康明斯柴油发电机的机内排放控制技术
发布时间：2024-05-06 点击：133
康明斯柴油发电机的机内排放控制技术
1．喷射系统的控制
喷射系统的控制目的，除了良好的雾化特性和喷注与燃烧室良好匹配的基本要求以外，就是控制喷油规律，由此有效地控制燃烧放热规律，达到既节能又降低排放的目的。为此，对发电用柴油发电机的喷射系统提出高压喷射化，而且喷射压力、喷射时期、喷射量及喷油规律可控制，同时高精度、高响应特性等要求。现阶段满足这些要求的有高压共轨系统、泵喷嘴系统等。
以高压共轨系统为例，如前所述，它通过柱塞式高压泵的泵油速率保证喷射压力的高压化，同时在共轨中设置压力传感器，通过ecu反馈控制高压泵的电磁阀来实现喷射压力的任意控制。喷射时期是直接通过喷油器的电磁阀任意控制针阀的开启时刻来实现自由控制的，并通过电磁阀的通电时间（脉宽）任意控制喷射量。喷油规律是将每个循环燃烧所必需的喷射量分多次喷射的方式进行控制，这就要求喷油器有足够高的响应特性和控制精度，喷油器的响应特性和控制精度取决于电磁阀的高频响应特性和针阀系统的惯性质量。相对单体泵和泵喷嘴系统，由于高压共轨系统直接控制喷油器，所以在控制响应特性上占优势，因此轻型高速柴油发电机上普遍采用高压共轨系统。为了实现喷油规律的精确控制，对喷油器的设计提出了以下两点要求：
（1）喷射压力的进一步高压化
现阶段国外高压共轨喷射压力已达180～300mpa，泵喷嘴系统的最高喷射压力也超过200mpa。高压化后需要解决的就是高压密封性、耐压强度的提高以及相对运动副耐磨性的提高。
（2）实现多阶段喷射方式
目前高压共轨系统可实现每个循环六阶段喷射方式，由此在整个循环内合理分配燃料喷射量，有效控制放热规律，以完善循环热效率，提高柴油发电机的整机性能。实现多阶段喷射方式需要精确控制各阶段之间的喷射间隔时间，所以要求提高喷油器的响应特性。为了进一步提高喷油器的响应特性，已研究开发压电式喷油器。
电控共轨燃油系统-
2．新的燃烧方式
柴油发电机燃烧过程中主要问题就是微粒（碳烟）和nox排放。这两种排放物的生成均与空燃比和燃烧温度有关。一般控制排放的机内措施对这两种排放物的控制相互矛盾，即降低nox排放的措施一般都使微粒排放量增加。所以，作为同时降低微粒和nox排放量的技术，必须同时控制混合气的形成过程（或空燃比）和燃烧温度。为此开发研究有关低温燃烧技术和均质压燃（hcci）技术。
（1）低温燃烧技术
典型的低温燃烧技术有mk（modulated kinetics）燃烧方式。这种燃烧方式的特点是低温燃烧和预混合燃烧方式的组合，由此达到同时降低nox和微粒（pm）排放量的目的。实现mk燃烧方式的基本原理是，通过egr降低氧含量的同时降低燃烧温度，由此降低nox排放量。为了同时降低微粒（pm）排放量，采用高压喷射，以缩短喷射期间，同时结合实施冷egr及提前喷射，延长着火延迟期，实现预混合燃烧，达到同时降低微粒排放量的目的。为了控制预混合燃烧，以燃料喷射持续时间和着火延迟期之差作为预混合化的控制指标。当喷射持续时间小于着火延迟期时，就可以认为是预混合燃烧。因此，通过燃料的十六烷值和压缩比的调节来满足预混合燃烧的条件（图1），实现mk燃烧方式。图6-57所示为mk燃烧方式对排放的影响。当无egr时nox排放量比较高，为了降低nox排放量，实施egr率为30％的废气再循环时，虽然nox排放量是降低了，但是微粒排放量明显增加，而且喷射持续时间与着火延迟期的差值较大（大于0），表明扩散燃烧阶段较长。通过提高喷射压力，降低微粒排放量，同时实施冷egr，实现预混合燃烧，可进一步降低no，和微粒的排放量。
mk燃油方式对排放的影响
（2）hcci技术
