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农用小型柴油机排放要求及控制技术
机械工程学院 动力机械及工程 卢正辉（0701305003）
摘要：随着非道路用发动机排放国家标准GB20891-2007第二阶段的执行，农用小型柴油机的环保问题再一次提上了新的日程。为此，本文结合农用小型单缸柴油机产品特点，分析了国内外小功率段柴油机排放法规标准的限值变化，针对单缸柴油机结构特点、行业现状及技术问题，阐明了低排放高性能单缸柴油机的研发难度和需解决的问题，给出了单缸柴油机优化性能及降低排放的技术路线和对策。分析表明：通过柴油机喷油系统、换气系统与燃烧室结构优化设计和匹配，特别是提高单缸柴油机用喷油系统的性能，优化燃烧过程的机内净化措施能满足GBl9756、GB20891的排放限值的要求。
关键词：农用小型柴油机 排放要求 控制技术
目前，农用小型柴油机均为单缸柴油机。单缸柴油机结构简单,生产组织相对比较容易,售价低廉,所以逐步形成了具有中国特色的单缸机行业。它适合我国农村长期的使用****惯和目前农村购买力较低的国情。单缸柴油机低的价格竞争和产品的同质化以及低水平的重复也使企业技术升级的动力不足。虽然我国单缸柴油机生产与技术改进一直都在进行,但近几年环保法规日益严格,特别是车用发动机的排放治理已取得了一定的成效,非道路用柴油机的排放物已成为国内外人们关注的焦点之一。国内外不断出台的“法规”和“标准”为单缸柴油机行业产业升级带来了动力和压力。单缸柴油机质量的提高提到了议事日程。在节能减排政策指引下,新一代单缸柴油机已成行业讨论的热题。
一、国内外排放法规
目前,我国单缸柴油机标定功率最大为≤30kW,非道路用柴油机排放法规限值是按功率段划分
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,因此本文仅讨论≤37kW的非道路用柴油机排放法规和标准。非道路用柴油机的排放法规在美国最为严格,目前仅有美国和中国对所有功率段柴油机都提出其排放限值。中国的国家标准GB20891 - 2007 给出了中国非道路用柴油机排放Ⅰ阶段和Ⅱ阶段的限值。美国、欧盟、日本的≤37kW的非道路用柴油机法规排放限值如表1、表2和表3所示,中国现行的≤37kW 的非道路用柴油机法规排放限值如表4所示。分析表1～表4 可以看出,美国是控制排放最严的国家,最早提出控制非道路用柴油机排放。我国单缸柴油机产量最大, 按功率计算占总产量的近40% ,因此从保护环境的角度出发,对全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我国起步较晚, 以2009年10月执行第Ⅱ阶段限值为例,它与美国2000年开始执行的第Ⅰ阶段限值是相同的,两者相差10年。日本和欧盟等国小功率、单缸柴油机用量较少,欧盟对18kW以下的柴油机尚未提出排放法规限值, 日本对8kW以下的柴油机也未提出排放法规限值。
另外,从国外排放法规看,由于小功率柴油机多为单缸或两缸柴油机,对18kW 以下的柴油机排放法规限值加严量相对较大,功率段要少,如美国从现在到2013年,法规有Tier3, Tier4初和Tier4终共3个阶段,但18kW以下的柴油机排放限值都为一个阶段限值。欧盟第Ⅲ阶段有A, B, C的不同限值,对37kW以下的柴油机排放限值也仅为一个限值,但限值要求明显提高。这说明,小功率柴油机受结构、成本及用途等因素限值,降低排放的一些先进技术(如增压、EGR、电控等)难以有效地应用。特别是单缸柴油机对较低要求的排放限值仅能通过机内净化解决,而高要求的排放限值也只能以机内净化为主,通过排气后处理解决。
二、单缸柴油机排放特点
柴油机排放的主要污染物有：CO、HC、NOx 、SO2和PM(微粒)，其中NOx 和PM是柴油机排放控制的主要污染物。我国单缸柴油机主要有直喷燃烧室和涡流燃烧室两种。直喷柴油机
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(与涡流室柴油机比)因柴油直接喷入气缸内着火，以其较高的热效率、良好的燃油经济性和起动性、缸盖构造简单等优点成为单缸柴油机的主流。但也有噪声大、排放污染物浓度高、环保性能差的缺点。
柴油机排放特性与燃烧室形式有直接关系．直喷柴油机与涡流室柴油机的排放有较大不同。直喷柴油机NO 、CO、HC和PM普遍高于涡流室柴油机，特别是NO排放浓度一般比涡流室柴油机高1／3～1／2。试验表明．结构相同而燃烧室形式不同的直喷柴油机NO 、CO、HC及PM都比涡流室柴油机高．特别是高负荷时的NO 、CO、PM及低负荷时的CO、HC含量，差别非常明显。
三、当前的排放控制技术及发展趋势
1、改进进、排气系统
（1)采用高效空气滤清器和