农用小型柴油机排放要求及控制技术

-1-农用小型柴油机排放要求及控制技术机械工程学院动力机械及工程卢正辉（0701305003）摘要：随着非道路用发动机排放国家标准GB20891-2007第二阶段的执行，农用小型柴油机的环保问题再一次提上了新的日程。为此，本文结合农用小型单缸柴油机产品特点，分析了国内外小功率段柴油机排放法规标准的限值变化，针对单缸柴油机结构特点、行业现状及技术问题，阐明了低排放高性能单缸柴油机的研发难度和需解决的问题，给出了单缸柴油机优化性能及降低排放的技术路线和对策。分析表明：通过柴油机喷油系统、换气系统与燃烧室结构优化设计和匹配，特别是提高单缸柴油机用喷油系统的性能，优化燃烧过程的机内净化措施能满足GBl9756、GB20891的排放限值的要求。关键词：农用小型柴油机排放要求控制技术目前，农用小型柴油机均为单缸柴油机。单缸柴油机结构简单,生产组织相对比较容易,售价低廉,所以逐步形成了具有中国特色的单缸机行业。它适合我国农村长期的使用习惯和目前农村购买力较低的国情。单缸柴油机低的价格竞争和产品的同质化以及低水平的重复也使企业技术升级的动力不足。虽然我国单缸柴油机生产与技术改进一直都在进行,但近几年环保法规日益严格,特别是车用发动机的排放治理已取得了一定的成效,非道路用柴油机的排放物已成为国内外人们关注的焦点之一。国内外不断出台的“法规”和“标准”为单缸柴油机行业产业升级带来了动力和压力。单缸柴油机质量的提高提到了议事日程。在节能减排政策指引下,新一代单缸柴油机已成行业讨论的热题。一、国内外排放法规目前,我国单缸柴油机标定功率最大为≤30kW,非道路用柴油机排放法规限-2-值是按功率段划分,因此本文仅讨论≤37kW的非道路用柴油机排放法规和标准。非道路用柴油机的排放法规在美国最为严格,目前仅有美国和中国对所有功率段柴油机都提出其排放限值。中国的国家标准GB20891-2007给出了中国非道路用柴油机排放Ⅰ阶段和Ⅱ阶段的限值。美国、欧盟、日本的≤37kW的非道路用柴油机法规排放限值如表1、表2和表3所示,中国现行的≤37kW的非道路用柴油机法规排放限值如表4所示。分析表1～表4可以看出,美国是控制排放最严的国家,最早提出控制非道路用柴油机排放。我国单缸柴油机产量最大,按功率计算占总产量的近40%,因此从保护环境的角度出发,对全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我国起步较晚,以2009年10月执行第Ⅱ阶段限值为例,它与美国2000年开始执行的第Ⅰ阶段限值是相同的,两者相差10年。日本和欧盟等国小功率、单缸柴油机用量较少,欧盟对18kW以下的柴油机尚未提出排放法规限值,日本对8kW以下的柴油机也未提出排放法规限值。-3--4-另外,从国外排放法规看,由于小功率柴油机多为单缸或两缸柴油机,对18kW以下的柴油机排放法规限值加严量相对较大,功率段要少,如美国从现在到2013年,法规有Tier3,Tier4初和Tier4终共3个阶段,但18kW以下的柴油机排放限值都为一个阶段限值。欧盟第Ⅲ阶段有A,B,C的不同限值,对37kW以下的柴油机排放限值也仅为一个限值,但限值要求明显提高。这说明,小功率柴油机受结构、成本及用途等因素限值,降低排放的一些先进技术(如增压、EGR、电控等)难以有效地应用。特别是单缸柴油机对较低要求的排放限值仅能通过机内净化解决,而高要求的排放限值也只能以机内净化为主,通过排气后处理解决。二、单缸柴油机排放特点柴油机排放的主要污染物有：CO、HC、NOx、和PM(微粒)，其中NOx和PM是柴油机排放控制的主要污染物。我国单缸柴油机主要有直喷燃烧室和涡流燃烧室两种。直喷柴油机(与涡流室柴油机比)因柴油直接喷入气缸内着火，以其较高的热效率、良好的燃油经济性和起动性、缸盖构造简单等优点成为单缸柴油机的主流。但也有噪声大、排放污染物浓度高、环保性能差的缺点。柴油机排放特性与燃烧室形式有直接关系．直喷柴油机与涡流室柴油机的排放有较大不同。