農(nóng)用小型柴油機排放要求及控制技術

農(nóng)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(0701305003)摘要：隨著非道路用發(fā)動機排放國家標準GB20891-2007第二階段的執(zhí)行，農(nóng)用小型柴油機的環(huán)保問題再一次提上了新的日程。為此，本文結合農(nóng)用小型單缸柴油機產(chǎn)品特點，分析了國內(nèi)外小功率段柴油機排放法規(guī)標準的限值變化，針對單缸柴油機結構特點、行業(yè)現(xiàn)狀及技術問題，闡明了低排放高性能單缸柴油機的研發(fā)難度和需解決的問題，給出了單缸柴油機優(yōu)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(tǒng)、換氣系統(tǒng)與燃燒室結構優(yōu)化設計和匹配，特別是提高單缸柴油機用噴油系統(tǒng)的性能，優(yōu)化燃燒過程的機內(nèi)凈化措施能滿足GB19756、GB20891的排放限值的要求。關鍵詞：農(nóng)用小型柴油機排放要求控制技術目前，農(nóng)用小型柴油機均為單缸柴油機。單缸柴油機結構簡單，生產(chǎn)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(yè)。它適合我國農(nóng)村長期的使用習慣和目前農(nóng)村購買力較低的國情。單缸柴油機低的價格競爭和產(chǎn)品的同質(zhì)化以及低水平的重復也使企業(yè)技術升級的動力不足。雖然我國單缸柴油機生產(chǎn)與技術改進一直都在進行,但近幾年環(huán)保法規(guī)日益嚴格，特別是車用發(fā)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(nèi)外人們關注的焦點之一。國內(nèi)外不斷出臺的“法規(guī)”和“標準”為單缸柴油機行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級帶來了動力和壓力。單缸柴油機質(zhì)量的提高提到了議事日程。在節(jié)能減排政策指引下，新一代單缸柴油機已成行業(yè)討論的熱題。一、國內(nèi)外排放法規(guī)目前，我國單缸柴油機標定功率最大為W30kW』E道路用柴油機排放法規(guī)限值是按功率段劃分，因此本文僅討論W37kW的非道路用柴油機排放法規(guī)和標準。非道路用柴油機的排放法規(guī)在美國最為嚴格，日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I階段和II階段的限值。美國、歐盟、日本的W37kW的非道路用柴油機法規(guī)排放限值如表1、表2和表3所示，中國現(xiàn)行的W37kW的非道路用柴油機法規(guī)排放限值如表4所示。分析表1?表4可以看出，美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(chǎn)量最大，按功率計算占總產(chǎn)量的近40%，因此從保護環(huán)境的角度出發(fā)，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(zhí)行第I階段限值為例，它與美國2000年開始執(zhí)行的第I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(guī)限值，日本對8kW以下的柴油機也未提出排放法規(guī)限值。表1美國wg的非道路用柴油機法規(guī)排放限值柴油機功率階段實施年份CDHC-NOVJMTierl20008010.51.00P<8Tier?2005&075080Tier42008667.5040Tierl2000669.50808< ISTier22005667.50SOTier42008&61.5040Tier119995.59.508018<P<37Tier220045.51.5060Tier4taterhi20085.07.5030Tier4final20135.04.7003

表2■歐盟＜37伽的非道路用柴油機法規(guī)排放限值柴油機功率,15￥價段實施年份CONO,HCJMP<18/////Stage1/////18WP<31Stage220015.5&01.508Stage3A20085.57.506表3日本＜37W的非道路用柴油機法規(guī)排放限值柴油機功率/1W階段實施年份CONO,HCJMP<S/////8 18Tier2200350901.508Tier2200350&01.506018<P<37Tier3200750601.0030Tier420135.0400.7002表4中國W371W的非道路用柴油機強制標準的排放限值柴油機功率■iav階段實施年月CONO,HCJM第晰段2007.1012318L4/P<8第】1階段200910&010.51.0第I階段2007.10&4129/8<P<18第□階段20091066950S第I階段2007.10&41Q8211.018<P<37第口階段20091055&01.50S另外，從國外排放法規(guī)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(guī)限值加嚴量相對較大，功率段要少,如美國從現(xiàn)在到2013年,法規(guī)有Tier3,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III階段有人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(nèi)凈化解決，而高要求的排放限值也只能以機內(nèi)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、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百噴燃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(nèi)著火，以其較高的熱效率、良好的燃油經(jīng)濟性和起動性、缸蓋構造簡單等優(yōu)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(huán)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1/3?1/2。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(fā)展趨勢1、改進進、排氣系統(tǒng)（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(shù)，使空氣在缸內(nèi)產(chǎn)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。