R4105ZD型柴油机排放与控制

杨林

摘要：随着非道路柴油机越来越受到用户青睐，随之而来的是柴油机污染物排放量剧增，因此寻找一种经济可行的满足国三排放法规的技术措施已势在必行。本文针对R4105ZD型柴油机进行了优化性能，降低排放的改进设计研究。

关键词：发电用柴油机;排放;电喷

中图分类号：TK45+7      文献标识码：A 文章编号：1003-2177（2019）12-0113-03

再造绿色家园，重现蓝天白云，致力于环境保护是各柴油机生产企业的崇高使命。近年来，随着经济社会的飞速发展，伴生而来的是污染物排放量剧增，雾霾已经成为社会关注的焦点，解决雾霾问题已成为改善民生的当务之急，在这样的背景下，我国出台了非道路国三排放标准政策。所以进行R4105ZD型柴油机排放达国三的研究是顺应时代的要求。积极按照国家相关法规推进国三切换工作，提出了“转型升级、绿色发展”的新理念。

在柴油发电机组中，柴油机排气是环境污染的重要来源。在理想的燃烧条件下，柴油机燃烧产物的主要成分为二氧化碳CO2、水蒸气H20、氮气N2和过量氧气，基本无害。但由于实际燃烧过程，如柴油质量和混合形成的雾化质量，燃烧室内换气条件，可燃混合气形成速度以及燃烧室势力状态等因素的制约，柴油机燃烧产品除了含有上述的主要无害成分，还含有少量的一氧化碳CO，未燃尽的碳氢化合物的HC、碳、氢、氮氧化物、氮氧化物和碳烟等有害成分。除了75.5%的氮气，10%的二氧化碳，8%的水蒸气和6%的氧气对人类是无害的外，其余0.2%的NO，0.01%的NO2，0.03%的HC和0.05%的一氧化碳CO，0.01%的二氧化硫和不到0.01%的颗粒都是有害物质，这是酸雨的形成和臭氧层破坏的罪魁祸首。柴油机环境污染主要有三个方面：一是柴油机排出的废气污染大气;二是噪声对环境的污染;三是废油和废水污染土壤或地表水。其中，对人类健康危害最大的是废气排放。柴油机温度越高，N2、O2浓度越高，NO的生成速率越高。由此可见，影响NO生成速率最重要的因素是温度、时间和喷油角度。碳烟生成的因素可以概括为时间、温度和湍流，温度越高，停留时间越长，湍流混合好，促使HC氧化，总粒子TPM将减少，但氮氧化物的形成在同一时间将会增加，这是在直接喷射柴油机“颗粒——氮氧化物权衡曲线”、柴油机调试减排目标时，是把一种污染物（如用高压喷射把TPM指标满足法律法规的要求）利用燃烧改善本身达到要求，燃烧过程中氮氧化物在高温的作用下，参与燃烧的空气的氮与过量空气中的氧的反应生成物;碳烟在高温缺氧条件下，碳氢燃料裂解而形成的游离状微粒。然后再对另一种污染物用其它方法（例如对NOX用EGR、推迟喷油提前角、废气后处理）来达到法规要求。

现代柴油机控制和降低排放集中体现在进气系统、燃烧系统、喷射系统以及后处理系统的发展上。控制和降低柴油机的排放主要从以下几个方面入手：（1）通过提高燃油品质，进气质量等手段，如采用增压中冷，多气门技术，EGR等;（2）现代柴油机对柴油喷射技术的要求为：准确的燃油计量，灵活的喷油定時，最佳的喷油压力，优化喷油规律。（3）采用在柴油机排气尾部加装废气净化装置以进一步降低有害排放物直接进入大气，例如采用催化转换器和颗粒捕集器等可以有效地降低NOX和颗粒的排放。

1 柴油机的主要技术参数

型号                                 R4105LD

型式         直列、水冷、四冲程、直喷燃烧室

气缸数目                                4

缸径×冲程（mm）                   105×125

总排量（L）                             4.33

进气方式                               增压

标定功率/转速 kW/ r/min            56/1500

最低燃油消耗率 g/KW.h              ≤226

机油消耗率 g/KW.h                 ≤1.63

稳定调速率 %                          ≤8

最低空载稳定转速 r/min                ≤700

排气烟度（Bosch）                      ≤3.1

2 电控喷射系统

电控发电用柴油机喷射系统由传感器、ECU和执行机构组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现喷油量和喷油正时随工况的实时控制。无论哪种电子控制系统，控制的基本原理都是一样的，即以ECU为控制核心，以传感器为控制基础，以执行器为控制对象，以保证每个系统都能处于最佳状态。柴油机电子控制喷射系统以柴油机转速和负载作为一个基本的信号反映柴油机的实际工作条件，参照试验得出的柴油发动机的各工况相对应的喷油量和喷油定时确定基本喷油量和喷油正时，然后根据各种因素，例如，油温、水温、大气压力等进行各种补偿，从而得到最佳的喷油量和喷油正时，然后通过执行机构来控制输出。柴油机电控系统可根据不同工况控制喷射量、喷射定时、喷射压力、喷射速率等喷射参数。

