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最新康明斯柴发机组的技术改进措施 |
导读：随着柴油发电机在现实生活中的使用越来越广泛，柴油发电机的排放对大气污染的负面影响也越来越明显，为了缓解柴油发电机排放的尾气对大气污染，康明斯公司坚定的认为需要从技术上入手，必须加强对柴油发电机的技术研究。本文对柴油机排放控制技术的现状进行了简要介绍，然后详细阐述了针对柴油机排放技术的各种改进措施。其中，重点方向就是关于燃油系统和尾气后处理最新提升方法，但求对康明斯用户带来更多的新技术的了解。
一、柴油机排放控制现状
我国柴油发电机的数量日益增多，但是柴油发电机的技术非常薄弱。国内现有的柴油发电机技术装备及相关工艺与国外柴油发电机技术相比有很大的差距，发电机组的开发创新及技术储备明显落后于很多国家，高排放、高油耗是我国柴油发电机存在的明显不足。作为中美合资品牌康明斯柴油发电机组拥有业界最为宽广的发电机产品线，康明斯也是唯一拥有所有关键子系统集成能力的柴油发电机制造商，从进气到后处理系统，为客户提供全方位的“一站式”动力解决方案，从而确保康明斯在“排放大战”中的国际领先地位，吸引了众多主机厂与康明斯进行战略合作。
1、使用范围大且数量多
我国的柴油发电机所覆盖的行业非常广泛，且存在着流动作业、跨地区作业的特点。
很多企业或个人购买柴油发电机时，不会去相关的管理部门办理登记手续，且没有相关的政策要求对柴油发电机进行强制登记，就使得柴油发电机的购买与使用只是购买者的个人行为。由于缺乏对我国柴油发电机的尾气排放监督与处罚的相关规定，柴油发电机的环保性能只能依靠使用者的环保意识来保证。同时，由于流动性强，覆盖范围广，对于地区性的柴油发电机的数量统计十分困难，现阶段拥有的数据与实际的使用量也存在较大的差距，参考意义不强。
2、相关标准及制度缺乏
针对于柴油发电机尾气排放的相关标准，我国颁布的可供使用的标准仅有《非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法》及部分地方性准则。而对于柴油发电机的相关监督与处罚规定仍然缺乏，这就导致了相关管理与执法人员在对柴油发电机进行检查时，只能对其进行尾气的检测与评定，然后通过告知的方式通知使用者，但却无法对排放不合格的柴油发电机进行处罚或限期整改，这在一定程度上减弱了柴油发电机管理的职能发挥。
3、监督与管理工作不规范
现阶段我国监督管理部门对于柴油发电机尾气排放问题的管理还比较薄弱，尽管监督部门对于柴油发电机的使用和质量有明确要求，但是，由于柴油发电机在实际使用时租赁数量多、使用人员复杂、机械流动性大，所以监督管理实施的过程难度很大。同时，监督管理人员在进行监管的过程中，往往更加重视机械的安全性和可靠性检查，而对于排放质量的检查并不重视。一些对柴油发电机的尾气检测，也多用于判断机械性能的好坏，而对于排放过程中的环境污染是否合格并不做判断。
4、排放污染问题严重
在柴油发电机工作的过程中，其尾气排放中的颗粒物量远高于普通机动车，根据美国的数据统计，柴油发电机排放中的一氧化碳、氮氧化物总量远高于普通道路行驶的机动车，且尾气排放中的颗粒物超过60%以上来自于柴油发电机。这说明使用量相对较小的柴油发电机已逐渐成为动力机械污染的主要来源之一，对其尾气排放的控制以及环保性能的检测必须要不断加强。
二、改进柴油机排放技术的措施
为了满足未来排放法规的要求，我国很多柴油发电机制造商开始重视对非道路柴油发电机的尾气排放控制的研究，并提出了满足柴油发电机尾气排放技术控制，但是根据目前我国柴油发电机尾气排放量过大的现状，技术创新与投入使用需要一定的过程，所以要实现非道路柴油发电机排放的有效控制还需要经过研究与实践。以下主要分析康明斯在这种局势下针对排放标准是如何进行改进的。
1、优化机体部件
柴油机机体是发电机组的骨架，它的受力情况及结构非常复杂，对刚度、强度、尺寸及重量进行优化是实现柴油发电机设计与制造技术优化的重要一步，也是实现机体部件优化的核心。柴油发电机部件的优化包括对机体的改进设计、提高机体铸件质量水平及采用压板珩磨等新技术，对机体进行改进后能有效降低窜气量及机油耗量。
2、燃油系统的设计
由于我国的柴油机的基础技术及结构设计都相对落后，污染及油耗水平偏低。开展柴油机节能减排技术研究不容忽视，柴油发电机的整体性能及质量水平的提高最重要的步骤是对燃烧过程进行有效改进；而燃油喷射系统是柴油机的中心部分，对柴油发电机性能、油耗及污染物排放有很大的影响。
最新国三电控燃油系统结构组成如图1所示。其中，电子控制部分由各种传感器、ECM和执行器等组成。电控系统的功能是根据各种传感器输入的信号，由ECM经过比较，运算、处理后得出最佳喷油时刻和喷油量，向喷油器发出开启或关闭电磁阀的指令，从而精确控制与发动机负荷相适应的喷油量。
