降低非道路用柴油機排放試驗

陳占耀，賈 義，李亞楠，馬志豪，張 恒

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.馬鞍山市常立發(fā)機械制造有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

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降低非道路用柴油機排放試驗

陳占耀1，賈 義1，李亞楠1，馬志豪1，張 恒2

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.馬鞍山市常立發(fā)機械制造有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

為了改善非道路用直噴N490型柴油機的排放性能，研究了噴油壓力、噴油定時、噴油器噴孔直徑和噴油器油嘴伸出量等參數(shù)對柴油機排放的影響。研究結果表明：提高噴油壓力，可以有效降低柴油機的不透光煙度和燃油消耗率，但會導致氮氧化物(NOX)排放升高；增大噴油定時，可以降低顆粒物(PM)排放，但會帶來NOX排放升高；較小噴孔數(shù)目和直徑(5×Φ0.21 mm)與具有較高噴油壓力的噴油泵相匹配，可以有效降低NOX和PM的排放；合適的噴油器油嘴伸出量可以改善柴油機的排放性能。對柴油機燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，柴油機的NOX+碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和PM排放分別降低到6.23 g/(kW·h)、1.109 g/(kW·h)和0.522 g/(kW·h)，達到了中國第三階段非道路用柴油機排放標準的要求。

非道路用柴油機；噴油壓力；噴油定時；噴孔直徑；油嘴伸出量

0 引言

直噴式柴油機具有較高的熱效率和較大的扭矩儲備系數(shù)，因此，被廣泛應用在農(nóng)業(yè)機械和工程機械等領域，但其存在著氮氧化物(nitrogen oxides,NOX)和顆粒物(particulate matter,PM)排放高等缺點[1-2]。NOX和PM嚴重危害人們的身體健康，影響人類的生存環(huán)境。為防治柴油機污染物排放對環(huán)境的污染，中國政府對道路用柴油機和非道路用柴油機提出了嚴格的排放控制標準，并制定了相關的排放法規(guī)[3-4]。中國在2014年5月，發(fā)布了非道路移動機械用柴油機中國第三、四階段排放法規(guī)，從2014年10月1日開始正式施行[5]。

為了滿足排放法規(guī)日益嚴格的要求，國內(nèi)外對非道路用柴油機的轉型升級做了大量研究[6-8]。文獻[9]對一臺非道路用增壓四缸柴油機的噴油器、噴油泵、噴油提前角以及廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)開度進行優(yōu)化。美國西南研究院指出：電控高壓共軌+EGR+增壓/增壓中冷是滿足嚴格排放法規(guī)的有效技術手段[10]。非道路用柴油機在中國農(nóng)業(yè)機械和工程機械方面有著廣泛的應用，但由于受市場和制造成本的限制，許多高新技術(例如：高壓共軌、渦輪增壓和EGR)得不到大力推廣，這在一定程度上加大了實施國家排放法規(guī)的難度。因此，需要對現(xiàn)有非道路用柴油機零部件的參數(shù)進行優(yōu)化設計，合理組織供油、進氣和缸內(nèi)燃燒過程，以達到降低排放的目的。本文以一臺立式、直列、四缸直噴式N490型自然吸氣柴油機為原型機，研究了噴油壓力、噴油定時、噴油器噴孔直徑和噴油器油嘴伸出量等參數(shù)對該柴油機的顆粒物(PM)、一氧化碳(carbon monoxide,CO)、NOX和碳氫化合物(hydrocarbon,HC)排放的影響，通過優(yōu)化匹配這些參數(shù)，使該柴油機滿足當前實施的排放法規(guī)[5]。

1 試驗方法

在不調整柴油機燃燒室和進氣系統(tǒng)的基礎上，試驗分析了噴油壓力、噴油定時、噴油器噴孔直徑和噴油器油嘴伸出量等參數(shù)對柴油機排放的影響規(guī)律。在保證柴油機動力不出現(xiàn)大幅降低，燃油經(jīng)濟性不出現(xiàn)惡化的情況下，尋求降低柴油機排氣污染物的途徑，確定發(fā)動機燃油系統(tǒng)參數(shù)，提高發(fā)動機的排放性能，使之達到第三階段的排放標準[5]。

