浅谈非道路三阶段陆用发电柴油机性能开发

印志强 刘翀 任宪丰 王怀宽 周飞章

摘要：柴油机的性能开发是影响其排放控制技术及发动机耐久性的关键环节，而且我国现阶段提出的非道路三阶段排放标准需要进一步降低柴油机的NOX+HC排放和PM排放，于是对柴油机整体性能的开发就显得愈加重要。本文通过定性定量分析陆用发電柴油机的三阶段排放性能，阐述了非道路三阶段陆用发电用柴油机性能开发过程，通过分析试验结果，做出调整方向，满足排放、动力性、匹配方面更加优化。

关键词：非道路三阶段;排放;性能开发;匹配

中图分类号：U664.121                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0015-02

0  引言

自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》的第三阶段要求。对柴油机的污染物排放限值加严，并且修改采用了欧盟2004/26/EC中关于各功率段耐久性的要求。

1  中国非道路三阶段排放法规及陆用发电柴油机的排放认证工况

通过表1-非道路二阶段和表2-非道路三阶段的排放限值对比，NOX和HC总和的限值在中国非道路三阶段有明显的降低，PM限值只在37kW以下机型有降低，CO限值在37kW以下机型有降低，非道路三阶段同时增加了560kW以上机型的排放与颗粒物的限值要求。

根据“GB/T 8190.4-2010《往复式内燃机 -排放测量-第4部分：不同用途发动机的稳态试验循环》”，陆用发电柴油机的排放认证工况循环应遵循D2五工况排放试验循环，见表3。

2  陆用发电柴油机喷油器试验选型

对WPX柴油机进行陆用发电用途三阶段排放性能开发试验，柴油机主要参数见表4，系统配置见表5。

为保证柴油机的出厂一致性，将NOX+HC的限值降低到3.6g/kWh（10%的工程指标余量），PM的限值降低到0.16g/kWh（20%的工程指标余量）。

试验前，通过性能仿真手段优化出两种喷油器，件号分别是A和B，根据喷油结束时刻计算结果和排放结果进行喷油器优化选型，喷油器参数见表6。

通过摸底试验，排放结果和额定工况机械限值汇总以图示形式展示，见图1，综合考量对比NOX+HC排放，PM排放，燃油综合比油耗，涡轮前排温等参数，A喷油器在燃油经济性、排放指标等优于B喷油器。

3  陆用发电柴油机性能开发需要注意的问题

喷油器选型之后，在A喷油器的配置下，进行了性能开发试验，在试验过程中汇总了需要注意的问题。

3.1 机械限值

额定工况下中冷前气压、爆发压力超技术条件限值，无论1500r/min还是1800r/min，由于在上止点附近开始喷油，导致有后燃，排气能量增大，增压器转速升高，从而压端进气流量增大，导致缸内纯压缩压力升高，大于缸内的燃烧压力，最大缸内压力并不是燃烧压力。

根据Kistler燃烧分析仪测量数据：1500r/min和1800r/min机型额定工况燃烧始点AI05（燃烧始点）的位置出现在上止点后13～14°CA，而最大缸压，即图2、图3的p-？准示功图中的第一个波峰位置位于上止点附近，所以，最大缸内压力并不是燃烧压力。由于缸内最大压力（压缩压力）出现在上止点左右，会导致在活塞上行过程中阻力加大，不利于燃油消耗的经济性。

3.2 增压器性能方面

陆用发电柴油机的性能开发需要兼顾两种转速1500r/min和1800r/min，对于固定截面增压器难度很大，1500r/min中高负荷进气流量小，过量空气系数低，导致排温高，而1800r/min中高负荷进气流量大，压气机出口温度有超过许用限值的风险。通过本次试验研究，建议陆用发电柴油机在后期性能开发过程中需要匹配可变截面的增压器。

3.3 风扇水箱匹配方面

由于陆用发电机型需要具有在环境温度50-60°C极限环境下工作的能力，故在试验室模拟了极限环境温度匹配风扇水箱之后的热平衡试验。

涡轮后排温限值为560±10℃，压端出口气温限值为200～210℃;发动机匹配风扇水箱的性能随环境温度变化的试验结果见表7。

表7 中显示，随着压气机进气温度的升高，1500r/min机型涡轮后排温先到达限值，1800r/min机型压端出口气温先到达限值，以此为参考基准，我们在实际生产使用时需要降低其功率，规避超过增压器使用限值的风险。

4  结束语

对于陆用发电柴油机的三阶段性能开发，对喷油器选型、增压器的选用和匹配是非常重要的一个阶段，通过本次性能开发试验研究，建议：①优化燃烧室结构及相应的喷油策略，加快燃烧速率，降低缸内的压缩压力，减小负功，提高燃油经济性;②陆用发电柴油机需要匹配可变截面的增压器，提高1500r机型中高负荷的进气充量，从而降低排气温度;降低1800r机型中高负荷的进气充量，降低压气机出口温度，提高压气机的使用寿命，从而在风扇水箱匹配过程中，机型不会因为排温和压端温度的原因降低功率，提高产品的可靠性。

参考文献：

[1]邓东密，邓萍.柴油机喷油系统[M].北京：机械工业出版社，2011：20-21.

[2]周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M]. 北京：机械工业出版社，2013：178-179.

[3]Instruction manual Kibox To Go，type 2893A with Cockpit V1.1[M]  Switzerland，2009.