噴油器噴油速率對(duì)非道路用柴油機(jī)燃燒和性能的影響*

朱巖栓 韋小泰， 楊 俊 陳 征

（1-廣西玉柴機(jī)器股份有限公司工程研究院 廣西 玉林 530000 2-湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院）

引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，非道路用柴油機(jī)受到了越來越多的關(guān)注。與道路用柴油機(jī)相比，非道路用柴油機(jī)的凈化技術(shù)較為落后，排放污染問題更為嚴(yán)重。為此，環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB20891-2014 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第三、四階段）[1]，對(duì)非道路用柴油機(jī)的各類氣體和顆粒排放物作了明確限定。為達(dá)到日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，除了使用后處理裝置凈化尾氣，從源頭減少排氣污染物的生成量尤為重要。噴油器是柴油機(jī)中一個(gè)重要的零部件，許多學(xué)者對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了研究。Avinash 等人[2]的研究表明，噴油壓力增加，有效熱效率（BTE）升高，平均有效壓力（BMEP）下降，NOx排放升高，CO 和HC排放下降；噴油時(shí)刻提前，BMEP 和BTE 增加，排氣溫度下降，NOx排放升高，CO 和HC 排放下降。Jerzy等人[3]研究了噴孔直徑對(duì)柴油機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，增加噴孔直徑，燃油的蒸發(fā)量減少，燃燒初期的燃燒反應(yīng)變慢，缸內(nèi)的溫度和壓力下降。Kim 等人[4]的研究表明，噴孔的噴射角度較小時(shí)，滯燃期更短，燃燒后的氣缸壓力以及放熱率更高，平均指示壓力更高，排放更低。Sayin 等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，噴孔的數(shù)量會(huì)影響柴油機(jī)的有效燃油消耗率（BSFC）以及排放。宋戰(zhàn)全等人[6]的研究表明，增加噴油器的啟噴壓力，能在一定程度上改善柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放。Boccardo 等人[7]研究了共軌噴油系統(tǒng)的噴油壓力從200MPa 升高到300MPa 對(duì)非道路歐Ⅴ柴油機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，NOx-Soot 和NOx-顆粒數(shù)之間的平衡能得到顯著改善。同時(shí)，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，而不會(huì)對(duì)納米顆粒的排放產(chǎn)生不利影響?？梢?，選擇合適的噴油器和噴油系統(tǒng)參數(shù)，有利于提高非道路用柴油機(jī)的性能、降低排放物的生成量。

本文在一臺(tái)直列四缸非道路用柴油機(jī)上分別使用新噴油器與原噴油器進(jìn)行了臺(tái)架外特性試驗(yàn)，研究不同噴油器對(duì)該非道路用柴油機(jī)的燃燒過程、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇性能更好的噴油器進(jìn)行非道路穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（NRSC）試驗(yàn)，檢驗(yàn)該非道路用柴油機(jī)是否滿足中國第四階段非道路用柴油機(jī)排氣污染物排放限值要求。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用非道路用柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備包括電力測(cè)功機(jī)、燃油流量計(jì)、燃燒分析儀和排放分析儀等。試驗(yàn)過程中，通過進(jìn)氣空調(diào)將進(jìn)氣溫度控制在（25±1）℃，通過冷卻系統(tǒng)將冷卻水出水溫度控制在（90±3）℃。

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 外特性試驗(yàn)

對(duì)該非道路用柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架外特性試驗(yàn)，研究新噴油器（8 孔）和原噴油器（7 孔）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。在試驗(yàn)過程中，測(cè)試轉(zhuǎn)速為800～2 200 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為100 r/min，待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。

2.1.1 噴油速率變化

2 種噴油器在各轉(zhuǎn)速的噴油速率變化和噴油持續(xù)期變化分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 噴油速率的變化

圖2 噴油持續(xù)期的變化

從圖1 和圖2 可以看出，在大部分轉(zhuǎn)速下，新噴油器的噴油速率明顯高于原噴油器。相對(duì)于原噴油器，新噴油器的噴油持續(xù)期明顯縮短。這說明新噴油器的噴油速度更快，有助于提高油束的動(dòng)能和油氣混合速率。

2.1.2 噴油速率對(duì)燃燒過程的影響

試驗(yàn)柴油機(jī)采用不同噴油器時(shí)，在外特性工況下的最大放熱量、缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最高放熱速率和缸內(nèi)最高氣體溫度的變化分別如圖3、圖4、圖5、圖6 所示。

圖3 最大放熱量的變化

圖4 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的變化

圖5 最高放熱速率的變化

圖6 缸內(nèi)最高氣體溫度的變化

從圖3 和圖4 可以看出，該非道路用柴油機(jī)使用新的噴油器后，燃燒最大放熱量增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力相應(yīng)地增加。從圖5 和圖6 可以看出，與原噴油器相比，使用新噴油器后，燃料燃燒過程中的放熱速率顯著升高，缸內(nèi)最高氣體溫度也有一定程度的升高。這是因?yàn)椋褂眯聡娪推骱?，噴油速率升高，噴油持續(xù)期縮短，有助于提高油束的動(dòng)能和油氣混合速率，使得蒸發(fā)霧化效果更好[8]，有利于更快地形成均質(zhì)可燃混合氣。此外，噴油持續(xù)期縮短，燃料的燃燒反應(yīng)過程更多地發(fā)生在主燃期，后燃燃燒減少[9]。上述原因使得缸內(nèi)燃料在更短時(shí)間內(nèi)集中放熱，缸內(nèi)氣體的最大燃燒壓力、最高放熱速率和最高溫度均升高。

