農(nóng)用小型柴油機(jī)排放要求及控制技術(shù)

農(nóng)用小型柴油機(jī)排放要求及控制技術(shù)機(jī)械工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程盧正輝(0701305003)摘要：隨著非道路用發(fā)動(dòng)機(jī)排放國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB20891-2007第二階段的執(zhí)行，農(nóng)用小型柴油機(jī)的環(huán)保問題再一次提上了新的日程。為此，本文結(jié)合農(nóng)用小型單缸柴油機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)外小功率段柴油機(jī)排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的限值變化，針對(duì)單缸柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、行業(yè)現(xiàn)狀及技術(shù)問題，闡明了低排放高性能單缸柴油機(jī)的研發(fā)難度和需解決的問題，給出了單缸柴油機(jī)優(yōu)化性能及降低排放的技術(shù)路線和對(duì)策。分析表明：通過柴油機(jī)噴油系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)與燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配，特別是提高單缸柴油機(jī)用噴油系統(tǒng)的性能，優(yōu)化燃燒過程的機(jī)內(nèi)凈化措施能滿足GB19756、GB20891的排放限值的要求。關(guān)鍵詞：農(nóng)用小型柴油機(jī)排放要求控制技術(shù)目前，農(nóng)用小型柴油機(jī)均為單缸柴油機(jī)。單缸柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)組織相對(duì)比較容易，售價(jià)低廉，所以逐步形成了具有中國(guó)特色的單缸機(jī)行業(yè)。它適合我國(guó)農(nóng)村長(zhǎng)期的使用習(xí)慣和目前農(nóng)村購(gòu)買力較低的國(guó)情。單缸柴油機(jī)低的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)品的同質(zhì)化以及低水平的重復(fù)也使企業(yè)技術(shù)升級(jí)的動(dòng)力不足。雖然我國(guó)單缸柴油機(jī)生產(chǎn)與技術(shù)改進(jìn)一直都在進(jìn)行,但近幾年環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，特別是車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放治理已取得了一定的成效,非道路用柴油機(jī)的排放物已成為國(guó)內(nèi)外人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外不斷出臺(tái)的“法規(guī)”和“標(biāo)準(zhǔn)”為單缸柴油機(jī)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來了動(dòng)力和壓力。單缸柴油機(jī)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(jī)已成行業(yè)討論的熱題。一、國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)目前，我國(guó)單缸柴油機(jī)標(biāo)定功率最大為W30kW』E道路用柴油機(jī)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(jī)排放法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。非道路用柴油機(jī)的排放法規(guī)在美國(guó)最為嚴(yán)格，日前僅有美國(guó)和中國(guó)對(duì)所有功率段柴油機(jī)都提出其排放限值。中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB20891-2007給出了中國(guó)非道路用柴油機(jī)排放I階段和II階段的限值。美國(guó)、歐盟、日本的W37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值如表1、表2和表3所示，中國(guó)現(xiàn)行的W37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值如表4所示。分析表1?表4可以看出，美國(guó)是控制排放最嚴(yán)的國(guó)家，最早提出控制非道路用柴油機(jī)排放。我國(guó)單缸柴油機(jī)產(chǎn)量最大，按功率計(jì)算占總產(chǎn)量的近40%，因此從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我國(guó)起步較晚，以2009年10月執(zhí)行第I階段限值為例，它與美國(guó)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(guó)小功率、單缸柴油機(jī)用量較少,歐盟對(duì)18kW以下的柴油機(jī)尚未提出排放法規(guī)限值，日本對(duì)8kW以下的柴油機(jī)也未提出排放法規(guī)限值。表1美國(guó)wg的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值柴油機(jī)功率階段實(shí)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(jī)法規(guī)排放限值柴油機(jī)功率,15￥價(jià)段實(shí)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(jī)法規(guī)排放限值柴油機(jī)功率/1W階段實(shí)施年份CONO,HCJMP<S/////8 18Tier2200350901.508Tier2200350&01.506018<P<37Tier3200750601.0030Tier420135.0400.7002表4中國(guó)W371W的非道路用柴油機(jī)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的排放限值柴油機(jī)功率■iav階段實(shí)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(guó)外排放法規(guī)看，由于小功率柴油機(jī)多為單缸或兩缸柴油機(jī)，對(duì)18kW以下的柴油機(jī)排放法規(guī)限值加嚴(yán)量相對(duì)較大，功率段要少,如美國(guó)從現(xiàn)在到2013年,法規(guī)有Tier3,Tier4初和Tier4終共3個(gè)階段，但18kW以下的柴油機(jī)排放限值都為一個(gè)階段限值。