1、精選優質文檔-傾情為你奉上農用小型柴油機排放要求及控制技術機械工程學院 動力機械及工程 盧正輝（）摘要：隨著非道路用發動機排放國家標準GB20891-2007第二階段的執行，農用小型柴油機的環保問題再一次提上了新的日程。為此，本文結合農用小型單缸柴油機產品特點，分析了國內外小功率段柴油機排放法規標準的限值變化，針對單缸柴油機結構特點、行業現狀及技術問題，闡明了低排放高性能單缸柴油機的研發難度和需解決的問題，給出了單缸柴油機優化性能及降低排放的技術路線和對策。分析表明：通過柴油機噴油系統、換氣系統與燃燒室結構優化設計和匹配，特別是提高單缸柴油機用噴油系統的性能，優化燃燒過程的機內凈化措施能滿足G

2、Bl9756、GB20891的排放限值的要求。關鍵詞：農用小型柴油機 排放要求 控制技術目前，農用小型柴油機均為單缸柴油機。單缸柴油機結構簡單,生產組織相對比較容易,售價低廉,所以逐步形成了具有中國特色的單缸機行業。它適合我國農村長期的使用習慣和目前農村購買力較低的國情。單缸柴油機低的價格競爭和產品的同質化以及低水平的重復也使企業技術升級的動力不足。雖然我國單缸柴油機生產與技術改進一直都在進行,但近幾年環保法規日益嚴格,特別是車用發動機的排放治理已取得了一定的成效,非道路用柴油機的排放物已成為國內外人們關注的焦點之一。國內外不斷出臺的“法規”和“標準”為單缸柴油機行業產業升級帶來了動力和壓力。

3、單缸柴油機質量的提高提到了議事日程。在節能減排政策指引下,新一代單缸柴油機已成行業討論的熱題。一、國內外排放法規目前,我國單缸柴油機標定功率最大為30kW,非道路用柴油機排放法規限值是按功率段劃分,因此本文僅討論37kW的非道路用柴油機排放法規和標準。非道路用柴油機的排放法規在美國最為嚴格,目前僅有美國和中國對所有功率段柴油機都提出其排放限值。中國的國家標準GB20891 - 2007 給出了中國非道路用柴油機排放階段和階段的限值。美國、歐盟、日本的37kW的非道路用柴油機法規排放限值如表1、表2和表3所示,中國現行的37kW 的非道路用柴油機法規排放限值如表4所示。分析表1表4 可以看出,美

4、國是控制排放最嚴的國家,最早提出控制非道路用柴油機排放。我國單缸柴油機產量最大, 按功率計算占總產量的近40% ,因此從保護環境的角度出發,對全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我國起步較晚, 以2009年10月執行第階段限值為例,它與美國2000年開始執行的第階段限值是相同的,兩者相差10年。日本和歐盟等國小功率、單缸柴油機用量較少,歐盟對18kW以下的柴油機尚未提出排放法規限值, 日本對8kW以下的柴油機也未提出排放法規限值。 另外,從國外排放法規看,由于小功率柴油機多為單缸或兩缸柴油機,對18kW 以下的柴油機排放法規限值加嚴量相對較大,功率段要少,如美國從現在到2013年,法規有T

5、ier3, Tier4初和Tier4終共3個階段,但18kW以下的柴油機排放限值都為一個階段限值。歐盟第階段有A, B, C的不同限值,對37kW以下的柴油機排放限值也僅為一個限值,但限值要求明顯提高。這說明,小功率柴油機受結構、成本及用途等因素限值,降低排放的一些先進技術(如增壓、EGR、電控等)難以有效地應用。特別是單缸柴油機對較低要求的排放限值僅能通過機內凈化解決,而高要求的排放限值也只能以機內凈化為主,通過排氣后處理解決。二、單缸柴油機排放特點柴油機排放的主要污染物有：CO、HC、NOx 、SO2和PM(微粒)，其中NOx 和PM是柴油機排放控制的主要污染物。我國單缸柴油機主要有直噴燃