根据供油的控制方式，柴油机电控系统可分为四种类型：位置控制方式、时间控制方式、时间压力控制方式和压力控制方式。位置控制模式和时间控制模式是第一代的早期柴油机电子控制系统，他们是在传统柴油机燃料供给系统上只是取消机械调速器，增加和电子执行器、传感器、电子控制单元注。时间压力控制方式和压力控制方式均属于第二代柴油机电控系统，从根本上改变了传统燃油供应系统的组成和结构。其主要特点是电控共轨高压油管（各缸喷油器共享），其喷射压力通常高于传统的柴油供油系统。共轨腔内的高压可直接用于喷射，节省了喷油器内的增压机构。此外，共轨腔内存在连续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可根据发动机负荷、经济性和排放的要求，灵活调节共轨腔内的油压，尤其可优化柴油机的低速性能。高压共轨电控喷油系统的工作原理如图1所示。

3 试验结果

近年来，随着经济社会的飞速发展，伴生而来的是污染物排放量剧增，雾霾已经成为社会关注的焦点，解决雾霾问题已成为改善民生的当务之急，在这样的背景下，我国出台了非道路国三排放标准政策。首先，在国三发动机的技术升级路线方面，针对国内各区域用户使用水平、作业环境、功率需求和燃油条件存在差异的现状，国三产品可采用电控单体泵和高压共轨的技术路线并行推进开展配套。这样可以满足主机厂和用户多元化的需求，方便他们结合自身现状，有针对性地采用市场适应性最好的产品。其次，各排放设备企业也致力研究各种技术达标的零部件满足排放需求，为满足国三排放可选择的排放配置類型比较多，可结合企业需求找到满意的配置。

3.1 排放标准

非道路移动机械用柴油机排气污染物中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、和氮氧化合物（NOx）、颗粒物（PM）的比排放量，乘以按照标准所确定的劣化系数，或加上按照标准所确定的劣化修正值，结果都不超出表1规定的限制。

以上非道路用柴油机国三标准与国二、国一进行对比可知第三阶段有如下变化：

（1）加严污染物的排放限值：各功率段污染物的主要变化在HC+NOx，HC+NOx降低幅度约30%-40%，CO没有任何变化，PM只有19≤Pmax<37 和Pmax<8功率段有所降低，降低幅度分别为25%和20%。

（2）增加了耐久性的技术要求：为确保非道路移动式机械柴油发动机及其排放控制系统的正常运行，满足气体污染物和颗粒物的相关排放限值，引入了有效寿命的概念，并已在型式核准时确定了使用时间。

3.2 试验结果

电控柴油高压共轨系统则相当于柴油发动机的“心脏”和“大脑”，其品质的好坏，严重影响发动机的使用。试验采用了国产共轨系统。该系统采用高压油泵燃油润滑，杜绝了机油混入燃油中，可以改善排放，降低燃烧颗粒和油嘴结焦几率;此外，喷油嘴使用中空蓄压技术，可以防止油嘴偶件卡死，提高油品适应性，降低故障概率;且喷油器可以静态零回油，从而降低燃油回油温度，改善燃油消耗量。试验结果如表2。

进行R4105ZD型柴油机排放达国三的研究是顺应时代的要求。积极按照国家相关法规推进国三切换工作， R4105ZD型柴油机达到国三，企业就可按照国家政策进行生产，年产值2000台，创造销售收入3000万元。

参考文献

[1]谢秀丽.读农机动力排气污染的危害与控制措施[J].农机使用与维修，2016（06）：11.

[2]李晶晶.柴油机电控高压共轨燃油喷射系统控制策略及仿真研究[D].北京交通大学学位论文，2011.

[3]王书庆.柴油机欧IV控制策略的研究[D].大连海事大学学位论文，2010.

[4]邢春鸿.直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放研究[D].太原理工大学学位论文，2007.