噴油提前角對(duì)叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放影響研究

趙小虎

摘 要：對(duì)一臺(tái)自主研發(fā)的叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴油提前角下進(jìn)行排放和性能的對(duì)比試驗(yàn)，研究了在設(shè)定不同的噴油提前角下，叉車(chē)用內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放氣體的變化趨勢(shì)；同時(shí)，通過(guò)大量逆向燃燒開(kāi)發(fā)工作，使得該款搭載機(jī)械式VE泵的叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)足動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的條件下，達(dá)到了非道路機(jī)械國(guó)III階段的排放法規(guī)要求，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：叉車(chē)；提前角；排放；性能

引言

叉車(chē)作為一種常用的非道路移動(dòng)工程機(jī)械，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物料裝卸和場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸作業(yè)，并且日益成為生產(chǎn)主力。叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)作為內(nèi)燃式叉車(chē)的心臟，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能對(duì)叉車(chē)的許多技術(shù)性能指標(biāo)有著非常重要的作用[1]。

隨著國(guó)家對(duì)內(nèi)燃機(jī)排放的重視，非道路機(jī)械的更嚴(yán)格排放控制法規(guī)也于2014年出臺(tái)，新型匹配叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)必須將排放氣體的控制作為開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)指標(biāo)。文章通過(guò)對(duì)一款自主研發(fā)的叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)階段的燃燒開(kāi)發(fā)工作，研究了不同噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響，并通過(guò)逆向設(shè)計(jì)反饋，使得該款發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到非道路機(jī)械國(guó)III階段排放水平，處于國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先地位。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、樣機(jī)及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)研究，采用AVL公司生產(chǎn)的綜合臺(tái)架控制設(shè)備，臺(tái)架為AVL電力測(cè)力機(jī)，排放設(shè)備為日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-7100D型氣體排放分析儀，排放分析設(shè)備主要檢測(cè)排放氣體中的NOx、CO和HC的ppm含量，檢測(cè)方法如表1所示。

顆粒PM采集器使用AVLSPC472顆粒采樣設(shè)備對(duì)排放氣體中的顆粒物進(jìn)行采集，利用干燥高壓標(biāo)氣對(duì)排放氣體進(jìn)行分流稀釋?zhuān)脼V紙過(guò)濾并收集顆粒物。

由于試驗(yàn)樣機(jī)的開(kāi)發(fā)指標(biāo)為達(dá)到國(guó)內(nèi)非道路III階段排放法規(guī)要求，所以試驗(yàn)用油為標(biāo)準(zhǔn)國(guó)III試驗(yàn)測(cè)試用柴油。

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某公司最新研發(fā)的4DC渦流室式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械式VE泵，噴油器為S系列單孔軸針式噴油器，排量達(dá)到3.05L，發(fā)動(dòng)機(jī)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

研究過(guò)程中性能試驗(yàn)均采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法進(jìn)行，排放測(cè)試循環(huán)及方法參照GB20891-2014進(jìn)行。通過(guò)在不同噴油提前角下的大量性能和排放試驗(yàn)，找出能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)和排放要求的最佳提前角度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)外特性試驗(yàn)和8工況排放循環(huán)試驗(yàn)對(duì)提前角為2度、4度、6度、8度和10度下發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 動(dòng)力性影響

在不同靜態(tài)提前角下，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率必然會(huì)產(chǎn)生變化，該款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求標(biāo)定功率為45±1kW；因此，性能開(kāi)發(fā)必須要保證標(biāo)定功率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以，在不同靜態(tài)提前角下，通過(guò)調(diào)整機(jī)械VE泵的高速螺釘來(lái)保證標(biāo)定功率符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，如圖1所示。

通過(guò)不同靜態(tài)提前角下的外特性試驗(yàn)，如圖2、圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在2500rpm下的標(biāo)定功率均保持在45kW左右，伴隨靜態(tài)噴射提前角的增大，全速全負(fù)荷點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩逐漸增大，原因是由于提前角增加，未燃燃油提前進(jìn)入汽缸，參與空氣混合時(shí)間加長(zhǎng)，燃燒更加充分，外在表現(xiàn)必然是功率和扭矩的增大；在提前角為2度條件下的扭矩值較低，但最大扭矩保持在185Nm之上，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖4、圖5所示為不同靜態(tài)提前角下發(fā)動(dòng)機(jī)總排溫和爆發(fā)壓力對(duì)比曲線(xiàn)。隨著噴油提前角的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的總排溫呈上升趨勢(shì)，主要是由于柴油噴入時(shí)間推遲，參與空氣混合時(shí)間降低，導(dǎo)致燃油燃燒不夠充分，大量未燃燒混合氣進(jìn)入排氣管再次燃燒，造成排溫整體增加；另外，隨噴油提前角的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)最大燃燒壓力也逐漸降低，這也與燃油混合時(shí)間的降低而保持一致。

