适应未来排放法规的大型柴油机喷射系统

排放限制要求是当今柴油机发展的驱动因素之一,大型柴油机的燃油喷射系统以及排气后处理技术正处于发展阶段。由于大型柴油机寿命长,其中有许多在其寿命期内需要进行燃油系统的现代化改造以提高其在市场上的竞争力。大型柴油机被应用于许多不同的工业领域,在这些领域中,它们在未来的整个寿命期内必须遵守各种排放法规的要求（即EPA、EU、...     

二级增压技术减少柴油机排放

Wartsila公司和ABB TurboSystems公司正在合作开发大型柴油机二级增压技术。Wartsila公司声称,先进的发动机技术,配上二级增压,可以为降低燃油消耗和发动机排放提供明显的优势。     

柴油机机油的新进展

柴油机燃油成本的增加,以及预计未来会出台商用车二氧化碳排放法规,使得人们对有助于提高燃油经济性的新一代柴油机润滑剂技术的需求正在增加。这种技术还必须确保现代发动机和排气后处理系统,达到整车制造商为符合欧5和欧6排放法规而提出的耐久性要求。     

满足未来排放法规要求的MTU解决方案

所有大型的柴油机制造商的开发重点都放在未来即将生效的废气排放法规上。国际海事组织Stage3标准将规定船用发动机在最大标定转速下的NOx排放限值为2g/kWh。针对机车的将从2012年开始生效的欧盟EUIIIB标准规定,NOx+HC的排放限值为4.0g/kWh,颗粒物排放量限值在0.025g/kWh以内。美国环保局规定,输出功率超过900kW发电机组的NOx排放限值为0.67g/kWh,颗粒物排放限值为0.10g/kWh。MTUFriedrichafen公司的柴油机产品遍布全球,应用领域十分广泛,因此需要考虑满足各种主流排放参数要求。最大限度地降低寿命周期成本的最佳技术理念已贯穿在每个应用领域的开发中。根据已生效的排放限值、再冷却条件、燃油经济性要求和燃油品质,可以采用不同技术组合,这些技术包括:燃油喷射、涡轮增压、气门定时、废气再循环和排气后处理。本文通过引用一些应用实例来阐述这些技术方案。     

商用车柴油机技术的发展

为适应全球市场的需要,日本已确定了2009年之后的轻型车及重型车排放法规。日本的柴油机技术正是伴随排放法规及降低燃油耗要求的不断提高而取得进步的。描述了自然吸气发动机及增压发动机的技术发展动向,介绍了这类发动机采用的新技术和新装置。同时,对柴油机喷油系统及排气后处理装置的技术变迁作了介绍。     

新的MTU ADEC．发动机管理系统

MTU公司利用ADEC装置，不仅满足了严格的发动机排放法规要求，而且还能使今天的大型发动机的功率进一步提高。文中介绍了MTU发动机管理系统的结构原理和作用、燃油喷射技术的进步、相关硬件的发展、产品的寿命期、发动机数据控制装置、发动机和用户接口的划分、各种诊断装置及ADEC系统主要部件的结构原理。     

符合美国环保署第4阶段过渡性排放法规的小型柴油机的开发

与其他发动机相比,柴油机具有燃油利用率高和燃油耗低的优势,现已作为各种工程机械的动力装置被广泛使用。但另一方面,相关的排放法规逐年收紧,针对额定输出功率56～75kW的柴油机,2012年美国环保署（EPA）公布实施第4阶段过渡性（InterimTier4）排放法规,与之前的法规相比,该法规规定的颗粒排放量被要求降低到原来的1／20以下。因此,三菱重工公司开发了D04EG型柴油机,以进一步降低排放和燃油耗,满足EPAInterimTier4排放法规的要求。     

12VP185型柴油机的设计及开发

陈述了一种满足广泛的市场要求并能达到良好的燃油经济性，低排放，低的整个寿命期成本以及低的制造成本等关键目标的紧着型高速柴油机的设计准则，同时还描述了在设计和开发过程中是如何采用一些创新的概念来达到这些目标的。     

控制颗粒物排放的燃烧室设计

本文概述中速柴油机制造商所面对的满足排放法规要求的可能性(主要考虑采用缸内技术),重点论述在保持低的NOx排放水平的前提下颗粒物减排的潜力。具体介绍里卡多(Ricardo)公司借助于3DCFD分析对一种缸径为170～230mm的发动机燃烧进行的开发,开发过程中采用了基于Ricardo发动机的CFD软件——VECTIS。所开发的这种低碳烟燃烧系统除了能够减少发动机的颗粒物(PM)排放外,还有助于降低发动机初始成本、整个寿命期成本以及提高发动机和后处理装置的耐久性和可靠性。     