hcci燃烧方式，是为了同时解决节能（提高热效率）和降低nox、碳烟等排放问题而提出的新的燃烧模式，其实质是开发可避免nox和微粒生成的温度区和空燃比领域的高热效率的稀薄低温燃烧技术。实现hcci燃烧方式所必要的技术措施有配气定时可变控制技术、egr控制技术及喷射定时控制技术等。其中具有代表性的配气定时可变控制技术是全程可变配气定时fvvt（full variable valve timing）技术，其特点是气门升程和配气定时均可连续可变控制，由此实现负气门重叠角控制，为实现hcci燃烧方式创造条件。结合配气机构的控制，在压缩过程早期的恰当时刻喷油，使着火延迟期足够长，由此在气缸内形成稀薄的预混合气，并通过压缩过程和egr率的控制实现hcci的燃烧过程。实现hcci燃烧方式的关键技术在于缸内空燃比的分布特性和混合气温度的精确控制。空燃比及其均匀化，一般可通过高压喷射及喷射时期来控制，而着火时刻及最高燃烧温度是通过进气温度、egr以及喷射方式和喷油规律来控制的。hcci燃烧方式在小负荷范围内比较容易实现，但负荷过小时易出现失火现象，反而使hc排放量增加；而在较大负荷时实现hcci燃烧，容易造成柴油发电机工作粗暴。这就是说，发电用柴油发电机可实现hcci燃烧方式的工况是很有限的。
（3）pcci技术
为了扩大hcci燃烧方式的负荷领域而研究的具有一定成效的技术措施之一就是预混合压燃（pcci）方式。这种方式与hcci方式相比较，存在缸内混合气形成及温度分布不均匀的问题。pcci一般通过两阶段或多阶段喷射方式，在气缸内先形成稀的预混合气后，使主喷射压燃，燃烧稀混合气，由此在较大负荷工况下实现pcci燃烧。图2所示为采用两阶段喷射方式，结合降低压缩比和实施egr来实现pcci的燃烧方式，由此预混合燃烧阶段的放热率峰值得到很好的控制。一般在压缩比较高（如ε＝17）的状态下，进行两阶段高压喷射时，早期喷射的燃料在压缩过程中燃烧，虽然这对主喷射燃烧时的压力升高率和最高燃烧温度的控制有利，但会造成压缩负功增加，所以预喷射量不宜过多。实施egr率为30％左右的egr后，虽然降低了初期喷射燃烧的放热率峰值，但变化不明显。当把压缩比降低到14而不实施egr时，由于缸内温度降低，有效地抑制了初期燃烧的放热率，但整个燃烧阶段燃烧速率降低，燃烧放热过程有所延长。在降低压缩比的同时实施egr率为30％左右的egr时，由于着火延迟期延长，预喷射燃料中的大部分形成稀薄的均匀混合气，使初期燃烧放热率明显减小，而在主喷射阶段，促进了预混合燃烧过程，使得主喷射燃烧过程中的初期放热速率明显得到提高。
燃烧方式对放热规律的控制效果
（4）反应性控制压燃（rcci）技术
hcci或pcci燃烧模式虽能实现低温预混合燃烧方式，由此实现同时降低no，和碳烟排放的问题，但是其缺点是这种燃烧方式的负荷适用范围很窄，而且还要精确控制燃烧相位，如果控制不当会引起工作粗暴或燃烧效率下降等问题。反应性控制压燃（reactivity controlled compression ignition，rcci）是为了解决这种低温预混合燃烧模式不可控问题而提出的一种新的低温预混合燃烧模式，其实质就是控制混合气燃烧过程中的活性分子。实现rcci燃烧模式的途径主要有燃料重整技术和双燃料控制技术。燃料重整技术是通过前处理或催化剂，将进入气缸前的燃料改制成轻质燃料的技术，由此通过增加混合气中的活性分子，控制燃烧相位。而通过双燃料控制技术来实现rcci燃烧模式，实际上就是通过进气道喷射（pfi）的燃油系统和缸内直喷（di）燃料系统的两套燃油系统来控制燃烧过程的技术。即将易挥发的低反应性燃油（如汽油等）在进气道喷射，使其在着火前在缸内充分形成均匀混合气；而缸内直喷（di）燃油系统，将高反应性燃料（如柴油等）在压缩终了附近直接喷入气缸实现压燃，以此点燃缸内已形成的均匀混合气。这种rcci模式在不同负荷下，通过调整pfi和di的燃料比例，可以实现控制燃烧相位的目的。rcci虽采用两套燃油系统，但pfi燃油系统要求的喷射压力很低，只需要0.4mpa左右，因此结构简单、价格低；而di系统可采用现有的高压共轨喷射系统，其喷射压力不需要很高，一般在100mpa以下就可满足要求，可最大限度地降低成本。
