楊林

（山東科技職業(yè)學院，山東濰坊 261053）

再造綠色家園，重現(xiàn)藍天白云，致力于環(huán)境保護是各柴油機生產(chǎn)企業(yè)的崇高使命。近年來，隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，伴生而來的是污染物排放量劇增，霧霾已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點，解決霧霾問題已成為改善民生的當務之急，在這樣的背景下，我國出臺了非道路國三排放標準政策。所以進行R4105ZD型柴油機排放達國三的研究是順應時代的要求。積極按照國家相關(guān)法規(guī)推進國三切換工作，提出了“轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展”的新理念。

在柴油發(fā)電機組中，柴油機排氣是環(huán)境污染的重要來源。在理想的燃燒條件下，柴油機燃燒產(chǎn)物的主要成分為二氧化碳CO、水蒸氣H0、氮氣N和過量氧氣，基本無害。但由于實際燃燒過程,如柴油質(zhì)量和混合形成的霧化質(zhì)量，燃燒室內(nèi)換氣條件,可燃混合氣形成速度以及燃燒室勢力狀態(tài)等因素的制約，柴油機燃燒產(chǎn)品除了含有上述的主要無害成分,還含有少量的一氧化碳CO，未燃盡的碳氫化合物的HC、碳、氫、氮氧化物、氮氧化物和碳煙等有害成分。除了75.5%的氮氣，10%的二氧化碳，8%的水蒸氣和6%的氧氣對人類是無害的外，其余0.2%的NO，0.01%的NO，0.03%的HC和0.05%的一氧化碳CO，0.01%的二氧化硫和不到0.01%的顆粒都是有害物質(zhì)，這是酸雨的形成和臭氧層破壞的罪魁禍首。柴油機環(huán)境污染主要有三個方面：一是柴油機排出的廢氣污染大氣；二是噪聲對環(huán)境的污染；三是廢油和廢水污染土壤或地表水。其中，對人類健康危害最大的是廢氣排放。柴油機溫度越高，N、O濃度越高，NO的生成速率越高。由此可見，影響N O生成速率最重要的因素是溫度、時間和噴油角度。碳煙生成的因素可以概括為時間、溫度和湍流，溫度越高，停留時間越長，湍流混合好，促使H C氧化，總粒子T P M將減少，但氮氧化物的形成在同一時間將會增加，這是在直接噴射柴油機“顆?！趸餀?quán)衡曲線”、柴油機調(diào)試減排目標時，是把一種污染物(如用高壓噴射把TPM指標滿足法律法規(guī)的要求)利用燃燒改善本身達到要求，燃燒過程中氮氧化物在高溫的作用下，參與燃燒的空氣的氮與過量空氣中的氧的反應生成物；碳煙在高溫缺氧條件下，碳氫燃料裂解而形成的游離狀微粒。然后再對另一種污染物用其它方法（例如對NO用EGR、推遲噴油提前角、廢氣后處理）來達到法規(guī)要求。

現(xiàn)代柴油機控制和降低排放集中體現(xiàn)在進氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)的發(fā)展上?？刂坪徒档筒裼蜋C的排放主要從以下幾個方面入手：（1）通過提高燃油品質(zhì)，進氣質(zhì)量等手段，如采用增壓中冷，多氣門技術(shù)，EGR等；（2)現(xiàn)代柴油機對柴油噴射技術(shù)的要求為：準確的燃油計量，靈活的噴油定時，最佳的噴油壓力，優(yōu)化噴油規(guī)律。（3）采用在柴油機排氣尾部加裝廢氣凈化裝置以進一步降低有害排放物直接進入大氣，例如采用催化轉(zhuǎn)換器和顆粒捕集器等可以有效地降低N O和顆粒的排放。

圖1 高壓共軌電控噴油系統(tǒng)工作原理圖

表1 排氣污染物限值

表2 試驗結(jié)果

1 柴油機的主要技術(shù)參數(shù)

型號 R4105LD

型式 直列、水冷、四沖程、直噴燃燒室

氣缸數(shù)目 4

缸徑×沖程(mm) 105×125

總排量(L) 4.33

進氣方式 增壓

標定功率/轉(zhuǎn)速 kW/ r/min 56/1500

最低燃油消耗率 g/KW.h ≤226

機油消耗率 g/KW.h ≤1.63

穩(wěn)定調(diào)速率 % ≤8

最低空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 r/min ≤700

排氣煙度(Bosch) ≤3.1

2 電控噴射系統(tǒng)

