影响柴油机有害排放物生成的主要因素

9.3　影响柴油机有害排放物生成的主要因素

9.3.1　柴油机燃烧及排放物生成的特点

柴油机燃烧是一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程，从喷雾过程、油束形成、混合气的浓度与分布以及燃烧室形式等，对排放物生成均有复杂的影响。由于油束在燃烧室空间的浓度分布、着火部位及局部温度各处都不一样，可以对油束人为地分区并将其与排放物生成的关系作一说明。

如图9－16所示，当油束喷入有进气涡流的燃烧室时，由于油雾及油蒸气在空间浓度分布不同，可大致分为稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部、油束尾部和后喷部以及壁面油膜。从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。

(1)未燃HC在低负荷时，由于喷油量少，混合气稀，缸内温度低，HC主要产生在稀燃火焰熄灭区;在高负荷时，混合气浓，HC主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。

(2)CO低负荷时，缸内温度低，部分燃油难以氧化形成CO₂，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO;高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。

(3)NO_X。在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。

(4)碳烟。高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。

(5)醛类。主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。

图9－16　油束各区的燃油情况

1－稀燃火焰熄灭区　2－稀燃火焰区　3－油束心部　4－油束尾部和后喷部

9.3.2　影响因素

1.混合气成分

一般来说，柴油机的燃油供给是质调节，在工作过程中总有一定数量的过量空气，而且柴油挥发性比汽油小，因此柴油机的HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多。但在接近满负荷时(a较小)，CO浓度骤增，如图9－17所示。NO _x生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。NO _x浓度随a增加而减少。柴油机排气中有碳烟排出，随着混合气变浓，排烟浓度增多。

图9－17　混合气成分与柴油机排放的关系

图9－18　喷油定时对排放的影响

2.喷油时刻

延迟喷油是降低NO _x的主要措施之一。如图9－18所示，延迟喷油可减少NO _x的生成，但减小喷油提前角将导致燃烧变差，最高爆发压力降低，因而使油耗及排气烟度增加。为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。实践证明，延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。

9.3.3　机内净化技术

1.增压中冷技术

高压柴油喷柱与空气的混合要达到分子级的均匀程度是很困难的，因为它受燃油蒸发、扩散等分子运动的自然限制。较现实的办法是增加空气量，即提高空燃比，使柴油分子更容易找到氧分子，保证燃油充分燃烧。通过增压可以加大循环进气量，提高输出功率。而且，增压后，进气温度提高，滞燃期缩短，混合气又可以适当变稀，这些都有利于降低燃烧噪声、CO及HC排放;再加上功率提高而机械损失变化不大，泵气功变为正功等原因，油耗有所下降。但是，进气温度上升使NO _x增多，空气密度因温度上升而下降，从而实际进气的质量未达到期望水平。于是出现了将增压后空气再进行冷却的中冷技术，使得进气温度降低，循环进气量更大。这样，增加空燃比改善了柴油机的燃烧，从而降低了微粒排放;同时增加空燃比加上中冷又降低了燃烧温度，从而降低了NO _x排放，功率进一步增加。

增压中冷柴油机参数选配得当，则柴油机大部分性能都会得到改善，试验证明，采用适度的涡轮增压可使车用柴油机的微粒排放下降50%左右，加上中冷则可再下降到原始排放的30%～40%，NO _x可能下降到60%～70%。

图9－19　缸内的各种有组织气流

(a)切向进气道及其产生的旋流　(b)螺旋进气道及其产生的旋流　(c)纵向滚流　(d)压缩时的挤流　(e)膨胀时的逆挤流

2.改进进气系统

(1)进气组织。间接喷射式柴油机主要靠主、副室中的强烈涡流或紊流来实现混合气的雾化、混合。传统的中、小型直喷式柴油机通过气缸盖中的螺旋进气道或切向进气道，或多或少都组织有绕气缸轴旋转的进气旋流，进气旋流的强弱用压缩终了缸内旋流转速与发动机转速的比值表示，称为涡流比。除了横向旋流外，缸内还存在各种有组织或无组织的紊流、挤压涡流、纵向滚流等，如图9－19所示。

由于涡流比的大小与进气阻力成正比。强涡流会降低循环进气量，从而降低动力性，增大烟度。所以现在都倾向于加大喷油压力，适当降低涡流比来组织燃烧。大、中型柴油机则向无涡流或弱涡流的方向发展。对小缸径的高速柴油机，由于燃烧室太小，为了减小撞壁的燃油量，强化壁面油膜燃烧，一般都要组织一定强度的缸内旋流或紊流。

(2)多气门。车用中、小型柴油机正步汽油机后尘，发展多气门技术，加大循环充气量以改善动力性、经济性和排放性如图9－20所示。柴油机采用四气门(两进两排)后可增大进气门总通过最小截面，增加循环进气量，提高柴油机功率和转速;可实现喷油嘴正中布置，保证各喷柱的形态和混合条件相同，使得喷注分布和混合气形成更加合理;在低速时可通过关闭一个进气道来提高缸内旋流速度，并经过特殊设计，充分利用进气惯性来提高低速进气量。这些对减少有害排放物都是有利的。特别是在低速时涡流比和进气量的提高，部分解决了传统机型增压机的加速冒烟和低速转矩下降的问题。

图9－20　2气门和4气门柴油机性能指标对比图

3.改进喷油系统

柴油机中常用的机械燃油喷射系统主要有直列泵系统和转子分配泵系统两大类，电控燃油喷射系统主要有单体泵泵喷嘴和高压共轨系统。直列泵、单体泵和泵喷嘴系统多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统和高压共轨系统，多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。

对喷油系统的要求是对应不同工况有良好喷油规律的前提下，喷出的燃油颗粒要小，雾化要好。相应所采取的方法如下:

