噴油量等參數(shù)偏差和環(huán)境對發(fā)動機性能的影響

劉書杰，楊海龍，翟浩，付偉，黃國龍

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

為降低汽車尾氣排放，已推出一系列排放標準[1-2]，對發(fā)動機排放控制策略和后處理系統(tǒng)提出更高要求。零部件設計公差、生產(chǎn)加工制造偏差等，都有可能造成發(fā)動機排放異常[3]。

王哲等[4]研究了氣缸蓋、配氣相位、壓縮比和摩擦損失等參數(shù)的生產(chǎn)偏差對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響，并對相關參數(shù)的生產(chǎn)偏差進行優(yōu)化以便改善發(fā)動機性能。洪彬彬等[5]針對額定工況和大轉矩工況，研究噴油量、進排氣開啟時刻、壓縮比、噴油開啟時刻等參數(shù)偏差對發(fā)動機性能的影響，發(fā)現(xiàn)噴油量偏差對發(fā)動機機性能影響最大。李巖等[6]研究發(fā)現(xiàn)通過噴油量修正技術可降低因噴油器生產(chǎn)工藝導致的噴油偏差對排放的影響。褚國良等[7]的研究表明，廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)率偏差控制在某一范圍內，能保證整機具有良好的排放一致性和適應性。汪恩波等[8]分析了不同增壓器執(zhí)行器的開啟壓力對燃油消耗率、轉矩等性能參數(shù)的影響，提出需控制合適的開啟壓力。王鵬程[9]研究了進氣溫度對發(fā)動機性能的影響，發(fā)現(xiàn)缸內進氣溫度從385 ℃逐步降低至325 ℃時，相同進氣壓力下缸內實際進氣量增大，有利于降低混合氣濃度，減少缸內煙度排放和NOx生成量。

上述研究表明，噴油量、EGR率、增壓器執(zhí)行器開啟壓力、進氣溫度等參數(shù)影響發(fā)動機的性能。本文中針對不同用途的發(fā)動機，研究噴油量、文丘里喉口直徑、增壓器執(zhí)行器開啟壓力、環(huán)境溫度、相對濕度的參數(shù)偏差對發(fā)動機NOx排放、煙度排放、燃油消耗率、爆發(fā)壓力的影響。

1 試驗方案

某高壓共軌發(fā)動機為滿足排放要求，后處理系統(tǒng)采用EGR、氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油機顆粒捕采器(diesel particulate filter，DPF)、選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術。發(fā)動機額定轉速為2300 r/min，額定功率為162 kW，最大轉矩為800 N·m，可應用于非道路用、道路車機用(如牽引車、客車等)和道路專用車用(如環(huán)衛(wèi)車、起重機等)3種用途。本文中針對該多用途發(fā)動機，分析噴油量、文丘里喉口直徑、增壓器執(zhí)行器開啟壓力、環(huán)境溫度、相對濕度5種參數(shù)偏差對發(fā)動機性能的影響，其中，非道路用運行工況主要在額定轉速附近((2300±100) r/min)，道路車機用運行工況在大轉矩轉速(1200～1800 r/min)，道路專用車用運行工況在低轉速(1000 r/min以下)。

2 試驗結果分析

2.1 噴油量

噴油器噴嘴直徑的加工公差導致實際油嘴孔徑不同，噴油量出現(xiàn)偏差[10-11]，引起燃燒變化，影響發(fā)動機排放。

以額定工況下裝機每循環(huán)噴油量為36 kg作為基準，通過改變實際噴油量模擬不同的噴油量偏差，針對非道路用、道路車機用和道路專用車用3種用途，分別設置噴油量偏差為-1.0、-0.5、0、0.5、1.0 kg，進行萬有特性試驗，記為方案A1、A2、A3、A4、A5，A3方案為基準方案，測量同一種用途下A1、A2、A4、A5方案NOx排放、煙度排放相對于A3方案的偏差率(偏差率指某一方案與基準方案所測參數(shù)之差與基準方案下所測參數(shù)之比)，燃油消耗率和爆發(fā)壓力相對于A3方案的偏差(偏差指某一方案與基準方案下所測參數(shù)之差)。通常NOx排放偏差率η1在10%以內、煙度排放偏差率η2在15%以內、燃油消耗率偏差dQ在1.5 g/(kW·h)以內、爆發(fā)壓力偏差dP在0.15 MPa以內視為正常參數(shù)范圍。3種用途不同方案下噴油量偏差對NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力影響結果如圖1所示。

