摘要：ＧＢ２０８９１—２００７（非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ｉ、Ⅱ階段）》已經(jīng)實(shí)施，為滿足此法規(guī)，探討一種開發(fā)低成本柴油機(jī)的路線。
關(guān)鍵詞：小型非道路柴油機(jī)  排放控制
　　1.引言
　　能源與環(huán)保是當(dāng)今世界發(fā)展的兩大主題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非道路用柴油機(jī)的污染物排放問題日益得到人們的普遍關(guān)注。世界主要國(guó)家均制定了非道路用柴油機(jī)的排放法規(guī)。要滿足未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)，需要對(duì)原有機(jī)型進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，進(jìn)行排放控制研究。
　　隨著全球工業(yè)高度發(fā)展，環(huán)保已經(jīng)成為人們最為關(guān)注的問題之，各國(guó)家和地區(qū)都先后推出了本地的環(huán)保法規(guī)來保護(hù)我們的地球。然而在城市大氣污染中汽車和工程機(jī)械的污染是不可忽視的一分，發(fā)達(dá)的國(guó)家首先在汽車上執(zhí)行了排放法規(guī)，而后在工程機(jī)械其它內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力設(shè)備上執(zhí)行。我國(guó)在汽車和工程機(jī)械排放法規(guī)執(zhí)上相對(duì)較晚，但從這幾年汽車排放標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)的進(jìn)度來看是很快。
　　中國(guó)農(nóng)業(yè)的日漸現(xiàn)代化，小型非道路柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。由于小型非道路柴油機(jī)的應(yīng)用，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，提高了我國(guó)糧食的產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是我國(guó)農(nóng)業(yè)的必然趨勢(shì)，所以小型非道路柴油機(jī)在我國(guó)還有很廣泛的發(fā)展空間[1]。

　　 2.排放的法規(guī)
　　目前世界上非道路用機(jī)動(dòng)設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)以美國(guó)和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)最具代表性。美國(guó)是世界上治理尾氣排放最早的國(guó)家。1964年，美國(guó)加利福尼亞州在世界上率先邁出了控制車輛尾氣排放的第一步，1970年美國(guó)國(guó)會(huì)通過了“凈化空氣法案”，并組建了美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署(EPA)。同年，歐洲和日本也制定了相應(yīng)的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。此后的幾十年，各國(guó)都相繼制定了越來越嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。但非道路用機(jī)動(dòng)設(shè)備尾氣排放引起的空氣污染問題，并未引起人們的重視。直到20世紀(jì)90年代，歐美國(guó)家才開始著手研究和限制非道路用機(jī)動(dòng)設(shè)備的尾氣排放[2]。
　　非道路用柴油機(jī)的排放法規(guī)在美國(guó)最為嚴(yán)格，目前僅有美國(guó)和中國(guó)對(duì)所有功率段柴油機(jī)都提出其排放限值。中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB20891-2007給出了中國(guó)非道路用柴油機(jī)排放Ⅰ階段和Ⅱ階段的限值。美國(guó)、歐盟、日本的≤37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值如表1、表2和表3所示，中國(guó)現(xiàn)行的≤37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值如表4所示。分析表1～表4可以看出，美國(guó)是控制排放最嚴(yán)的國(guó)家，最早提出控制非道路用柴油機(jī)排放。我國(guó)單缸柴油機(jī)產(chǎn)量最大，按功率計(jì)算占總產(chǎn)量的近40%，因此從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我國(guó)起步較晚，以2009年10月執(zhí)行第Ⅱ階段限值為例，它與美國(guó)2000年開始執(zhí)行的第Ⅰ階段限值是相同的，兩者相差10年。日本和歐盟等國(guó)小功率、單缸柴油機(jī)用量較少，歐盟對(duì)18kW以下的柴油機(jī)尚未提出排放法規(guī)限值[3]。
　　
　　 表1　美國(guó)≤37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值

　　表2　歐盟≤37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值

　　表3　日本≤37kW的非道路用柴油機(jī)法規(guī)排放限值

　　表4　中國(guó)≤37kW的非道路用柴油機(jī)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的排放限值

　　另外，從國(guó)外排放法規(guī)看，由于小功率柴油機(jī)多為單缸或兩缸柴油機(jī)，對(duì)18kW以下的柴油機(jī)排放法規(guī)限值加嚴(yán)量相對(duì)較大，功率段要少，如美國(guó)從現(xiàn)在到2013年，法規(guī)有Tier3，Tier4初和Tier4終共3個(gè)階段，但18kW以下的柴油機(jī)排放限值僅都為一個(gè)階段限值。歐盟第Ⅲ階段有A，B，C對(duì)37kW以下的柴油機(jī)排放限值也僅為一個(gè)限值，但限值要求明顯提高。這說明，小功率柴油機(jī)受結(jié)構(gòu)、成本及用途等因素限值，降低排放的一些先進(jìn)技術(shù)(如增壓、EGR、電控等)難以應(yīng)用。特別是單缸柴油機(jī)對(duì)較低要求的排放限值僅能通過機(jī)內(nèi)凈化解決，而高要求的排放限值也只能以機(jī)內(nèi)凈化為主，通過排氣后處理(如氧化型催化器)解決。
　　隨著柴油機(jī)的廣泛使用，柴油機(jī)的環(huán)境污染，噪聲污染、冷起動(dòng)性能及振動(dòng)，已經(jīng)成為衡量柴油機(jī)的技術(shù)水平的重要指標(biāo)。應(yīng)該借鑒國(guó)外先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)，在加強(qiáng)立法和嚴(yán)格執(zhí)法的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步依靠技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備支撐。要滿足現(xiàn)行及未來的排放法規(guī)，就必須降低有害物質(zhì) CO、HC、NOx 和微粒的排放，采取各種技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和低排放目標(biāo)。