6、燒室和渦流燃燒室兩種。直噴柴油機(與渦流室柴油機比)因柴油直接噴入氣缸內著火，以其較高的熱效率、良好的燃油經濟性和起動性、缸蓋構造簡單等優點成為單缸柴油機的主流。但也有噪聲大、排放污染物濃度高、環保性能差的缺點。柴油機排放特性與燃燒室形式有直接關系直噴柴油機與渦流室柴油機的排放有較大不同。直噴柴油機NO 、CO、HC和PM普遍高于渦流室柴油機，特別是NO排放濃度一般比渦流室柴油機高1312。試驗表明結構相同而燃燒室形式不同的直噴柴油機NO 、CO、HC及PM都比渦流室柴油機高特別是高負荷時的NO 、CO、PM及低負荷時的CO、HC含量，差別非常明顯。三、當前的排放控制技術及發展趨勢1、改進進、

7、排氣系統（1)采用高效空氣濾清器和合理的進氣管結構。以減小進氣阻力、提高充氣系數，使空氣在缸內產生適度的渦流與柴油充分混合，從而提高燃燒效率，降低CO、HC和PM的排放量。（2)采用多氣門技術，增加氣缸進氣量，使柴油完全燃燒。同時，使排氣更快更徹底，降低PM。典型的是單缸2進2排4氣門，國外已成功地將此項技術應用在70mm缸徑的柴油機上。2、優化噴射系統(1)適度減小噴油提前角，可減少速燃期的噴油量，降低混合氣最高燃燒溫度，從而減少NOX的生成量。此法是降低NOX的有效措施之一。(2)提高噴油速率，可降低NOX在各工況下的生成量。若將減小噴油提前角與提高噴油速率兩者結合，則柴油機的排放效果更佳

8、。(3)提高噴油壓力可促進柴油更好霧化燃燒，以降低PM。最理想的噴油壓力是200MPa。目前，國外的柴油機噴油壓力已達100M150MPa，而國產單缸柴油機均低于20MPa。(4) 減小噴孔直徑可增大燃油噴出的節流作用，提高霧化質量，使燃燒充分，排放降低。國產多孔長型噴油器噴孔直徑為0.20.32mm，而國外柴油機僅為0.14mm。3、改善燃燒室結構直噴柴油機吸進的空氣渦流，隨著活塞的上升，被壓入活塞頂部的燃燒室內，變得更加高速旋轉。為在燃燒完畢之前盡可能保持這種渦流，應將燃燒室形狀設計成促進柴油與空氣充分混合燃燒的樣式，以降低PM。4、降低機油消耗單缸柴油機排放的PM有相當一部分是竄入燃燒室

9、機油的不完全燃燒物。所以在保證氣缸活塞組良好潤滑的條件下，盡量減少竄機油量，也是降低PM的重要措施。5、 采用廢氣再循環(EGR)EGR是在保證柴油機動力性能不降低的前提下，根據柴油機溫度及負荷大小，適量地將部分廢氣引入進氣管，再送人氣缸，以減慢燃燒速度，降低燃燒最高溫度，從而降低NOX排放。尤其是中冷EGR技術，不僅降低NOX排放，還能降低其他污染物的排量。這是目前先進內燃機普遍采用的技術。6、提高柴油品質開發新型燃料1）優質的燃油是柴油機滿足日益嚴格的排放法規的前提。柴油的密度、十六烷值、含硫量等對NOX和PM影響很大。若增加柴油的十六烷值，能有效地降低發動機尾氣顆粒PM、CO和NOX的排

10、放；降低燃油中S的含量，可以降低1322的PM顆粒排放；減少燃油中的芳烴成分，可以減少NOX的排放。改善燃油的措施如下： 根據燃油的餾程，合理提高燃油的十六烷值。在柴油中摻燒一定比例的消煙添加劑，將金屬鋇、鎂、鋅等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑，通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒，來促進和消除噴油器頭部的積碳，可以減少3050的碳煙顆粒PM排放。 降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有98轉化為SO2其余的2成為硫酸鹽顆粒，部分SO2被進一步氧化與燃燒過程中生成的H2O結合，形成H2SO4和硫酸鹽(CaSO4等)，增加了微粒的排放量。2）采用代用燃料將是控制柴油機排放的重要方法之

