單缸柴油機(jī)排放性能的生產(chǎn)一致性控制

劉勝吉, 董 浩, 王 建, 徐 康

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國(guó)非道路用柴油機(jī)應(yīng)用廣、類型多, 主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域．非道路用柴油機(jī)中小功率單缸柴油機(jī)因價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便, 符合農(nóng)業(yè)用戶的使用習(xí)慣,使其在農(nóng)用機(jī)械中有著重要的地位．但柴油機(jī)尾氣中的NOx等污染物排放日益增加[1], 嚴(yán)重污染環(huán)境[2], 對(duì)人體健康造成很大危害[3], 為此我國(guó)已于2016年12月1日全面實(shí)施非道路柴油機(jī)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)(http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201601/t20160118_326597.html.), 使我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)已與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的排放要求相當(dāng)[4], 致使目前僅有部分單缸柴油機(jī)機(jī)型通過環(huán)保部門的排放形式核準(zhǔn),但實(shí)際滿足第三階段排放要求的單缸柴油機(jī)批量生產(chǎn)的還較少,特別是對(duì)柴油機(jī)排放性能的生產(chǎn)一致性控制不嚴(yán)格,這會(huì)讓柴油機(jī)排放性能不穩(wěn)定[5],導(dǎo)致柴油機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)有相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品無法滿足排放要求,因此找出影響單缸柴油機(jī)排放性能的關(guān)鍵因素尤為重要．本文以S1115型單缸柴油機(jī)為樣機(jī),擬通過仿真模擬,研究關(guān)鍵參數(shù)的偏差對(duì)整機(jī)排放值的影響．

1 原機(jī)基本參數(shù)

本文所用樣機(jī)為常見的S1115型臥式、四沖程、單缸水冷柴油機(jī), 其缸徑為115 mm,活塞行程為120 mm, 壓縮比為18.0, 總排量為1.25 L．柴油機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 200 r·min-1, 標(biāo)定功率為15.5 kW．

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型及參數(shù)

柴油機(jī)正常運(yùn)行時(shí), 主要工作過程包含燃料的噴射及其在缸內(nèi)的霧化、缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)和燃料燃燒[6],故在FIRE軟件中主要通過噴霧混合模擬、缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)模擬以及燃燒模擬對(duì)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 選取的模型有氣相湍流流動(dòng)模型、噴霧模型、著火及燃燒模型、NOx生成模型以及碳煙生成模型．具體計(jì)算模型及參數(shù)選取見表1和表2．

表1 計(jì)算模型的選取

表2 邊界條件的確定

2.2 模型驗(yàn)證

圖1 不同工況下原機(jī)缸壓的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.1 Comparison between simulation and experiment of cylinder pressure

本文選取柴油機(jī)標(biāo)定工況和最大扭矩工況來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性．圖1是原機(jī)在不同工況下氣缸壓力試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比．從圖1可以看出, 2個(gè)工況下缸內(nèi)壓力的試驗(yàn)值與模擬值基本一致,誤差在工程規(guī)定范圍內(nèi),表明本文所選模型可用來模擬實(shí)際試驗(yàn)過程,符合工程分析的要求．表3是2個(gè)工況下NOx的試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比．從表3可以看出,所選燃燒模型的模擬數(shù)值略低于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)值, 但誤差符合工程分析要求,故所選模型可用于模擬實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果．

表3 原機(jī)NOx模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比

3 重要參數(shù)的生產(chǎn)一致性

應(yīng)用模擬計(jì)算得到單一因素變化對(duì)排放量的影響規(guī)律, 再通過對(duì)噴油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化匹配試驗(yàn),使樣機(jī)達(dá)到第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)．表4是排放試驗(yàn)結(jié)果．對(duì)于標(biāo)定功率19 kW以下柴油機(jī), 第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)中要求3 000 h有效壽命內(nèi)排放要滿足限值, 因此初次試驗(yàn)須留有劣化余量和生產(chǎn)一致性控制偏差,以保證產(chǎn)品有高的合格率．《非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)要求(征求意見稿)》(http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201802/t20180224_431718.htm.)給出的CO、HC、NOx、PM劣化系數(shù)分別是1.3,1.3,1.15,1.05, 以此計(jì)算得到有效壽命期結(jié)束時(shí)柴油機(jī)CO、HC+NOx和PM符合標(biāo)準(zhǔn)要求的排放值分別是3.25, 6.67, 0.54 g·kW-1·h-1．此時(shí), 優(yōu)化樣機(jī)的生產(chǎn)控制參數(shù)為供油提前角8 ℃A, 氣缸壓縮余隙1.0 mm, 油嘴頭部伸出氣缸蓋的高度(簡(jiǎn)稱為油嘴伸出高度)2.6 mm, 噴油器流量1.68 L·min-1．本文以此為基礎(chǔ), 研究參數(shù)變化對(duì)柴油機(jī)排放穩(wěn)定性的影響,以得到控制柴油機(jī)生產(chǎn)一致性的具體措施．