2.2 經(jīng)濟(jì)性影響

提前角的變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響較小，最大的區(qū)別只體現(xiàn)在比油耗上，如圖6、圖7所示分別為不同靜態(tài)提前角下外特性的小時(shí)油耗量和燃油消耗率對(duì)比曲線(xiàn)，對(duì)比兩圖可以看出，不同提前角下的小時(shí)油耗量除了2500rpm外，其他全負(fù)荷點(diǎn)的數(shù)值相差不大，考慮到叉車(chē)實(shí)際操作工況，有理由認(rèn)為，提前角對(duì)總的燃油消耗量不會(huì)產(chǎn)生較大影響；但通過(guò)對(duì)比燃油消耗率可知，隨著提前角的減小，燃油消耗率逐漸增加，說(shuō)明單位體積的燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率貢獻(xiàn)更少，有部分燃油在排氣管內(nèi)參與了燃燒，這與前文描述的總排溫的變化趨勢(shì)一致。

2.3 排放影響

該款發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用正向開(kāi)發(fā)，在燃燒開(kāi)發(fā)期間，必須對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)在硬件調(diào)整前進(jìn)行排放摸底，調(diào)查當(dāng)前狀態(tài)的排放水平，并以此作為參考進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)工作，摸底的排放水平如表3所示：

通過(guò)排放結(jié)果可以看出，開(kāi)發(fā)的原機(jī)排放水平就已經(jīng)能達(dá)到非道路國(guó)II階段的排放要求，和非道路國(guó)III階段排放限值相比，CO和PM均能滿(mǎn)足要求，但是NOx明顯超過(guò)4.7的指標(biāo)，所以，對(duì)于排放開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)是降低NOx排放。

NOx的生成條件為高溫、富氧，為了降低NOx的排放限制，最簡(jiǎn)單和最容易的方法為調(diào)整靜態(tài)噴油提前角；因此對(duì)不同靜態(tài)噴油提前角下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排放試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)對(duì)排放結(jié)果的分析可以認(rèn)為，伴隨著噴油提前角的減小，PM、HC和CO的排放略有提高，但均在III階段的排放限值要求范圍內(nèi)，NOx排放明顯下降，在2度和4度提前角下，均達(dá)到了III階段的排放水平；不同提前角下排放氣體的8工況數(shù)值如圖8、圖9和圖10所示。

由8工況點(diǎn)的具體排放數(shù)值可以看出，在不同靜態(tài)噴油提前角下，NOx排放值隨工況的變化趨勢(shì)一致，并且峰值均出現(xiàn)在1700rpm的75%負(fù)荷點(diǎn)，說(shuō)明在該點(diǎn)，缸內(nèi)燃燒溫度最大；反觀(guān)其他工況，由于負(fù)荷的變化，缸內(nèi)燃燒溫度下降，NOx排放值相應(yīng)較小，這些都說(shuō)明燃燒室內(nèi)的溫度是影響NOx排放的最主要因素[2，3]。

2.4 選取最佳提前角度

綜合以上動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放結(jié)果整體進(jìn)行考慮，在靜態(tài)提前角為2度和4度情況下，該款叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到非道路III階段的排放法規(guī)要求，考慮到燃油消耗率和總排溫情況，最終選擇4度角作為該款發(fā)動(dòng)機(jī)的最終靜態(tài)提前角。

另外，由于靜態(tài)提前角的調(diào)整直接導(dǎo)致了非排放區(qū)域提前角的調(diào)整，而在4度靜態(tài)提前角下，必然會(huì)對(duì)一些非排放點(diǎn)的外特性性能不利，造成燃燒惡化；為了滿(mǎn)足排放法規(guī)要求，同時(shí)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降盡可能小的情況下，通過(guò)燃燒開(kāi)發(fā)的逆向設(shè)計(jì)反饋，對(duì)機(jī)械VE泵自身的動(dòng)態(tài)提前器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證排放法規(guī)的同時(shí)，盡可能的使非排放點(diǎn)的性能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，最終的噴油提前角曲線(xiàn)如圖11所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同提前角下，排放影響較大的量為NOx，對(duì)其他氣體和顆粒物的影響較小。（2）隨著靜態(tài)提前角的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫逐漸上升，在2度提前角下已達(dá)到700度以上，所以應(yīng)選擇最優(yōu)角度，控制排溫。（3）提前角的減小有利于發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力的降低，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定（4）此次研究的排放結(jié)果尚存在一定裕度，為該款叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)開(kāi)發(fā)和變型開(kāi)發(fā)保留了較大的升級(jí)空間。

參考文獻(xiàn)

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