滿足非四排放標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用柴油機(jī)試驗(yàn)研究

張騰，郎曉姣，劉冠麟，尤彥彥，王懷宇，何遠(yuǎn)超

(1. 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

柴油機(jī)具有動力強(qiáng)勁、油耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),作為動力總成占農(nóng)業(yè)機(jī)械的95%以上。但是隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械迅速發(fā)展,其面臨著污染排放量大、在偏遠(yuǎn)農(nóng)村使用范圍廣、排放控制技術(shù)落后等一系列的問題,這些問題使國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放物日益成為主要污染源[1]。孫俊華等[2]對江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械單機(jī)排放的NOx是機(jī)動車的2.0倍多。為此,生態(tài)環(huán)境部在2020年對《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》進(jìn)行了修訂,不僅對非道路用柴油機(jī)尾氣排放作了明確限制,還要求在2022年全面實(shí)施該排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。

柴油機(jī)的燃燒方式為擴(kuò)散式燃燒,這就會導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣不均勻,部分混合氣處于高溫富氧狀態(tài),因此氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)為主要尾氣排放污染物[4]。SCR可以有效處理氮氧化物,但是其需要貴金屬作為催化劑,成本較高;同時需要空間安裝,這些都是農(nóng)用機(jī)械的痛點(diǎn)。因此,廢氣再循環(huán)(exhaust gas refricalation,EGR)技術(shù)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械上理想的降低NOx排放的方案。謝緯安等[5]在采用EGR農(nóng)用單缸發(fā)動機(jī)上研究發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷下EGR率增加后,NOx排放明顯降低,同時Soot升高,在引入生物柴油對柴油進(jìn)行改質(zhì)后,可以有效降低Soot。陳貴升等[6]研究發(fā)現(xiàn)在相同NOx排放時,提前主噴角度可以有效降低煙度;在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時,主噴角度推遲后Soot先降低后升高,因?yàn)榘l(fā)動機(jī)不同運(yùn)行工況上存在一最優(yōu)CA50和燃燒持續(xù)期,此時油耗率最低。鄭佳等[7]研究發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)在使用EGR技術(shù)后NOx排放降低,但Soot排放增加。由此可知EGR技術(shù)可以有效降低NOx排放,但是Soot排放會升高,因此需要通過EGR率、噴油器的匹配,降低NOx排放的同時抑制Soot快速上升,同時降低油耗率。

本文以滿足非四排放的某農(nóng)用機(jī)械拖拉機(jī)用柴油機(jī)為研究對象,研究EGR率與噴油器安裝方式對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響,為農(nóng)業(yè)機(jī)械用EGR柴油機(jī)在滿足排放法規(guī)時進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性提供參考。

1 試驗(yàn)方案和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及設(shè)備

在本文中試驗(yàn)用柴油機(jī)滿足非道路四階段排放法規(guī)要求,采用技術(shù)路線為EGR +氧化催化轉(zhuǎn)換器(diesel oxidation catalyst, DOC)+柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter,DPF)。發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1,試驗(yàn)主要測量設(shè)備見表2。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)用主要測量設(shè)備

1.2 試驗(yàn)工況點(diǎn)

由于農(nóng)業(yè)柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時主要集中在中高負(fù)荷區(qū)域,因此在本研究中主要以工況點(diǎn)一:1 500 r/min、450 N·m和工況點(diǎn)二:1 700 r/min、650 N·m兩個工況點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中利用標(biāo)定工具對柴油機(jī)的軌壓、噴油時刻等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過發(fā)動機(jī)控制單元對EGR閥開度進(jìn)行調(diào)整從而改變EGR率,噴油器錐角的變化則是通過調(diào)整噴油器墊片的厚度實(shí)現(xiàn)。由于當(dāng)前農(nóng)用柴油機(jī)在應(yīng)用時主要是考慮其經(jīng)濟(jì)性和排放性,所以本文以經(jīng)濟(jì)性和排放性為主要研究重點(diǎn)。

