噴油壓力和提前角對柴油機(jī)排放影響的試驗(yàn)研究

李龍，龐振龍，張寧，穆振仟，孫鎮(zhèn)

1.淄柴機(jī)器有限公司,山東 淄博 255000;2.淄柴動力有限公司,山東 淄博 255000

0 引言

環(huán)境保護(hù)日益受到全社會的重視，柴油機(jī)的發(fā)展方向正在從“提升發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性”轉(zhuǎn)向“提供綠色環(huán)保的清潔動力”[1-3]。文獻(xiàn)[4]提高了對船用柴油機(jī)污染物排放限值要求。柴油發(fā)動機(jī)的主要排放物為CO、NOx、CH和顆粒物(particulate matter，PM)[5]，為了降低柴油機(jī)的污染物排放，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究：方平等[6]分析了船舶柴油機(jī)排放的煙氣污染物種類及其來源,結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)研究了主要煙氣污染物的排放規(guī)律，指出進(jìn)行尾氣治理是實(shí)現(xiàn)船舶尾氣達(dá)標(biāo)排放的有效措施；王輝等[7]將柴油-甲醇組合燃燒技術(shù)應(yīng)用到船舶柴油機(jī)上,進(jìn)行臺架試驗(yàn)和實(shí)船驗(yàn)證,結(jié)果表明,船舶柴油機(jī)摻燒甲醇后的碳煙和NOx排放均大幅降低,弱化了碳煙排放和NOx排放此消彼長的難題；周金喜[8]基于臺架試驗(yàn)從燃油性質(zhì)、柴油機(jī)類型、PM粒徑分布、化學(xué)組分等方面深入系統(tǒng)地研究排放顆粒物的理化性質(zhì),通過理論計(jì)算得出船舶廢氣洗滌器對顆粒物的去除效果。但是關(guān)于噴油壓力和供油提前角對發(fā)動機(jī)排放影響的研究較少。

本文中以某船用四沖程中速柴油機(jī)為研究對象，采用控制變量法，改變發(fā)動機(jī)的噴油壓力和供油提前角，進(jìn)行多組對比試驗(yàn)，研究噴油壓力和供油提前角對船用柴油機(jī)排放的影響，為實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)達(dá)標(biāo)排放打下良好基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

進(jìn)行船舶柴油機(jī)臺架試驗(yàn)，利用排放測試設(shè)備對柴油機(jī)排氣中的CO、NOx和PM進(jìn)行測量，研究噴油壓力、供油提前角對排氣污染物的影響規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)主要裝置

試驗(yàn)主要設(shè)備有船用四沖程中速柴油機(jī)、測功器、柴油機(jī)氣態(tài)污染物和顆粒物排放測試儀器；試驗(yàn)使用的濾紙為碳氟化合物涂層的玻璃纖維濾紙(DOP)，濾紙直徑為70 mm，捕集率為95%。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，氣體成分分析儀技術(shù)參數(shù)如表2所示。PM質(zhì)量計(jì)量室的溫度維持在-40～150 ℃，溫度偏差不大于0.1 ℃，相對濕度保持在20%～98%，濕度偏差不大于0.1%，露點(diǎn)溫度為9.5 ℃。PM分析天平型號為MSX125P-1CE-DI，測量范圍為0.02～60.00 g，分辨率和精度為10 μg。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 氣體成分分析儀技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

噴油壓力測點(diǎn)設(shè)置在高壓油管與噴油器之間的高壓接管上，通過調(diào)整燃油凸輪相位調(diào)整供油提前角；按照文獻(xiàn)[4]中規(guī)定的“按推進(jìn)特性運(yùn)行的船用主機(jī)”的試驗(yàn)循環(huán)以及污染物排放計(jì)算方法進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算。對于按照推進(jìn)特性運(yùn)行的船用主機(jī)，75%負(fù)荷工況點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)為0.5，所占比重最大，因此選擇對75%負(fù)荷工況點(diǎn)(轉(zhuǎn)速為910 r/min、功率為910 kW)進(jìn)行污染物排放研究。

研究噴油壓力對各污染物排放的影響時，將供油提前角(本文中供油提前角均指上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角，簡記為曲軸轉(zhuǎn)角)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角設(shè)置為9°，調(diào)整噴油壓力進(jìn)行試驗(yàn)；研究供油提前角對各污染物排放的影響時，保持噴油壓力為102 MPa，通過調(diào)整燃油凸輪相位調(diào)節(jié)供油提前角。測量75%負(fù)荷工況點(diǎn)各污染物的排放，計(jì)算此工況下的污染物比排放，之后換算為各污染物在總排放中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，要求各步驟相對誤差在±2%以內(nèi)。污染物比排放計(jì)算公式為

qm,e=qm,a+qm,f，

(1)

qm,m=μcqm,e，

(2)

g=qm,m/P，

(3)