2.1.3 噴油速率對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

試驗(yàn)柴油機(jī)在外特性工況下使用新噴油器后轉(zhuǎn)矩的增長率如圖7 所示。

圖7 使用新噴油器后轉(zhuǎn)矩的增長率

從圖7 可以看出，與原噴油器相比，柴油機(jī)使用新噴油器后，在外特性工況的轉(zhuǎn)矩均有不同程度的增加，意味著使用新噴油器能提高柴油機(jī)的動(dòng)力性。這是因?yàn)?，使用噴油速率更高的新噴油器后，噴油量和放熱量增大，噴油持續(xù)期縮短，燃燒持續(xù)期縮短[10]，燃燒放熱更為集中，最大爆發(fā)壓力增加，使得活塞在膨脹做功過程中對(duì)外輸出更多的功，故發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性增強(qiáng)。

有效燃油消耗率（BSFC）是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用新噴油器進(jìn)行外特性試驗(yàn)時(shí)BSFC 的降低率如圖8 所示。

表2 NRSC 試驗(yàn)工況點(diǎn)

圖8 使用新噴油器后有效燃油消耗率的降低率

表3 NRSC 試驗(yàn)中8 個(gè)循環(huán)工況的排放

從圖8 可以看出，與使用原噴油器相比，發(fā)動(dòng)機(jī)使用新噴油器后，發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC 降低，燃油經(jīng)濟(jì)性提高。這是因?yàn)椋聡娪推鞯膰娪退俾士?，噴油持續(xù)期短，提高了油束的動(dòng)能和油氣混合速率，有利于燃燒放熱過程。其次，使用新噴油器后，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增加，更高的壓力推動(dòng)活塞在膨脹做功行程中能對(duì)外輸出更多的有用功。此外，使用新噴油器后，更大部分燃料的燃燒過程發(fā)生在主燃期，有助于熱效率的提高[11]。上述原因綜合作用，降低了試驗(yàn)非道路用柴油機(jī)的有效燃油消耗率，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（NRSC）

為了驗(yàn)證該非道路用柴油機(jī)使用新噴油器后的排放性能，按照GB20891-2014 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第三、四階段）要求，在臺(tái)架上對(duì)該非道路用柴油機(jī)開展了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。根據(jù)要求，選擇如表2 所示的8 工況進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)。

試驗(yàn)柴油機(jī)在NRSC 試驗(yàn)中8 個(gè)工況的CO、HC、NOx排放以及顆粒數(shù)測(cè)量結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)GB20891-2014 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第三、四階段）要求，CO 排放測(cè)量采用不分光紅外線吸收型分析儀（NDIR）測(cè)量，HC 排放采用加熱型氫火焰離子化分析儀（HFID）測(cè)量，NOx排放采用帶NO2/NO 轉(zhuǎn)化器的化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器（CLD）測(cè)量，顆粒數(shù)排放采用顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)量。對(duì)8 個(gè)循環(huán)工況的各類排放進(jìn)行加權(quán)轉(zhuǎn)換計(jì)算（除顆粒物PM 質(zhì)量采用單濾紙取樣微克天平稱重外），得到該試驗(yàn)循環(huán)非道路用柴油機(jī)的NRSC 加權(quán)總排放，如表4 所示。

表4 NRSC 加權(quán)總排放 g/（kW·h）

從表4 可以看出，試驗(yàn)柴油機(jī)各類排放物的加權(quán)總排放均小于中國第四階段非道路用柴油機(jī)排氣污染物排放限值。表明使用新噴油器的柴油機(jī)能滿足中國第四階段非道路用柴油機(jī)排氣污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文對(duì)某非道路用柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架外特性試驗(yàn)，研究了該非道路用柴油機(jī)使用原噴油器與新噴油器后對(duì)其燃燒過程、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇性能表現(xiàn)更好的噴油器進(jìn)行非道路穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（NRSC），檢驗(yàn)該非道路用柴油機(jī)是否滿足中國第四階段非道路用柴油排氣污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)論如下：

1）與原噴油器相比，新噴油器的噴油速率升高，噴油持續(xù)期明顯縮短。

2）使用新噴油器后，燃料燃燒的最大放熱量增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和最高氣體溫度升高，燃燒放熱速度加快。

3）使用新噴油器后，該非道路用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加，有效燃油消耗率下降。

4）使用新噴油器后，該非道路用柴油機(jī)在NRSC試驗(yàn)循環(huán)中的CO、HC、NOx和PM 的加權(quán)排放量均低于中國第四階段非道路用柴油機(jī)排氣污染物排放限值。