直喷柴油机NO、CO、HC和PM普遍高于涡流室柴油机，特别是NO排放浓度一般比涡流室柴油机高1／3～1／2。试验表明．结构相同而燃烧室形式不同的直喷柴油机NO、CO、HC及PM都比涡流室柴油机高．特别是高负荷时的NO、CO、PM及低负荷时的CO、HC含量，差别非常明显。三、当前的排放控制技术及发展趋势1、改进进、排气系统（1)采用高效空气滤清器和合理的进气管结构。以减小进气阻力、提高充气-5-系数，使空气在缸内产生适度的涡流与柴油充分混合，从而提高燃烧效率，降低CO、HC和PM的排放量。（2)采用多气门技术，增加气缸进气量，使柴油完全燃烧。同时，使排气更快更彻底，降低PM。典型的是单缸2进2排4气门，国外已成功地将此项技术应用在70mm缸径的柴油机上。2、优化喷射系统(1)适度减小喷油提前角，可减少速燃期的喷油量，降低混合气最高燃烧温度，从而减少的生成量。此法是降低的有效措施之一。(2)提高喷油速率，可降低在各工况下的生成量。若将减小喷油提前角与提高喷油速率两者结合，则柴油机的排放效果更佳。(3)提高喷油压力可促进柴油更好雾化燃烧，以降低PM。最理想的喷油压力是200MPa。目前，国外的柴油机喷油压力已达100M～150MPa，而国产单缸柴油机均低于20MPa。(4)减小喷孔直径可增大燃油喷出的节流作用，提高雾化质量，使燃烧充分，排放降低。国产多孔长型喷油器喷孔直径为0.2～0.32mm，而国外柴油机仅为0.14mm。3、改善燃烧室结构直喷柴油机吸进的空气涡流，随着活塞的上升，被压入活塞顶部的燃烧室内，变得更加高速旋转。为在燃烧完毕之前尽可能保持这种涡流，应将燃烧室形状设计成促进柴油与空气充分混合燃烧的样式，以降低PM。4、降低机油消耗-6-单缸柴油机排放的PM有相当一部分是窜入燃烧室机油的不完全燃烧物。所以在保证气缸活塞组良好润滑的条件下，尽量减少窜机油量，也是降低PM的重要措施。5、采用废气再循环(EGR)EGR是在保证柴油机动力性能不降低的前提下，根据柴油机温度及负荷大小，适量地将部分废气引入进气管，再送人气缸，以减慢燃烧速度，降低燃烧最高温度，从而降低排放。尤其是中冷EGR技术，不仅降低排放，还能降低其他污染物的排量。这是目前先进内燃机普遍采用的技术。6、提高柴油品质开发新型燃料1）优质的燃油是柴油机满足日益严格的排放法规的前提。柴油的密度、十六烷值、含硫量等对和PM影响很大。若增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和的排放；降低燃油中S的含量，可以降低13～22％的PM颗粒排放；减少燃油中的芳烃成分，可以减少的排放。改善燃油的措施如下：①根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。②在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷油器头部的积碳，可以减少30～50％的碳烟颗粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有98％转化为其余的2％成为硫酸盐颗粒，部分被进一步氧化与燃烧过程中生成的结合，形成和硫酸盐(-7-等)，增加了微粒的排放量。2）采用代用燃料将是控制柴油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气(压缩天然气CNG，液化天然气LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点：①天然气汽车成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车CNG为代表。CNG燃料本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中CO含量较低，无排烟，但动力降低10％，携带不便。②甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性差，需要加装点火装置，冷启动性差，有腐蚀性，并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放。四、今后的发展方向根据国内单缸柴油机的现状和特点，实现柴油机的低排放技术，今后可以从以下几点着手：1、在保证动力性的前提下，通过改善燃烧条件，促使柴油机达到排放标准。柴油机标定功率高，首先要通过进排气系统、配气机构，燃烧室结构以及喷射系统的优化设计,在保证合适涡流比的前提下，减少空滤器、进排气管道的流动阻力，提高气缸内的充量系数，改善燃烧条件，从而降低排放；其次是通过活塞组件设计，活塞组件与缸套结构配副的匹配，减少摩擦损失，从而提高柴油机的冒烟极限的功率，同时减少机油消耗，降低柴油机颗粒排放。2、优化柴油机燃烧过程。燃烧过程控制归结为油气混合与燃烧的过程控制，一般说为进气、喷油和燃烧系统匹配。具体表现为循环进气量与供油量在柴油机工作区域的每一工况点的匹配；喷油与燃烧的开始时间和喷油与燃烧的持续-8-期(时间)控制的匹配；燃烧室空间的利用，燃烧室形状设计与缸内涡流、喷油油束的匹配。3、继续加大对新型燃料、高品质柴油的研制。提高农业机械柴油机的燃油品质或使用替代燃料可以有效地改善尾气的排放。并能起到立竿见影的效果。排放法规实际上对燃油品质也提出了更高的要求，因此应该不遗余力地加大对新型燃料，高品质柴油的研制，力挣从源头控制排放。五、单缸柴油机排放控制的基本原则(1)改善燃烧条件和优化燃烧过程是降低柴油机排放污染最有效的措施。“同时降低和PM并保证柴油机高的热效率”的原则必须贯彻于各项排放控制措施中。(2)每一种技术措施在降低某种排放物时，往往效果有限，过度使用则会引起另一种排放物增加或柴油机性能恶化，而实际中常常是几种措施匹配并用。如减小喷油提前角会降低，但PM排量会增大，这时应同时采用提高喷油压力等其他措施，以抑制PM排放的恶化。(3)应根据所要满足的排放法规来确定采用何种控制技术，即优先选择不过多增加柴油机成本就能达到排放限值要求的技术措施。如柴油机满足欧I排放标准，可采用提高喷油压力、减小喷油提前角、进气增压等措施；而满足更高的欧Ⅱ排放标准，可进一步提高喷油压力，采用EGR等措施。单缸柴油机受结构等因素限制，虽然非道路柴油机标准的排放限值与车用柴油机相比有较大的差距，但是由于设计开发平台的不同，低排放高性能单缸柴油机的研发难度很大，同时我国单缸柴油机生产量大，低排放、高性能的研-9-发和生产对促进中国内燃机工业的发展，保护环境都是非常紧迫的任务。研发低排放、高性能的单缸柴油机需结合我国燃料供给和柴油机结构、用途等特点。虽然国内已经开始着手对新能源，高品质燃油的研究，但目前机内净化技术是关键，通过喷油系统、换气系统与燃烧室结构的匹配优化，特别是提高单缸柴油机用喷油系统的性能，优化燃烧过程，降低单缸柴油机的排放，达到优化其综合性能的目标。单缸柴油机采用机内净化技术能满足GBl9756、GB20891的排放限值要求。参考文献：[1]杨杰.我国单缸柴油机发展任重道远[J].农机市场,2001(5):4–7[2]GB20891-2007.非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅰ、Ⅱ阶段)[S].北京:中国标准出版社,2007.[3]刘胜吉.单缸柴油机的排放要求和产品发展.农机化研究，2009(6)：206-210[4]王桂香．单缸柴油机排放特点及控制措施．农机化研究,2004(3):260-261[5]尹必峰.满足单缸柴油机国-Ⅱ排放的技术难题与对策.小型内燃机与摩托车,2009,38(4):85-88[6]丁洪春.非道路移动机械用柴油机排放法规与控制策略.中国水运,2008,8(1):44-45[7]孙海波.柴油机排放控制技术的研究.农机使用与维修，2008(4)：12-13[8]杜红光.降低单缸直喷柴油机排放的思路及有效措施.内燃机与动力装置,2008(1):40-42