淺談柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)的排放煙度控制方法

吳瑞斌，周長(zhǎng)旺，王坤程，王 偉，韓云龍，齊 鳳

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東濟(jì)南 250306）

0 引言

一般情況下，柴油機(jī)采取增壓中冷和尾氣處理等技術(shù)，可以有效降低柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的排放煙度和微粒數(shù)量。但是在柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)，往往排放煙度和微粒數(shù)量都大幅增加。本文就降低柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)的排放煙度的方法，如對(duì)燃料的性質(zhì)、瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)、噴射壓力、霧化效果和噴油提前角等進(jìn)行了初步研究[1]。

1 突加負(fù)荷時(shí)排放煙度的影響因素

柴油機(jī)的碳煙多數(shù)情況下是因燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的。尤其是突加負(fù)荷時(shí)，高濃度柴油與空氣的混合氣體在缸內(nèi)以非均相高壓不完全燃燒，在混合氣的火焰擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生大量碳煙。因此增加燃燒程度是降低突加負(fù)荷時(shí)煙度的重要分析方向。

1.1 柴油的性質(zhì)

不同性質(zhì)的柴油，其理化性質(zhì)不同，突加負(fù)荷時(shí)時(shí)對(duì)排放煙度的影響不同。一般來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)性差的柴油霧化性差，著火性好的柴油氣化性差，這些不利因素都會(huì)增加碳煙的排放。

1.2 瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)

有研究表明柴油機(jī)的瞬態(tài)空氣過(guò)量系數(shù)α 的值，對(duì)柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)的排放煙度具有重要影響。在燃油噴射的主要區(qū)域，由于突加負(fù)荷時(shí)燃油噴量瞬時(shí)增加，而空氣的增量明顯滯后，造成空燃比失衡，如此時(shí)瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)α 值過(guò)低，則燃燒不充分，導(dǎo)致排氣煙度上升[2]。尤其在柴油機(jī)的高負(fù)荷功率段，突加負(fù)荷往往會(huì)造成柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)α 值應(yīng)重新標(biāo)定，否則缸內(nèi)空燃比急劇減小，導(dǎo)致排氣煙度迅速上升。因此，有必要對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.3 噴射壓力和霧化效果

在柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)，噴射系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)排氣煙度有一定影響。如果噴油器的噴射壓力低且不可調(diào)整、噴油嘴的霧化效果差造成油滴顆粒大，則會(huì)產(chǎn)生較大的油滴與空氣混合，造成燃燒時(shí)間縮短、燃燒不充分，導(dǎo)致排氣煙度上升。尤其是在每次柴油噴射的尾期，噴油器的噴射壓力已經(jīng)減小到一定程度，噴油嘴的霧化效果隨之降低，此時(shí)的油滴顆粒直徑遠(yuǎn)大于主噴射階段，同時(shí)這些大顆粒油滴周?chē)暮趿拷档?，參與燃燒的時(shí)間縮短，也會(huì)造成排放煙度上升。

1.4 噴油提前角

如果噴油提前角過(guò)小，其滯燃期縮短、燃油蒸發(fā)率降低，在突加負(fù)荷時(shí)，瞬時(shí)噴射的大量燃油與空氣的混合不充分，造成燃燒速度變慢，燃油一邊蒸發(fā)一邊燃燒，缸內(nèi)最高壓力、溫度降低，主燃期產(chǎn)生的碳粒未被充分氧化就被排出，造成排氣煙度上升[2-3]。但是，如果噴油提前角設(shè)置的過(guò)大，將會(huì)使與空氣預(yù)混的柴油量增加，突加負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)噪聲和震動(dòng)將會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值，機(jī)體本身產(chǎn)生很大的機(jī)械負(fù)荷。因此，適當(dāng)增加噴油提前角可以在一定程度上減少排放煙度。

2 降低突加負(fù)荷時(shí)排放煙度的方法

2.1 選用優(yōu)質(zhì)柴油

一般來(lái)講，柴油十六烷值越高，其防爆性越好。而50%餾分溫度越低，柴油中的輕組分越多，其蒸發(fā)性和著火性也越好，就更有利于缸內(nèi)燃燒。但是，有研究表明十六烷值并非越高越好。當(dāng)十六烷值超過(guò)65 時(shí)，燃料在燃燒室中會(huì)迅速裂化，分離出的碳沒(méi)有時(shí)間燃燒，這些未充分燃燒的碳則與廢氣一起排放，導(dǎo)致燃料消耗過(guò)多。因此綜合柴油的十六烷值、蒸發(fā)性和著火性，選用國(guó)V 或國(guó)VI 標(biāo)準(zhǔn)的柴油，可以有效降低排放煙度。

2.2 調(diào)整瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)

突加負(fù)荷時(shí)的噴油量瞬間增加，空燃比會(huì)急劇降低，為了使燃油充分燃燒，要供應(yīng)比理論值更多的空氣量。瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)碳氧化物、氮氧化物以及碳煙的影響規(guī)律，一般是隨著α 值的增加，碳氧化物和氮氧化物以及碳煙排放濃度會(huì)逐漸降低，當(dāng)α 值增加到1.05～1.25 時(shí)，碳氧化物和氮氧化物以及碳煙會(huì)維持在一個(gè)較低水平，且隨著α 值的繼續(xù)增加而基本不變。綜合突加負(fù)荷和平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的煙氣成分，由式（1）、式（2）的計(jì)算結(jié)果，反復(fù)調(diào)整瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)，得到α 最佳范圍值為1.11～1.21。