3．不同阶段柴油发电机的控制技术
随着发电用柴油发电机排放法规的不断强化，所对应的技术措施也有所不同。自2000年开始实施的欧洲ii排放法规开始，对测试方法提出了新的要求，去掉了原柴油发电机起动后允许的40s暖机时间，新增了hc和co等排放量低温检测和车载诊断系统的检测等项目，同时对hc和nox排放物分别单独测量，这对冷起动排放控制提出了更严格的要求。对应这种排放法规，国外已开发出喷射压力为160mpa以上的高压喷射技术（包括单体泵、泵喷嘴、高压共轨）、冷egr技术、可变增压（vgs/vnt）技术、预喷射燃烧技术、进气涡流可变系统等，并限制燃料含硫量为50×10-6（体积分数）以下；采用柴油发电机氧化催化转化器（dieseloxidation catalyst，doc）、柴油发电机微粒滤清器（diesel particulate filter，dpf）等后处理技术。
针对2005年实施的欧洲iv排放法规的技术措施，主要包括高压多阶段喷射技术、闭环电控、高增压和可变增压（vnt）技术、高冷egr技术和pci燃烧方式，将燃料含硫量限制在50×10-6以下。针对2009年实施的欧洲v排放法规的技术措施，主要是200mpa的高压多阶段喷射、部分实现hcci燃烧、采用内部egr控制技术、限制
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1．喷射系统的控制
喷射系统的控制目的，除了良好的雾化特性和喷注与燃烧室良好匹配的基本要求以外，就是控制喷油规律，由此有效地控制燃烧放热规律，达到既节能又降低排放的目的。为此，对发电用柴油发电机的喷射系统提出高压喷射化，而且喷射压力、喷射时期、喷射量及喷油规律可控制，同时高精度、高响应特性等要求。现阶段满足这些要求的有高压共轨系统、泵喷嘴系统等。
以高压共轨系统为例，如前所述，它通过柱塞式高压泵的泵油速率保证喷射压力的高压化，同时在共轨中设置压力传感器，通过ecu反馈控制高压泵的电磁阀来实现喷射压力的任意控制。喷射时期是直接通过喷油器的电磁阀任意控制针阀的开启时刻来实现自由控制的，并通过电磁阀的通电时间（脉宽）任意控制喷射量。喷油规律是将每个循环燃烧所必需的喷射量分多次喷射的方式进行控制，这就要求喷油器有足够高的响应特性和控制精度，喷油器的响应特性和控制精度取决于电磁阀的高频响应特性和针阀系统的惯性质量。相对单体泵和泵喷嘴系统，由于高压共轨系统直接控制喷油器，所以在控制响应特性上占优势，因此轻型高速柴油发电机上普遍采用高压共轨系统。为了实现喷油规律的精确控制，对喷油器的设计提出了以下两点要求：
（1）喷射压力的进一步高压化
现阶段国外高压共轨喷射压力已达180～300mpa，泵喷嘴系统的最高喷射压力也超过200mpa。高压化后需要解决的就是高压密封性、耐压强度的提高以及相对运动副耐磨性的提高。
（2）实现多阶段喷射方式
目前高压共轨系统可实现每个循环六阶段喷射方式，由此在整个循环内合理分配燃料喷射量，有效控制放热规律，以完善循环热效率，提高柴油发电机的整机性能。实现多阶段喷射方式需要精确控制各阶段之间的喷射间隔时间，所以要求提高喷油器的响应特性。为了进一步提高喷油器的响应特性，已研究开发压电式喷油器。
电控共轨燃油系统-
2．新的燃烧方式
