非道路大功率增压柴油机排放控制实验研究

摘要：为了改善非道路用大功率直喷增压柴油机R4105的排放性能，使之达到国家第3阶段非道路用柴油机排放标准的要求，通过试验优化了燃烧室几何形状、供油提前角及高压油管内径等喷油系统参数，系统研究了这些参数对柴油机主要排放物的影响。试验结果表明，在保持柴油机经济性及动力性的情况下，合理优化燃烧室设计和匹配喷油系统参数，可以有效降低柴油机的有害物排放量，使之达到国家排放标准第3阶段排放标准。

关键词：非道路用柴油机；排放控制；燃烧室；燃油系统

引言

非道路柴油机与道路用柴油机有着明显区别，在用途上，非道路柴油机一般用于工程机械、拖拉机、农业机械、固定动力等机型，其功率范围比道路用柴油机更加宽广并且结构形式众多，能够胜任各种不同的工作环境。随着温室效应及空气污染越来越严重，人们对柴油机的排放提出了更高要求，不止对道路用柴油机制定了更加严格的排放控制标准，非道路用柴油机的排放控制要求也越来越高，并且制定并实行了严格的排放法规[1]。我国现行的非道路用柴油机排放法规为《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Ⅰ、Ⅱ阶段）》（GB20891-2007），从2016年4月起，我国非道路用柴油机正式实行排放控制第三阶段标准。

考虑到非道路用柴油机行业的特点，非道路柴油机排放控制过程的研究一般不采用道路用柴油机的成熟的技术和手段，这主要是因为成本方面的考虑。在研究时，需要对现有的参数和零部件配置进行优化选择和设计分析，合理的组织燃烧、进气和供油过程，以达到排放控制的目的[2]。本文所研究的机型为R4105柴油机，其功率在55～65KW之间，现阶段我国非道路用柴油机市场尤其是大功率拖拉机市场中，R4105型柴油机占有很大比重，应用广泛。

1.技术措施及试验设备

为了降低R4105型柴油机的排放，使之达到国三排放标准，并且适当的降低发动机油耗，提高柴油机平均有效压力，本文将主要研究在增压情况下的燃烧室结构、喷油系统结构参数和喷油正时等方面对柴油机排放性能的影响。增压后该机型的参数见表1。

试验研究中，采用SAXONJUNKALORInfralytELD排放分析仪检测排放中的HC、CO、NO＼-X。测试HC、CO和NO＼-X分别为氢火焰离子化分析仪（FID）、不分光红外分析仪（NDIR）和化学发光法（CLD）。在试验过程中，同时采用Opacilyt1030颗粒排放测试仪对排气中的颗粒物进行检测，该仪器用的是分流稀释系统；测量烟度的仪器为YK-YD-99数字式排气烟度计[3]。排放标准及测量方法采用《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）》GB20891-2014，排放限值见2.试验结果与分析

2.1燃烧室几何形状对排放的影响

柴油机燃烧室的几何形状直接影响到了污染物排放量及油气混合物的形成和燃烧质量有。燃烧室的几何形状得到有效改进，会使得进气涡流得到有效利用，从而在燃烧室内形成湍流和挤流，从而使得燃烧过程的质量得到有效提高，对降低废气排放具有重要意义，同时还能有效提高发动机的动力性和经济性。本文采用了3种不同形状的ω型燃烧室，如图1所示，引入缩口比和常数径深比来描述这3种ω型燃烧室，同时对这3种不同形状的ω型燃烧室进行了试验对比，以得到其对排放的影响[5]。

3种燃烧室都具有一个共同特征，即ω型燃烧室中部顶端为凸台结构，我们称具有这种特征的燃烧室为缩口哑铃型燃烧室。中部顶端的凸台有助于形成挤流，使油束与燃烧室形状更加匹配，将空气与油束更加贴合，能够更均匀的形成燃油混合气[6]。燃烧室1缩口比为1.059，径深比为2.914；燃烧室2缩口比为1.06，径深比为2.857；燃烧室3缩口比为1.1，径深比为2.623。3种燃烧室的排放对比如图2所示。从对比结果看到，3个方案的气体排放均低于排放限值，喉口直径为Φ48mm的燃烧室PM满足排放标准，为0.270g/（kW・h）。从排放对比可知，燃烧室1的PM和NO＼-X排放居中；燃烧室2的PM排放量最高，但NO＼-X排放量最低；燃烧室3的PM和NO＼-X排放量都满足排放要求，故燃烧室3是最佳的方案。燃烧室3的缩口比最大，燃烧室内气体涡流最强，油气混合物雾化效果好，燃烧最早、温度上升最快，因此NO＼-X排放量增多，同时燃烧室3径深比小，保证了燃烧室内气体有较强的涡流，油气混合物混合良好，因此PM排放较低。

2.2燃油供给系统调整试验

燃油供给系统中的出油阀类型、柱塞直径与供油提前角、喷油嘴的孔数及孔径、减压容积等参数对影响燃烧的喷油持续期、喷油速率、油与气的混合时间、喷油束的空间状态等具有决定性的作用[7]。在试验过程中，对燃油系统的供油提前角、出油阀减压容积、高压油管内径等方面进行了调整试验。