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(yōu)化噴射系統(tǒng)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，從而減少日上的生成量。此法是降低：?：口：.：的有效措施之一。提高噴油速率，可降低：?：口：.：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。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。日前，國外的柴油機噴油壓力已達100M?150MPa，而國產(chǎn)單缸柴油機均低于20MPa。減小噴孔直徑可增大燃油噴出的節(jié)流作用，提高霧化質(zhì)量，使燃燒充分，排放降低。國產(chǎn)多孔長型噴油器噴孔直徑為0.2?0.32mm，而國外柴油機僅為0.14mmo3、 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(nèi)，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PMo4、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(huán)(EGR)EGR是在保證柴油機動力性能不降低的前提下，根據(jù)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*上排放。尤其是中冷EGR技術，不僅降低：、一。二排放，還能降低其他污染物的排量。這是日前先進內(nèi)燃機普遍采用的技術。6、 提高柴油品質(zhì)開發(fā)新型燃料1)優(yōu)質(zhì)的燃油是柴油機滿足日益嚴格的排放法規(guī)的前提。柴油的密度、十六烷值、含硫量等對日上和PM影響很大。若增加柴油的十六烷值，能有效地降低發(fā)動機尾氣顆粒PM、CO和口上的排放；降低燃油中S的含量，可以降低13?22%的PM顆粒排放；減少燃油中的芳烴成分，可以減少：?：口：.：的排放。改善燃油的措施如下：①根據(jù)燃油的餾程，合理提高燃油的十六烷值。②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30?50%的碳煙顆粒PM排放。③降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有98%轉化為勺上其余的2%成為硫酸鹽顆粒，部分江處被進一步氧化與燃燒過程中生成的三口結合，形成H技旗和硫酸鹽(C芝旗等），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：①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(tài)，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。②甲醇具有辛烷值高、低發(fā)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(fā)展方向根據(jù)國內(nèi)單缸柴油機的現(xiàn)狀和特點，實現(xiàn)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(tǒng)、配氣機構，燃燒室結構以及噴射系統(tǒng)的優(yōu)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(nèi)的充量系數(shù)，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(yōu)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(tǒng)匹配。具體表現(xiàn)為循環(huán)進氣量與供油量在柴油機工作區(qū)域的每一工況點的匹配；噴油與燃燒的開始時間和噴油與燃燒的持續(xù)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(nèi)渦流、噴油油束的匹配。3、繼續(xù)加大對新型燃料、高品質(zhì)柴油的研制。提高農(nóng)業(yè)機械柴油機的燃油品質(zhì)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(guī)實際上對燃油品質(zhì)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(zhì)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改善燃燒條件和優(yōu)化燃燒過程是降低柴油機排放污染最有效的措施?！巴瑫r降低：'；口：.：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。每一種技術措施在降低某種排放物時，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日［：.：，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。應根據(jù)所要滿足的排放法規(guī)來確定采用何種控制技術，即優(yōu)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1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II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(fā)平臺的不同，低排放高性能單缸柴油機的研發(fā)難度很大，同時我國單缸柴油機生產(chǎn)量大，低排放、高性能的研發(fā)和生產(chǎn)對促進中國內(nèi)燃機工業(yè)的發(fā)展，保護環(huán)境都是非常緊迫的任務。研發(fā)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(nèi)已經(jīng)開始著手對新能源，高品質(zhì)燃油的研究，但目前機內(nèi)凈化技術是關鍵，通過噴油系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)與燃燒室結構的匹配優(yōu)化，特別是提高單缸柴油機用噴油系統(tǒng)的性能，優(yōu)化燃燒過程，降低單缸柴油機的排放，達到優(yōu)化其綜合性能的目標。單缸柴油機采用機內(nèi)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(fā)展任重道遠[J].農(nóng)機市場,2001(5):4-[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1、11階段)