康明斯柴油发电机排放控制技术最新策略
随着经济的发展，发电机组逐渐成为大气排放污染物的主要来源，使得对柴油发电机排放的控制更为紧迫。因为柴油发电机排放出大量的微粒物质(pm)和氮氧化物(nox)，所以微粒物质和氮氧化物这两种排放物的减少也成为柴油发电机排放控制的关键。主要目标是为了有效降低nox的排放，研究了电控egr系统总体构造、控制策略，建立了一套有效的egr控制系统，并在对同时降低nox和pm的方法进行了相关探讨。 本文以电控技术和egr技术为基础，根据多个工况的试验，制取了egr最佳控制map图，并通过试验表明，egr电控系统和发动机相匹配良好，egr电控系统能够在合理控制pm排放的基础上切实有效的降低nox的排放，并且发动机的动力性和经济性无明显恶化。
根据柴油发电机的混合气形成和燃烧特点，以及其有害排放物的产生机理，柴油发电机燃烧过程或有害排放物的控制策略主要体现在放热规律的控制上，如图6-8所示。从控制柴油发电机燃烧噪声及nox排放物的角度而言，应尽可能降低预混合燃烧阶段的放热速率；而从改善动力性、经济性及碳烟排放的角度而言，应提高扩散燃烧速度，由此缩短整个燃烧期间，使燃烧过程及时又完全。柴油发电机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。采取机内净化是治本之举， 它是通过改进柴油发电机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少 nox 排放的目的。所以，控制柴油发电机燃烧过程的主要措施如下：
放热规律的控制策略
1、改进燃烧系统
改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内，燃油在燃烧室中均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律。这一措施有可能同时实现降低pm和nox的排放的目的。如高压共轨、泵喷油器等，喷射压力高达100～250mpa，可实现预喷射和多段喷射，由此提高放热规律的控制自由度，有效地限制预混合燃烧放热率，促进扩散燃烧速率。
（1）电喷技术
采用电控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油发电机性能，又可降低柴油发电机尾气排放物，尤其是颗粒pm物质的排放。防止机油串入燃烧室。由于柴油发电机排放颗粒状物质的相当部分，是由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少串机油量。防止和减少机油串入燃烧室，应通过加强机体刚度，改善汽缸盖与机体的连接，减少汽缸工作面的变形，改善活塞、活塞环和汽缸表面的设计，加强机油控制，减少从气门推杆泄漏机油等措施来实现。
（2）推迟喷射时期
配合高压喷射，有效地推迟喷射时期，由此缩短着火延迟期；同时，通过高压喷射强制雾化，结合燃烧室内的气流特性促进扩散燃烧速率，缩短整个燃烧期间，从而在不改变经济性的条件下，有效地降低nox排放。
（3）使用缩口低排放型燃烧室
结合燃烧室结构形状的合理设计，利用压缩过程和膨胀过程中燃烧室内的气流特性，保证扩散燃烧阶段具有较强的气流强度及其保持性，促进扩激燃烧速率。
（4）采用egr技术
通过egr和喷射压力以及喷射时刻的协调控制，可以有效地抑制预混合燃烧阶段的放热速率和燃烧温度，达到有效控制nox排放的目的，同时结合高压喷射及燃烧室内的气流特性，促进扩散燃烧，由此改善燃油经济性和碳烟排放。
（5）提高喷油压力和减小喷孔直径
提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低 pm 的排放。为了避免高压喷射导致的 nox 的增加，要求适当降低空气涡流运动，提高压缩比和可变定时 燃油喷射与其相适应。高压喷油系统需要和燃 烧室良好配合， 以避免过多燃油喷射到汽缸的冷表面上，减少 hc 和 pm 中 sof(有机可溶物)的排放； 同时减少喷嘴压力室容积或采用无压力室喷油嘴，能使 pm 和 hc 排放大大减少；通过燃油喷射率的优化，如采用双弹簧喷油器，可降低 pm 和 nox 的排放。
（6）共轨式喷油系统
可在柴油发电机运转的整个特牲曲线范围内改变喷油过程。如德国bosch公司开发的共轨喷射系统，可自由选择喷油压力，高精度控制喷油量，灵活控制喷油定时，并可灵活进行预喷射和多级喷射，对颗粒和烟度的降低很有利。在采用共轨多级喷射系统和电控喷油器的柴油发电机试验中观察到，由于分段喷射加强了空气的卷吸和紊流，加强了燃油和空气的混合，可明显降低烟度。电子控制柴油发电机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油发电机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，使颗粒排放降低40%以上，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。
电控高压共轨式燃油系统
2、采用增压中冷技术
（1）普通的增压中冷
柴油发电机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，nox的排量也必然增加。但增压柴油发电机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制nox的排放。废气涡轮增压提高了汽缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，可使柴油发电机颗粒物的排放量降低50%左右，并减少co和ch的排放。利用中冷技术，no的排放量可降低60%-70%。废气涡轮增压中冷技术的应用大大提高了柴油发电机的动力性、改善了燃油经济性，并且还在降低发电机组排放有害物、减少温室效应气co2、保护环境等方面起到了重要作用。为使柴油发电机满足欧洲i、ⅱ法规，涡轮增压中冷技术是一个很好的技术方案；为满足更高的排放法规欧洲ⅲ、ⅳ的要求，则必须采用电控可变喷嘴涡轮增压器。随着涡轮增压器技术和其他先进发动机技术的进一步发展，柴油发电机将会成为真采用柴油电控高压喷射技术。柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。
（2）采用可变压缩比技术
可变增压的目的就是在不同转速下尽可能达到最佳的增压效果。发动机增压，实际上就是提高进气密度，这不仅能够增加压缩终了的压力和温度，有利于缩短着火延迟期，而且对一定的喷射系统，喷注的锥角加大，贯穿距离缩短，有利于改善雾化特性。因此，增压与高压喷射系统的优化，可进一步改善放热规律。
一般发动机的压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经定好。不过，为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率，以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现，做为重要参数的压缩比，也有人尝试由固定不变改为“随机应变”。近年绅宝(saab)开发的svc发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比。其压缩比范围可从8：1至14：1之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。绅宝svc发动机是1.6l5缸发动机，每缸缸径68mm，活塞行程88mm，最大功率166kw，最大扭矩305n·m，综合油耗比常规发动机降低了30%，并且满足欧洲ⅳ号排放标准。
3、进气系统的优化。
对进气系统进行优化设计， 主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流， 以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少 nox 的生成。提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使nox的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少nox的排放，但又势必会牺牲柴油发电机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化，以兼顾柴油发电机在整个工况范围内务个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。
4、改进润滑系统设计
减少润滑油转化为50%，可有效降低柴油发电机的pm排放。增加活塞环压力，减少裙部间隙，优化活塞环形状设计，提高汽缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，可有效地降低润滑油消耗量，使串漏的润滑油有效地燃烧，也可有效地降低排放。
5、采用多气门技术
在柴油发电机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了nox排放，但增加了成本和结构的复杂性。例如采用四气门技术的缸盖，可优化喷嘴位置，使其垂直置于燃烧室中央。活塞顶的燃烧室凹坑也同样处于中心位置或旋转对称位置，这样就可在活塞顶燃烧室凹坑内形成均匀的气流，多孔喷嘴喷出的油束处于沿任何方向流量均等的理想状态，从而改善了进气涡流和油雾分布的均匀性，达到了最佳的空气利用率和降低颗粒排放的效果。四气门结构不仅能提高发动机功率，而且改善了活塞和喷油器的冷却条件，可在不同转速下实现涡流比可变，优化了燃烧
