满足非四排放标准的农用柴油机试验研究

张腾，郎晓姣，刘冠麟，尤彦彦，王怀宇，何远超

(1. 潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；2. 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；3.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

柴油机具有动力强劲、油耗低、可靠性高等优点,作为动力总成占农业机械的95%以上。但是随着农业机械迅速发展,其面临着污染排放量大、在偏远农村使用范围广、排放控制技术落后等一系列的问题,这些问题使国内农业机械的排放物日益成为主要污染源[1]。孙俊华等[2]对江苏省农业机械的排放情况进行调查发现,江苏省农业机械单机排放的NOx是机动车的2.0倍多。为此,生态环境部在2020年对《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)》进行了修订,不仅对非道路用柴油机尾气排放作了明确限制,还要求在2022年全面实施该排放标准[3]。

柴油机的燃烧方式为扩散式燃烧,这就会导致柴油机缸内混合气不均匀,部分混合气处于高温富氧状态,因此氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)为主要尾气排放污染物[4]。SCR可以有效处理氮氧化物,但是其需要贵金属作为催化剂,成本较高;同时需要空间安装,这些都是农用机械的痛点。因此,废气再循环(exhaust gas refricalation,EGR)技术成为农业机械上理想的降低NOx排放的方案。谢纬安等[5]在采用EGR农用单缸发动机上研究发现在高负荷下EGR率增加后,NOx排放明显降低,同时Soot升高,在引入生物柴油对柴油进行改质后,可以有效降低Soot。陈贵升等[6]研究发现在相同NOx排放时,提前主喷角度可以有效降低烟度;在高转速大负荷时,主喷角度推迟后Soot先降低后升高,因为发动机不同运行工况上存在一最优CA50和燃烧持续期,此时油耗率最低。郑佳等[7]研究发现柴油机在使用EGR技术后NOx排放降低,但Soot排放增加。由此可知EGR技术可以有效降低NOx排放,但是Soot排放会升高,因此需要通过EGR率、喷油器的匹配,降低NOx排放的同时抑制Soot快速上升,同时降低油耗率。

本文以满足非四排放的某农用机械拖拉机用柴油机为研究对象,研究EGR率与喷油器安装方式对发动机经济性的影响,为农业机械用EGR柴油机在满足排放法规时进一步提高经济性提供参考。

1 试验方案和设备

1.1 试验样机及设备

在本文中试验用柴油机满足非道路四阶段排放法规要求,采用技术路线为EGR +氧化催化转换器(diesel oxidation catalyst, DOC)+柴油颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)。发动机的主要技术参数见表1,试验主要测量设备见表2。

表1 发动机主要技术参数

表2 试验用主要测量设备

1.2 试验工况点

由于农业柴油机在实际运行时主要集中在中高负荷区域,因此在本研究中主要以工况点一:1 500 r/min、450 N·m和工况点二:1 700 r/min、650 N·m两个工况点进行相关试验研究。

1.3 试验方法

试验中利用标定工具对柴油机的轨压、喷油时刻等相关参数进行调整。通过发动机控制单元对EGR阀开度进行调整从而改变EGR率,喷油器锥角的变化则是通过调整喷油器垫片的厚度实现。由于当前农用柴油机在应用时主要是考虑其经济性和排放性,所以本文以经济性和排放性为主要研究重点。

1.4 柴油机EGR系统构成

EGR系统按照废气来源方式可分为内部EGR和外部EGR两种形式。由于内部EGR配气机构要求较高且EGR率精度控制较难,因此该研究对象的柴油机采用外部EGR[8]。该EGR系统主要由EGR冷却器、EGR阀及相关管路构成。柴油机尾气中部分气体经过EGR冷却器、EGR阀及相关管路进入进气管与空气混合,而后进入缸内参与燃烧。其中EGR率是通过进气中CO2含量与尾气中CO2含量进行计算的。由于空气中CO2的含量几乎为0,所以在实际进行EGR率测量时通常忽略大气中CO2的含量,因此EGR率的计算采用公式

