摘要:本文探讨了我国车用柴油机的应用发展现状,从资源与环保的角度指出了柴油机作为未来车用动力的发展前景,以及降低柴油机排放的技术途径。
关键词:柴油机、发展现状、排放控制技术
中图分类号:TK42 文献标识码: A
一、前言
随着工业生产的到来,许多的生产建设都使用到大型的机械,而这些大型器械的动力装置,多数是柴油机。柴油机当前已经十分普及了,然而在柴油机从出现到现在的普及经过了许多的过程,技术也在不断更新。文章阐述了柴油机的发展过程以及现状,同时也介绍了柴油机的废弃排放控制措施。
二、柴油机的发展历史与应用现状
1895年世界第一部柴油机制造出来并投入使用,距今柴油机的发展历史已经有100多年了。然而柴油机在我国,人们对以柴油机为动力的柴油车的了解是从二十世纪六、七十年代开始的。但是,一提起柴油车,大家立即想起笨重的、冒着浓烟的载重车和低档的农用车,这主要是由于计划经济体制下的能源政策造成的。80年代时,我国的能源政策规定4吨以下的机动车用汽油发动机;4吨以上的载货车和农用机械使用柴油发动机。也就是把价格较高的汽油让给工业和交通运输的车辆使用;而把价格较低的柴油留做载重车、农业、固定式动力机械使用。由于这些发动机的设计和制造与使用成本都很低,突出的特点是:工作噪声大、冒黑烟,再加上用户使用不合理,使得柴油机给国人的印象极差。
然而随着科技的进步,柴油机技术也在不断的发展进步,尤其是在柴油机的废气排放的技术上更加是取得极大的突破。柴油机排放技术的突破为柴油机的运用拓展了平台,清除的阻碍,使得柴油机发生天翻地覆的变化,以一个全新的面貌出现在公众的面亲。柴油机的运用时十分广泛的,不但在重型的运输卡车、农用车以及大型运输船只,而且在公共交通车辆以及小型货车与小桥车上都有运用。
我国的柴油车发展较晚,80年代以前,国产车中只有重型车装用柴油机,80年代开始,在中、轻型车上采用,特别是引进的新一代轻型汽车如:依维柯、全顺、五十铃等都采用了柴油发动机。90年代以来,国产柴油汽车从7。58万辆增加到42。58万辆,在总产量中的比例从14。88%增加到26。16%,其中,柴油货车的比例超过了50%。因而发展新的柴油车前途广阔。
三、柴油机面临的挑战
随着人们对环境与资源意识的加深,特别是中心城市环境问题的严峻形势,发展“绿色汽车”的呼声日涨,一系列以保护人类生存空间为目的的排放法规相继出台(详见表1和表2)。欧洲早在1970年就开始控制汽车排放污染,并提出EU1的排放法规,按EUI排放规定,CO排放物比控制前下降90%,HC+下降约80%,EU2的下降率分别为95%和90%
与此同时,美国也相继出台了控制柴油车排放的法规:美国对城市柴油公共汽车的微粒物排放要求比一般柴油车更严格:1993年为0。1g/bhp-hr,1994年为0。07g/bhp-hr,1996年为0。05g/bhp-hr。这是为了保护城市居民的身体健康,因为,有人提出:汽车排放的微粒物可能具有一定的致癌作用。还规定了汽车每公里油耗,世界环保大会后,美国总统与各大汽车商商讨,提出了一个80英里/加仑(9152L/km)的指标,这是一个十年计划研究课题,即要到2004年开发出一种车型,其油耗必须达到指标要求。汽车排放法规的日益严格和相继出台是推动柴油机排放技术改进的直接动力。
我国的汽车排放标准相当于国外70年代末、80年代初的水平,这些标准不便与世界排放法规接轨。1999年国家质量监督委员会委托机械工业局颁布了四个汽车排放标准,除装于最大总质量大于315吨汽车的汽油机的排气排放物外,覆盖了各类汽车的各种污染排放物的控制,其控制水平与欧洲90年代的水平相当。在我国,为了控制汽车的排放,象北京、天津、上海和广州等中心城市对汽车的保有量已经亮起了红灯,为此各大汽车公司纷纷采取对策,希望尽快找到消除机动车带来的负面影响。治理环境污染,还人们一个蔚蓝的天空,无疑是大家生活质量改善的重要方面。
五、柴油机排放控制技术
柴油机排放物中的CO和HC仅为汽油机的1/10或者更少,因此,柴油机污染控制主要集中在NOX和微粒物排放上。近年来柴油机排放控制技术主要围绕在以下几个方面:
1、高压共轨电喷技术
高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail),通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。
2、废气涡轮增压技术