1.4 柴油機(jī)EGR系統(tǒng)構(gòu)成

EGR系統(tǒng)按照廢氣來源方式可分為內(nèi)部EGR和外部EGR兩種形式。由于內(nèi)部EGR配氣機(jī)構(gòu)要求較高且EGR率精度控制較難,因此該研究對象的柴油機(jī)采用外部EGR[8]。該EGR系統(tǒng)主要由EGR冷卻器、EGR閥及相關(guān)管路構(gòu)成。柴油機(jī)尾氣中部分氣體經(jīng)過EGR冷卻器、EGR閥及相關(guān)管路進(jìn)入進(jìn)氣管與空氣混合,而后進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒。其中EGR率是通過進(jìn)氣中CO2含量與尾氣中CO2含量進(jìn)行計算的。由于空氣中CO2的含量幾乎為0,所以在實(shí)際進(jìn)行EGR率測量時通常忽略大氣中CO2的含量,因此EGR率的計算采用公式

式中:REGR為柴油機(jī)EGR率;CCO2,in為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣中CO2的含量;CCO2,air為大氣中CO2的含量;CCO2,out為發(fā)動機(jī)尾氣中CO2的含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴油器墊片厚度對發(fā)動機(jī)排放的影響

噴油器油嘴安裝深度指的是噴油嘴頂端到柴油機(jī)缸蓋的長度,該長度對噴油器的噴油空間有較大的影響。噴油器墊片越厚,噴油器油嘴的伸出量越小,反之亦然。本文選取了2.0、1.5、1.0、0.5 mm 4種不同厚度的噴油器墊片對噴油器油嘴的伸出量進(jìn)行調(diào)節(jié),可等效于不同噴油器錐角試驗(yàn)。表3給出了柴油機(jī)在不同墊片厚度下的NRTC排放值。由表3可知,隨著噴油器墊片減薄,柴油機(jī)排放趨勢變好,這主要是因?yàn)楫?dāng)噴油器墊片厚度減薄后,噴油器油嘴伸出量變長,燃油分子主要噴射在活塞上表面,與空氣混合程度趨于良好,發(fā)動機(jī)性能優(yōu)異。但是噴油器墊片過厚時,若噴射壓力不變,則噴油器工作時油路長度增加,在油束末端壓力不足或者噴在活塞頂部表面導(dǎo)致燃油分子混合程度下降,發(fā)動機(jī)性能發(fā)生下降[9]。隨著墊片的持續(xù)減薄,柴油機(jī)排放又開始惡化,這主要是因?yàn)閲娪推鲏|片減薄后噴油器油頭凸出高度增加,而噴油器在工作時燃油會進(jìn)入到活塞上燃燒室的凹坑中,燃油分子處于局部較濃的狀態(tài),而活塞上部的空氣利用率偏低,導(dǎo)致燃油與空氣混合不均勻,燃油不能充分燃燒,使得柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差、排放惡化。在該試驗(yàn)發(fā)動機(jī)中,當(dāng)噴油器墊片為1 mm時,發(fā)動機(jī)氣缸中空氣與燃油混合更充分,燃燒更加充分,發(fā)動機(jī)性能更好。因此,在該研究對象中選擇墊片為1 mm的噴油器對柴油機(jī)進(jìn)行開發(fā)。