電控發(fā)電用柴油機噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU和執(zhí)行機構(gòu)組成。其任務是對噴油系統(tǒng)進行電子控制，實現(xiàn)噴油量和噴油正時隨工況的實時控制。無論哪種電子控制系統(tǒng)，控制的基本原理都是一樣的，即以ECU為控制核心，以傳感器為控制基礎(chǔ)，以執(zhí)行器為控制對象，以保證每個系統(tǒng)都能處于最佳狀態(tài)。柴油機電子控制噴射系統(tǒng)以柴油機轉(zhuǎn)速和負載作為一個基本的信號反映柴油機的實際工作條件,參照試驗得出的柴油發(fā)動機的各工況相對應的噴油量和噴油定時確定基本噴油量和噴油正時,然后根據(jù)各種因素,例如,油溫、水溫、大氣壓力等進行各種補償，從而得到最佳的噴油量和噴油正時，然后通過執(zhí)行機構(gòu)來控制輸出。柴油機電控系統(tǒng)可根據(jù)不同工況控制噴射量、噴射定時、噴射壓力、噴射速率等噴射參數(shù)。

根據(jù)供油的控制方式，柴油機電控系統(tǒng)可分為四種類型：位置控制方式、時間控制方式、時間壓力控制方式和壓力控制方式。位置控制模式和時間控制模式是第一代的早期柴油機電子控制系統(tǒng),他們是在傳統(tǒng)柴油機燃料供給系統(tǒng)上只是取消機械調(diào)速器,增加和電子執(zhí)行器、傳感器、電子控制單元注。時間壓力控制方式和壓力控制方式均屬于第二代柴油機電控系統(tǒng)，從根本上改變了傳統(tǒng)燃油供應系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。其主要特點是電控共軌高壓油管(各缸噴油器共享)，其噴射壓力通常高于傳統(tǒng)的柴油供油系統(tǒng)。共軌腔內(nèi)的高壓可直接用于噴射，節(jié)省了噴油器內(nèi)的增壓機構(gòu)。此外，共軌腔內(nèi)存在連續(xù)高壓，高壓油泵所需的驅(qū)動力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。通過高壓油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可根據(jù)發(fā)動機負荷、經(jīng)濟性和排放的要求，靈活調(diào)節(jié)共軌腔內(nèi)的油壓，尤其可優(yōu)化柴油機的低速性能。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

3 試驗結(jié)果

近年來，隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，伴生而來的是污染物排放量劇增，霧霾已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點，解決霧霾問題已成為改善民生的當務之急，在這樣的背景下，我國出臺了非道路國三排放標準政策。首先，在國三發(fā)動機的技術(shù)升級路線方面，針對國內(nèi)各區(qū)域用戶使用水平、作業(yè)環(huán)境、功率需求和燃油條件存在差異的現(xiàn)狀，國三產(chǎn)品可采用電控單體泵和高壓共軌的技術(shù)路線并行推進開展配套。這樣可以滿足主機廠和用戶多元化的需求，方便他們結(jié)合自身現(xiàn)狀，有針對性地采用市場適應性最好的產(chǎn)品。其次，各排放設(shè)備企業(yè)也致力研究各種技術(shù)達標的零部件滿足排放需求，為滿足國三排放可選擇的排放配置類型比較多，可結(jié)合企業(yè)需求找到滿意的配置。

3.1 排放標準

非道路移動機械用柴油機排氣污染物中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、和氮氧化合物（NOx）、顆粒物（P M）的比排放量，乘以按照標準所確定的劣化系數(shù)，或加上按照標準所確定的劣化修正值，結(jié)果都不超出表1規(guī)定的限制。

以上非道路用柴油機國三標準與國二、國一進行對比可知第三階段有如下變化：

（1）加嚴污染物的排放限值：各功率段污染物的主要變化在H C+N O x，H C+N O x降低幅度約3 0%-40%，CO沒有任何變化，PM只有19≤Pmax＜37和Pmax＜8功率段有所降低，降低幅度分別為25%和20%。

（2）增加了耐久性的技術(shù)要求：為確保非道路移動式機械柴油發(fā)動機及其排放控制系統(tǒng)的正常運行，滿足氣體污染物和顆粒物的相關(guān)排放限值，引入了有效壽命的概念，并已在型式核準時確定了使用時間。

3.2 試驗結(jié)果

電控柴油高壓共軌系統(tǒng)則相當于柴油發(fā)動機的“心臟”和“大腦”，其品質(zhì)的好壞，嚴重影響發(fā)動機的使用。試驗采用了國產(chǎn)共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高壓油泵燃油潤滑，杜絕了機油混入燃油中，可以改善排放，降低燃燒顆粒和油嘴結(jié)焦幾率；此外，噴油嘴使用中空蓄壓技術(shù)，可以防止油嘴偶件卡死，提高油品適應性，降低故障概率；且噴油器可以靜態(tài)零回油，從而降低燃油回油溫度，改善燃油消耗量。試驗結(jié)果如表2。

進行R4105ZD型柴油機排放達國三的研究是順應時代的要求。積極按照國家相關(guān)法規(guī)推進國三切換工作， R4105ZD型柴油機達到國三，企業(yè)就可按照國家政策進行生產(chǎn)，年產(chǎn)值2000臺，創(chuàng)造銷售收入3000萬元。