滿足EPAⅣ排放電控單缸風(fēng)冷柴油機(jī)燃油噴射參數(shù)優(yōu)化

周惠琴

摘 要：本研究以小型非道路柴油機(jī)186FA為對象，開展“基于美國EAPⅣ及以上超低排放標(biāo)準(zhǔn)”的柴油機(jī)電控燃油噴射參數(shù)優(yōu)化研究，使用EPAⅣ排放法規(guī)中規(guī)定的八工況測試循環(huán)以及五工況測試循環(huán)分別開展柴油機(jī)臺架性能試驗(yàn)。通過對電控升級后的186FA柴油機(jī)進(jìn)行排放性能測試，研究噴油正時(shí)對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)各項(xiàng)性能的影響，從而對噴油正時(shí)進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，并最終確定優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);EPA;Ⅳ;噴油系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、緒論

作為微型耕種機(jī)械、小型拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ?，非道路小型柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)中有著極其重要的作用[1]。近年來，我國小型非道路柴油機(jī)的年產(chǎn)量大約在700萬臺，生產(chǎn)量大并且大量出口，占世界年產(chǎn)量的80%以上，已成為我國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的一大特色[2]。

內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配、先進(jìn)的排氣后處理、以及燃油噴射系統(tǒng)電控升級是柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)措施主要涉及的幾個(gè)方面[3]。其中，內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)的匹配是節(jié)能減排的基礎(chǔ);燃油噴射系統(tǒng)換代升級是其核心手段;后處理是其技術(shù)關(guān)鍵[4]。而對于小型非道路柴油機(jī)來說，因?yàn)槭艿搅诉\(yùn)行狀況、用途、制造工藝等限制，其節(jié)能減排技術(shù)與傳統(tǒng)車用柴油機(jī)有許多不同之處[5]。

本文以滿足EPAⅣ排放限值為目標(biāo)，以186FA柴油機(jī)為樣機(jī)，開展柴油機(jī)臺架性能試驗(yàn)，對排放性能進(jìn)行測試。分別使用美國EPA排放法規(guī)規(guī)定使用的八工況測試循環(huán)，以及五工況測試循環(huán)兩種測試循環(huán)開展試驗(yàn)，研究噴油正時(shí)等噴射參數(shù)對于發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能的綜合影響，得出進(jìn)行電控升級后的186FA柴油機(jī)中噴油提前角的優(yōu)化方案。

二、測試方法與裝置

本試驗(yàn)選擇在186FA柴油機(jī)上進(jìn)行，該柴油機(jī)經(jīng)過電控升級改造后采用電控單體泵噴油系統(tǒng)。其他主要測試設(shè)備有：MEXA-7200D氣體分析儀、AVL472顆粒采樣系統(tǒng)、MX5微克天平等。試驗(yàn)分別采用美國EPA法規(guī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)八工況測試循環(huán)，以及五工況測試循環(huán)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)測得環(huán)境濕度為50±5%，環(huán)境溫度為13±1℃，大氣壓力為102.4±0.1kPa，進(jìn)氣溫度為13±1℃。將預(yù)熱好的試驗(yàn)樣機(jī)在規(guī)定工況下運(yùn)行，待試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，從排氣管中取樣測量各種排放指標(biāo)濃度。在每工況運(yùn)行中，依次改變噴油提前角，分別測量一氧化碳CO、氮氧化物NOx、碳?xì)浠衔颰HC以及顆粒物PM在排氣中的濃度以及試驗(yàn)樣機(jī)的排氣溫度、輸出功率以及燃油消耗率等參數(shù)。

三、燃油噴射正時(shí)對柴油機(jī)性能的影響

當(dāng)噴油提前角增加，NOx的濃度也增加，并且，噴油提前角的持續(xù)增大，NOx的升高率也越來越快，對比其他工況點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到相同結(jié)論。原因?yàn)椋涸谏现裹c(diǎn)前，噴油正時(shí)增大會(huì)延長滯燃期，使得空氣與燃油混合數(shù)量增加，有利于燃料的燃燒，從而使得NOx增加，并且隨著噴油提前角的不斷增大，其排放增加幅度也更高。

