淺談非道路三階段陸用發(fā)電柴油機(jī)性能開發(fā)

印志強(qiáng) 劉翀 任憲豐 王懷寬 周飛章

摘要：柴油機(jī)的性能開發(fā)是影響其排放控制技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而且我國現(xiàn)階段提出的非道路三階段排放標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步降低柴油機(jī)的NOX+HC排放和PM排放，于是對(duì)柴油機(jī)整體性能的開發(fā)就顯得愈加重要。本文通過定性定量分析陸用發(fā)電柴油機(jī)的三階段排放性能，闡述了非道路三階段陸用發(fā)電用柴油機(jī)性能開發(fā)過程，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，做出調(diào)整方向，滿足排放、動(dòng)力性、匹配方面更加優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：非道路三階段;排放;性能開發(fā);匹配

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0015-02

0? 引言

自2014年10月1日起，凡進(jìn)行排氣污染物排放型式核準(zhǔn)的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)都必須符合《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第三、四階段）》的第三階段要求。對(duì)柴油機(jī)的污染物排放限值加嚴(yán)，并且修改采用了歐盟2004/26/EC中關(guān)于各功率段耐久性的要求。

1? 中國非道路三階段排放法規(guī)及陸用發(fā)電柴油機(jī)的排放認(rèn)證工況

通過表1-非道路二階段和表2-非道路三階段的排放限值對(duì)比，NOX和HC總和的限值在中國非道路三階段有明顯的降低，PM限值只在37kW以下機(jī)型有降低，CO限值在37kW以下機(jī)型有降低，非道路三階段同時(shí)增加了560kW以上機(jī)型的排放與顆粒物的限值要求。

根據(jù)“GB/T 8190.4-2010《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) -排放測(cè)量-第4部分：不同用途發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)》”，陸用發(fā)電柴油機(jī)的排放認(rèn)證工況循環(huán)應(yīng)遵循D2五工況排放試驗(yàn)循環(huán)，見表3。

2? 陸用發(fā)電柴油機(jī)噴油器試驗(yàn)選型

對(duì)WPX柴油機(jī)進(jìn)行陸用發(fā)電用途三階段排放性能開發(fā)試驗(yàn)，柴油機(jī)主要參數(shù)見表4，系統(tǒng)配置見表5。

為保證柴油機(jī)的出廠一致性，將NOX+HC的限值降低到3.6g/kWh（10%的工程指標(biāo)余量），PM的限值降低到0.16g/kWh（20%的工程指標(biāo)余量）。

試驗(yàn)前，通過性能仿真手段優(yōu)化出兩種噴油器，件號(hào)分別是A和B，根據(jù)噴油結(jié)束時(shí)刻計(jì)算結(jié)果和排放結(jié)果進(jìn)行噴油器優(yōu)化選型，噴油器參數(shù)見表6。

通過摸底試驗(yàn)，排放結(jié)果和額定工況機(jī)械限值匯總以圖示形式展示，見圖1，綜合考量對(duì)比NOX+HC排放，PM排放，燃油綜合比油耗，渦輪前排溫等參數(shù)，A噴油器在燃油經(jīng)濟(jì)性、排放指標(biāo)等優(yōu)于B噴油器。

3? 陸用發(fā)電柴油機(jī)性能開發(fā)需要注意的問題

噴油器選型之后，在A噴油器的配置下，進(jìn)行了性能開發(fā)試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中匯總了需要注意的問題。

3.1 機(jī)械限值

額定工況下中冷前氣壓、爆發(fā)壓力超技術(shù)條件限值，無論1500r/min還是1800r/min，由于在上止點(diǎn)附近開始噴油，導(dǎo)致有后燃，排氣能量增大，增壓器轉(zhuǎn)速升高，從而壓端進(jìn)氣流量增大，導(dǎo)致缸內(nèi)純壓縮壓力升高，大于缸內(nèi)的燃燒壓力，最大缸內(nèi)壓力并不是燃燒壓力。

根據(jù)Kistler燃燒分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)：1500r/min和1800r/min機(jī)型額定工況燃燒始點(diǎn)AI05（燃燒始點(diǎn)）的位置出現(xiàn)在上止點(diǎn)后13～14°CA，而最大缸壓，即圖2、圖3的p-？準(zhǔn)示功圖中的第一個(gè)波峰位置位于上止點(diǎn)附近，所以，最大缸內(nèi)壓力并不是燃燒壓力。由于缸內(nèi)最大壓力（壓縮壓力）出現(xiàn)在上止點(diǎn)左右，會(huì)導(dǎo)致在活塞上行過程中阻力加大，不利于燃油消耗的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 增壓器性能方面

陸用發(fā)電柴油機(jī)的性能開發(fā)需要兼顧兩種轉(zhuǎn)速1500r/min和1800r/min，對(duì)于固定截面增壓器難度很大，1500r/min中高負(fù)荷進(jìn)氣流量小，過量空氣系數(shù)低，導(dǎo)致排溫高，而1800r/min中高負(fù)荷進(jìn)氣流量大，壓氣機(jī)出口溫度有超過許用限值的風(fēng)險(xiǎn)。通過本次試驗(yàn)研究，建議陸用發(fā)電柴油機(jī)在后期性能開發(fā)過程中需要匹配可變截面的增壓器。

3.3 風(fēng)扇水箱匹配方面

由于陸用發(fā)電機(jī)型需要具有在環(huán)境溫度50-60°C極限環(huán)境下工作的能力，故在試驗(yàn)室模擬了極限環(huán)境溫度匹配風(fēng)扇水箱之后的熱平衡試驗(yàn)。

渦輪后排溫限值為560±10℃，壓端出口氣溫限值為200～210℃;發(fā)動(dòng)機(jī)匹配風(fēng)扇水箱的性能隨環(huán)境溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 中顯示，隨著壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的升高，1500r/min機(jī)型渦輪后排溫先到達(dá)限值，1800r/min機(jī)型壓端出口氣溫先到達(dá)限值，以此為參考基準(zhǔn)，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)使用時(shí)需要降低其功率，規(guī)避超過增壓器使用限值的風(fēng)險(xiǎn)。

4? 結(jié)束語

對(duì)于陸用發(fā)電柴油機(jī)的三階段性能開發(fā)，對(duì)噴油器選型、增壓器的選用和匹配是非常重要的一個(gè)階段，通過本次性能開發(fā)試驗(yàn)研究，建議：①優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的噴油策略，加快燃燒速率，降低缸內(nèi)的壓縮壓力，減小負(fù)功，提高燃油經(jīng)濟(jì)性;②陸用發(fā)電柴油機(jī)需要匹配可變截面的增壓器，提高1500r機(jī)型中高負(fù)荷的進(jìn)氣充量，從而降低排氣溫度;降低1800r機(jī)型中高負(fù)荷的進(jìn)氣充量，降低壓氣機(jī)出口溫度，提高壓氣機(jī)的使用壽命，從而在風(fēng)扇水箱匹配過程中，機(jī)型不會(huì)因?yàn)榕艤睾蛪憾藴囟鹊脑蚪档凸β剩岣弋a(chǎn)品的可靠性。

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