提高噴油壓力可以改善柴油機的動力性和經(jīng)濟性，并使PM排放大幅降低[11-13]，但在其他條件不變時，提高噴油壓力會使噴油速率上升，從而導致NOX排放升高[14]。為此，本文選取了具有不同噴油壓力的兩種軸向柱塞分配泵(verteiler，VE)，分別記為VE1泵和VE2泵。試驗用噴油泵主要參數(shù)如表 1所示。

噴油定時影響柴油機的油氣混合和燃燒品質，從而影響柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性[15-16]。大量研究表明：推遲噴油是降低NOX排放最有效的方法[3，16]，但推遲噴油會導致PM排放升高[11]。因此，在試驗過程中對噴油定時做了調整，噴油定時從上止點前15°(15 crank angle before top dead center，15°CA BTDC)推遲到13°CA BTDC，每隔1°CA BTDC進行試驗。

噴油器噴孔直徑和數(shù)目影響燃油的噴霧質量和油氣混合質量，從而影響柴油機的燃油消耗量及PM、NOX的排放[17]。為此，本試驗選取了4種不同噴孔直徑和噴孔數(shù)目的噴油器進行對比，分別記為P1(5×Φ0.21 mm)、P2(5×Φ0.22 mm)、P3(5×Φ0.23 mm)和P4(6×Φ0.19 mm)。噴油器參數(shù)見表 2。

表1 試驗用噴油泵主要參數(shù)

表2 噴油器參數(shù)

噴油器油嘴伸出量直接影響油束與燃燒室及氣流的配合，從而影響柴油機的性能，因此試驗過程中通過改變墊片厚度調整噴油器的油嘴伸出量。試驗所用墊片厚度分別為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm和 3.5 mm。

本文所用柴油機為N490型非道路用柴油機，其主要技術參數(shù)見表3。

表3 N490型非道路用柴油機主要技術參數(shù)

試驗中采用MEXA-7100DEGR型排放分析儀來檢測柴油機排氣中的NOX、HC、CO。采用Horiba DLT-1302型顆粒排放測試儀對排氣中的顆粒進行收集，在環(huán)境倉中用微量天平稱量收集到顆粒的質量。采用AVL DISMOKE 4000型不透光煙度計對排氣中的不透光煙度進行測量。

表4 試驗工況及加權系數(shù)

本試驗測試點取兩個典型工況：額定工況和最大扭矩工況。測試結果僅取燃油消耗率(記為be)、不透光煙度和NOX排放量作為判斷依據(jù)。這3個參數(shù)可以在一定程度上反映缸內(nèi)燃燒狀況，其中，不透光煙度可以直接反映PM的排放狀況。

運用正交法獲得較好的匹配參數(shù)后，再按照法規(guī)規(guī)定的非道路用柴油機8工況法進行測試。試驗所用工況和加權系數(shù)見表4[5]。37 kW以下非道路用柴油機要達到中國第三階段排放標準，排氣污染物限值見表5[5]。

表5 非道路用柴油機排氣污染物限值

2 試驗結果與分析

2.1 噴油泵的影響

表6為使用兩種不同油泵時柴油機的燃油消耗率、不透光煙度和NOX排放量情況。從表6中可以看出：使用VE2泵，柴油機的燃油消耗率和不透光煙度相對于使用VE1泵有了較大幅度的降低。這主要是因為VE2泵可以提供更高的噴油壓力，加速了燃油的噴霧破碎，在極短的時間內(nèi)迅速地促進燃油的噴霧破碎、蒸發(fā)和擴散，更快地形成均勻的燃油空氣混合物，燃燒變得更加充分[13,18]，燃燒過程更靠近上止點，從而使柴油機的燃油消耗率和不透光煙度降低。但NOX排放量相對于使用VE1泵有小幅上升，這主要是因為噴油壓力增加，噴油速率增大，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，缸內(nèi)溫度升高，從而導致NOX生成量增加[11]。

