噴油提前角對(duì)JX493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)煙度及NOx的影響分析

陳齊平，歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)，肖文龍

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

噴油提前角對(duì)JX493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)煙度及NOx的影響分析

陳齊平，歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)，肖文龍

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

以JX493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，在額定功率轉(zhuǎn)速下分別取50%、75%、100%3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)為研究對(duì)象，考察柴油機(jī)的噴油提前角為0°～10°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：NOx的排放量隨著噴油提前角的增大而增大，而煙度的排放隨著噴油提前角的增大而有所減少，因此在選擇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳噴油提前角時(shí)，必須綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的煙度與排出的NOx。

柴油機(jī)；噴油提前角；煙度；NOx

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和汽車(chē)保有量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)。與汽油機(jī)相比，現(xiàn)代柴油機(jī)具有效率高、工作可靠、壽命長(zhǎng)、油耗低等特點(diǎn)，因此，將柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿Φ能?chē)輛日益增加[1-3]。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)提出越來(lái)越高的要求，柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地提高，在影響柴油機(jī)排放的諸多因素中，噴油提前角對(duì)柴油機(jī)的排放影響較大。研究表明當(dāng)噴油提前角過(guò)大時(shí)，燃油會(huì)提前噴入燃燒室，此時(shí)由于噴油過(guò)早，燃燒室壓力低，溫度未達(dá)到一定程度，不能燃燒，等溫度達(dá)到燃燒溫度的時(shí)候，燃燒室又有過(guò)量燃油，容易發(fā)生爆燃，即所謂的燃燒敲缸，從而使機(jī)械負(fù)荷增大，此時(shí)排氣溫度較低，耗油增加。反之當(dāng)噴油提前角過(guò)小時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致后燃嚴(yán)重，此時(shí)排氣溫度很高，爆壓低，冒黑煙，發(fā)動(dòng)機(jī)做功少，燃燒效率低。所以，要解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題，選擇合理的噴油提前角就變得尤為重要[4-5]。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備整體布局

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布局示意圖

本試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖1所示，該系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、排放測(cè)試分析設(shè)備、測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀以及油耗儀器等組成。為了確保排放數(shù)據(jù)是燃油在正常情況下燃燒所得，爆發(fā)壓力放大器、爆發(fā)壓力傳感器以及環(huán)境空調(diào)也作為該測(cè)量系統(tǒng)的主要輔助設(shè)備。本文所使用的主要儀器及其參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備及主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)所用樣機(jī)是一臺(tái)JX493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)為BOSCH公司生產(chǎn)的高壓共軌系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是噴油壓力的產(chǎn)生不依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)噴油量，且可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況靈活控制噴射壓力和噴油量，從而實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速高噴射壓力、低速高扭矩、低排放及優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。與此高壓共軌系統(tǒng)匹配的噴油嘴參數(shù)如表3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

考慮到汽車(chē)在實(shí)際道路路面行駛，試驗(yàn)前需要將該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)125h的磨合期試驗(yàn)處理，待各方面性能穩(wěn)定之后才進(jìn)行試驗(yàn)。在額定功率轉(zhuǎn)速下取負(fù)荷分別為50%、75%、100%的3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)為試驗(yàn)對(duì)象，如圖2所示?？疾觳裼蜋C(jī)的噴油提前角從0°增加10°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)煙度和NOx排放性能的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果參考GB 18352.2——2005《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)III、IV階段）》的標(biāo)準(zhǔn)限值[6]。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表3 噴油嘴參數(shù)

圖2 額定功率轉(zhuǎn)速下的各負(fù)荷點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

待熱機(jī)結(jié)束后，依照上述試驗(yàn)方法，分別對(duì)3個(gè)負(fù)荷試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后將所得數(shù)據(jù)依次繪制成散點(diǎn)圖，表示在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600r/min，功率為80kW時(shí)噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度排放及NOx排放的影響，如圖3、圖4、圖5所示，分別表示負(fù)荷為50%、75%和100%時(shí)噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)煙度及NOx的影響示意圖。

