降低非道路用柴油机排放试验

陈占耀，贾 义，李亚楠，马志豪，张 恒

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.马鞍山市常立发机械制造有限公司，安徽 马鞍山 243000)



降低非道路用柴油机排放试验

陈占耀1，贾 义1，李亚楠1，马志豪1，张 恒2

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.马鞍山市常立发机械制造有限公司，安徽 马鞍山 243000)

为了改善非道路用直喷N490型柴油机的排放性能，研究了喷油压力、喷油定时、喷油器喷孔直径和喷油器油嘴伸出量等参数对柴油机排放的影响。研究结果表明：提高喷油压力，可以有效降低柴油机的不透光烟度和燃油消耗率，但会导致氮氧化物(NOX)排放升高；增大喷油定时，可以降低颗粒物(PM)排放，但会带来NOX排放升高；较小喷孔数目和直径(5×Φ0.21 mm)与具有较高喷油压力的喷油泵相匹配，可以有效降低NOX和PM的排放；合适的喷油器油嘴伸出量可以改善柴油机的排放性能。对柴油机燃烧系统进行优化匹配，柴油机的NOX+碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和PM排放分别降低到6.23 g/(kW·h)、1.109 g/(kW·h)和0.522 g/(kW·h)，达到了中国第三阶段非道路用柴油机排放标准的要求。

非道路用柴油机；喷油压力；喷油定时；喷孔直径；油嘴伸出量

0 引言

直喷式柴油机具有较高的热效率和较大的扭矩储备系数，因此，被广泛应用在农业机械和工程机械等领域，但其存在着氮氧化物(nitrogen oxides,NOX)和颗粒物(particulate matter,PM)排放高等缺点[1-2]。NOX和PM严重危害人们的身体健康，影响人类的生存环境。为防治柴油机污染物排放对环境的污染，中国政府对道路用柴油机和非道路用柴油机提出了严格的排放控制标准，并制定了相关的排放法规[3-4]。中国在2014年5月，发布了非道路移动机械用柴油机中国第三、四阶段排放法规，从2014年10月1日开始正式施行[5]。

为了满足排放法规日益严格的要求，国内外对非道路用柴油机的转型升级做了大量研究[6-8]。文献[9]对一台非道路用增压四缸柴油机的喷油器、喷油泵、喷油提前角以及废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)开度进行优化。美国西南研究院指出：电控高压共轨+EGR+增压/增压中冷是满足严格排放法规的有效技术手段[10]。非道路用柴油机在中国农业机械和工程机械方面有着广泛的应用，但由于受市场和制造成本的限制，许多高新技术(例如：高压共轨、涡轮增压和EGR)得不到大力推广，这在一定程度上加大了实施国家排放法规的难度。因此，需要对现有非道路用柴油机零部件的参数进行优化设计，合理组织供油、进气和缸内燃烧过程，以达到降低排放的目的。本文以一台立式、直列、四缸直喷式N490型自然吸气柴油机为原型机，研究了喷油压力、喷油定时、喷油器喷孔直径和喷油器油嘴伸出量等参数对该柴油机的颗粒物(PM)、一氧化碳(carbon monoxide,CO)、NOX和碳氢化合物(hydrocarbon,HC)排放的影响，通过优化匹配这些参数，使该柴油机满足当前实施的排放法规[5]。

1 试验方法

在不调整柴油机燃烧室和进气系统的基础上，试验分析了喷油压力、喷油定时、喷油器喷孔直径和喷油器油嘴伸出量等参数对柴油机排放的影响规律。在保证柴油机动力不出现大幅降低，燃油经济性不出现恶化的情况下，寻求降低柴油机排气污染物的途径，确定发动机燃油系统参数，提高发动机的排放性能，使之达到第三阶段的排放标准[5]。

提高喷油压力可以改善柴油机的动力性和经济性，并使PM排放大幅降低[11-13]，但在其他条件不变时，提高喷油压力会使喷油速率上升，从而导致NOX排放升高[14]。为此，本文选取了具有不同喷油压力的两种轴向柱塞分配泵(verteiler，VE)，分别记为VE1泵和VE2泵。试验用喷油泵主要参数如表 1所示。

喷油定时影响柴油机的油气混合和燃烧品质，从而影响柴油机的动力性、经济性和排放性[15-16]。大量研究表明：推迟喷油是降低NOX排放最有效的方法[3，16]，但推迟喷油会导致PM排放升高[11]。因此，在试验过程中对喷油定时做了调整，喷油定时从上止点前15°(15 crank angle before top dead center，15°CA BTDC)推迟到13°CA BTDC，每隔1°CA BTDC进行试验。

喷油器喷孔直径和数目影响燃油的喷雾质量和油气混合质量，从而影响柴油机的燃油消耗量及PM、NOX的排放[17]。为此，本试验选取了4种不同喷孔直径和喷孔数目的喷油器进行对比，分别记为P1(5×Φ0.21 mm)、P2(5×Φ0.22 mm)、P3(5×Φ0.23 mm)和P4(6×Φ0.19 mm)。喷油器参数见表 2。