歐盟第III階段有人B,C的不同限值，對(duì)37kW以下的柴油機(jī)排放限值也僅為一個(gè)限值，但限值要求明顯提高。這說明，小功率柴油機(jī)受結(jié)構(gòu)、成本及用途等因素限值，降低排放的一些先進(jìn)技術(shù)（如增壓、EGR、電控等）難以有效地應(yīng)用。特別是單缸柴油機(jī)對(duì)較低要求的排放限值僅能通過機(jī)內(nèi)凈化解決，而高要求的排放限值也只能以機(jī)內(nèi)凈化為主，通過排氣后處理解決。二、 單缸柴油機(jī)排放特點(diǎn)柴油機(jī)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(jī)排放控制的主要污染物。我國(guó)單缸柴油機(jī)主要有百噴燃燒室和渦流燃燒室兩種。直噴柴油機(jī)（與渦流室柴油機(jī)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(jì)性和起動(dòng)性、缸蓋構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為單缸柴油機(jī)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(diǎn)。柴油機(jī)排放特性與燃燒室形式有直接關(guān)系.直噴柴油機(jī)與渦流室柴油機(jī)的排放有較大不同。直噴柴油機(jī)NO、CO、HC和PM普遍高于渦流室柴油機(jī)，特別是NO排放濃度一般比渦流室柴油機(jī)高1/3?1/2。試驗(yàn)表明.結(jié)構(gòu)相同而燃燒室形式不同的直噴柴油機(jī)NO、CO、HC及PM都比渦流室柴油機(jī)高.特別是高負(fù)荷時(shí)的NO、CO、PM及低負(fù)荷時(shí)的CO、HC含量，差別非常明顯。三、 當(dāng)前的排放控制技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)1、改進(jìn)進(jìn)、排氣系統(tǒng)（1）采用高效空氣濾清器和合理的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)。以減小進(jìn)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(shù)，增加氣缸進(jìn)氣量，使柴油完全燃燒。同時(shí)，使排氣更快更徹底，降低PM。典型的是單缸2進(jìn)2排4氣門，國(guó)外已成功地將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在70mm缸徑的柴油機(jī)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(jié)合，則柴油機(jī)的排放效果更佳。提高噴油壓力可促進(jìn)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(guó)外的柴油機(jī)噴油壓力已達(dá)100M?150MPa，而國(guó)產(chǎn)單缸柴油機(jī)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(guó)產(chǎn)多孔長(zhǎng)型噴油器噴孔直徑為0.2?0.32mm，而國(guó)外柴油機(jī)僅為0.14mmo3、 改善燃燒室結(jié)構(gòu)直噴柴油機(jī)吸進(jìn)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(zhuǎn)。為在燃燒完畢之前盡可能保持這種渦流，應(yīng)將燃燒室形狀設(shè)計(jì)成促進(jìn)柴油與空氣充分混合燃燒的樣式，以降低PMo4、降低機(jī)油消耗單缸柴油機(jī)排放的PM有相當(dāng)一部分是竄入燃燒室機(jī)油的不完全燃燒物。所以在保證氣缸活塞組良好潤(rùn)滑的條件下，盡量減少竄機(jī)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(jī)動(dòng)力性能不降低的前提下，根據(jù)柴油機(jī)溫度及負(fù)荷大小，適量地將部分廢氣引入進(jìn)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(shù)，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(jìn)內(nèi)燃機(jī)普遍采用的技術(shù)。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(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。柴油的密度、十六烷值、含硫量等對(duì)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(dòng)機(jī)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(jìn)碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒，來促進(jìn)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(zhuǎn)化為勺上其余的2%成為硫酸鹽顆粒，部分江處被進(jìn)一步氧化與燃燒過程中生成的三口結(jié)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(jī)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(fù)合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認(rèn)為是最有前途的清潔能源代用燃料。