表3 柴油機(jī)在不同墊片厚度下的NRTC排放值

2.2 EGR對發(fā)動機(jī)排放的影響

對于柴油機(jī)排放影響較大的就是發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氧含量以及缸內(nèi)燃燒溫度[10]。柴油機(jī)在使用EGR技術(shù)后,可以在有效降低缸內(nèi)溫度的同時降低氧的相對含量,此時可以有效抑制NOx的排放,但是此時有利于Soot生成,因此有必要研究EGR對發(fā)動機(jī)排放的影響。圖1給出了EGR率對發(fā)動機(jī)NOx和Soot排放的影響。由圖1可知,隨著EGR率的上升,NOx排放下降,但是Soot排放上升。與低負(fù)荷相比,柴油機(jī)在中高負(fù)荷工況時采用EGR技術(shù)可以更為有效降低NOx排放,降幅與低負(fù)荷相比高3%左右。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)在中高速負(fù)荷運(yùn)行時,需要較大的EGR率,此時缸內(nèi)廢氣不僅可以有效地稀釋缸內(nèi)混合氣的燃油分子濃度、增加進(jìn)氣量,還可以提高缸內(nèi)混合氣的熱容比,降低缸內(nèi)燃燒溫度,降低NOx的排放[11-12]。但是,如果EGR率過高,極易引起柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化、排放變差和經(jīng)濟(jì)性降低。

(a) 工況一

2.3 EGR和噴油提前角協(xié)同作用對發(fā)動機(jī)影響

2.3.1 排氣溫度變化

(a) 工況一

柴油機(jī)的排氣溫度可以表征柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒程度,同時影響發(fā)動機(jī)的可靠性,因此有必要研究發(fā)動機(jī)排氣溫度的變化。圖2給出了柴油機(jī)排氣溫度在固定噴油時刻時隨著EGR率的變化曲線。由圖2可知,隨著EGR率的增加,柴油機(jī)的排氣溫度上升,發(fā)動機(jī)排氣溫度最高為463 ℃,滿足發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計要求。低負(fù)荷時EGR率每升高1%,排氣溫度升高3 ℃左右;高負(fù)荷時EGR率每升高1%,排氣溫度升高5 ℃左右。這是因?yàn)?當(dāng)EGR率增加后,缸內(nèi)混合氣量增加,氧含量占比相對降低,燃燒持續(xù)期延長,后燃期相對延長,使柴油機(jī)排氣溫度升高;同時EGR進(jìn)入柴油機(jī)進(jìn)氣管后,缸內(nèi)混合氣溫度較高,因此排氣溫度也上升[13]。

2.3.2 柴油機(jī)燃油消耗率

等NOx排放時噴油提前角和EGR率對燃油消耗率的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著噴油提前角的提前,EGR率呈現(xiàn)出升高的趨勢,同時燃油消耗率下降。這是因?yàn)閲娪吞崆敖峭七t在一定程度上可以增加新鮮空氣的進(jìn)氣量且增加了空氣與柴油的混合時間,可以使柴油分子和空氣分子充分混合,在柴油機(jī)燃燒工作的過程中著火延遲期可以得到延長;同時,EGR的使用增加了柴油機(jī)進(jìn)氣量,使柴油混合氣濃度降低,減少了柴油機(jī)缸內(nèi)局部混合偏濃的狀態(tài),使柴油分子實(shí)現(xiàn)更充分燃燒,因此可以有效地降低柴油機(jī)的油耗率。在噴油提前角推遲后,著火延遲期延長、后燃減少的同時會降低缸內(nèi)的燃燒溫度,破壞了NOx的生成條件,NOx排放降低因此降低EGR率需求[6]。但是在相同NOx排放時,噴油提前角變化和EGR率在不同工況點(diǎn)影響程度不一致。在中低速負(fù)荷時,推遲噴油提前角導(dǎo)致柴油與空氣混合時間相對延長,混合氣更均勻,燃燒持續(xù)期縮短,但是泵氣損失降低,膨脹比下降帶來的損失較少,因此對柴油機(jī)的燃油消耗率影響較小;而在高速大負(fù)荷時,噴油提前角推遲導(dǎo)致有效膨脹比降低,殘余廢氣系數(shù)增加,造成柴油機(jī)燃油消耗率上升幅度較大。

(a) 工況一

2.3.3 柴油機(jī)Soot排放

Soot是柴油機(jī)微粒的重要組成部分,碳煙生成條件為高溫缺氧,與NOx的生成條件完全相反。483煙度計主要是測量柴油機(jī)尾氣中碳煙量(Soot),所以主要是研究在相同NOx排放時Soot的變化情況。圖4給出了在相同NOx排放時Soot隨著噴油提前角和EGR率變化的曲線。