表1 试验用喷油泵主要参数

表2 喷油器参数

喷油器油嘴伸出量直接影响油束与燃烧室及气流的配合，从而影响柴油机的性能，因此试验过程中通过改变垫片厚度调整喷油器的油嘴伸出量。试验所用垫片厚度分别为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm和 3.5 mm。

本文所用柴油机为N490型非道路用柴油机，其主要技术参数见表3。

表3 N490型非道路用柴油机主要技术参数

试验中采用MEXA-7100DEGR型排放分析仪来检测柴油机排气中的NOX、HC、CO。采用Horiba DLT-1302型颗粒排放测试仪对排气中的颗粒进行收集，在环境仓中用微量天平称量收集到颗粒的质量。采用AVL DISMOKE 4000型不透光烟度计对排气中的不透光烟度进行测量。

表4 试验工况及加权系数

本试验测试点取两个典型工况：额定工况和最大扭矩工况。测试结果仅取燃油消耗率(记为be)、不透光烟度和NOX排放量作为判断依据。这3个参数可以在一定程度上反映缸内燃烧状况，其中，不透光烟度可以直接反映PM的排放状况。

运用正交法获得较好的匹配参数后，再按照法规规定的非道路用柴油机8工况法进行测试。试验所用工况和加权系数见表4[5]。37 kW以下非道路用柴油机要达到中国第三阶段排放标准，排气污染物限值见表5[5]。

表5 非道路用柴油机排气污染物限值

2 试验结果与分析

2.1 喷油泵的影响

表6为使用两种不同油泵时柴油机的燃油消耗率、不透光烟度和NOX排放量情况。从表6中可以看出：使用VE2泵，柴油机的燃油消耗率和不透光烟度相对于使用VE1泵有了较大幅度的降低。这主要是因为VE2泵可以提供更高的喷油压力，加速了燃油的喷雾破碎，在极短的时间内迅速地促进燃油的喷雾破碎、蒸发和扩散，更快地形成均匀的燃油空气混合物，燃烧变得更加充分[13,18]，燃烧过程更靠近上止点，从而使柴油机的燃油消耗率和不透光烟度降低。但NOX排放量相对于使用VE1泵有小幅上升，这主要是因为喷油压力增加，喷油速率增大，在滞燃期内形成的可燃混合气增加，缸内温度升高，从而导致NOX生成量增加[11]。

表6 不同喷油泵的试验结果

2.2 喷油定时的影响

图1为不同喷油定时下，柴油机NOX排放量和不透光烟度的变化情况。图2为不同喷油定时下，柴油机燃油消耗率的变化情况。

2.2.1 NOX的排放量

从图1中可以观察到:NOX排放量随喷油定时的增大而增加，这是因为喷油定时大，滞燃期增长，参与预混合燃烧的燃油量增多，缸内的最高燃烧温度升高，从而导致NOX的排放量增加[2,19]。这符合喷油定时对NOX排放影响的一般规律，说明通过减小喷油定时来控制NOX排放量是确实可行的。从图1中还可以看出:最大扭矩工况(1 800 r/min)的NOX排放量高于额定工况(2 400 r/min)的NOX排放量，说明前者缸内最高温度高于后者。

2.2.2 不透光烟度的变化

从图1中可以看出:柴油机的不透光烟度随喷油定时的增大而减少，在最大扭矩工况时减少尤为明显。在最大扭矩工况时，供油提前角从13°CA BTDC增加到14°CA BTDC、15°CA BTDC时，不透光烟度由 29.6%分别减少到19.2%、14.1%，分别减少了35.1%和52.4%。随着喷油定时的增大，燃烧重心前移，燃烧持续时间缩短，燃烧更接近上止点，有利于碳烟的后期氧化[11]。另外，喷油定时增大，缸内最高燃烧温度和压力增大，在活塞下行时，燃烧室内高温高压引起的压差以及强挤流的作用，使得气流以较大的压差从燃烧室流出，加速了碳烟的后期氧化，使得碳烟排放量减少。柴油机运行在额定工况时，柴油机的转速高、喷油压力高、缸内涡流强度较强，使得油气混合比较均匀，缸内燃烧充分，从而使碳烟生成量减少。在高转速时，柴油机的不透光烟度随喷油定时变化较小。

图1 喷油定时对排放的影响图2 喷油定时对燃油消耗率的影响

2.2.3 燃油消耗率

由图2可以看出：燃油消耗率随着喷油定时的增加呈下降的趋势。当喷油定时增大时，滞燃期延长，使得更多燃油与空气混合，预混合燃烧比例增大，放热峰值增大、燃烧更接近上止点，定容度较高，燃油经济性好。但由于推迟喷油定时是降低NOX排放的重要措施，所以，增大喷油定时受到限制。