式中：qm,e為濕基排氣質(zhì)量流量，kg/h；qm,a為濕基進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h；qm,f為燃油質(zhì)量流量，kg/h；qm,m為排放物質(zhì)量流量，kg/h；μ為質(zhì)量流量計(jì)算用濕基因數(shù)；c為某組分的體積分?jǐn)?shù)，%；g為每種氣體的比排放，g/(kW·h)；P為試驗(yàn)臺測量的凈功率，kW。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 噴油壓力和供油提前角對CO排放的影響

目前船用柴油機(jī)均采用增壓中冷技術(shù)，過量空氣系數(shù)較大，氧氣較充足，在發(fā)動機(jī)正常工況范圍內(nèi)，CO生成量較低[9]。但在柴油機(jī)負(fù)荷過大時，燃料供給大，與空氣混合不均勻，燃燒室局部缺氧區(qū)域較多，產(chǎn)生大量CO；柴油機(jī)缸內(nèi)噴射油束中心的空氣較少，此處的過量空氣系數(shù)偏低，CO生成率較高。應(yīng)提高燃油霧化質(zhì)量，使燃料與空氣混合更均勻，可減少油束中心處CO生成。

試驗(yàn)中采用TPS系列渦輪增壓器，壓比最高為4.5，此次75%負(fù)荷工況點(diǎn)的壓比約為3.3，高壓比增壓器的使用造成缸內(nèi)壓縮壓力的提高，影響油束的貫穿力，不利于燃油與空氣混合。為改善高壓比的不利影響，試驗(yàn)中提高了泵端壓力，額定工況泵端壓力可達(dá)120 MPa，可以提供給油束更高的貫穿力和霧化效果，有助于改善缸內(nèi)燃燒和減少排放污染物的生成。

2.1.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下CO排放曲線如圖1所示。由圖1可知：1)噴油壓力為92～103 MPa時，隨噴油壓力增加，尾氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%下降至21%左右；2)噴油壓力大于103 MPa時，尾氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微上升，大于107 MPa時，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的原因?yàn)椋禾岣邍娪蛪毫捎行岣呷加偷撵F化質(zhì)量，使得油氣混合更加均勻，改善燃燒，顯著減少CO的排放；此外，隨著燃燒質(zhì)量的提高，缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力均相應(yīng)增加，O2充足，部分CO轉(zhuǎn)化為CO2，進(jìn)一步減少了CO的生成。由于燃燒室為小渦流比設(shè)計(jì)，噴油壓力提高至一定值后，油氣混合改善不明顯， CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。

圖1 不同噴油壓力下的CO排放曲線

2.1.2 供油提前角的影響

不同供油提前角的CO排放曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著供油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由9°減小至5°，尾氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)整體上升趨勢。分析其原因?yàn)椋罕敬卧囼?yàn)用柴油機(jī)渦流比較小，為1.0，隨著供油提前角的減小，噴油靠近上止點(diǎn)，部分燃油噴落至燃燒室壁面，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，產(chǎn)生大量CO。

圖2 不同供油提前角的CO排放量曲線

供油提前角的變化對柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程影響較大，較小的供油提前角改變也會導(dǎo)致部分工況出現(xiàn)冒黑煙的情況。

2.2 噴油壓力和供油提前角對NOx排放的影響

柴油機(jī)排放的NOx中，NO2占比較小，NO占比最大，NO的主要來源是空氣中參與燃燒的N2，因此重點(diǎn)對NOx排放中的NO進(jìn)行試驗(yàn)分析。N2生成NO的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是擴(kuò)展的澤耳多維奇(Zeldovitch)機(jī)理[10-11]。在過量空氣系數(shù)為1附近，空氣中NO生成和消失的主要反應(yīng)為：

在較濃的混合氣中同時也有反應(yīng):

影響柴油機(jī)NOx排放的主要因素是缸內(nèi)的燃燒溫度、O2的濃度，隨著缸內(nèi)燃燒溫度的升高，NOx的生成呈指數(shù)急劇增長。為了抑制NOx生成，必須保證較低的缸內(nèi)燃燒溫度以及燃燒時較低的O2濃度。