(1)高压喷射。提高喷油压力就加大了喷油速率，利用高压喷射可以较好的控制喷油率曲线。压力增高，则喷出的燃油颗粒减小，贯穿距加大，喷雾的总体积加大，紊流增强，促进了燃油与空气的混合，降低了浓混合气成分的比例，减小了微粒的生成。同时喷油率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速，燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。但是，燃烧加速，温度上升，NO _x的排放量会增大。

(2)推迟喷油提前角。喷油提前角减小可使预混油量和混合气量减少，从而使速燃期压力、温度上升程度降低，因此，大大减少了NO _x的排放量。以此可以弥补高压喷射使NO _x排放量增大的缺点。同时，由于燃烧中压力升高率的下降，噪声也降低。

(3)减小喷孔直径，增加喷孔数目。燃油喷柱在燃烧室内的分布将更均匀、更充满，可加速燃油与空气的混合，降低微粒的排放。

(4)减小喷嘴压力室容积。压力室容积只要稍有减小，就会大幅降低HC的排放量，因而应尽量减小压力室容积或采用无压力室式喷油嘴。

(5)高压共轨电控燃油喷射。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的空燃比、良好的雾化和最佳喷油规律，在提高柴油机性能的同时减小了污染物的排放(图9－21)。

图9－21　三种燃油系统的喷油压力对烟度及性能的影响

试验条件:转速:1000r/min a= 17 NO _x:1200×10^－6

4.改进燃烧系统

(1)燃烧室容积比。燃烧室容积比是燃烧室容积对气缸余隙容积(或压缩室容积)之比。应力求提高容积比，以提高柴油机的冒烟界限，降低柴油机的碳烟和微粒排放。为此，要避免采用短行程柴油机。而且，长行程、低转速、高增压度的柴油机，其综合性能比短行程、高转速的柴油机好。

(2)燃烧室口径比。口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流，因而可采用孔数较少的喷嘴而获得满意的性能。但涡流要造成能量损失，且低转速时往往显得涡流不足。同时，燃烧室口径小增加喷雾碰壁量，造成HC排放增加。现在的趋势是除了缸径很小的柴油机(D≤120mm)用较小口径比的燃烧室外，一般采用口径比较大的浅平燃烧室(dk/D=0.6～0.8)，配合小孔径的多喷孔喷嘴。

(3)燃烧室形状。缩口燃烧室已经取代应用最广的直边不缩口ω形燃烧室。缩口燃烧室加强了燃烧室口部的气体湍流，促进扩散混合和燃烧;燃烧室底部中央的凸起适当加大，以进一步提高空气的利用率。不缩口ω形燃烧室与缩口燃烧室的排放特性如图9－22所示。这是因为底部中央气流运动较弱，燃料喷注也不能到达，空气不易被利用。用带圆角的方形或五瓣梅花形(分别配4孔和5孔喷嘴)代替圆形燃烧室，加强燃烧室中的微观湍流，加速燃烧，减少碳烟生成(图9－23)。

图9－22　挤流口型与标准型燃烧室的排放特性

图9－23　三种燃烧室的烟度及燃油消耗率

1－ω型燃烧室　2－四角形燃烧室　3－微涡流燃烧室

(4)适当提高压缩比。适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放，并结合推迟喷油获得动力经济性能与NO _x排放之间较好的折中。

5.降低机油消耗

由于柴油机排放微粒有相当一部分是来自窜入燃烧室机油的不完全燃烧，所以尽可能减少窜入机油量，同时又保证气缸活塞组的工作可靠性和耐久性，是降低微粒排放的重要方面。为此，必须加强机体刚度，改善气缸盖与机体的连接，尽量减少气缸工作面的变形。要改善活塞、活塞环和气缸表面的设计，以加强机油控制又保证必要润滑，同时减少机油从气门杆的泄漏。

6.废气再循环

同汽油机一样，柴油机也可通过废气再循环来降低NO _x的排放量。由于柴油机混合气比汽油机稀，特别在低负荷时稀得更多，所以可以使用比汽油机大得多的废气再循环量。

7.提高燃油品质

提高燃油品质应提高柴油的十六烷值。柴油十六烷值不足即着火性差，使滞燃期加长，预混合燃烧量过多，导致运转粗暴，噪声加大，NO _x排放增加。低排放柴油要求降低含硫量，降低柴油含硫量就相应的降低了微粒的排放量。

9.3.4　机外净化技术

1.微粒捕集器

微粒捕集器也称柴油机微粒滤清器，主要是通过微粒捕集器内的过滤材料，采用过滤的方法对柴油机排气中的微粒进行净化。

2.氧化催化转化器

氧化HC、CO和微粒的基本原理与汽油机三元催化转化器中的氧化原理相同，催化剂的活性成分也是Pt、Pb等贵金属。采用氧化催化转化器可以使微粒中的SOF得到氧化，因而可有效的降低微粒排放，同时，也可使本来排放量较少的HC和CO进一步降低。

3.NO _x还原催化转化器

由于柴油机排气温度明显低于汽油机，柴油机中妨碍NO _x还原反应进行的氧化量是汽油机的30倍左右，作为还原反应不可缺少的还原剂，柴油机只有汽油机的十分之一。因此，柴油机还原催化剂的开发难度很大。同时，为保证较高的还原效率，往往要从外部添加HC、NH₃等还原剂。

4.四元催化转化器

如果将柴油机氧化催化剂、微粒捕集器和NO _x还原催化剂合三为一，像三元催化转化器中CO、HC和NO _x互为氧化剂和还原剂那样，使微粒和NO _x互为氧化剂和还原剂，则可以同时除去CO、HC、微粒和NO _x。这种方法在柴油机轿车上已有应用。