中重型车用柴油机满足欧2排放法规的技术要求

董 尧 清     曹  霞

（同济大学汽车学院上海 200092）

【摘要】 本文论述中重型车用柴油机满足欧2排放所需采取的技术措施。讨论了增压中冷、喷射压力、燃烧系统、机油耗及燃油质量等关键因素对排放的影响程度。

关键词：技术措施；排放法规；车用柴油机；中重型

一.    前言

在世界许多国家中重型车排放在各种车辆排放总量的贡献率中占有主要地位,是可吸入颗粒和NO_X 排放的的主要污染源。因此, 中重型车柴油机排放已成为降低排放的主要控制目标。在我国，2002年柴油载重车产量已达到86.7万辆, 比2001年增长41.95%, 其中重型载重车生产25.3万辆，同比增加幅度达到60.97%。

由于历史的原因，我国执行发动机排放限制标准起步较晚，目前与国外发达国家比差距甚远。为适应我国加入WTO后与国际接轨的需要，为实施2008年在北京举办的奥运会的承诺，为我国国民经济的持续迅速发展和改善环境、提高人民生活质量的需要，我国对制定、公布和实施车用柴油机的排放标准十分重视，并不断加严。国家技术监督局1999年3月10日曾发布GB17691-1999“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法”排放标准。随后于2001年4月16日国家环境总局、国家技术监督检验检疫总局重新发布GB17191-2001“车用压燃式发动机排气污染的排放限值及测量方法”排放标准，将实施相当欧-2标准的时间提前了16个月，见表1。表2为GB17691-2001规定的我国车重大于3.5吨柴油机排放标准限值。据有关报导，一些主要城市将提前实施排放目标，如北京和上海已分别于2003年1月1日和2003年3月1日开始提前执行欧-2排放标准。为了迎接2008年的奥运会，北京地区将可能在2005年提前实施相当欧-3排放标准。因此，对各发动机制造厂来说，实施越来越严格的排放法规任务十分紧迫。

自1999年国家技术监督局公布车用柴油机有关排放法规以来各主机厂及汽车厂对降低现生产卡车柴油机的排放已作了大量的攻关研究，并取得明显的成效。许多厂家产品都能通过欧1排放标准，有不少机型已能达到欧2排放标准。本文则论述中重型车用柴油机满足欧2排放法规的技术要求。

表1    我国相当欧-2排放标准的实施时间

 

 

 

 

表2我国车重大于3.5吨柴油机排放标准（GB17691-2001）  型式试验/生产一致性

二.    欧2排放主要技术措施

中国车用柴油机的排放法规是等效采用欧共体ECE R49排放法规。 因此, 了解排放法规中的重点工况区对研究排放对策是必需的和有益的。图1给出了中国排放法规的重点工况区。下面则介绍应对欧2排放的主要技术措施。

1.       广泛使用增压中冷技术

增压可提高柴油机过量空气系数,燃烧完全,有效抑制PM的产生。增压后燃油消耗率下降，CO和HC也会进一步降低，同时增压使进气温度提高，使燃烧温度增加，致使增压后NO_X 比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制NO_X的恶化。一般进气温度降低1℃，最高燃烧温度和排气温度可降低2-3℃。一般车用发动机只增压不中冷可以达到欧1排放，但要达到欧2排放，就必须增压加中冷才能实现。图2为车用柴油机采用增压加中冷等各种技术措施后对NO_X 和PM的影响。为改善低负荷工况排放性能，增压器应带有放气阀结构。

2.       提高喷油压力, 控制供油速率, 优化喷油定时                                    图1  中国排放法规的重点工况区

重型车用柴油机要满足欧1排放, 要求喷油压力达到850巴；要满足欧2排放, 要求喷油压力达到1200巴。

近年来为满足中重型车用柴油机达到欧1排放要求，国内油泵行业已推出EP9型喷油泵（包括上柴P7泵，威孚PW泵，衡阳EP9泵，天纬PB泵，龙口PA泵等），进而为满足中型车用柴油机达到欧2排放要求，不少主要油泵厂已开始积极研制或完善P7100型喷油泵的开发。表3为EP9及P7100型喷油泵主要技术参数。图3及图4为EP9及P7100型喷油泵与满足欧2排放法规柴油机的匹配范围。

为提高喷油压力，降低排放，在喷油泵、喷油嘴设计中采取了如下多种技术措施：

（1）       优化设计凸轮型线，提高喷油速率；

（2）       优化柱塞直径，采用双螺旋槽，双回油孔结构，实现快速回油；

（3）       增加减压容积，提高出油阀弹簧刚度，提高

       回油速率，降低HC排放；

 

图2  车用柴油机采用增压加中冷技术措施              图3  EP9型喷油泵（NB）与满足欧2

对降低NO_X 和PM的效果                              排放法规柴油机匹配范围

 

表3  EP9及P7100型喷油泵主要技术参数

（4）       增加凸轮与滚轮接触宽度，降低接触应力；

（5）       使用三维有限元技术，强化泵体设计，提高可靠性；

（6）       重新设计调速器，提高工作能力，增大负校正行程；

（7）       使用等压出油阀，防止高喷油压力下出现穴蚀和二次喷射；

（8）       采用凹弧凸轮，实现先缓后急喷油速率；                          

（9）       使用双圆弧型线滚轮，凸轮和滚轮表面强化处理；

（10）   采用P系列喷油嘴，增加喷孔数，减少喷孔直径，缩小压力室容积，选用锥形小压力室或无压力室结构，降低HC和PM排放。满足欧2排放的喷油嘴压力室容积应控制在0.4mm以下。图5为压力室容积与颗粒排放的关系。