从图1和图2可以看出：喷油定时在15°CA BTDC时，柴油机的不透光烟度、燃油消耗率最低，但NOX的排放量最高，这对达到法规规定的气体排放限值[5]产生不利影响；喷油定时在13°CA BTDC时，样机的NOX排放量最低，对达到气体排放限值有利，但不透光烟度增加，这对达到法规规定的PM排放限值不利。综合考虑NOX和PM的排放量以及燃料消耗率，柴油机喷油定时在14°CA BTDC时的综合性能最优。

2.3 喷油器偶件参数的影响

表7为使用不同喷油器偶件时柴油机的燃油消耗率、不透光烟度和NOX排放结果对比。由表7可知：当喷孔数目不变，喷孔直径减少时，柴油机的燃油消耗率、不透光烟度和NOX的排放量呈下降趋势。由于喷孔直径减少，喷油压力提高、燃油离开喷孔的速度增加，促进了燃油喷雾破碎，喷雾索特平均直径减小，油气混合均匀，缸内燃烧充分，致使柴油机的燃油消耗率和不透光烟度降低。同时，燃料的着火延迟期缩短，从而在着火延迟期内形成的可燃混合气减少，使得缸内最高压力及最高温度降低，从而降低了NOX的生成[17,20]。另外，当使用P4喷油器时，柴油机的燃油消耗率与不透光烟度急剧升高，NOX排放急剧恶化。与P4喷油器相比，使用P1喷油器时，柴油机的燃油经济性和排放均优于P4喷油器。虽然两种喷油器的喷孔总面积接近，但P4喷油器的有效流通截面积小，使得喷油持续时间延长，后燃增加，柴油机的性能出现恶化。所以，使用P4喷油器时，应该增加喷油压力以缩短喷油持续时间，减少后燃。

表7 不同喷油器偶件的试验结果

2.4 喷油器油嘴伸出量的影响

喷油器油嘴伸出量是指油嘴伸出气缸盖底面的高度。油嘴伸出量主要与喷油器和气缸盖上安装孔之间的垫片厚度有关[20]，垫片薄则伸出气缸盖底面就多，垫片厚则相反。通过调整垫片厚度来改变油嘴伸出量，所用垫片厚度分别为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm和3.5 mm。垫片厚度对排放的影响结果如图 3所示。

图3 垫片厚度对排放的影响

由图3可以看出:使用厚度为3.0 mm垫片时，柴油机的燃油经济性和排放性最好，使用2.5 mm垫片次之，使用2.0 mm和3.5 mm垫片时，柴油机的燃油经济性和排放性较差。当垫片厚度为2.0 mm时，喷油器油嘴伸出量太大，导致燃油直接喷射到燃烧室下部，使得空气利用率降低，燃料不能够完全燃烧，导致经济性恶化，不透光烟度增加。当垫片厚度为3.5 mm时，喷油器油嘴伸出量过小，油束会喷射到活塞顶面，影响燃油的空间分布，同样降低空气的利用率，从而使柴油机的性能恶化。当垫片厚度为3.0 mm时，油束落点靠近燃烧室高度的中间区域，优化了油束在燃烧室空间的分布，提高了空气利用率，改善了缸内燃烧过程，柴油机的性能得到提升。

3 排放测试

综合分析上述各项影响因素，对柴油机各项技术参数进行了优化匹配。优化后按中国第三阶段排放标准[5]重新检测，所测8工况加权比排放结果如表 8所示。

表8 8工况加权比排放结果

由表 8可见:采取技术参数优化匹配后，原机的有害排放污染物得到有效的控制，新机排放性能指标达到了中国第三阶段排放标准的要求。

4 结论

(1)增大喷油压力和喷油定时能有效降低柴油机PM的排放，但会导致NOX排放增多；较小喷孔数目和直径(5×Φ0.21 mm)与具有较高喷油压力的喷油泵相匹配，可以有效降低NOX和PM的排放；合适的喷油器油嘴伸出量可以改善柴油机的排放性能。为全面改善柴油机的排放性能,需要综合考虑各种影响因素。

(2)采用VE2泵、喷油器喷孔数目和直径为5×Φ0.21 mm、喷油定时为14°CA BTDC、垫片厚度为3.0 mm的综合匹配方案，可以改善柴油机的燃烧过程，使N490型非道路用柴油机的排放得到有效控制，排放指标达到中国第三阶段排放标准的要求。

(3)燃油系统参数对柴油机燃油经济性能和排放性能影响十分复杂，不可能只考虑某一方面因素就能获得满意效果，必须进行优化匹配，才能到预期的目的。

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国家重点研发计划基金项目(2016YFD0700803)

陈占耀(1992-),男,福建三明人,硕士生;马志豪(1965-),男,回族,河南洛阳人,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为内燃机燃烧与污染物排放控制.

2016-09-26

1672-6871(2017)03-0030-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.007

TK421.5

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