柴油发电机燃烧过程中主要问题就是微粒（碳烟）和nox排放。这两种排放物的生成均与空燃比和燃烧温度有关。一般控制排放的机内措施对这两种排放物的控制相互矛盾，即降低nox排放的措施一般都使微粒排放量增加。所以，作为同时降低微粒和nox排放量的技术，必须同时控制混合气的形成过程（或空燃比）和燃烧温度。为此开发研究有关低温燃烧技术和均质压燃（hcci）技术。
（1）低温燃烧技术
典型的低温燃烧技术有mk（modulated kinetics）燃烧方式。这种燃烧方式的特点是低温燃烧和预混合燃烧方式的组合，由此达到同时降低nox和微粒（pm）排放量的目的。实现mk燃烧方式的基本原理是，通过egr降低氧含量的同时降低燃烧温度，由此降低nox排放量。为了同时降低微粒（pm）排放量，采用高压喷射，以缩短喷射期间，同时结合实施冷egr及提前喷射，延长着火延迟期，实现预混合燃烧，达到同时降低微粒排放量的目的。为了控制预混合燃烧，以燃料喷射持续时间和着火延迟期之差作为预混合化的控制指标。当喷射持续时间小于着火延迟期时，就可以认为是预混合燃烧。因此，通过燃料的十六烷值和压缩比的调节来满足预混合燃烧的条件（图1），实现mk燃烧方式。图6-57所示为mk燃烧方式对排放的影响。当无egr时nox排放量比较高，为了降低nox排放量，实施egr率为30％的废气再循环时，虽然nox排放量是降低了，但是微粒排放量明显增加，而且喷射持续时间与着火延迟期的差值较大（大于0），表明扩散燃烧阶段较长。通过提高喷射压力，降低微粒排放量，同时实施冷egr，实现预混合燃烧，可进一步降低no，和微粒的排放量。
mk燃油方式对排放的影响
（2）hcci技术
hcci燃烧方式，是为了同时解决节能（提高热效率）和降低nox、碳烟等排放问题而提出的新的燃烧模式，其实质是开发可避免nox和微粒生成的温度区和空燃比领域的高热效率的稀薄低温燃烧技术。实现hcci燃烧方式所必要的技术措施有配气定时可变控制技术、egr控制技术及喷射定时控制技术等。其中具有代表性的配气定时可变控制技术是全程可变配气定时fvvt（full variable valve timing）技术，其特点是气门升程和配气定时均可连续可变控制，由此实现负气门重叠角控制，为实现hcci燃烧方式创造条件。结合配气机构的控制，在压缩过程早期的恰当时刻喷油，使着火延迟期足够长，由此在气缸内形成稀薄的预混合气，并通过压缩过程和egr率的控制实现hcci的燃烧过程。实现hcci燃烧方式的关键技术在于缸内空燃比的分布特性和混合气温度的精确控制。空燃比及其均匀化，一般可通过高压喷射及喷射时期来控制，而着火时刻及最高燃烧温度是通过进气温度、egr以及喷射方式和喷油规律来控制的。hcci燃烧方式在小负荷范围内比较容易实现，但负荷过小时易出现失火现象，反而使hc排放量增加；而在较大负荷时实现hcci燃烧，容易造成柴油发电机工作粗暴。这就是说，发电用柴油发电机可实现hcci燃烧方式的工况是很有限的。
（3）pcci技术
为了扩大hcci燃烧方式的负荷领域而研究的具有一定成效的技术措施之一就是预混合压燃（pcci）方式。这种方式与hcci方式相比较，存在缸内混合气形成及温度分布不均匀的问题。pcci一般通过两阶段或多阶段喷射方式，在气缸内先形成稀的预混合气后，使主喷射压燃，燃烧稀混合气，由此在较大负荷工况下实现pcci燃烧。图2所示为采用两阶段喷射方式，结合降低压缩比和实施egr来实现pcci的燃烧方式，由此预混合燃烧阶段的放热率峰值得到很好的控制。一般在压缩比较高（如ε＝17）的状态下，进行两阶段高压喷射时，早期喷射的燃料在压缩过程中燃烧，虽然这对主喷射燃烧时的压力升高率和最高燃烧温度的控制有利，但会造成压缩负功增加，所以预喷射量不宜过多。实施egr率为30％左右的egr后，虽然降低了初期喷射燃烧的放热率峰值，但变化不明显。当把压缩比降低到14而不实施egr时，由于缸内温度降低，有效地抑制了初期燃烧的放热率，但整个燃烧阶段燃烧速率降低，燃烧放热过程有所延长。在降低压缩比的同时实施egr率为30％左右的egr时，由于着火延迟期延长，预喷射燃料中的大部分形成稀薄的均匀混合气，使初期燃烧放热率明显减小，而在主喷射阶段，促进了预混合燃烧过程，使得主喷射燃烧过程中的初期放热速率明显得到提高。