(a) 工況一

與未使用EGR柴油機(jī)相比,柴油機(jī)在使用EGR后其缸內(nèi)燃燒滯燃期延長,缸內(nèi)的柴油分子參與反作用生成的OH等活性基增加,導(dǎo)致煙度排放升高[7,14]。由圖4可知,Soot隨著噴油提前角的提前呈現(xiàn)出上升趨勢,特別是在中高負(fù)荷時變化更加明顯。這主要是因?yàn)樵诘萅Ox排放工況下,柴油機(jī)在中高速負(fù)荷工況運(yùn)行時,在噴油提前角的推遲和EGR的共同作用下,柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒速率下降,燃燒持續(xù)期在一定程度上延長,缸內(nèi)的溫度會略有下降,導(dǎo)致Soot氧化速率下降進(jìn)而導(dǎo)致煙度排放上升[15-16]。而在低速負(fù)荷工況運(yùn)行時,噴油提前角推遲可以適當(dāng)增加新鮮空氣量,減少缸內(nèi)的局部過濃高溫區(qū)域,因此Soot進(jìn)一步降低。柴油機(jī)在工作時,理論上認(rèn)為缸內(nèi)燃燒期越短,其循環(huán)熱效率越高;但是在實(shí)際工作時,由于柴油與空氣的混合程度、燃燒放熱期短等因素的影響,很容易出現(xiàn)局部放熱狀態(tài)導(dǎo)致熱效率下降。柴油機(jī)在使用EGR后,有效地改善了缸內(nèi)柴油與空氣混合的均勻性,合適的EGR率可以改善燃燒期,從而提升柴油機(jī)燃燒熱效率、提升經(jīng)濟(jì)性。但是柴油機(jī)在使用EGR提升經(jīng)濟(jì)性和降低NOx排放的同時,Soot等排放問題需要進(jìn)行合理控制,避免出現(xiàn)排放過高的問題[17]。當(dāng)前柴油機(jī)在使用EGR技術(shù)后,通常搭配燃燒室、進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化等措施達(dá)到改善缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的目的,這樣不僅可以降低柴油機(jī)排放還可以進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性,對于農(nóng)用柴油機(jī)來講是最佳選擇。由2.2和2.3可知,為了兼顧柴油機(jī)的排放性和經(jīng)濟(jì)性,EGR率設(shè)定在7.5%～12%,噴油提前角在4°～11°,發(fā)動機(jī)排氣溫度在430 ～460 ℃,滿足發(fā)動機(jī)設(shè)計要求。

3 結(jié)論

通過研究滿足非四排放標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用柴油機(jī)噴油器安裝深度、EGR率等參數(shù)對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放性的影響,得出如下結(jié)論:

1)合理的噴油器墊片可以有效改善燃油空氣混合程度,使發(fā)動機(jī)排放趨于良好。在噴油器墊片為1 mm時,發(fā)動機(jī)的排放性能最優(yōu),因此該農(nóng)用柴油機(jī)選擇噴油器墊片為1 mm。

2)農(nóng)用柴油機(jī)在使用EGR技術(shù)后,NOx排放顯著降低但Soot有所上升,可滿足發(fā)動機(jī)排放要求。其中,發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時EGR率每升高1%,排氣溫度升高3 ℃左右;在高負(fù)荷運(yùn)行時EGR率每升高1%,排氣溫度升高5 ℃左右。在中高負(fù)荷工況時可以更為有效地降低NOx排放,降幅與低負(fù)荷相比高3%左右。

3)在相同NOx排放時,EGR率和噴油提前角共同作用可改變發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性。噴油提前角推遲后可以降低對EGR率的需求,同時可以提升柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,但是對Soot帶來負(fù)面影響,特別是高速負(fù)荷狀態(tài)下更為明顯。為了兼顧經(jīng)濟(jì)性和排放性,在該試驗(yàn)柴油機(jī)上可采用較高的EGR率即7.5%～12%,噴油提前角可適當(dāng)推遲至4°～11°。