3.技術(shù)路線

　　 3.1噴霧油束油線在燃燒室的周向分布設(shè)計(jì)
　　通過油束油線在活塞頂燃燒室周邊落點(diǎn)的幾何分布可以討論燃油與空氣的周向混合的均勻性。對(duì)于傳統(tǒng)的兩氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到進(jìn)氣、噴油和燃燒室的匹配要求，氣缸中心、燃燒室中心、噴油嘴中心三者不能重合。由于油嘴中心與燃燒室中心不重合， 按在活塞頂投影布置油線落點(diǎn)的原則， 已有的設(shè)計(jì)有等圓弧、 等角度、等面積3種。所謂等圓弧是指落點(diǎn)之間的燃燒室的周壁等弧長(zhǎng)，等面積是指兩油線夾角在活塞頂上的扇形投影面積相等，等角度是指相鄰兩油束在活塞頂平面的投影夾角相等。試驗(yàn)結(jié)果表明：油線等角度布置時(shí)，柴油機(jī)的低速性能較好；油線等面積布置時(shí)，柴油機(jī)的高速性能較好；油線等圓弧布置時(shí)，可在高低速之間取得折中的性能指標(biāo)。此外，無論采用哪種方案布置油線，其噴孔的油束油線均應(yīng)以燃燒室中心與油嘴中心形成的連線為中心對(duì)稱布置，此時(shí)各油線的長(zhǎng)度差值最小。因噴油器相對(duì)氣缸中心傾斜安置， 各噴油孔與噴油嘴軸線之間有不同的傾斜角，造成噴油嘴各噴孔的噴油量不均等，由于存在各噴孔的噴油量差異，采用上述等面積布置油線顯然不能實(shí)現(xiàn)周向等空燃比的油氣分布。合理的周向油線布置原則應(yīng)該是噴孔的噴油量偏差與活塞頂燃燒室油線夾角的投影面積大小成對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。

　　 3.2重新設(shè)計(jì)燃燒室結(jié)構(gòu)
　　燃燒室形狀對(duì)室內(nèi)的氣體流動(dòng)、油氣混合和燃燒的進(jìn)行影響很大，從提高性能、降低排放的全面要求出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)我們主要考慮以下幾點(diǎn):(1)增大燃燒室容積比，這對(duì)于提高柴油機(jī)的冒煙界限、降低碳煙和顆粒的排放都起到了很好的作用；(2)兩種結(jié)構(gòu)的共同之處是都由直口式結(jié)構(gòu)改為縮口結(jié)構(gòu),徑深比適當(dāng)減小以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)渦流強(qiáng)度，從而加速了混合氣的生成、避免局部混合氣過濃?？s口結(jié)構(gòu)形式的燃燒室雖然使燃燒室的燃燒溫度略有上升，不利于控制NOx的排放；但它能夠滿足推遲供油的要求，這又很大程度上抑制了NOx的生成，最終推遲供油對(duì)NOx的抑制作用成為了主要影響因素，使得NOx的排放大大降低[5]。

　　 3.3柴油機(jī)機(jī)體的改進(jìn)設(shè)計(jì)
　　在小型非道路柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)體進(jìn)行了強(qiáng)化改進(jìn)，改進(jìn)的指導(dǎo)思想是采用剛性化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度上滿足今后進(jìn)一步提升平均有效壓力的要求，在性能上滿足排放要求，機(jī)體的氣缸蓋螺栓孔采用深沉孔結(jié)構(gòu)，將氣缸蓋螺栓孔搭與主軸承蓋螺栓孔搭通過較粗的加強(qiáng)肋聯(lián)為一起，使機(jī)體在承受氣缸爆發(fā)壓力時(shí)變形降至最小。同時(shí)將機(jī)體裙部改為雙曲面結(jié)構(gòu)并布置合適的加強(qiáng)肋。通過以上改進(jìn)措施大大強(qiáng)化了機(jī)體的剛性，減小了機(jī)體缸套孔在工作過程中的變形量[6]。

　　 3.4機(jī)體鑄件質(zhì)量水平的提高
　　缸孔壁厚的均勻性除對(duì)柴油機(jī)的散熱效果有影響外，更主要的是由于其壁厚不均而產(chǎn)生較大的變形，這無疑會(huì)導(dǎo)致排放的進(jìn)一步惡化。因此，重新設(shè)計(jì)制造鑄模，采用新的缸體工藝生產(chǎn)鑄件，使生產(chǎn)的鑄件不但缸套孔壁厚均勻，其冷卻水套形狀以及鑄件的強(qiáng)度、剛性、外觀質(zhì)量等都有明顯的改善提高[7]。