2.1 噴油提前角對(duì)煙度的影響及分析

圖3 負(fù)荷為50%時(shí)，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

圖4 負(fù)荷為75%時(shí)，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

圖5 負(fù)荷為100%時(shí)，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

煙度主要反映發(fā)動(dòng)機(jī)中粒徑相對(duì)較小且可以懸浮在空氣中的顆粒物的排放，煙度能直接反映柴油發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)混合氣瞬間過(guò)濃導(dǎo)致懸浮顆粒物的生成量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在50%時(shí)，如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的煙度與噴油提前角并不成比例關(guān)系，而是隨著噴油提前角的增大呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)[7]。其主要原因是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，活塞壓縮還不充足，提前噴油容易導(dǎo)致燃油過(guò)剩從而使混合氣瞬間過(guò)濃，繼而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放煙度增大，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在50%時(shí)，為使發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放減少，應(yīng)該盡量減小噴油提前角。但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在75%和100%時(shí)，如圖4和圖5所示，隨著噴油提前角的增大發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放逐漸減小。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，活塞壓縮較快，這時(shí)增大噴油提前角可以使混合氣更加充分燃燒從而減少煙度的排放，所以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在75%和100%時(shí)，為使發(fā)動(dòng)機(jī)排放的煙度減少，應(yīng)該適當(dāng)增大噴油提前角。綜合對(duì)比圖3、圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放增加，這主要是因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)其空燃比和溫度都相對(duì)較高，造成燃燒室的局部地方混合氣過(guò)濃，從而導(dǎo)致排放物中產(chǎn)生較多的微粒，同時(shí)由于氧氣不足、柴油中烴分子發(fā)生分裂而形成較多的碳煙[8]。并且可以看出，在低負(fù)荷狀態(tài)下噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放的影響不是很大，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)其煙度排放不作為確定噴油提前角的主要參考因素；但是，在高負(fù)荷狀態(tài)下噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放的影響很大，所以，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)煙度的排放滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在選擇噴油提前角的數(shù)值時(shí)需要著重考慮發(fā)動(dòng)機(jī)煙度的排放。

2.2 噴油提前角對(duì)NOx的影響及分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的生成量主要取決于柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)的氣缸內(nèi)溫度和其后的缸內(nèi)溫度升高率。圖3、圖4、圖5顯示隨著噴油提前角增大，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量增多；這主要是因?yàn)閲娪吞崆敖沁^(guò)大時(shí)會(huì)使著火延遲期增大，從而使燃燒室工作粗暴性增強(qiáng)，燃燒室壓力升高率急劇上升，繼而使發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量增多，同時(shí)伴隨著燃燒噪聲增加[9]。由于噴油提前角的增大，燃燒始點(diǎn)也開(kāi)始前移，從而使得燃燒室內(nèi)的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和最大放熱率都逐漸增大；所以，過(guò)大的噴油提前角不僅使NOx的排放增加還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重危害。從圖3、圖4、圖5對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷的增加發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量增多，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)在大負(fù)荷條件下工作時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，同時(shí)供給的空氣較為充足，但柴油機(jī)是在缸內(nèi)形成混合氣，混合氣形成時(shí)間較短，容易造成混合氣不均，使得在某些區(qū)域有過(guò)量空氣存在，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)局部溫度很高，繼而使NOx大量生成。

3 噴油提前角的優(yōu)化

當(dāng)噴油提前角過(guò)大，則噴油時(shí)刻距離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，此時(shí)活塞往上移動(dòng)處于壓縮沖程，在混合氣著火后，氣體膨脹阻礙活塞上行，所作負(fù)功開(kāi)始增多，反而會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增加。當(dāng)噴油時(shí)刻遠(yuǎn)離上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)空氣密度壓力以及溫度都較低，會(huì)使燃油蒸發(fā)、霧化，延長(zhǎng)了混合時(shí)間，繼而使著火延遲期增加、預(yù)混合燃燒階段的油量變多，從而使壓力升高率增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲也隨之增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒溫度增加，從而增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，同時(shí)也使得尾氣中的NOx排放污染物變多，排放性能變差。相反，如果噴油提前角過(guò)小，比如在上止點(diǎn)后才開(kāi)始噴油，活塞正處于下行階段，缸內(nèi)的溫度和壓力會(huì)逐漸下降，不利于燃燒室內(nèi)燃油的蒸發(fā)混合，使得很多燃油在未完全混合的情況下就參與燃燒，從而導(dǎo)致燃燒不完全，繼而使煙度的排放增加，甚至排氣冒黑煙。有時(shí)，部分燃油甚至?xí)谂艢夤苤腥紵?，發(fā)出爆燃的聲音，使得發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加[10]。