式中:REGR为柴油机EGR率;CCO2,in为发动机进气中CO2的含量;CCO2,air为大气中CO2的含量;CCO2,out为发动机尾气中CO2的含量。

2 试验结果分析

2.1 喷油器垫片厚度对发动机排放的影响

喷油器油嘴安装深度指的是喷油嘴顶端到柴油机缸盖的长度,该长度对喷油器的喷油空间有较大的影响。喷油器垫片越厚,喷油器油嘴的伸出量越小,反之亦然。本文选取了2.0、1.5、1.0、0.5 mm 4种不同厚度的喷油器垫片对喷油器油嘴的伸出量进行调节,可等效于不同喷油器锥角试验。表3给出了柴油机在不同垫片厚度下的NRTC排放值。由表3可知,随着喷油器垫片减薄,柴油机排放趋势变好,这主要是因为当喷油器垫片厚度减薄后,喷油器油嘴伸出量变长,燃油分子主要喷射在活塞上表面,与空气混合程度趋于良好,发动机性能优异。但是喷油器垫片过厚时,若喷射压力不变,则喷油器工作时油路长度增加,在油束末端压力不足或者喷在活塞顶部表面导致燃油分子混合程度下降,发动机性能发生下降[9]。随着垫片的持续减薄,柴油机排放又开始恶化,这主要是因为喷油器垫片减薄后喷油器油头凸出高度增加,而喷油器在工作时燃油会进入到活塞上燃烧室的凹坑中,燃油分子处于局部较浓的状态,而活塞上部的空气利用率偏低,导致燃油与空气混合不均匀,燃油不能充分燃烧,使得柴油机经济性变差、排放恶化。在该试验发动机中,当喷油器垫片为1 mm时,发动机气缸中空气与燃油混合更充分,燃烧更加充分,发动机性能更好。因此,在该研究对象中选择垫片为1 mm的喷油器对柴油机进行开发。

表3 柴油机在不同垫片厚度下的NRTC排放值

2.2 EGR对发动机排放的影响

对于柴油机排放影响较大的就是发动机缸内氧含量以及缸内燃烧温度[10]。柴油机在使用EGR技术后,可以在有效降低缸内温度的同时降低氧的相对含量,此时可以有效抑制NOx的排放,但是此时有利于Soot生成,因此有必要研究EGR对发动机排放的影响。图1给出了EGR率对发动机NOx和Soot排放的影响。由图1可知,随着EGR率的上升,NOx排放下降,但是Soot排放上升。与低负荷相比,柴油机在中高负荷工况时采用EGR技术可以更为有效降低NOx排放,降幅与低负荷相比高3%左右。这是因为柴油机在中高速负荷运行时,需要较大的EGR率,此时缸内废气不仅可以有效地稀释缸内混合气的燃油分子浓度、增加进气量,还可以提高缸内混合气的热容比,降低缸内燃烧温度,降低NOx的排放[11-12]。但是,如果EGR率过高,极易引起柴油机缸内燃烧恶化、排放变差和经济性降低。

(a) 工况一

2.3 EGR和喷油提前角协同作用对发动机影响

2.3.1 排气温度变化

(a) 工况一

柴油机的排气温度可以表征柴油机缸内的燃烧程度,同时影响发动机的可靠性,因此有必要研究发动机排气温度的变化。图2给出了柴油机排气温度在固定喷油时刻时随着EGR率的变化曲线。由图2可知,随着EGR率的增加,柴油机的排气温度上升,发动机排气温度最高为463 ℃,满足发动机排气系统设计要求。低负荷时EGR率每升高1%,排气温度升高3 ℃左右;高负荷时EGR率每升高1%,排气温度升高5 ℃左右。这是因为,当EGR率增加后,缸内混合气量增加,氧含量占比相对降低,燃烧持续期延长,后燃期相对延长,使柴油机排气温度升高;同时EGR进入柴油机进气管后,缸内混合气温度较高,因此排气温度也上升[13]。