2.2.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下NOx排放曲線如圖3所示。由圖3可知：噴油壓力由92 MPa提高至107 MPa，尾氣中NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈緩慢上升趨勢，由56%升高至61%。其原因?yàn)椋弘S著噴油壓力的不斷提高，噴油速率增加，滯燃期內(nèi)形成的混合氣增加，燃燒擴(kuò)散速度加快，燃燒持續(xù)期減小，燃燒得到明顯改善，各缸平均爆發(fā)壓力由12.9 MPa升高至13.2 MPa，缸內(nèi)最高溫度升高，NOx排放相應(yīng)增加；此時柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的過量空氣系數(shù)較大，O2充足，在高溫富氧的條件下，導(dǎo)致NOx排放相應(yīng)增加。

圖3 不同噴油壓力下的NOx排放變化

2.2.2 供油提前角的影響

不同供油提前角下NOx排放曲線如圖4所示。由圖4可知：供油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由10°減小至5°，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)由64%降低至35%，降幅明顯。分析其原因?yàn)椋弘S著供油提前角的減小，滯燃期內(nèi)形成的混合氣減少，燃燒持續(xù)期增加，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力均下降， NOx生成量減??；但隨著供油角度的不斷減小，缸內(nèi)燃燒惡化，燃燒持續(xù)期加長并產(chǎn)生后燃，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。

圖4 不同供油提前角下的NOx排放變化

減小供油提前角是降低NOx排放的有效手段，但調(diào)整供油提前角降低排放的同時，應(yīng)同步優(yōu)化燃燒過程，使燃燒更完全，保證柴油機(jī)性能。

2.3 噴油壓力和供油提前角對PM排放的影響

運(yùn)行工況對柴油機(jī)PM排放的影響較大，其中排氣溫度對PM的影響尤為明顯，排氣溫度不同，PM會呈現(xiàn)不同形態(tài)，當(dāng)排氣溫度過高時，一般呈現(xiàn)碳質(zhì)微球的聚集體，稱為碳煙；當(dāng)排氣溫度過低時，碳煙可吸附多種有機(jī)物。碳煙是柴油機(jī)污染物的排放問題核心。碳煙一般是在高溫和缺氧條件下生成，因此改善柴油機(jī)的油氣混合均勻性，是降低PM的有效措施。

2.3.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下PM排放曲線如圖5所示。由圖5可知：噴油壓力由92 MPa增大至107 MPa，尾氣中PM質(zhì)量分?jǐn)?shù)由14.0%降至8.5%左右，降幅顯著。其原因?yàn)椋弘S著噴油壓力的提高，燃油霧化更均勻，促進(jìn)燃油與空氣的混合，改善油氣混合的宏觀及微觀均勻性，局部缺氧地區(qū)明顯減小，預(yù)混燃燒比例增加，缸內(nèi)燃燒充分，從而有效降低PM排放。

圖5 不同噴油壓力下的PM排放曲線

2.3.2 供油提前角的影響

不同供油提前角的PM排放曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著供油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由10°減小到5°，尾氣中PM質(zhì)量分?jǐn)?shù)由9.0%提高至14.0%。其原因?yàn)椋弘S著供油提前角的減小，滯燃期內(nèi)形成的混合氣減少，導(dǎo)致整個燃燒過程中油氣混合不均勻，燃燒持續(xù)期增加，擴(kuò)散燃燒比例增大，同時出現(xiàn)部分后燃現(xiàn)象，從而導(dǎo)致排氣溫度過高，導(dǎo)致PM大量生成。

圖6 不同供油提前角的PM排放曲線

3 結(jié)論

通過改變噴油壓力、供油提前角等條件，在發(fā)動機(jī)臺架上對船用柴油機(jī)污染物的排放進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到噴油壓力、供油提前角對CO、PM和NOx排放的影響。

1)噴油壓力增大，燃油霧化質(zhì)量更好，油氣混合更加均勻，燃燒質(zhì)量提高，減少了CO和PM的排放；缸內(nèi)最高燃燒質(zhì)量提高，部分CO轉(zhuǎn)化為CO2，進(jìn)一步減少了CO的生成；提高噴油壓力后，缸內(nèi)燃燒情況得到明顯改善，缸內(nèi)燃燒最高溫度、壓力升高，導(dǎo)致NOx排放量隨之增加。

2)供油提前角的減小，缸內(nèi)最高燃燒壓力和溫度均降低，可使NOx排放量顯著降低；但減小供油提前角，燃燒混合氣形成時間縮短，油氣混合不均勻，導(dǎo)致燃燒不完全，排氣溫度升高，CO和PM排放量相應(yīng)增加。