（11）   优化设计喷孔夹角和油束落点，实现均匀混合燃烧；

（12）   适当提高针阀开启压力，降低低负荷时HC排放；

（13）   采用双弹簧喷油器，提高发动机工作稳定性，降低噪声和NO_X 排放；

（14）   喷油嘴喷孔采用液体挤磨工艺，可使喷孔流量系数提高15%以上，提高流量系数与提高喷射压力一样，能同时有效减少HC和PM排放。图6为通过液体研磨后的6×Φ0.18喷油嘴与未经研磨的6×Φ0.22喷油嘴达到同样的流量系数,而使烟度和PM得到明显下降。

（15）   适当推迟喷油定时，降低NO_X 生成

图7为一卡车柴油机喷射定时和进气温度对NO_X 生成的影响关系。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.       进气涡流及燃烧系统优化匹配

随着喷油压力的提高,对进气涡流要适当降低。两者呈图8关系。

采用缩口燃烧室，并在保证活塞热负荷可承受的前提下，适当减小燃烧室缩口直径，尽可能使燃烧室中心向活塞中心靠近，以提高燃烧室内的涡流混合效果，为降低NO_X 生成创造条件。图9为适应排放要求柴油机燃烧室变化趋向。

在燃烧匹配中应十分注意烟度值对于颗粒排放的碳烟部分有着非常大的影响，尤其在最重要的第6（最大扭矩点）和第8（额定点）工况。要达到欧2排放，全负荷时的烟度值必须控制在1FSN值之内。

 

图7  一卡车柴油机喷射定时和进气温度

对NO_X 生成的影响关系

4.       降低机油耗

发动机排放物中的颗粒是由碳烟、硫酸盐及水分子以及未完全燃烧的燃油部分和机油部分组成。前部分是有机不可溶部分，后部分是有机可溶部分。这4种成分的相对组成部分比例取决于发动机的运转工况以及图10中列出的一些影响因素。

要降低机油耗，发动机设计中应注意以下几个方面：

（1）机体、缸套和缸盖的合理设计，保证缸套有最小的变形

影响缸壁引起的机油耗的因素很多，包括缸套变形；缸套表面储油能力；缸套、活塞环和环槽的磨损率；缸套表面温度；活塞环表面拉伤；活塞环截面结构、弹力及运动；活塞侧向运动等。机油通过活塞环窜入汽缸内燃烧，未燃尽部分随排气系统排出，是机油耗损的主要原因，约占机油耗损的90%以上。其中，缸套变形是引起机油耗增大的主要因素。图11为缸套变形对机油耗的影响一例。因此，设计中提高机体、缸套、缸盖的刚度、设计合理性和加工精度，尽可能降低缸套在发动机运转时的变形，是减少机油耗的一个主要措施。

（2）控制通过气门道管及增压器的机油泄漏。

（3）发动机在高速大负荷区是机油耗量最多的工况区，图12给出了一发动机在不同转速和负荷工况下机油耗的典型MAP图。因此，降低机油耗的工作更应     图9  适应排放要求柴油机燃烧室变化趋向

注意这一MAP图中所显示的工况特点。

（4）在活塞环和缸套生产中推广多网纹小平台工艺

 

图10  影响颗粒排放的因素            图11  缸套变形对机油耗的影响一例

度，以保证两者配合良好。

图13为一卡车柴油机缸套珩磨质量对PM排放影响的试验对比结果。

（5）优化活塞环结构

为提高活塞环与缸套的密封性，桶面环、扭曲环、锥面环、尖锐底边及钢片组合油环等新结构为许多不同机型的选用提供了更多的余地。

图13  一卡车柴油机缸套珩磨质量对            图14  燃油中含硫量对颗粒排放的影响

PM排放影响的试验对比结果

5.       提高燃油质量，降低燃油中含硫成分

在燃烧过程中，燃油中有一小部分硫会转变成硫酸盐及水分子。图14为燃油中含硫量对颗粒排放的影响。由于ECE R49循环的负荷最高。因此，硫含量对颗粒排放的影响也越大。由于燃油中硫含量对颗粒排放存在这一关系，因此美国从1994年，欧洲从1996年都已将燃油中硫含量降至小于500ppm, 这是达到相当于欧2排放标准所必须的。达到欧3排放的要求，燃油含硫量要限制到50ppm。到2005年达到欧4排放时，燃油含硫量将要控制到10ppm，这一值已接近到无硫燃油。现在中国的燃油质量相当于欧洲和美国1990年之前的水平，

即3000ppm。据报道，2003年7月起中国有可能执行新的燃油标准，含硫量控制在2000ppm。

 

三.    结论

1. 重型车用柴油机要满足欧2排放法规，将要广泛使用增压中冷技术；提高喷油压力, 控制供油速率, 优化喷油定时；进气涡流及燃烧系统优化匹配；降低机油耗和提高燃油质量，降低燃油中含硫成分等几方面着手。对具体机型应作具体分析，其中增压中冷和燃油系统匹配在其中起主导作用。

2. 近年来, 我国对车用柴油机排放法规的制定大大推动了车用柴油机的技术进步, 大多数车用柴油机都已能达到欧1排放法规指标, 一些技术产品比较先进的机型已相继报道开始达到欧2排放技术指标。这标志着我国车用柴油机工业的技术进步。一些有实力和远见的企业通过与国外的技术合作等方式, 已在着手规划或开展对欧3排放法规的开发研究工作。降低排放将无疑成为未来我国发动机生产企业间竞争中决定胜负的一块王牌。