燃烧方式对放热规律的控制效果
（4）反应性控制压燃（rcci）技术
hcci或pcci燃烧模式虽能实现低温预混合燃烧方式，由此实现同时降低no，和碳烟排放的问题，但是其缺点是这种燃烧方式的负荷适用范围很窄，而且还要精确控制燃烧相位，如果控制不当会引起工作粗暴或燃烧效率下降等问题。反应性控制压燃（reactivity controlled compression ignition，rcci）是为了解决这种低温预混合燃烧模式不可控问题而提出的一种新的低温预混合燃烧模式，其实质就是控制混合气燃烧过程中的活性分子。实现rcci燃烧模式的途径主要有燃料重整技术和双燃料控制技术。燃料重整技术是通过前处理或催化剂，将进入气缸前的燃料改制成轻质燃料的技术，由此通过增加混合气中的活性分子，控制燃烧相位。而通过双燃料控制技术来实现rcci燃烧模式，实际上就是通过进气道喷射（pfi）的燃油系统和缸内直喷（di）燃料系统的两套燃油系统来控制燃烧过程的技术。即将易挥发的低反应性燃油（如汽油等）在进气道喷射，使其在着火前在缸内充分形成均匀混合气；而缸内直喷（di）燃油系统，将高反应性燃料（如柴油等）在压缩终了附近直接喷入气缸实现压燃，以此点燃缸内已形成的均匀混合气。这种rcci模式在不同负荷下，通过调整pfi和di的燃料比例，可以实现控制燃烧相位的目的。rcci虽采用两套燃油系统，但pfi燃油系统要求的喷射压力很低，只需要0.4mpa左右，因此结构简单、价格低；而di系统可采用现有的高压共轨喷射系统，其喷射压力不需要很高，一般在100mpa以下就可满足要求，可最大限度地降低成本。
3．不同阶段柴油发电机的控制技术
随着发电用柴油发电机排放法规的不断强化，所对应的技术措施也有所不同。自2000年开始实施的欧洲ii排放法规开始，对测试方法提出了新的要求，去掉了原柴油发电机起动后允许的40s暖机时间，新增了hc和co等排放量低温检测和车载诊断系统的检测等项目，同时对hc和nox排放物分别单独测量，这对冷起动排放控制提出了更严格的要求。对应这种排放法规，国外已开发出喷射压力为160mpa以上的高压喷射技术（包括单体泵、泵喷嘴、高压共轨）、冷egr技术、可变增压（vgs/vnt）技术、预喷射燃烧技术、进气涡流可变系统等，并限制燃料含硫量为50×10-6（体积分数）以下；采用柴油发电机氧化催化转化器（dieseloxidation catalyst，doc）、柴油发电机微粒滤清器（diesel particulate filter，dpf）等后处理技术。
针对2005年实施的欧洲iv排放法规的技术措施，主要包括高压多阶段喷射技术、闭环电控、高增压和可变增压（vnt）技术、高冷egr技术和pci燃烧方式，将燃料含硫量限制在50×10-6以下。针对2009年实施的欧洲v排放法规的技术措施，主要是200mpa的高压多阶段喷射、部分实现hcci燃烧、采用内部egr控制技术、限制
康明斯柴油发电机喷油泵试验与调整
如何正确的添加及更换柴油发电机组机油？
电动机配备柴油发电机时选择功率的必要常识
斯坦福发电机型号PI144D,PI144E,FG,
250KW柴油发电机配置联轴器及避震装置设计要求
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