代用燃料的特點(diǎn)：①天然氣汽車成本低，儲(chǔ)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(jìn)行霧化，燃燒充分，尾氣中CO含量較低，無排煙，但動(dòng)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(diǎn)。但甲醇的十六烷值低，著火性差，需要加裝點(diǎn)火裝置，冷啟動(dòng)性差，有腐蝕性，并要解決潤(rùn)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(guó)內(nèi)單缸柴油機(jī)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的低排放技術(shù)，今后可以從以下幾點(diǎn)著手：1、 在保證動(dòng)力性的前提下，通過改善燃燒條件，促使柴油機(jī)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。柴油機(jī)標(biāo)定功率高，首先要通過進(jìn)排氣系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)，燃燒室結(jié)構(gòu)以及噴射系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證合適渦流比的前提下，減少空濾器、進(jìn)排氣管道的流動(dòng)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(shè)計(jì)，活塞組件與缸套結(jié)構(gòu)配副的匹配，減少摩擦損失，從而提高柴油機(jī)的冒煙極限的功率，同時(shí)減少機(jī)油消耗，降低柴油機(jī)顆粒排放。2、 優(yōu)化柴油機(jī)燃燒過程。燃燒過程控制歸結(jié)為油氣混合與燃燒的過程控制，一般說為進(jìn)氣、噴油和燃燒系統(tǒng)匹配。具體表現(xiàn)為循環(huán)進(jìn)氣量與供油量在柴油機(jī)工作區(qū)域的每一工況點(diǎn)的匹配；噴油與燃燒的開始時(shí)間和噴油與燃燒的持續(xù)期(時(shí)間)控制的匹配；燃燒室空間的利用，燃燒室形狀設(shè)計(jì)與缸內(nèi)渦流、噴油油束的匹配。3、繼續(xù)加大對(duì)新型燃料、高品質(zhì)柴油的研制。提高農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)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(shí)際上對(duì)燃油品質(zhì)也提出了更高的要求，因此應(yīng)該不遺余力地加大對(duì)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(jī)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(jī)排放污染最有效的措施?！巴瑫r(shí)降低：'；口：.：和PM并保證柴油機(jī)高的熱效率”的原則必須貫徹于各項(xiàng)排放控制措施中。每一種技術(shù)措施在降低某種排放物時(shí)，往往效果有限，過度使用則會(huì)引起另一種排放物增加或柴油機(jī)性能惡化，而實(shí)際中常常是幾種措施匹配并用。如減小噴油提前角會(huì)降低日［：.：，但PM排量會(huì)增大，這時(shí)應(yīng)同時(shí)采用提高噴油壓力等其他措施，以抑制PM排放的惡化。應(yīng)根據(jù)所要滿足的排放法規(guī)來確定采用何種控制技術(shù)，即優(yōu)先選擇不過多增加柴油機(jī)成本就能達(dá)到排放限值要求的技術(shù)措施。如柴油機(jī)滿足歐1排放標(biāo)準(zhǔn)，可采用提高噴油壓力、減小噴油提前角、進(jìn)氣增壓等措施；而滿足更高的歐II排放標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)一步提高噴油壓力，采用EGR等措施。單缸柴油機(jī)受結(jié)構(gòu)等因素限制，雖然非道路柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的排放限值與車用柴油機(jī)相比有較大的差距，但是由于設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)的不同，低排放高性能單缸柴油機(jī)的研發(fā)難度很大，同時(shí)我國(guó)單缸柴油機(jī)生產(chǎn)量大，低排放、高性能的研發(fā)和生產(chǎn)對(duì)促進(jìn)中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展，保護(hù)環(huán)境都是非常緊迫的任務(wù)。研發(fā)低排放、高性能的單缸柴油機(jī)需結(jié)合我國(guó)燃料供給和柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、用途等特點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始著手對(duì)新能源，高品質(zhì)燃油的研究，但目前機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是關(guān)鍵，通過噴油系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)與燃燒室結(jié)構(gòu)的匹配優(yōu)化，特別是提高單缸柴油機(jī)用噴油系統(tǒng)的性能，優(yōu)化燃燒過程，降低單缸柴油機(jī)的排放，達(dá)到優(yōu)化其綜合性能的目標(biāo)。單缸柴油機(jī)采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)能滿足GBl9756>GB20891的排放限值要求。參考文獻(xiàn)：[1]楊杰.我國(guó)單缸柴油機(jī)發(fā)展任重道遠(yuǎn)[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng),2001(5):4-[2]GB20891-2007.非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)1、11階段)