a)NOx排放 b)煙度排放 c)燃油消耗率 d)爆發(fā)壓力

由圖1可知：非道路用及道路車機用2種用途下，不同噴油量偏差對應的NOx排放偏差率基本在10%以內，道路專用車用在噴油量偏差為0～0.5 kg時NOx排放偏差率接近-20%，道路專用車用應盡量避開噴油量偏差0～0.5 kg；不同的噴油量偏差對應的煙度排放偏差率基本在15%以內，但噴油量偏差0～0.5 kg時稍高，結合DPF顆粒物質量過濾效率能達到90%以上及顆粒物數(shù)量過濾效率99%以上[12-13]，煙度排放偏差對DPF再生周期影響較?。粐娪土科顚娜加拖穆势钚∮?.5 g/(kW·h)，爆發(fā)壓力偏差小于0.15 MPa。

噴油量偏差對發(fā)動機性能無顯著影響，但道路專用車用應避開噴油量偏差0～0.5 kg。

2.2 文丘里喉口直徑

EGR系統(tǒng)可有效降低NOx排放，EGR率為廢氣流量和氣缸總進氣量之比，較高的EGR率會降低新鮮進氣量，引起燃燒惡化，發(fā)動機煙度排放升高，換油周期縮短，燃油消耗率增加。廢氣流量受文丘里喉口直徑和DPF壓差等因素影響[14-16]，EGR率出現(xiàn)偏差，造成燃燒狀態(tài)差異，影響發(fā)動機正常排放。

以文丘里喉口直徑12.7 mm為基準，同樣針對上述3種用途，分別調整喉口直徑偏差為-0.05、-0.03、0、0.03、0.05 mm，進行萬有特性試驗，記為方案B1、B2、B3、B4、B5，B3方案為基準方案，3種用途不同方案下文丘里喉口直徑偏差對NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力影響結果如圖2所示。

a)NOx排放 b)煙度排放 c)燃油消耗率 d)爆發(fā)壓力

由圖2可知：3種用途下，不同喉口直徑偏差所對應的NOx排放和煙度排放的偏差率基本在10%以內，未產(chǎn)生明顯影響；不同喉口直徑偏差所對應的燃油消耗率偏差小于2 g/(kW·h)，略高于1.5 g/(kW·h)的限值，但超出區(qū)間的范圍較小，可忽略；不同喉口直徑偏差所對應的爆發(fā)壓力偏差小于0.15 MPa。文丘里喉口直徑對發(fā)動機性能無顯著影響。

2.3 增壓器執(zhí)行器開啟壓力

增壓器執(zhí)行器的開啟需克服彈簧預緊力，執(zhí)行器的開啟可實現(xiàn)空氣進氣流量的調節(jié)。由于生產(chǎn)偏差等原因，彈簧剛度不同，導致執(zhí)行器開啟壓力出現(xiàn)偏差[17]，影響進氣流量，產(chǎn)生燃燒變化，影響發(fā)動機性能。