装用MTU发动机的高速列车总运行里程超过4000万km

德国MTU公司用156台16V4000R41型柴油机为英国FGW等3家铁路公司的78列高速列车更换动力装置。除了提供发动机外，MTU公司还向这些铁路用户提供包括维修在内的整个发动机寿命期内的一揽子服务。文中简要介绍了该型发动机的性能特点和装车运用情况。     

大型高速柴油机共轨式燃油喷射系统

为了满足日益严格的排放法规及对提高燃油经济性和在适当的价格范围内实现更大功率输出的更高要求，开发出一种用于高速柴油机的新型电控同喷射系统。它适用于单缸最大输出功率为120KW，最高转速为2300r/min的发动机，这种新型同系统采用模块化设计，在对柴油机作微小变动的情况下可取代直列泵燃油系统。     

燃油温度对直喷式柴油机燃料喷射、燃烧和排放的影响

液体燃料进口温度对直喷式柴油机的影响是显著的。本文研究进口燃油温度对中速柴油机燃油喷射、缸内燃烧及对输出性能及排放的影响,介绍受进口燃油温度影响的主要喷油参数的变化,并开发了简化模型。研究指出：受影响的主要喷射参数包括喷油器喷射终点定时相对于喷油泵致动定时的变化量、喷油率、喷油持续期以及喷油油束的雾化。燃油温度对喷油参数的主要影响来自于燃油体积弹性模量和密度,而燃油黏度的影响不大。开发的模型可以预测由于进口燃油温度的变化引起的喷射参数的改变。预测结果指出,当进口燃油温度升高时,嘴端喷射始点定时相对滞后,喷油率降低,针阀开启持续期相对于基准状态有所延长。通过考察燃油温度对缸内燃烧过程的影响,分析了发动机输出和排放相对于燃油温度的变化趋势。预测指出,对于运行在全负荷下的普通柴油机,燃油温度的升高将会使CO、HC、PM以及烟排放值增高,而使NOx排放值降低,对燃油效率有不利影响。对一台中速四冲程柴油机进行试验得到的输出和排放值结果与趋势分析预测结果吻合。研究结果和开发的模型通常可以用于压燃直喷式液体燃料发动机。     

排放法规对大型发动机设计和运用的影响 上

柴油机的排放污染问题愈来愈引起人们的重视。愈来愈严格的排放法规给柴油机的设计和运用提出了新的挑战。本文概述了柴油机排气的成分及其对环境的危害和生成机理。着重描述了为达到将大型发动机排气中的主要有害成分ＮＯｘ的排放量减少３０％，６０％，９０％这三种目标而需要采取的相应措施，同时也论证了采用这些措施之后给燃油消耗，有害微粒排放量及烟度所带来的不利影响。     

GE公司GEVO柴油机的开发

美国GE公司运输分部开发了一种新型柴油机以满足下一阶段的排放和燃油经济性要求。该型发动机的开发始于1998年,其包括GE公司现有发动机的最佳特性以及新发动机技术的最新发展。它将首先应用于自2005年起新造的符合美国环保局2级排放标准的内燃机车。GEVO12缸发动机在1050r／min下的标定功率达到3360kW,这相当于原来的一台7FDL16缸发动机所达到的功率水平。发动机的缸径为250mm,行程为320mm。这导致了采用约2．0MPa的较保守的平均有效压力。美国机车的2级排放标准较之0级和1级排放标准在降低NOx和颗粒物质排放方面具有特殊要求。为了达到NOx排放标准而对现有发动机作进一步调整势必造成燃油经济性的巨大损失。为此,GE公司运输分部正通过开发一种新型发动机来满足2级排放标准要求,新型发动机将不仅能满足排放要求,而且在燃油经济性方面较之现有发动机亦将有较大改进。发动机的性能开发包括燃烧模拟、系统模拟和优化。应用统计学方法对燃油喷射系统进行了优化设计以保证高效和可靠的运行。涡轮增压器设计采用了先进的空气动力学和结构模拟以获得高的效率和安全性。单缸机和多缸机的性能试验进一步改进了燃烧系统。采用一个严格的可靠性设计(DFR)程序对每个系统和部件的可靠性进行了评估。通过将尺寸和强度变量与整个环境范围内的工作应力进行比较,保证了关键零部件的可靠性。通过在高加速条件下进行广泛的耐久性试验,验证了发动机的可靠性。在2005年投入大规模生产之前,50台针对2级排放标准的机车将进行广泛的现场试验以进一步考察和改进发动机的可靠性。     

