柴油机的内净化技术

柴油机机内净化

内容摘要：柴油机机内净化技术从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发，通过对发动机进行调整或改进，从而达到降低污染物生成量。常有的柴油机机内净化技术有：电控高压燃油喷射技术、废气涡轮增压技术、废气再循环（EGR）、低排放燃烧系统。

关键词：柴油机、排放、机内净化、电控高压燃油喷射、废气涡轮增压、废气再循环（EGR）、低排放燃烧系统。

由于柴油的蒸发差，柴油机靠喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成数以百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温、高压的热空气中，经加热、蒸发、扩散、混合和焰前反应等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一定的时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故混合气形成过程和燃烧是重叠进行的，即：边喷油边燃烧。柴油机是靠调节循环喷油量的多少来调节负荷，而循环进气量基本不变。因此，每循环平均的混合气浓度随负荷变化而变化，这种负荷调节方式被称为“质调节”。这与汽油机的负荷调节方式大不相同。

柴油机燃烧过程的特性，是分析柴油机有害排放物形成特点和研究排放物控制的基础。

就燃烧过程来比较，柴油机远比汽油机复杂得多，因而可用于控制有害物生成的燃烧特性参数也远比汽油机复杂得多，这使得寻求一种兼顾排放、热效率等各种性能的理想放热规律成了柴油机排放控制的核心问题。为达到此目的，研究理想的喷油规律、理想的混合气运动规律以及与之匹配的燃烧室形状是必需的。

然而，降低柴油机NO X排放和微粒排放之间往往存在着矛盾。一般有利于降低柴油机NO X的技术都有使微粒排放增加的趋势，而减少微粒排放的措施，又可能将使NO X排放升高。尽管如此，近年来，柴油机排放控制技术还是取得了很大的进展，研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这些机型不用任何后处理装置即可以达到相关的排放法规要求，显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。

一、低排放燃烧系统

柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃油进行混合和燃烧的场所，所以，燃烧室的几何形状对柴油机的性能和排放具有重要的影响。

直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。常见的有代表性的结构如图5-3所示，分别为浅盆形（a）、深坑形（b、c）和球形（d）。浅盆形燃烧室中的活塞凹坑较浅且开口较大，与凹坑以外的燃烧室空间连通面积大，形成了一个相对统一的燃烧室空间，因而也称为开式燃烧室或统一式燃烧室；相反，深坑形和球形燃烧室由于坑深、开口相对较小，被称为半开式燃烧室。

1. 浅盆形燃烧室

浅盆形燃烧室的结构比较简单，在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑，凹坑口径与活塞直径之比d k/D=0.72～0.88，凹坑口径与凹坑深度之比d k/h=5～7。燃烧室中一般不组织或只组织很弱的进气涡流，混合气形成主要靠燃油喷注的运动和雾化。因此均采用小孔径（0.2～0.4mm）、多孔（6～12孔）喷油器，喷油启喷压力较高（20～40MPa），最高喷油压力可高达100MPa以上，以使燃油尽可能分布到整个燃烧室空间。为了避免过多的燃油喷到燃烧室壁面上而不能及时与空气混合燃烧并产生积炭，喷注贯穿率一般在1左右。

浅盆形燃烧室内的油气混合属于较均匀的空间混合方式，在燃烧过程的滞燃期内，形成

较多的可燃混合气，因而燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温度高，NO X和排气烟度高。这种主要靠喷注的被动混合方式，决定了浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于1.6以上才能保证完全燃烧。

2.球形燃烧室

球形燃烧室与浅盆形和深坑形燃烧系统的空间混合方式不同，是以油膜蒸发混合方式为主。球形燃烧室的结构形状如图5-4所示。活塞顶部的燃烧室凹坑为球形。喷油嘴布置在一侧，油束与活塞上球形表面呈很小的角度，利用强进气涡流，顺着空气运动的方向将燃油喷涂到活塞顶的球形凹坑表面上，形成油膜。球型燃烧室壁温控制在200～350℃，使喷到壁面上的燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气，喷注中一小部分燃料以极细的油雾形式分散在空间，在炽热的空气中首先着火形成火核，然后点燃从壁面蒸发并形成的可燃混合气。随着燃烧的进行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。匹配良好的球形燃烧室工作柔和，NO X和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。

二、多气门技术

以前的发动机每个气缸只有二个气门（进、排气门各一个），如果每个气缸多于二个气门，就称为多气门发动机。

车用柴油机的转速一般可达5500转/分以上，完成一个工作冲程只有极短的时间。高转速的强化柴油机需要燃烧更多的燃料，相应也需要更多的新鲜空气，传统的二气门已经很难在这么短的时间内完成换气工作。在一段时间内气门技术甚至成为阻碍发动机技术进步的瓶颈。唯一的办法只能是扩大气体出入的空间，为此，多气门技术应运而生。

1气流组织

适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。尤其当喷油系统的压力不够高使得喷雾不够细时，要求较强的涡流运动来促进油气混合。强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以不同程度地增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动，结果是泵气损失增大，充量系数下降。另外，对于小缸径高速柴油机，其工作转速范围很大，进气系统产生的涡流往往难以同时满足各种转速下的要求，涡流转速过高和过低同样不利于燃烧。多气门柴油机的开发从根本上改变了上述情况。

随着多气门发动机的发展，人们发现，在二进气门的发动机上，传统的进气涡流很难维持到压缩上止点。从缸内气流运动的三维流动模型计算中发现，在平行于气缸轴线平面内也存在涡流，即滚流（或称垂直涡流以区别于水平涡流），而且相当稳定，并可保持到压缩行程的末期，之后在挤流的冲击下破碎成湍流，大大提高了上止点附近的湍流强度。

滚流是多气门发动机缸内气体流动的主要形式，通过对不同进气门处的气流导向来实现。在对称进气的多气门发动机中较易出现进气滚流，当气门升程较小时，进气在缸内的流动比较紊乱，这时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团：一个在进气门下方靠进气道一侧，而另一个则在进气道对面大致位于排气门下方，此为非滚流期；当气门升程加大时，位于进气道对面的涡团突然加强进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期；随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强直至进气行程下止点附近，滚流达到最强，此为滚流发展期；压缩行程属滚流持续期，在压缩行程后期，由于燃烧室空间变得扁平不适于滚流而使其衰减，活塞到达上止点前后，滚流几乎被压碎而成为湍流，此为滚流破碎期。湍流的寿命很短，在燃烧过程中很快消失。

进气道结构是影响进气在缸内滚流强度的主要因素。滚流进气道通常设计为俯冲式直气道，将喉口附近截面设计为上大下小可得到较强的滚流。然而滚流的增强是以增加进气阻力为代价的，难以提高进气的综合性能指标，如果在普通滚流进气道下方加设副气道，就可以