表4 原機(jī)優(yōu)化后的排放試驗(yàn)值

3.1 壓縮余隙

壓縮余隙對(duì)柴油機(jī)的性能有很大的影響[8], 壓縮余隙的誤差有很多因素,主要有氣缸墊片厚度、機(jī)體的上平面與主軸承孔中心之間的距離、連桿兩端孔的中心距等．壓縮余隙在實(shí)際生產(chǎn)和裝配中的誤差范圍一般控制在±0.2 mm, 故模擬方案中壓縮余隙在0.8～1.2 mm之間每隔0.1 mm取一個(gè)點(diǎn), 在保持油嘴伸出高度不變的條件下,對(duì)這些方案分別進(jìn)行排放的模擬分析．圖2是壓縮余隙的變動(dòng)對(duì)樣機(jī)NOx和Soot排放量的影響．從圖2可以看出,隨壓縮余隙的減小, NOx的排放量增大, 而Soot的排放量減小,且Soot排放量的變化幅度大于NOx; 因此Soot排放量相對(duì)于NOx排放量受壓縮余隙變化的影響更大,即合理的壓縮余隙對(duì)減少顆粒物的排放有重要的作用．經(jīng)計(jì)算, 壓縮余隙增加0.1 mm,壓縮比降低0.24,同時(shí)壓縮余隙增大還使燃燒室擠流速度變小,改變了噴油油線在燃燒室軸向的分布,影響燃燒過程,從而改變NOx和Soot的排放量．壓縮余隙增加0.1 mm, 兩個(gè)工況下Soot的排放量增大約7.4%,為了將排放惡化控制在5%以內(nèi), 將壓縮余隙的變化范圍控制在±0.07 mm可以滿足排放要求．

3.2 油嘴伸出高度

樣機(jī)油嘴伸出高度基礎(chǔ)方案為2.6 mm, 但在實(shí)際的裝配過程中,受噴油器墊片精度以及噴油器安裝孔加工誤差的影響,其變化范圍為±0.2 mm, 故在2.4～2.8 mm之間每隔0.1 mm取一個(gè)方案進(jìn)行排放的模擬分析,結(jié)果如圖3所示．從圖3可以看出,油嘴伸出高度的改變, 使Soot的排放量增大, NOx的排放量減?。@是因?yàn)橛妥焐斐龈叨鹊淖兓?改變了噴油油線在燃燒室軸向的分布[9], 使軸向上油氣混合的均勻性變差,改變了燃燒速度, 增加燃燒時(shí)間,使Soot排放量增加,而溫度下降又使NOx減少．經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),油嘴伸出高度每改變0.1 mm, Soot排放量約增加4.1%, NOx排放量約減少2.3%, 故油嘴伸出高度控制在±0.1 mm范圍內(nèi)較為合適．

圖2 NOx和Soot的排放量與壓縮余隙變化的關(guān)系Fig.2 Relationship between NOxand Soot with changes in compression clearance

圖3 NOx和Soot的排放量與油嘴伸出高度變化的關(guān)系Fig.3 Relationship between NOx and Soot withchanges in injector protrusion

3.3 噴油器流量

噴油器流量的基礎(chǔ)方案為1.68 L·min-1, 產(chǎn)品中的誤差在±5%以內(nèi),故選取噴油器流量為1.58,1.63,1.68,1.73,1.78 L·min-1進(jìn)行排放的模擬仿真,結(jié)果如圖4所示．從圖4可以看出,2種工況下隨著噴油器流量的增加,NOx的排放量增加, 這是因?yàn)閲娍琢髁吭黾?噴油速率增大,預(yù)混燃燒量增加,提高了缸內(nèi)溫度．而標(biāo)定工況下Soot的排放量先降低后升高,這是由于噴孔流量適當(dāng)增加,使噴油時(shí)間縮短,加快了缸內(nèi)燃油燃燒, 降低Soot排放;當(dāng)噴孔流量過大時(shí),缸內(nèi)會(huì)出現(xiàn)燃料過濃區(qū)域,導(dǎo)致不完全燃燒,氧化效果降低,使Soot排放量增加;當(dāng)噴孔流量降低時(shí),噴油持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng),缸內(nèi)燃燒溫度降低,NOx減少,而Soot增加．噴孔流量每增加0.05 L·min-1, NOx約增加0.58%, Soot約增加0.53%;而噴孔流量每下降0.05 L·min-1, NOx約降低1.13%, Soot約增加3.14%．因此實(shí)際生產(chǎn)過程中,要改進(jìn)噴油器的加工技術(shù),但考慮到加工難度,最終將噴孔流量誤差控制在±0.07 L·min-1, 即±4%的偏差, 以保證柴油機(jī)可以滿足法規(guī)的排放穩(wěn)定性要求．