电子发动机管理:智能化发动机控制的关键技术

现代发动机的大脑是电子控制单元,它监测和控制发动机及排气后处理系统的全部主要功能。同时,控制单元也可作为与车辆自动控制系统连接的接口。整个驱动系统的最佳配合是发动机在全寿命期内降低排放和油耗以及提高输出功率的关键。MTU公司自主研发这种关键技术,并生产这种控制装置。     

2010年柴油机排放控制回顾

从排放法规、发动机技术,以及氮氧化物（NOx）、颗粒、碳氢化合物（HC）和一氧化碳控制等方面扼要回顾了柴油机排放控制的最新进展。排放法规正在继续向前推进,美国加利福尼亚州可能会提出2016—2022年拟收紧70％的轻型车车队平均排放标准。轻型车和重型车发动机的二氧化碳（CO2）排放法规也都会收紧,这些法规对柴油机及其排放的影响可能会在未来延续很长时间。发动机技术正在顺应这些要求。小型柴油机试图在增强燃烧方面取得进展,以便能通过发动机的小型化来减少CO2排放。大型柴油机力求在硬件制造、减少NOx的控制和燃油耗之间取得最佳的平衡。迄今已发表了许多有关优化选择性催化还原（SCR）系统的报道,其中不少报道都提出,可以采用合适的还原剂管理和新的催化剂配方,以改善系统的低温性能。以HC为基础的减少NOx的技术侧重于稀NOx捕集器（LNT）和LNT＋SCR系统的研发,而LNT的标定策略是要产生供下游SCR使用的氨。采用柴油机颗粒过滤器（DPF）控制PM的技术非常有效。从再生策略、催化剂利用和基底材料设计等方面报道了DPF再生技术的进步。生物柴油对DPF功能的影响变得更为清晰。最后,针对SCR系统使用的下游催化型DPF生成的二氧化氮的影响,介绍了柴油机氧化催化器的试验研究情况。     

用于铁路的柴油机电子控制系统

现代柴油机必须具备的一项最重要的指标是运行费用低和利用率高。除和要求燃油消耗低外，用户还希望柴油机的排放水平跟上最新技术的发展。根本地影响这些特性的一组部件是柴油机电子监测控制系统，即ＭＴＵ的发动机控制系统，它能完全满足这些要求。     

2007年柴油机排放控制回顾

综述了2007年以来柴油机排放法规、发动机技术及NOx和PM控制技术的发展。目前欧洲排放法规的主要发展是提出了2013年重型车排放法规。该法规在技术上与美国2010年的排放要求相似。另外,欧洲委员会还首次提出了CO2排放130g／km的限值,接近于日本燃油经济性对CO2排放的要求。发动机取得了非常显著的进步,特别是美国轻型车发动机的清洁燃烧技术有很大发展。对重型发动机的研究主要集中在传统方法的改进,为满足严格的美国2010年排放要求,开发了许多发动机后处理技术。在不同的应用场合,NOx的控制集中采用选择性催化还原技术。对寒冷环境下的运行和系统优化进行了进一步研究。稀NOx捕集器的耐久性问题更受关注,并通过硫捕集器来提高性能。稀NOx催化技术得到进一步发展。柴油机颗粒过滤器技术得到进一步优化,成本得以降低。提出了新一代柴油机颗粒过滤器方案,并进行了关于碳烟与催化剂之间相互作用的基础研究,以及对柴油机颗粒过滤器结构进一步优化的研究。最后,提供了有关柴油机氧化催化器的最新进展,介绍了采用先进燃烧策略的研究趋势,讨论了影响NO2形成的重要因素,以及提高氧化催化器使用耐久性的一些新措施。     

大型柴油机低成本电子控制系统

目前，大型柴油机的燃油系统不仅必须满足排放污染控制和燃料经济性的要求，而且要在较小的批量下有可以接受的生产成本。采用原为大批量的卡车市场开发的电子控制装置可为这一问题提供一个经济的解决方案。对现有卡车电子系统的简单改进已被证明可使电控的单体泵或泵喷嘴用于广泛的发动机型号。这一系统在成本、适应性和工作的可靠性方面都具有优势。     

小排量轿车柴油机减排技术的潜力

柴油机因其高的热效率占据了轿车市场很大份额。柴油机的改进主要体现在排放控制和性能改善方面。为满足更清洁发动机的要求,采用了多项新技术。尽管新技术在减排方面很有效,但应慎重应用,因为它们对燃油经济性和成本的影响各有利弊。因此,理解各项技术的特点并有效优化是很重要的,尤其对小排量柴油机更是如此。介绍了几种技术,并在小排量轿车柴油机上对其特性进行了研究。改善了减排潜力以符合未来排放标准。