表6 不同噴油泵的試驗結果

2.2 噴油定時的影響

圖1為不同噴油定時下，柴油機NOX排放量和不透光煙度的變化情況。圖2為不同噴油定時下，柴油機燃油消耗率的變化情況。

2.2.1 NOX的排放量

從圖1中可以觀察到:NOX排放量隨噴油定時的增大而增加，這是因為噴油定時大，滯燃期增長，參與預混合燃燒的燃油量增多，缸內(nèi)的最高燃燒溫度升高，從而導致NOX的排放量增加[2,19]。這符合噴油定時對NOX排放影響的一般規(guī)律，說明通過減小噴油定時來控制NOX排放量是確實可行的。從圖1中還可以看出:最大扭矩工況(1 800 r/min)的NOX排放量高于額定工況(2 400 r/min)的NOX排放量，說明前者缸內(nèi)最高溫度高于后者。

2.2.2 不透光煙度的變化

從圖1中可以看出:柴油機的不透光煙度隨噴油定時的增大而減少，在最大扭矩工況時減少尤為明顯。在最大扭矩工況時，供油提前角從13°CA BTDC增加到14°CA BTDC、15°CA BTDC時，不透光煙度由 29.6%分別減少到19.2%、14.1%，分別減少了35.1%和52.4%。隨著噴油定時的增大，燃燒重心前移，燃燒持續(xù)時間縮短，燃燒更接近上止點，有利于碳煙的后期氧化[11]。另外，噴油定時增大，缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力增大，在活塞下行時，燃燒室內(nèi)高溫高壓引起的壓差以及強擠流的作用，使得氣流以較大的壓差從燃燒室流出，加速了碳煙的后期氧化，使得碳煙排放量減少。柴油機運行在額定工況時，柴油機的轉速高、噴油壓力高、缸內(nèi)渦流強度較強，使得油氣混合比較均勻，缸內(nèi)燃燒充分，從而使碳煙生成量減少。在高轉速時，柴油機的不透光煙度隨噴油定時變化較小。

圖1 噴油定時對排放的影響圖2 噴油定時對燃油消耗率的影響

2.2.3 燃油消耗率

由圖2可以看出：燃油消耗率隨著噴油定時的增加呈下降的趨勢。當噴油定時增大時，滯燃期延長，使得更多燃油與空氣混合，預混合燃燒比例增大，放熱峰值增大、燃燒更接近上止點，定容度較高，燃油經(jīng)濟性好。但由于推遲噴油定時是降低NOX排放的重要措施，所以，增大噴油定時受到限制。

從圖1和圖2可以看出：噴油定時在15°CA BTDC時，柴油機的不透光煙度、燃油消耗率最低，但NOX的排放量最高，這對達到法規(guī)規(guī)定的氣體排放限值[5]產(chǎn)生不利影響；噴油定時在13°CA BTDC時，樣機的NOX排放量最低，對達到氣體排放限值有利，但不透光煙度增加，這對達到法規(guī)規(guī)定的PM排放限值不利。綜合考慮NOX和PM的排放量以及燃料消耗率，柴油機噴油定時在14°CA BTDC時的綜合性能最優(yōu)。