　　 3.5配氣相位的調(diào)整
　　合適的配氣相位對(duì)柴油機(jī)的性能和排放的有非常大影響。進(jìn)氣采用較小的早開晚關(guān)角，有利于最大扭矩點(diǎn)的充氣效率。排氣采用較小的晚關(guān)角，使氣缸內(nèi)留
有適量的殘余廢氣，以改善NOX的排放。

　　 3.6油泵油嘴的重新匹配
　　為了降低排放，在供油系統(tǒng)上首先考慮提高噴油泵的泵端壓力、提高供油速率。(1)泵端壓力提高了以后，燃油霧化變好、油霧顆粒的平均直徑減小，這使得燃油與空氣的混合更加充分、燃燒更加充分，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性提升的同時(shí)，排放結(jié)果也得了改善。(2)當(dāng)最大供油量一定并保持噴油終點(diǎn)不變時(shí)，供油速率增大時(shí)相應(yīng)噴油正時(shí)減小，在各工況下NOx的濃度均減小。因噴油終點(diǎn)不變，放熱規(guī)律受影響不大避免了煙度的上升和功率的下降，這比單獨(dú)減小噴油正時(shí)的方法要好。為了提高泵端壓力和供油速率，采用最直接有效的措施：加大凸輪軸升程和柱塞直徑。噴油器的改進(jìn)，主要從孔徑、油束空間分布、壓力室容積、開啟壓力等方面入手。適當(dāng)增加開啟壓力并采用小孔多點(diǎn)噴射，使噴油顆粒更加細(xì)化、燃油與空氣的混合更加充分均勻；根據(jù)燃燒室的形狀和位置的不同對(duì)噴油器的油束空間分布進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了噴油落點(diǎn)、油線夾角、進(jìn)氣門位置等因素；在燃燒過程的后期噴油器的針閥雖然已經(jīng)給關(guān)閉，但壓力室內(nèi)儲(chǔ)存的燃油受高溫影響膨脹，其中一部分以滴漏的形式進(jìn)入燃燒室參加燃燒，生成了大量的HC，為此減少壓力室容積，這樣對(duì)控制HC生成非常有效[8]。

　　3.7微粒捕集器
　　柴油機(jī)微粒捕集器，可將排氣中微粒捕捉不使其排出機(jī)外，再利用催化劑，氧化器，燃燒器等進(jìn)行分解、燃燒。這利裝置可將柴油機(jī)排氣中有害物微粒減少 70%~90%。用來捕集微粒的過濾器的材料和結(jié)構(gòu)有許多種，常用的有整體式陶瓷，金屬絲網(wǎng)，紡織纖維圈，陶瓷纖維，泡沫陶瓷等。

　　 3.8催化凈化裝置
　　催化凈化裝置是一種內(nèi)部裝有催化劑的裝置，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中。催化劑能使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的有害成分加速轉(zhuǎn)變成無害成分。催化凈化方法有兩種，一種是催化氧化法（如氧化催化反應(yīng)裝置），它以鉑，鈀，黃金，鈷，鎳等金屬及其氧化作為催化劑，使有害成分一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）氧化成無害成分二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）。另一種是催化還原法（如氨選擇性催化還原 NOX(NH3-SCR)），它以堿金屬，鈷鉻合金作為催化劑，使有害成分氮氧化合物（NOX）還原為氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）。氧化催化反應(yīng)裝置在車用發(fā)動(dòng)機(jī)中已廣泛應(yīng)用，氨選擇性催化還原NOX(NH3-SCR)是當(dāng)今 NOx 催化凈化的研究熱點(diǎn)之一[9]。

　　 4.總結(jié)
　　 通過前期多方查閱資料，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律和改進(jìn)途徑：
　　（１）改進(jìn)機(jī)體的結(jié)構(gòu)，提高剛性減少變形是有效改善柴油機(jī)排放的基礎(chǔ)。
　?。?）合理優(yōu)化燃燒室、鑲塊、高壓油管的設(shè)計(jì)參數(shù)可以在低成本的基礎(chǔ)上開發(fā)出滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的非道路用柴油機(jī)。
　　（3）采用微粒捕集器、催化凈化裝置也能有效地改善小型非道路柴油機(jī)的排放。
從中可以看出唯有技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備支撐才能最快達(dá)到排放限制。在以后的調(diào)研中，將繼續(xù)深入研究實(shí)現(xiàn)小型非道路柴油機(jī)低排放的各種辦法，對(duì)各種方法的技術(shù)路線、花費(fèi)、排放優(yōu)化程度進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，并找出最優(yōu)的技術(shù)路線。

　　5.參考文獻(xiàn)
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　　[4]丁雨林.滿足未來排放法規(guī)的非道路用柴油機(jī)技術(shù).現(xiàn)代零部件，2008:4
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　　[9]丁洪春，李忠照.非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排放法規(guī)與控制策略.中國(guó)水運(yùn)，2008:1