與NOx呈現(xiàn)相反趨勢，一氧化碳排放隨著噴油正時(shí)的增加而降低，而當(dāng)噴油正時(shí)過大時(shí)，CO的數(shù)量減少的速率變緩。對比其他工況點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相同趨勢。這是因?yàn)?，隨著柴油機(jī)噴油正時(shí)的增大，滯燃期內(nèi)形成的燃油與空氣混合數(shù)量更多，燃料的燃燒改善，從而使一氧化碳減少。而當(dāng)噴油正時(shí)過早時(shí)，過早噴油使得柴油機(jī)燃料的整個(gè)燃燒過程提前，混合氣大部分燃燒不完全，導(dǎo)致CO下降趨勢變緩。

總碳?xì)浠衔颰HC隨噴油正時(shí)的加大而降低，且下降速率逐漸變緩。對比其他工況點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相同趨勢。這是因?yàn)椋S著噴油正時(shí)的增大，滯燃期增長，從而使得燃油得到充分燃燒，HC降低。而當(dāng)噴油正時(shí)過大，燃燒提前，柴油機(jī)壓縮負(fù)功增加，柴油機(jī)效率下降，燃油霧化效果降低，并且此時(shí)活塞位置離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，燃油噴射距離增加，不利于燃油與空氣的均勻混合，使得碳?xì)浠衔锵陆邓俾首兙彙?/p>

試驗(yàn)樣機(jī)的燃耗隨噴油正時(shí)的增加而減少。對比其他各工況點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，燃耗率變化趨勢一致。這是因?yàn)楫?dāng)試驗(yàn)樣機(jī)噴油提前角增大，滯燃期增長，在發(fā)動(dòng)機(jī)做工沖程中，作用于活塞頂部的平均有效壓力增大，導(dǎo)致熱效率上升，燃油消耗率的下降。

四、噴油正時(shí)優(yōu)化與標(biāo)定

在分析所得的各最佳噴油正時(shí)下，再次試驗(yàn)測量樣機(jī)的各項(xiàng)排放指標(biāo)，并按照八工況加權(quán)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出各項(xiàng)指標(biāo)的比排放值，并采用稱重法測量試驗(yàn)樣機(jī)在整個(gè)循環(huán)中的PM值。一氧化碳CO的比排放為3.77g/kWh，EPA第Ⅳ階段排放法規(guī)限值為8.0g/kWh;顆粒物PM比排放為0.32g/kWh，EPA第Ⅳ階段排放法規(guī)限值為0.4g/kWh;總碳?xì)浠衔颰HC加氮氧化合物NOx比排放為5.75g/kWh，EPA第Ⅳ階段法規(guī)限值為7.5g/kWh。均符合EPA第Ⅳ階段法規(guī)限值。

對試驗(yàn)樣機(jī)安裝氧化催化器DOC后，對五工況試驗(yàn)循環(huán)下的各工況點(diǎn)按照最佳噴油正時(shí)進(jìn)行排放試驗(yàn)，按照五工況加權(quán)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出各項(xiàng)指標(biāo)的比排放值，并采用稱重法測量試驗(yàn)樣機(jī)在整個(gè)循環(huán)中的PM的排放值。一氧化碳CO的比排放為0.843g/kWh;顆粒物PM比排放為0.128g/kWh; THC加NOx比排放為6.159g/kWh。均符合EPA第Ⅳ階段法規(guī)限值。

五、總結(jié)

本文通過氮氧化物NOx與其他指標(biāo)之間的權(quán)衡關(guān)系的研究分析，確定各工況點(diǎn)下的最佳噴油提前角，完成在標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3600r/min下試驗(yàn)樣機(jī)噴油提前角的優(yōu)化與標(biāo)定。最后試驗(yàn)驗(yàn)證在優(yōu)化的噴油提前角下試驗(yàn)樣機(jī)各項(xiàng)排放指標(biāo)的比排放，測量結(jié)果滿足美國EPA第Ⅳ階段排放法規(guī)。

參考文獻(xiàn)：

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