R4105ZD型柴油機(jī)排放與控制

楊林

摘要：隨著非道路柴油機(jī)越來越受到用戶青睞，隨之而來的是柴油機(jī)污染物排放量劇增，因此尋找一種經(jīng)濟(jì)可行的滿足國三排放法規(guī)的技術(shù)措施已勢在必行。本文針對R4105ZD型柴油機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化性能，降低排放的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)電用柴油機(jī);排放;電噴

中圖分類號：TK45+7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-2177（2019）12-0113-03

再造綠色家園，重現(xiàn)藍(lán)天白云，致力于環(huán)境保護(hù)是各柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的崇高使命。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，伴生而來的是污染物排放量劇增，霧霾已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)，解決霧霾問題已成為改善民生的當(dāng)務(wù)之急，在這樣的背景下，我國出臺了非道路國三排放標(biāo)準(zhǔn)政策。所以進(jìn)行R4105ZD型柴油機(jī)排放達(dá)國三的研究是順應(yīng)時(shí)代的要求。積極按照國家相關(guān)法規(guī)推進(jìn)國三切換工作，提出了“轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展”的新理念。

在柴油發(fā)電機(jī)組中，柴油機(jī)排氣是環(huán)境污染的重要來源。在理想的燃燒條件下，柴油機(jī)燃燒產(chǎn)物的主要成分為二氧化碳CO2、水蒸氣H20、氮?dú)釴2和過量氧氣，基本無害。但由于實(shí)際燃燒過程，如柴油質(zhì)量和混合形成的霧化質(zhì)量，燃燒室內(nèi)換氣條件，可燃混合氣形成速度以及燃燒室勢力狀態(tài)等因素的制約，柴油機(jī)燃燒產(chǎn)品除了含有上述的主要無害成分，還含有少量的一氧化碳CO，未燃盡的碳?xì)浠衔锏腍C、碳、氫、氮氧化物、氮氧化物和碳煙等有害成分。除了75.5%的氮?dú)猓?0%的二氧化碳，8%的水蒸氣和6%的氧氣對人類是無害的外，其余0.2%的NO，0.01%的NO2，0.03%的HC和0.05%的一氧化碳CO，0.01%的二氧化硫和不到0.01%的顆粒都是有害物質(zhì)，這是酸雨的形成和臭氧層破壞的罪魁禍?zhǔn)住２裼蜋C(jī)環(huán)境污染主要有三個方面：一是柴油機(jī)排出的廢氣污染大氣;二是噪聲對環(huán)境的污染;三是廢油和廢水污染土壤或地表水。其中，對人類健康危害最大的是廢氣排放。柴油機(jī)溫度越高，N2、O2濃度越高，NO的生成速率越高。由此可見，影響NO生成速率最重要的因素是溫度、時(shí)間和噴油角度。碳煙生成的因素可以概括為時(shí)間、溫度和湍流，溫度越高，停留時(shí)間越長，湍流混合好，促使HC氧化，總粒子TPM將減少，但氮氧化物的形成在同一時(shí)間將會增加，這是在直接噴射柴油機(jī)“顆?！趸餀?quán)衡曲線”、柴油機(jī)調(diào)試減排目標(biāo)時(shí)，是把一種污染物（如用高壓噴射把TPM指標(biāo)滿足法律法規(guī)的要求）利用燃燒改善本身達(dá)到要求，燃燒過程中氮氧化物在高溫的作用下，參與燃燒的空氣的氮與過量空氣中的氧的反應(yīng)生成物;碳煙在高溫缺氧條件下，碳?xì)淙剂狭呀舛纬傻挠坞x狀微粒。然后再對另一種污染物用其它方法（例如對NOX用EGR、推遲噴油提前角、廢氣后處理）來達(dá)到法規(guī)要求。

現(xiàn)代柴油機(jī)控制和降低排放集中體現(xiàn)在進(jìn)氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)的發(fā)展上。控制和降低柴油機(jī)的排放主要從以下幾個方面入手：（1）通過提高燃油品質(zhì)，進(jìn)氣質(zhì)量等手段，如采用增壓中冷，多氣門技術(shù)，EGR等;（2）現(xiàn)代柴油機(jī)對柴油噴射技術(shù)的要求為：準(zhǔn)確的燃油計(jì)量，靈活的噴油定時(shí)，最佳的噴油壓力，優(yōu)化噴油規(guī)律。（3）采用在柴油機(jī)排氣尾部加裝廢氣凈化裝置以進(jìn)一步降低有害排放物直接進(jìn)入大氣，例如采用催化轉(zhuǎn)換器和顆粒捕集器等可以有效地降低NOX和顆粒的排放。

1 柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

型號 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? R4105LD

型式 ? ? ? ? 直列、水冷、四沖程、直噴燃燒室

氣缸數(shù)目 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4

缸徑×沖程（mm） ? ? ? ? ? ?   ? ? 105×125

總排量（L） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.33

進(jìn)氣方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 增壓

標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速 kW/ r/min ? ? ? ? ? ?56/1500

最低燃油消耗率 g/KW.h ? ? ? ? ? ? ?≤226

機(jī)油消耗率 g/KW.h ? ? ? ? ? ? ? ? ≤1.63

穩(wěn)定調(diào)速率 % ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≤8

最低空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 r/min ? ? ? ? ? ? ? ?≤700

排氣煙度（Bosch） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≤3.1

2 電控噴射系統(tǒng)