2.3 噴油器偶件參數(shù)的影響

表7為使用不同噴油器偶件時柴油機的燃油消耗率、不透光煙度和NOX排放結果對比。由表7可知：當噴孔數(shù)目不變，噴孔直徑減少時，柴油機的燃油消耗率、不透光煙度和NOX的排放量呈下降趨勢。由于噴孔直徑減少，噴油壓力提高、燃油離開噴孔的速度增加，促進了燃油噴霧破碎，噴霧索特平均直徑減小，油氣混合均勻，缸內(nèi)燃燒充分，致使柴油機的燃油消耗率和不透光煙度降低。同時，燃料的著火延遲期縮短，從而在著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣減少，使得缸內(nèi)最高壓力及最高溫度降低，從而降低了NOX的生成[17,20]。另外，當使用P4噴油器時，柴油機的燃油消耗率與不透光煙度急劇升高，NOX排放急劇惡化。與P4噴油器相比，使用P1噴油器時，柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放均優(yōu)于P4噴油器。雖然兩種噴油器的噴孔總面積接近，但P4噴油器的有效流通截面積小，使得噴油持續(xù)時間延長，后燃增加，柴油機的性能出現(xiàn)惡化。所以，使用P4噴油器時，應該增加噴油壓力以縮短噴油持續(xù)時間，減少后燃。

表7 不同噴油器偶件的試驗結果

2.4 噴油器油嘴伸出量的影響

噴油器油嘴伸出量是指油嘴伸出氣缸蓋底面的高度。油嘴伸出量主要與噴油器和氣缸蓋上安裝孔之間的墊片厚度有關[20]，墊片薄則伸出氣缸蓋底面就多，墊片厚則相反。通過調整墊片厚度來改變油嘴伸出量，所用墊片厚度分別為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm和3.5 mm。墊片厚度對排放的影響結果如圖 3所示。

圖3 墊片厚度對排放的影響

由圖3可以看出:使用厚度為3.0 mm墊片時，柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放性最好，使用2.5 mm墊片次之，使用2.0 mm和3.5 mm墊片時，柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放性較差。當墊片厚度為2.0 mm時，噴油器油嘴伸出量太大，導致燃油直接噴射到燃燒室下部，使得空氣利用率降低，燃料不能夠完全燃燒，導致經(jīng)濟性惡化，不透光煙度增加。當墊片厚度為3.5 mm時，噴油器油嘴伸出量過小，油束會噴射到活塞頂面，影響燃油的空間分布，同樣降低空氣的利用率，從而使柴油機的性能惡化。當墊片厚度為3.0 mm時，油束落點靠近燃燒室高度的中間區(qū)域，優(yōu)化了油束在燃燒室空間的分布，提高了空氣利用率，改善了缸內(nèi)燃燒過程，柴油機的性能得到提升。

3 排放測試

綜合分析上述各項影響因素，對柴油機各項技術參數(shù)進行了優(yōu)化匹配。優(yōu)化后按中國第三階段排放標準[5]重新檢測，所測8工況加權比排放結果如表 8所示。

表8 8工況加權比排放結果

由表 8可見:采取技術參數(shù)優(yōu)化匹配后，原機的有害排放污染物得到有效的控制，新機排放性能指標達到了中國第三階段排放標準的要求。

4 結論

(1)增大噴油壓力和噴油定時能有效降低柴油機PM的排放，但會導致NOX排放增多；較小噴孔數(shù)目和直徑(5×Φ0.21 mm)與具有較高噴油壓力的噴油泵相匹配，可以有效降低NOX和PM的排放；合適的噴油器油嘴伸出量可以改善柴油機的排放性能。為全面改善柴油機的排放性能,需要綜合考慮各種影響因素。

(2)采用VE2泵、噴油器噴孔數(shù)目和直徑為5×Φ0.21 mm、噴油定時為14°CA BTDC、墊片厚度為3.0 mm的綜合匹配方案，可以改善柴油機的燃燒過程，使N490型非道路用柴油機的排放得到有效控制，排放指標達到中國第三階段排放標準的要求。

(3)燃油系統(tǒng)參數(shù)對柴油機燃油經(jīng)濟性能和排放性能影響十分復雜，不可能只考慮某一方面因素就能獲得滿意效果，必須進行優(yōu)化匹配，才能到預期的目的。

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國家重點研發(fā)計劃基金項目(2016YFD0700803)

陳占耀(1992-),男,福建三明人,碩士生;馬志豪(1965-),男,回族,河南洛陽人,教授,博士,博士生導師,主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒與污染物排放控制.

2016-09-26

1672-6871(2017)03-0030-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.007

TK421.5

A