執(zhí)行器開啟狀態(tài)主要在高速高負荷區(qū)域，結合3種用途下發(fā)動機的運行工況，主要分析非道路用和道路車機用。試驗以增壓器執(zhí)行器開啟壓力206 kPa為基準，調節(jié)執(zhí)行器螺栓擰緊圈數(shù)模擬執(zhí)行器開啟壓力偏差；針對上述3種用途，調節(jié)執(zhí)行器螺栓擰緊圈數(shù)分別為+1.00圈、+0.50圈、+0.25圈、0、-0.25圈、-0.50圈、-1.00圈，對應的增壓器開啟壓力偏差分別為-8、-4、-2、0、2、4、8 kPa，進行萬有特性試驗，記為方案C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，C4方案為基準方案，2種用途不同增壓器執(zhí)行器壓力偏差下的NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力結果如圖3所示。

a)NOx排放 b)煙度排放 c)燃油消耗率 d)爆發(fā)壓力

由圖3可知：2種用途下，不同增壓器執(zhí)行器開啟壓力偏差所對應的NOx排放偏差率大多在10%以內；對應的煙度排放偏差率在15%以內，未產(chǎn)生明顯影響；不同增壓器執(zhí)行器開啟壓力偏差所對應的燃油消耗率偏差大多小于1 g/(kW·h)，低于文丘里喉口直徑偏差對燃油消耗率的影響；不同增壓器執(zhí)行器開啟壓力偏差所對應的爆發(fā)壓力偏差小于0.15 MPa。增壓器執(zhí)行器開啟壓力偏差對發(fā)動機性能無顯著影響。

2.4 環(huán)境溫度、相對濕度

環(huán)境溫度影響發(fā)動機的進氣流量；相對濕度增加，進入缸內參與燃燒的干空氣量減少，燃燒惡化，影響發(fā)動機性能[18]。

設置環(huán)境溫度分別為25、35 ℃，相對濕度分別為25%、45%、60%、80%，進行萬有特性試驗，2種環(huán)境溫度均以相對濕度45%的試驗結果為基準，3種用途不同環(huán)境溫度、相對濕度下對發(fā)動機NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力影響結果如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度、相對濕度對NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力影響

由圖4可知：相對濕度增加，NOx排放偏差率逐漸降低，特別是非道路用，環(huán)境溫度為35 ℃，相對濕度80%時，NOx排放偏差率約-30%，溫度升高，NOx排放偏差率變化趨勢明顯；相對濕度增加，煙度排放偏差率逐漸增大，且溫度越高，相對濕度對煙度排放的偏差率影響越明顯；對于道路車機用，環(huán)境溫度為35 ℃，相對濕度80%時，煙度排放偏差率達70%，煙度排放過高，導致DPF積碳過快，縮短再生周期，降低DPF使用壽命，影響DPF可靠性；相對濕度增加，發(fā)動機燃燒狀態(tài)變差，燃油消耗率偏差逐漸增大，溫度升高，新鮮進氣量下降，發(fā)動機燃燒不充分，燃油消耗率偏差變化增大；不同的環(huán)境溫度和相對濕度下，爆發(fā)壓力偏差整體小于0.20 MPa，略高于0.15 MPa的限值，但超出范圍較小，影響不大。

環(huán)境溫度、相對濕度對發(fā)動機性能有顯著影響，對于非道路用，環(huán)境溫度為35 ℃、相對濕度為80%時，NOx排放偏差率達-30%，最大燃油消耗率偏差為3 g/(kW·h)；對于道路車機用，環(huán)境溫度為35 ℃、相對濕度為80%時，煙度排放偏差率達70%，應加強發(fā)動機設計工藝或改進標定方法，改善2種用途在高溫、高濕度條件下的性能。

3 結論

1)噴油量偏差對發(fā)動機性能無顯著影響，但道路專用車用在噴油量偏差為0～0.5 kg時影響NOx排放，因此道路專用車用噴油量應避開此區(qū)域。文丘里喉口直徑偏差和增壓器執(zhí)行器開啟壓力偏差對NOx排放、煙度排放、燃油消耗率和爆發(fā)壓力的影響不明顯。

2)高溫、高相對濕度對非道路用發(fā)動機的NOx排放和燃油消耗率影響較明顯，對道路車機用發(fā)動機的煙度排放影響較明顯，應結合發(fā)動機不同用途，針對性制定設計公差或標定方法，保證發(fā)動機在高溫、高濕環(huán)境下的良好性能。