柴油机满足国Ⅲ、国Ⅳ所采取的技术措施
摘要：对柴油机而言，达到国Ⅲ排放标准，最难的是降低颗粒和氮氧化物的排放，降低颗粒的途径有两种：一是提高燃油系统的喷射压力，二是降低发动机机油消耗。对于氮氧化物，最有效的办法就是减少燃烧过程中的氧含量和降低燃烧温度。根据这些途径有以下措施。国Ⅳ是在国Ⅲ的基础上增加了车载诊断系统(OBD、排放控制装置的耐久性要求、微粒捕集器、采用更高一代的共轨压力等。
关键词：国Ⅲ 国Ⅳ 排放标准
一 满足国Ⅲ标准柴油机所采取技术措施
1 高压共轨燃油喷射系统
近几年来,各种不同的要求(如在小型厢式送车和客车上安装直喷发动机)促进了各种柴直喷系统的发展,在这些喷射系统的开发中均瞄准了特殊用途的要求,着重点不仅仅是增加了率,而且也是适应减少燃油消耗、降低噪声和减少排放的要求,与传统的凸轮驱动系统相比,共轨喷油系统与柴油机的匹配方面表现出更好的适应性。共轨式喷油系统于20世纪90年代中后期才正式进入实
用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能,压力产生与燃油喷射完全消除了彼此间的相互影响。喷油压力的产生不依赖于发动机转速与喷油量,燃油在高压下贮存于高压蓄油器(轨道)中准备喷油,喷油量由司机确定,喷油始点与喷油压力由ECU(电子控制单元)根据已贮存的图谱计算出来,ECU触发电磁阀,每缸的喷油器可相应地喷射燃油。其优点主要有:
(1)共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳喷射压力,从而优化柴油机综合性能。
(2)可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力(120~200 MPa),可同时控制NOx和微粒(PM)的排放,以满足排放法规要求。
(3)柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机
NOx排放,又能保证优良的动力性和经济性。
(4)由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降
低NOx排放。但是NOx排放降低的同时会使得发动机生成更多的烟炱,烟炱一旦进入油底壳中,就很快与机油混合并随着机油一起在发动机中进行循环,造成对油品性能的损害而影响发动机的正常运转,缩短发动机的寿命。而解决由烟炱所引起的问题基本上是由润滑油来解决,因此随着高压共轨系统的广泛应用,相应的润滑油开发工作也应同时进行。
2 采用增压中冷技术
不但可显著提高发动机平均有效压力，降低排放和噪声，并能有效地提高燃油经济性，这一技术已应用到中、小缸径的柴油机中。目前，美国15t以上柴油机货车100%采用涡轮增压，欧洲约70%，日本80年代后也大量采用涡轮增压。增压中冷技术是满足1994年美国排放法规的重要机内净化措施之一。
3  电子控制技术
电子控制技术的应用可使柴油机排放控制与燃油经济性之间的矛盾得到有效的调和，通
过按最佳喷油定时与发动机转速、负荷之间的关系连续调节喷油定时，使排放与经济性和发动机运行工况良好匹配。利用电控技术可使颗粒排放降低40%以上，并且发动机过渡工况的
排放性能也可显著改善。电控喷射可对喷油规律进行控制，根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和改善其他性能。通过电控喷油系统和可变几何尺寸涡轮相连，可控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施，所以未来的电控技术将是对发动机的全面控制，以达到发动机工作过程的最佳匹配。
4 废气再循环(EGR)
废气再循环(EGR)可有效地控制NOx排放量。这一技术由于减少了进气充量中含氧量,废气的热容量增加而使最高燃烧温度TZ下降,所以只有在部分负荷或空燃比足够大的工况下采用,以不使HC和PM排放量明显增加。EGR技术的关键应使NOx在最大程度降低情况下,又不影响柴油机经济性和HC与PM排放。采用有效的调整装置来优化柴油机整个工作范围内的废气再循环量,电控技术可有效地解决这一矛盾,和增压中冷技术的结合使用,可提高发动机的整机性能。
二 满足国Ⅲ标准柴油机所采取技术措施
国Ⅳ是在国Ⅲ的基础上增加了车载诊断系统(OBD、排放控制装置的耐久性要求、微粒捕集器、采用更高一代的共轨压力等。
1 车载诊断(OBD)系统
诊断(OBD)系统。OBD是英文“On Board Diagnostics”的缩写,中文翻译“为车载自诊断系统”。OBD是国际上在用车排放治理中最有效的手段，这个系统根据发动机的运行状况随监控汽车尾气是否超标,一旦超标马上发出警示。简单地讲,OBD就是监测所有与排放有关的车辆系统和零部件的工作情况,其中包括:排气催化转化器的工作效能;λ传感器的失效或输出信号减小;点火系统故障;燃油蒸发排放控制系统控制电路;燃油喷射系统控制电路;其它与
排放有关的车辆部件的损坏或失效(排放超出限值)情况等。当系统出现故障时,故障灯(MIL)或检查发动机警告灯(CHECKENGINE)点亮,同时动力总成控制模块(PCM)将故障信息存入存储器。通过一定的程序,可以将故障码从PCM中读出。根据故障码的提示,维修人员能迅速准确地确定故障的部位和性质,以便有效地对故障进行修复