废气涡轮增压技术是发动机轻量化、高输出的有效措施。废气涡轮增压加中冷技术,不仅使发动机排出的废气能量得到进一步的利用,而且减少了排气中的有害成分。采用增压和中冷技术是降低NO和微粒物,改善柴油机经济性和提高动力性的最佳措施。当前的增压技术,由于降低了进气温度,增加了进气量,提高了过量空气系数,可使重型柴油机的比功率提高200%,降低80%,微粒减少90%,比油耗降低16%。采用增压技术后,与非增压发动机相比,功率一般可以提高20-50%,高增压的发动机其功率几乎增加100%。
3、燃油喷射高压化和电控多次喷射技术
燃油喷射系统是柴油机的心脏,也是发展最快的系统,传统的泵、管、嘴系统的喷油压力一般不超过50MPa,比较低。现代的喷射系统则不仅有泵管嘴,还有泵喷嘴和新型的共轨系统,喷射压力普遍增加,其喷射压力可达140MPa。柴油机喷射压力越高,燃油和空气的混合就越好,排烟就越少。将电子技术应用于燃油喷射过程也是一个发展方向:有些厂商已将电子技术应用到燃油喷射的控制上,通过改变喷射期间喷油率,以减少预混合阶段燃料的燃烧量,从而减少柴油机的噪声。同时还可通过引入电子控制系统,非常精确地控制喷油量和喷油时间,以适应不同的道路工况,有的还具有自适应能力,可以补偿零件磨损和零件制造偏差引起的变化。电子控制系统不断调整各种车速、负荷下的最佳喷油时刻,以取得微粒物和燃油经济性之间的最佳配合。
4、废气再循环技术和后处理技术
柴油机排放的废气成分中主要是微粒物和。微粒的减少,依靠采用先进的喷射系统;控制的最有效的途径是采用废气再循环。废气再循环是将排出的废气通过一个特别的装置部分反馈到进气管,再次进入气缸中燃烧。目前,采用这种技术的轿车用柴油机其排放指标可以满足欧洲2号标准。为进一步减少排气对大气的污染,柴油机全面采用电子控制,加上氧化催化转化器对废气进行后处理,使本来不多的CO和未燃HC排放进一步减少,微粒排放则采用过滤技术,将其滤在一个特殊的过滤器内,进行处理,使排到大气中的发动机尾气更洁净。
5、发动机高速轻量化及新的燃烧技术
目前,柴油机还逐步采用诸如顶置凸轮、可变进气管长度等方面的技术,使柴油机向高速、轻量化以及高强化等方面发展。现代柴油机的升功率已由过去低于30kW/L的功率发展到今天的50kW/L左右,与汽油机的升功率不相上下。另外,为了使柴油机的燃烧更充分,一些新的燃烧方式正在开发研究之中,例如:用微量柴油机点燃天然气形成近似于均质的燃烧,用二甲基醚为燃料的均质压燃以及其他一些燃烧方式。
6、代用燃料技术
许多含碳和氢的物质都可能成为柴油车的代用燃料。目前已经在有限范围内使用的代用燃料有:甲醇、天然气和液化石油气(LPG)。甲醇的一大优点是常温下呈液态,因此可以方便的用于汽油车以及柴油车上。甲醇燃烧时不冒黑烟,并且不产生高分子烃,因此微粒物排放非常少;甲醇可以在稀混合气下燃烧,燃烧温度又低,所以NO的排放是柴油机的一半左右。但甲醇燃料汽车还有一些问题有待解决:一是甲醇的能量密度低,必须用两倍的供油量才能达到与汽油或柴油相同的动力输出,因此要改造发动机的供油系统,此外,由于甲醇的润滑性差,需要单独为喷油泵提供润滑油。甲醇的十六烷值非常低,因此在柴油机中使用时,必须为其着火采取某种附加措施,如:改善点火性能的添加剂、火花塞点火、电热塞点火或双重喷油系统(另一套为柴油)。此外甲醇有毒,燃烧后会有一部分未燃甲醇排出,
七、结论
总体上来说,在当前的市场经济环境下,国内的汽车行业正在迎来一个全新的发展平台,汽车将会普及到每户家庭当中。然而汽车带来的环境问题也不可忽略掉,而柴油机的应用可以解决这当中的一部分问题。同时我国的柴油机领域发展的并不是很好,还有很大的研发空间。因此应当大力的研发我国的柴油机相关技术,从而带动相关领域的进步。
参考文献:
[1] 刘浩 焦俊平:《浅谈柴油机排放性能控制技术》,《青海科技》,2011年02期
[2] 陈少华 李宝霞:《减少柴油机排放污染的措施》,《山东交通科技》,2006年04期
[3] 李伟军:《喷油定时对柴油机经济性和排放的影响》,《柴油机设计与制造》,2004年02期
[4] 朱虹:《汽车柴油机排放控制技术》,《中小企业管理与科技》,2009年01期
作者简介:张印涛(1986.05―),男,河北唐山,大学本科学历,热能与动力助理工程师,现任营运科技术主管,主要研究方向:机车用柴油机。
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