其中，α完為柴油完全燃燒時(shí)柴油過(guò)量空氣系數(shù)；α未為柴油未完全燃燒時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)；O2、CO、N2為其在排煙中的含量百分?jǐn)?shù)。

2.3 采用高壓共軌和電磁噴射系統(tǒng)

采用高壓共軌系統(tǒng)，具有很高的噴射壓力，在突加負(fù)荷時(shí)，可以根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)整最佳噴射壓力和噴射持續(xù)時(shí)間。它的一般過(guò)程是，柴油經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入高壓軌道內(nèi)，根據(jù)負(fù)荷的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 發(fā)出噴射指令，噴油器進(jìn)行燃油噴射，此時(shí)噴射壓力由共軌管內(nèi)的壓力傳感器反饋至ECU 中，ECU 根據(jù)反饋實(shí)時(shí)調(diào)整噴射壓力和噴射持續(xù)時(shí)間。

利用電磁噴射系統(tǒng)，可以連續(xù)進(jìn)行多次噴射，每次噴射的油量更精確、霧化效果更好，使缸內(nèi)霧化的柴油顆粒充分燃燒，減低排氣煙度和NOx的含量[3]?；驹硎牵寒?dāng)線圈不通電時(shí)，在彈簧的作用下，銜鐵與鐵芯脫離接觸，使電磁閥閥口處于閉合狀態(tài)；當(dāng)ECU 發(fā)出噴射指令，電磁閥得到指令后，線圈的通電電流逐漸增加，產(chǎn)生的電磁力也逐漸增加，當(dāng)電磁力大于彈簧力時(shí)，銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，電磁閥閥口打開(kāi)。

2.4 適當(dāng)增大噴油提前角

通過(guò)向前微調(diào)噴油提前角，使其滯燃期反應(yīng)時(shí)間隨之增加，此時(shí)噴油時(shí)的缸內(nèi)氣體溫度、壓力和其他化學(xué)反應(yīng)的速率隨之降低，反應(yīng)時(shí)間亦因此迅速增長(zhǎng)[1-3]。

滯燃期增長(zhǎng)，突加負(fù)荷時(shí)噴入缸內(nèi)的柴油就越多，燃油和空氣混合時(shí)間增長(zhǎng)，燃油蒸發(fā)率提高，燃燒時(shí)壓力和溫度升高，在主燃期內(nèi)排出的碳?？沙浞盅趸?，降低排放煙度。滯燃期與噴油提前角的關(guān)系曲線如圖1 所示，燃油蒸發(fā)率與噴油提前角的關(guān)系如圖2 所示[1-3]。

圖1 噴油提前角與滯燃期關(guān)系曲線

圖2 噴油提前角與燃油蒸發(fā)率關(guān)系曲線

但有研究表明，隨著柴油機(jī)的噴油提前角的逐漸增大，雖然可以有效地降低顆粒物的排放，但可能會(huì)導(dǎo)致氮氧化物的排放上升。僅靠調(diào)節(jié)噴油提前角，很難同時(shí)滿足兩者的排放要求，甚至當(dāng)柴油機(jī)的噴油提前角達(dá)到一定的數(shù)值之后，碳?xì)浠锖吞佳趸锏呐欧乓矔?huì)逐漸增加。因此，適當(dāng)增加燃油提前角，使柴油機(jī)突加負(fù)荷是的排放煙度控制在可接受范圍內(nèi)，是極其必要的。

需要注意的是，如果噴油提前角過(guò)大，則在主燃期內(nèi)全部柴油與空氣的混合氣幾乎同時(shí)燃燒，此時(shí)缸內(nèi)壓力升高率迅速升高，各旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件受到極大應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)縮短柴油機(jī)的壽命。

2.5 調(diào)整前后排氣煙度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比突加負(fù)荷時(shí)的林格曼黑度值，來(lái)判定排氣煙度變化趨勢(shì)。按每次突加50 kW 負(fù)荷，突加負(fù)荷后穩(wěn)定運(yùn)行5 min，連續(xù)進(jìn)行3 次測(cè)試后，取3 次測(cè)試結(jié)果平均值?？梢钥吹秸{(diào)整后林格曼黑度有明顯下降，即表明排氣煙度下降（圖3）[4]。

圖3 每次突加50 kW 的林格曼黑度曲線

3 總結(jié)

本文在對(duì)燃料的性質(zhì)、瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)、噴射壓力、霧化效果和噴油提前角進(jìn)行分析后，通過(guò)選用優(yōu)質(zhì)燃料、調(diào)節(jié)最佳過(guò)瞬態(tài)量空氣系數(shù)、采用高壓共軌和電磁噴射系統(tǒng)和適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角的方法，進(jìn)行突加負(fù)荷測(cè)試，來(lái)判定排氣煙度的變化值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)整后林格曼黑度值明顯下降，表明這些優(yōu)化措施可以有效降低排氣煙度。