2.3.2 柴油机燃油消耗率

等NOx排放时喷油提前角和EGR率对燃油消耗率的影响如图3所示。由图3可知,随着喷油提前角的提前,EGR率呈现出升高的趋势,同时燃油消耗率下降。这是因为喷油提前角推迟在一定程度上可以增加新鲜空气的进气量且增加了空气与柴油的混合时间,可以使柴油分子和空气分子充分混合,在柴油机燃烧工作的过程中着火延迟期可以得到延长;同时,EGR的使用增加了柴油机进气量,使柴油混合气浓度降低,减少了柴油机缸内局部混合偏浓的状态,使柴油分子实现更充分燃烧,因此可以有效地降低柴油机的油耗率。在喷油提前角推迟后,着火延迟期延长、后燃减少的同时会降低缸内的燃烧温度,破坏了NOx的生成条件,NOx排放降低因此降低EGR率需求[6]。但是在相同NOx排放时,喷油提前角变化和EGR率在不同工况点影响程度不一致。在中低速负荷时,推迟喷油提前角导致柴油与空气混合时间相对延长,混合气更均匀,燃烧持续期缩短,但是泵气损失降低,膨胀比下降带来的损失较少,因此对柴油机的燃油消耗率影响较小;而在高速大负荷时,喷油提前角推迟导致有效膨胀比降低,残余废气系数增加,造成柴油机燃油消耗率上升幅度较大。

(a) 工况一

2.3.3 柴油机Soot排放

Soot是柴油机微粒的重要组成部分,碳烟生成条件为高温缺氧,与NOx的生成条件完全相反。483烟度计主要是测量柴油机尾气中碳烟量(Soot),所以主要是研究在相同NOx排放时Soot的变化情况。图4给出了在相同NOx排放时Soot随着喷油提前角和EGR率变化的曲线。

(a) 工况一

与未使用EGR柴油机相比,柴油机在使用EGR后其缸内燃烧滞燃期延长,缸内的柴油分子参与反作用生成的OH等活性基增加,导致烟度排放升高[7,14]。由图4可知,Soot随着喷油提前角的提前呈现出上升趋势,特别是在中高负荷时变化更加明显。这主要是因为在等NOx排放工况下,柴油机在中高速负荷工况运行时,在喷油提前角的推迟和EGR的共同作用下,柴油机缸内燃烧速率下降,燃烧持续期在一定程度上延长,缸内的温度会略有下降,导致Soot氧化速率下降进而导致烟度排放上升[15-16]。而在低速负荷工况运行时,喷油提前角推迟可以适当增加新鲜空气量,减少缸内的局部过浓高温区域,因此Soot进一步降低。柴油机在工作时,理论上认为缸内燃烧期越短,其循环热效率越高;但是在实际工作时,由于柴油与空气的混合程度、燃烧放热期短等因素的影响,很容易出现局部放热状态导致热效率下降。柴油机在使用EGR后,有效地改善了缸内柴油与空气混合的均匀性,合适的EGR率可以改善燃烧期,从而提升柴油机燃烧热效率、提升经济性。但是柴油机在使用EGR提升经济性和降低NOx排放的同时,Soot等排放问题需要进行合理控制,避免出现排放过高的问题[17]。当前柴油机在使用EGR技术后,通常搭配燃烧室、进气系统优化等措施达到改善缸内燃烧状态的目的,这样不仅可以降低柴油机排放还可以进一步提升经济性,对于农用柴油机来讲是最佳选择。由2.2和2.3可知,为了兼顾柴油机的排放性和经济性,EGR率设定在7.5%～12%,喷油提前角在4°～11°,发动机排气温度在430 ～460 ℃,满足发动机设计要求。

3 结论

通过研究满足非四排放标准的农用柴油机喷油器安装深度、EGR率等参数对发动机的经济性、排放性的影响,得出如下结论:

1)合理的喷油器垫片可以有效改善燃油空气混合程度,使发动机排放趋于良好。在喷油器垫片为1 mm时,发动机的排放性能最优,因此该农用柴油机选择喷油器垫片为1 mm。

2)农用柴油机在使用EGR技术后,NOx排放显著降低但Soot有所上升,可满足发动机排放要求。其中,发动机在低负荷运行时EGR率每升高1%,排气温度升高3 ℃左右;在高负荷运行时EGR率每升高1%,排气温度升高5 ℃左右。在中高负荷工况时可以更为有效地降低NOx排放,降幅与低负荷相比高3%左右。

3)在相同NOx排放时,EGR率和喷油提前角共同作用可改变发动机经济性和排放性。喷油提前角推迟后可以降低对EGR率的需求,同时可以提升柴油机的经济性,但是对Soot带来负面影响,特别是高速负荷状态下更为明显。为了兼顾经济性和排放性,在该试验柴油机上可采用较高的EGR率即7.5%～12%,喷油提前角可适当推迟至4°～11°。