11、一。目前代用燃料主要有天然氣(壓縮天然氣CNG，液化天然氣LNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、氫燃料及與柴油摻燒的復合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認為是最有前途的清潔能源代用燃料。代用燃料的特點： 天然氣汽車成本低，儲量豐富，主要以壓縮天然氣汽車CNG為代表。CNG燃料本身呈氣態，不需進行霧化，燃燒充分，尾氣中CO含量較低，無排煙，但動力降低10，攜帶不便。甲醇具有辛烷值高、低發熱量、低公害和無排煙的特點。但甲醇的十六烷值低，著火性差，需要加裝點火裝置，冷啟動性差，有腐蝕性，并要解決潤滑油消耗量大和處理未燃甲醇來降低排放。四、今后的發展方向根據國內單缸柴油機的現狀和特點，實現

12、柴油機的低排放技術，今后可以從以下幾點著手：1、在保證動力性的前提下，通過改善燃燒條件，促使柴油機達到排放標準。柴油機標定功率高，首先要通過進排氣系統、配氣機構，燃燒室結構以及噴射系統的優化設計,在保證合適渦流比的前提下，減少空濾器、進排氣管道的流動阻力，提高氣缸內的充量系數，改善燃燒條件，從而降低排放；其次是通過活塞組件設計，活塞組件與缸套結構配副的匹配，減少摩擦損失，從而提高柴油機的冒煙極限的功率，同時減少機油消耗，降低柴油機顆粒排放。2、優化柴油機燃燒過程。燃燒過程控制歸結為油氣混合與燃燒的過程控制，一般說為進氣、噴油和燃燒系統匹配。 具體表現為循環進氣量與供油量在柴油機工作區域的每一工

13、況點的匹配；噴油與燃燒的開始時間和噴油與燃燒的持續期(時間)控制的匹配；燃燒室空間的利用，燃燒室形狀設計與缸內渦流、噴油油束的匹配。3、繼續加大對新型燃料、高品質柴油的研制。提高農業機械柴油機的燃油品質或使用替代燃料可以有效地改善尾氣的排放。并能起到立竿見影的效果。排放法規實際上對燃油品質也提出了更高的要求，因此應該不遺余力地加大對新型燃料，高品質柴油的研制，力掙從源頭控制排放。五、單缸柴油機排放控制的基本原則(1) 改善燃燒條件和優化燃燒過程是降低柴油機排放污染最有效的措施。“同時降低NOX和PM并保證柴油機高的熱效率” 的原則必須貫徹于各項排放控制措施中。(2)每一種技術措施在降低某種排放

14、物時，往往效果有限，過度使用則會引起另一種排放物增加或柴油機性能惡化， 而實際中常常是幾種措施匹配并用。如減小噴油提前角會降低NOX，但PM排量會增大，這時應同時采用提高噴油壓力等其他措施，以抑制PM排放的惡化。(3)應根據所要滿足的排放法規來確定采用何種控制技術，即優先選擇不過多增加柴油機成本就能達到排放限值要求的技術措施。如柴油機滿足歐I排放標準，可采用提高噴油壓力、減小噴油提前角、進氣增壓等措施；而滿足更高的歐排放標準，可進一步提高噴油壓力，采用EGR等措施。單缸柴油機受結構等因素限制，雖然非道路柴油機標準的排放限值與車用柴油機相比有較大的差距，但是由于設計開發平臺的不同，低排放高性能單

15、缸柴油機的研發難度很大，同時我國單缸柴油機生產量大，低排放、高性能的研發和生產對促進中國內燃機工業的發展，保護環境都是非常緊迫的任務。研發低排放、高性能的單缸柴油機需結合我國燃料供給和柴油機結構、用途等特點。雖然國內已經開始著手對新能源，高品質燃油的研究，但目前機內凈化技術是關鍵，通過噴油系統、換氣系統與燃燒室結構的匹配優化，特別是提高單缸柴油機用噴油系統的性能，優化燃燒過程，降低單缸柴油機的排放，達到優化其綜合性能的目標。單缸柴油機采用機內凈化技術能滿足GBl9756、GB20891的排放限值要求。參考文獻： 1 楊杰. 我國單缸柴油機發展任重道遠 J . 農機市場,2001 (5) : 4 7 2 GB20891 - 2007. 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國、階段) S . 北京:中國標準出版社, 2007.3 劉勝吉. 單缸柴油機的排放要求和產品發展. 農機化研究，2009(6)：206-2104 王桂香單缸