結(jié)合圖3、圖4、圖5可知，在選擇合適的噴油提前角時(shí)要兼顧排放煙度和NOx的影響，要使排放滿足GB 18352.2——2005《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)III、IV階段）》要求（煙度＜0.06FSN，NOx＜780mg/L）。當(dāng)負(fù)荷為50%時(shí)，如圖3所示，應(yīng)使噴油提前角控制在0°左右，此時(shí)煙度排量為0.023，NOx的排量為319.3619 mg/L，滿足排放要求。同理當(dāng)負(fù)荷為75%時(shí)，如圖4所示，使噴油提前角控制在6°左右，此時(shí)煙度排量為0.037、NOx的排量為632.1467mg/L也滿足排放要求。當(dāng)負(fù)荷在100%時(shí)，煙度和NOx都較高，要同時(shí)滿足排放要求較難，此時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮煙度，因?yàn)镹Ox可以通過(guò)后處理方式消除。所謂后處理方式即通過(guò)催化還原法消除NOx，研究常用催化劑包括復(fù)合金屬氧化物、分子篩催化劑、負(fù)載型貴金屬、類(lèi)水滑石化合物。所以，選擇噴油提前角為8°左右，此時(shí)煙度排量為0.058，NOx的排量為835.9054mg/L。綜上所述，通過(guò)催化還原的方法可以使得負(fù)荷在100%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx降低，所以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為100%時(shí)，其煙度和NOx均符合國(guó)標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)JX493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)煙度及NOx的排放不同，所以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不同時(shí)，噴油提前角也應(yīng)該變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率轉(zhuǎn)速下負(fù)荷為50%時(shí)，噴油提前角為0°時(shí)最佳，負(fù)荷為75%時(shí)噴油提前角為6°時(shí)最佳，負(fù)荷為100%時(shí)噴油提前角為8°時(shí)最佳。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大噴油提前角來(lái)達(dá)到優(yōu)化排放的目的。

[1]郭紅松，張海燕，曹磊.國(guó)V柴油對(duì)車(chē)用柴油機(jī)排放影響的試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（3）：21-23.

[2]Grover P S，Bordelon S H.New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance[J].Polymer，2008（1）：85-87.

[3]湯東，羅福強(qiáng)，夏基勝，等.柴油機(jī)燃燒過(guò)程及NOx排放的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（3）：134-136.

[4]宮長(zhǎng)明，譚滿志.燃油系統(tǒng)參數(shù)對(duì)直噴式柴油機(jī)性能和排放的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007（5）：14-17.

[5]孫秀英，姜斌.小型柴油機(jī)降低排放性能的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2012（1）：61-63.

[6]GB 18352.2——2005輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)III、IV階段）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[7]安春生.機(jī)車(chē)柴油機(jī)的排放研究 [J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012（6）：6-8.

[8]李臣譯.GE公司PowerHaul柴油機(jī)開(kāi)發(fā)[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2011（1）：75-78.

[9]譚丕強(qiáng)，陸家祥，鄧康耀，等.噴油提前角對(duì)柴油機(jī)排放影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（2）：9-11.

[10]騰超，盧德華.16V280ZC型柴油機(jī)NOx排放性能的優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012（4）：5-7.

The influence and analysis of injection advance on JX493 diesel engine’s smoke and NOx

CHEN Qi-ping，OUYANG Ai-guo，XIAO Wen-long
（School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Taking JX493 diesel engine as the study object，under the load of 50%，75%and 100% at the rated power speed，Examine diesel fuel injection advance angle from 0 degrees to 10 degrees，the change of engine emissions performance.Experimental results show that NOxwith fuel injection timing increases，smoke injection advance angle increases with the improvement.Therefore，when choosing the fuel injection advance angle，the engine exhaust smoke and NOxcombined effects must be considered.

diesel engine；fuel supply advance；smoke；NOx

U262.11；TK16；TK411+.51；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0124-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.032

2014-04-12；

：2014-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51265015）江西省自然科學(xué)基金（20142BAB216026）江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ14392）

陳齊平（1984-），男，江西樟樹(shù)市人，博士，主要從事汽車(chē)檢測(cè)、電動(dòng)汽車(chē)等方面的研究。