧化物（ NOX）和微粒（ PT），燃油耗也不升高，這可能是將高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于增壓中冷柴油機的最好方法。 另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機之前，稱為低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，它可有效降低氮氧化物（ NOX），而廢氣循環(huán)工作范圍較大，與柴油機匹配能有 效地發(fā)揮其功能。 —— 增壓中冷技術 所謂增壓，就是增加進入柴油機汽缸內的空氣密度。中冷則是將壓縮后的空氣的溫度降低。因此，柴油機采用增壓中冷系統(tǒng)后，滯燃期縮短，在稀烯火焰熄滅區(qū)內積壓的燃油量較少，從而減少排氣中有害成分碳氫化合物（ HC）和氮氧化物（ NOX）的生成。目前，增壓方法主要有機械增壓三種方式。其中廢氣渦輪增壓器主要是由渦輪和壓氣機組成，它與柴油機沒有機械傳動聯(lián)系，柴油機排出的廢氣經排氣管進入渦輪，對渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至柴油 機進氣管。增壓中冷柴油機在壓氣機出口和柴油機進氣管入口之間增設中間冷卻器（簡稱中冷器），使壓縮后的空氣的溫度下降，密度增大。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低，以及機械負荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油機的功率，降低有害物的排放。 由于廢氣渦輪增壓方式與機械增壓和氣波增壓方式比較，結構簡單，工作可靠，在柴油機上得到普遍采用，其他兩種增壓方式基本不使用。 —— 微粒捕集器 柴油機微粒捕集器，可將排氣中微粒捕捉不使其排