高压共轨系统为蓄压器共轨系统，该系统由油箱、柴油滤清器、轴油泵、VP分配式高压油泵、高压/低压燃油管、蓄压器(油轨)、喷油器和回油管等组成。燃油供给系统又分为低压部分和高压部分，如图2所示。
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图1 柴油机电控高压共轨系统组成示意图 |
图2 柴油机电控高压共轨系统油路流动图 |
3、进气系统的设计
改进涡流式燃烧系统对进气涡流的要求不是很高，因此可以采用切向起到来降低节流损失，从而增大气量。由于涡流式燃烧系统可以实现更大程度地偏离气缸中心，所以气门会有较大的空间，可以对原有的燃烧室及气门进行重新的设计，可以适当增大进气门直径。
4、配气相位的调整
配气相位的可靠性及准确性对发电机组的寿命和工作的经济性及动力性能有很大影响。发电机组的相位会收到运转磨损、维修质量、动态变形以及使用条件变更等原因的影响而发生变化，所以根据不同的原因及需求来采取不同的调整措施。合理的配气相位能有效地提高柴油发电机的性能，对柴油发电机的尾气排放也有很大的影响。进气采用较小的晚关角，使气缸内留有适量的参与废弃，从而改善NOx的排放。
5、提高排放性能
对于柴油发电机的尾气处理，主要应从三方面进行考虑，即燃油喷射系统的改进，空气系统的优化以及增加尾气后处理系统来实现，其中常用的技术方法如下。
（1）废气再利用技术。
主要是将产生的废气循环回发动机的汽缸，能够在一定程度上降低氮氧化合物的排放。通过对循环废气进行降温处理，能够有效降低汽缸燃烧室的温度，使氮氧化物的排放量减少近40%，但是也可能会因为汽缸温度降低而产生过多的颗粒物，导致柴油机的效率降低，再生次数增加，油耗增加，发动机后处理设备的寿命减少，同时发动机操作性降低，使用和维护成本升高。
（2）降低排量与转速。
在保证发动机输出功率不变的情况下，通过降低发动机的排量能够实现优化排气的效果，当柴油机的排气量下降10%左右，燃油效率则能够提高1%～4%，这种做法较适用于柴油发电机使用。同时，对于某些柴油发电机的柴油机，在满足实际工作要求的前提下，对其进行降速控制也能够提高发动机的工作效率，当柴油机的转速下降200转时，其燃油经济性能够提高1%～3%。
（3）提升燃烧效率。
柴油机的燃烧效率直接影响到排气的环保程度，通过增加缸内压力，能够有效提升汽缸的最大压缩比，从而增强柴油机汽缸内燃料燃烧的程度，减少有害物质的排出，柴油机缸内压力的增加要求汽缸的强度也必须同时满足要求，否则容易对汽缸造成一定程度的损坏。要提升燃烧效率，还可以考虑通过改善空气与燃料的混合程度来优化燃料的疏松与燃烧效果，以提高柴油机性能并减少污染物质的排放。
（4）颗粒物的催化与过滤。
通过催化器处理燃烧过程中产生的颗粒物，其装置如图3所示。主要是利用铂、钯等贵金属作为催化剂，通过氧化收集表面颗粒物及气态污染物，能够有效降低一氧化碳和碳氢化合物以及颗粒物质的排放。通过过滤器对颗粒物及污染物进行过滤，也能够有效降低颗粒物质对空气的污染，改善排气质量。
（5）碳烟水喷淋处理
黑烟净化器属于“湿式”的复合式火烟（灰尘）净化设备，整个设备主要架构采用耐腐蚀不锈钢材料制作，如图4所示。该产品运用独创的先进技术，采用波纹状斜板填料，风机和净化器是连为一体的，运用空气动力学，在精密设计的一体化结构内，由于风机的作用力，净化器内会产生搅动的、沸腾的水层和多层水膜。综合利用水气反向冲击、洗涤、水膜过滤、泡沫吸收、富集、多次机械碰撞、截流、降、冷凝、高效吸附等原理，使黑烟（灰尘）得到三次水净化处理和三次机械净化处理后，从而让柴油发电机得到彻底的净化。
6、改进冷起动性能
由于有些柴油机采用的是涡流式燃烧系统，所以它的起动性并没有新型柴油机那么强，可以在进气管上安装电磁火焰加热装置来改善冷起动性能，并在-30℃的气温环境下进行冷起动，经过反复试验来不断改进冷起动性能。
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图3 柴油机选择性催化还原装置SCR |
图4 柴油发电机黑烟净化箱结构设计 |
总结：
康明斯非道路柴油发电机可满足中国国三排放标准。从二阶段到三阶段的升级简单易行，发电机外观尺寸无明显变化，安装无影响；通过康明斯先进的缸内燃烧技术和电子控制系统，精确控制多次燃油喷射，在大幅降低氮氧化物和颗粒物排放的同时，保持了发电机的高可靠性和耐久性；电子控制器和传感器升级后，发电机自我诊断和故障排除的能力显著增强；通过采用可锻铸铁活塞、先进的气门技术、简化气门室等措施，发电机性能更加稳定可靠，应对高负载、高海拔的能力更强，保证了设备的高出勤率；采用高压共轨燃油系统，使动力性能显著提升，怠速更稳定，起动更迅速，负载响应性更好，而且升级后噪音、振动大幅降低，操作更加简便。
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