電控發(fā)電用柴油機(jī)噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其任務(wù)是對噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)噴油量和噴油正時(shí)隨工況的實(shí)時(shí)控制。無論哪種電子控制系統(tǒng)，控制的基本原理都是一樣的，即以ECU為控制核心，以傳感器為控制基礎(chǔ)，以執(zhí)行器為控制對象，以保證每個系統(tǒng)都能處于最佳狀態(tài)。柴油機(jī)電子控制噴射系統(tǒng)以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載作為一個基本的信號反映柴油機(jī)的實(shí)際工作條件，參照試驗(yàn)得出的柴油發(fā)動機(jī)的各工況相對應(yīng)的噴油量和噴油定時(shí)確定基本噴油量和噴油正時(shí)，然后根據(jù)各種因素，例如，油溫、水溫、大氣壓力等進(jìn)行各種補(bǔ)償，從而得到最佳的噴油量和噴油正時(shí)，然后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制輸出。柴油機(jī)電控系統(tǒng)可根據(jù)不同工況控制噴射量、噴射定時(shí)、噴射壓力、噴射速率等噴射參數(shù)。

根據(jù)供油的控制方式，柴油機(jī)電控系統(tǒng)可分為四種類型：位置控制方式、時(shí)間控制方式、時(shí)間壓力控制方式和壓力控制方式。位置控制模式和時(shí)間控制模式是第一代的早期柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)，他們是在傳統(tǒng)柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)上只是取消機(jī)械調(diào)速器，增加和電子執(zhí)行器、傳感器、電子控制單元注。時(shí)間壓力控制方式和壓力控制方式均屬于第二代柴油機(jī)電控系統(tǒng)，從根本上改變了傳統(tǒng)燃油供應(yīng)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是電控共軌高壓油管（各缸噴油器共享），其噴射壓力通常高于傳統(tǒng)的柴油供油系統(tǒng)。共軌腔內(nèi)的高壓可直接用于噴射，節(jié)省了噴油器內(nèi)的增壓機(jī)構(gòu)。此外，共軌腔內(nèi)存在連續(xù)高壓，高壓油泵所需的驅(qū)動力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。通過高壓油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)性和排放的要求，靈活調(diào)節(jié)共軌腔內(nèi)的油壓，尤其可優(yōu)化柴油機(jī)的低速性能。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，伴生而來的是污染物排放量劇增，霧霾已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)，解決霧霾問題已成為改善民生的當(dāng)務(wù)之急，在這樣的背景下，我國出臺了非道路國三排放標(biāo)準(zhǔn)政策。首先，在國三發(fā)動機(jī)的技術(shù)升級路線方面，針對國內(nèi)各區(qū)域用戶使用水平、作業(yè)環(huán)境、功率需求和燃油條件存在差異的現(xiàn)狀，國三產(chǎn)品可采用電控單體泵和高壓共軌的技術(shù)路線并行推進(jìn)開展配套。這樣可以滿足主機(jī)廠和用戶多元化的需求，方便他們結(jié)合自身現(xiàn)狀，有針對性地采用市場適應(yīng)性最好的產(chǎn)品。其次，各排放設(shè)備企業(yè)也致力研究各種技術(shù)達(dá)標(biāo)的零部件滿足排放需求，為滿足國三排放可選擇的排放配置類型比較多，可結(jié)合企業(yè)需求找到滿意的配置。

3.1 排放標(biāo)準(zhǔn)

非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物中的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、和氮氧化合物（NOx）、顆粒物（PM）的比排放量，乘以按照標(biāo)準(zhǔn)所確定的劣化系數(shù)，或加上按照標(biāo)準(zhǔn)所確定的劣化修正值，結(jié)果都不超出表1規(guī)定的限制。

以上非道路用柴油機(jī)國三標(biāo)準(zhǔn)與國二、國一進(jìn)行對比可知第三階段有如下變化：

（1）加嚴(yán)污染物的排放限值：各功率段污染物的主要變化在HC+NOx，HC+NOx降低幅度約30%-40%，CO沒有任何變化，PM只有19≤Pmax<37 和Pmax<8功率段有所降低，降低幅度分別為25%和20%。

（2）增加了耐久性的技術(shù)要求：為確保非道路移動式機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)及其排放控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，滿足氣體污染物和顆粒物的相關(guān)排放限值，引入了有效壽命的概念，并已在型式核準(zhǔn)時(shí)確定了使用時(shí)間。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

電控柴油高壓共軌系統(tǒng)則相當(dāng)于柴油發(fā)動機(jī)的“心臟”和“大腦”，其品質(zhì)的好壞，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的使用。試驗(yàn)采用了國產(chǎn)共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高壓油泵燃油潤滑，杜絕了機(jī)油混入燃油中，可以改善排放，降低燃燒顆粒和油嘴結(jié)焦幾率;此外，噴油嘴使用中空蓄壓技術(shù)，可以防止油嘴偶件卡死，提高油品適應(yīng)性，降低故障概率;且噴油器可以靜態(tài)零回油，從而降低燃油回油溫度，改善燃油消耗量。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

進(jìn)行R4105ZD型柴油機(jī)排放達(dá)國三的研究是順應(yīng)時(shí)代的要求。積極按照國家相關(guān)法規(guī)推進(jìn)國三切換工作， R4105ZD型柴油機(jī)達(dá)到國三，企業(yè)就可按照國家政策進(jìn)行生產(chǎn)，年產(chǎn)值2000臺，創(chuàng)造銷售收入3000萬元。

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