3.4 供油提前角

供油提前角的基礎(chǔ)方案為8 ℃A．供油提前角變化改變了噴油始點(diǎn)和滯燃期, 缸內(nèi)最高燃燒溫度和燃燒終點(diǎn)等隨之改變, 影響柴油機(jī)的排放結(jié)果[10]．在實(shí)際生產(chǎn)和裝配過程中, 供油提前角的變化范圍一般是±(1～2) ℃A, 故在7 ～9 ℃A之間每隔0.5 ℃A選取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬．圖5為供油提前角變化對(duì)NOx和Soot排放的影響．圖5結(jié)果顯示, 當(dāng)供油提前角減小時(shí), Soot的排放量增加, NOx的排放量減少; 當(dāng)供油提前角增大時(shí), Soot的排放量減少, NOx的排放量增加．經(jīng)計(jì)算, 供油提前角每增加0.5 ℃A, Soot的排放量減少約1.5%, NOx的排放量增加約3.6%．綜上分析, 供油提前角的變化范圍應(yīng)控制在±0.5 ℃A, 以保證柴油機(jī)排放的穩(wěn)定性．

圖4 NOx和Soot的排放量與噴油器流量變化的關(guān)系Fig.4 Relationship between NOx and Soot with different flow injectors

圖5 供油提前角變化對(duì)NOx和Soot排放的影響Fig.5 Relationship between NOx and Soot with fuel supply advance angles

3.5 裝配控制參數(shù)及驗(yàn)證

上述計(jì)算分析過程中, 計(jì)算結(jié)果Soot排放量變化與柴油機(jī)實(shí)測(cè)顆粒排放量變化一致, 此外Soot排放量增加時(shí), 柴油機(jī)燃燒不完全,使HC、CO排放量也升高, 說明對(duì)于S1115型柴油機(jī)控制裝配過程中參數(shù),縮小公差范圍很有必要．柴油機(jī)顆粒排放除受燃燒過程影響外,還與機(jī)油消耗等因素有關(guān),在裝配過程中,控制氣缸蓋螺栓擰緊力矩,減少氣缸孔的變形量;控制活塞配缸間隙、活塞環(huán)彈力等能減少機(jī)油消耗,減小顆粒排放．

依據(jù)上述分析結(jié)果,在企業(yè)對(duì)裝配工藝的關(guān)鍵參數(shù)控制進(jìn)行小批量驗(yàn)證,嚴(yán)格工藝操作規(guī)程,小批生產(chǎn)的S1115型柴油機(jī)都能滿足非道路柴油機(jī)第三階段排放要求．

4 結(jié)論

1) 通過控制裝配過程中的關(guān)鍵參數(shù)偏差來提高柴油機(jī)性能、排放的穩(wěn)定性和生產(chǎn)一致性,才能在批量生產(chǎn)中生產(chǎn)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求的合格產(chǎn)品．

2) 對(duì)影響燃燒性能變化的裝配參數(shù)用模擬分析方法得出了S1115型柴油機(jī)排放結(jié)果變化,結(jié)果表明:為減小批量生產(chǎn)柴油機(jī)排放性能的波動(dòng),需要改變生產(chǎn)條件,增加關(guān)鍵參數(shù)的控制裝備,對(duì)現(xiàn)有裝配控制參數(shù)較大幅度地減小公差范圍．

3) S1115型柴油機(jī)的壓縮余隙、油嘴伸出高度、噴油器流量和供油提前角應(yīng)分別控制在±0.07 mm,±0.1 mm,±0.07 L·min-1,±0.5 °CA范圍內(nèi),經(jīng)小批量生產(chǎn)驗(yàn)證,能保證柴油機(jī)排放性能的批量生產(chǎn)一致性．