2 颗粒过滤及再生技术
颗粒过滤及再生系统由两部分组成，即颗粒过滤器和再生装置，颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的颗粒，其中绝大部分是固态碳粒和吸附了可溶性有机成分的碳烟。一般对碳的过滤效率较高，可达到60%一90%。滤芯应满足较的性能指标:
(l)具有较高的过滤效率。
(2)耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标。
(3)热稳定性好，能承受很高的热负荷。
(4)通过特性好，流通阻力小，同时它还要适应再生方法的要求。目前，最常使用的过滤材料为荃青石，它具有一定的机械强度和较好的抗热冲击能力，热胀系数小，但它的弱点是耐高温能力不足，一般不超过12加℃，导热系数小，在再生时，内部燃烧的热量不易传出，致使滤芯烧融或破裂。近年来，出现了一些新的滤芯材料应用到柴油机粒过滤器中，如SIC是一种比较好的新型过滤材料，它和荃青石相比孔径更均匀，并具有流通性好、过滤效率高、耐高温(超过1600℃)、通用性好等特点，为解决再生系统复杂化及再生难的问题提供了广阔的前景。在滤芯结构的设计中，再生方式即外加能量的再生方式，主要有喷油助燃再生、电加
热再生、逆向喷气净化再生、电自加热再生和微波再生等几种形式。喷油助燃再生是适时地向过滤器上游空间喷人一定量的燃油和供给一定的空气，然后点燃喷人的燃油，使颗粒着火燃烧。电加热再生则是利用电能加热空气或废气，使颗粒着火燃烧，近年来，提出一种逆向再生技术，即将电加器安装在过滤器出口侧，使颗粒更易着火燃烧及火焰传播，降低过滤器的热负荷。逆向喷气净化再生是在再生时，将压缩空气从过滤体出口高速喷人，将颗粒从过滤体表面清除，落人颗粒漏斗中，由电加热器加热烧净，电自加热是利用高导电性的结晶siC作为过滤材料，再生时直接将过滤体作为加热元件通电加热，使颗粒燃烧。微波再生则是利用微波所独具选择加热及体积加热特性，对过滤体的颗粒对微波具有极强吸收能力以及过滤体本身进行加热，使颗粒迅燃烧。这些再生方式在实现过程中又可分为旁通再生和全流再生，旁通再生是在再生过程中，发动机排气不经过过滤器而直接排出机外，避免废气对再生时火焰传播产生影响，有利于过滤体内颗粒的氧化燃烧。再生方式的选择根据柴油机运行工况和滤芯材料及结构来确定。
汽车尾气排放标准3 氧化催化器
柴油机氧化催化器的工作原理与汽油机排放控制原理相似，它主要用于消除排气中的可燃气
体和可溶性有机组分，如HC、CO和颗粒中的SOF。实践证明，这是一种有效的机外净化措施。为燃用含硫量为0.3%(质量)的燃油而开发的几种低活性氧化催化器，分别能使HC、
和颗粒减少40%一50%、50%一70%和加%一40%。在重型柴油机燃用含硫量为0.01%
的燃油，使用贵金属铂为催化剂的氧化催化器，使HC减少70%，颗粒减少27%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃都有明显减少，而对NO:和颗粒中的固态碳粒排放几乎无影响，对于HC转化效率较高的氧化催化器还可有效地减少排气的臭味。但是氧化催化器的缺点是会将排气中的阳2氧化为503，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。所以，柴油机氧化催化器一般适用含硫量较低的柴油燃料的柴油机。氧化催化器的催化剂一般由稀有铂R、把Pd等贵金属组成，并浸在氧化铝和二氧化硅等高度表面载体上。催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、燃油的含硫量、废气的流速和内燃机工程第18卷第3期催化转换器的大小以及废气流人转换器的进口温度等对氧化催化器的转换效率有明显影响，这些参数的选择是使HC、CO和SOF转换效率尽量高，而使S氧化率尽量低之间的折衷。解决这一矛盾的办法是燃用低硫油和对催化器的优化设计。关于催化剂及载体的选择应该根据发动机运行特点来确定，选用活性高的催化剂，HC和CO氧化效率提高，但对于排温大于500℃
的工况，即使燃用无硫的燃油，由于润滑油中含有硫，SO2的氧化率仍很高，仍会使颗粒排放量增加困。降低催化剂的活性或在催化剂中加人抑制剂，会使HC和CO氧化的有效温度提高，同时也使S的氧化温度提高，由于氧化的有效温度比HC和CO的有效氧化温度高，这样在发动机排温范围内，可有效抑制SO2的氧化但又能有效氧化HC和CO，使其排放得到明显降低。所以，开发使HC和CO高效氧化而又能抑制SO2的氧化是未来催化氧化器研究的重要课题。柴油机的排放成分比较复杂，其中含有润滑油和燃油添加剂的非可燃沉积物以及由排气中S形成的杂质，会缩短催化剂的使用寿命。这可通过开发高纯度润滑油、改进载体的表面化学特性、微孔结构、表面面积以及定期再生处理并清除杂质等措施来解决。
4 更高一代的共轨压力
更高的喷油压力对改善燃油雾化、油气混合缩短燃烧持续期和改善排放有利。喷油压力提高后,喷孔处的喷油压力差和油束的初速度增强,油束参加混合气形成的能量增加,混合气形的速度快而且混合充分,使燃烧改善,空气利用率高,油耗率降低。这样,柴油机在低速工况时,HC排放量和碳烟度均有所降低。而在高速工况时,由于喷油压力高,尽管喷孔小,仍具有较短的喷油持续期,因而调整时的烟度也是满意的。