2.1.1供油提前角对排放的影响

对R4105柴油机8工况排放的影响如图5所示。由图3可见，供油提前角θ＼-fd增大，CO和HC排放随之减小，NO＼-X+HC和NO＼-X排放随之增大，并且都低于排放限值；当θ＼-fd=8.5°曲轴转角时，PM排放最低，为0.398g/（kW・h），此时θ＼-fd增大或减小，PM排放均增大。因此，供油提前角θ＼-fd对PM排放而言是存在最佳值的，R4105柴油机的最佳供油提前角在8.5°曲轴转角左右[8]。

随着供油提前角θ＼-fd的增大，滞燃期延长，则预混合燃烧的燃油量随之增加，而扩散燃烧的燃油量随之减少。碳烟的生成时间主要在扩散燃烧中，而预混合燃烧时生成较少，因为扩散燃烧时气缸内处于缺氧和高温的环境，而预混合燃烧时缸内的氧气含量较高，混合气氧气比例较高，燃烧会更加充分。当增大θ＼-fd时，预混合燃烧阶段的燃油量会增多，燃烧室内达到的温度较高，废气在高温下的停留时间较长，导致NO＼-X的排放量增大。但是当减小θ＼-fd的时，碳烟的生成量会增加，尤其是高负荷大幅度增加时[9]。主要是由于进气压力的升高、提前角的迟后，提高了气缸内油气混合物运动强度，进入气缸的燃油更容易被卷走，附着在气缸壁上就会形成稀火焰区，增加PM排放量；另外供油提前角θfd迟后，使得整个燃烧过程时间缩短，从而减少PM进一步氧化的机会。对于NO＼-X来说，随着θ＼-fd的减小使得预混合过程中形成的可燃混合气减少，燃烧过程气缸内温度较低，减少了NO＼-X的生成。综上所述供油提前角θ＼-fd减小虽然有效降低NO＼-X的排放，但同时也增加了PM的排放量。

2.1.2高压油管内径的调整

对于供油量一定的高压燃油喷射泵，油管内径值都应是一定的。燃油供给系统使用的管径的大小都会影响到喷油性能。较小的高压油管内径管内压力较高，喷油压力就会增大，从而提高燃油雾化效果，混合气混合更加均匀，燃烧更充分。同理，高压油管内径减小，使得高压系统容积减少，减弱压力波的影响，使得喷油持续时间缩短，可有效减弱或防止二次喷射的产生[10]。图4为高压油管内径对发动机排放的影响，图示表明，高压油管内径由2.0mm减小为1.5mm，NO＼-X气体排放有所增加，但PM排放减小。因此本文选用内径为1.5mm的高压油管。

3.综合优化匹配结果

通过对燃烧室形状、供油提前角、高压油管内径的试验研究，我们总结出了各个因素与发动机排放性能的关系。总述各项技术改进措施，将8工况排放量结果列于表3。

从排放结果可知，经过一系列优化匹配后，原机的废气排放得到了有效控制，其中PM排放明显降低。而NO＼-X的排放量虽然略有增加，但是仍符合排放标准。对原机进行优化匹配后的排放性能指标达到了GB20891―2014标准的要求。优化燃烧室方案：燃烧室选用的喉口直径为Φ48mm，供油提前角采用8.5°曲轴转角，高压油管内径为Φ0.15mm。

4.结束语

a.通过试验分析了燃油供给系统对增压中冷直喷R4105柴油机的PM和NO＼-X排放产生影响的两种匹配因素：供油提前角和高压油管内径。

b.选用了3种形式的ω型燃烧室，合适的径深比和缩口比能够有效的降低柴油机排放。

c.将各种影响因素综合起来考虑，同时优化几种因素从而使主要排放物同时满足排放法规。最后得到最佳匹配方案：燃烧室选用的喉口直径为Φ48mm，供油提前角采用8.5°曲轴转角，高压油管内径为Φ0.15mm的综合匹配方案，可以改善柴油机燃烧，使R4105柴油机的排放得到有效的改善。

[参考文献]

[1]陈希颖，居钰生，张庆等.非道路移动机械用柴油机中国第三阶段排放标准关键技术研究[J].现代车用动力，2015，（3）：1-6.

[2]刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]杨海涛.非道路柴油机进气及喷油系统的虚拟优化匹配[J].现代车用动力，2011，（01）：10-15

[4]GB20891-2014.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）[S].中国国家环境保护总局，2014.

[5]谭丕强，胡志远，楼狄明，等.非道路用直喷式柴油机排放性能改进[J].农业机械学报，2007，38（5）：190-194.

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[7]杨建华，龚金科，吴义虎.内燃机性能提高技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

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[9]高波，黄欢，高治宏等.某增压中冷柴油机满足非道路国三排放的试验研究[J].现代车用动力，2015，（3）：40-47.

[10]焦运景，张惠明，田远等.直喷式柴油机燃烧室几何形状对排放影响的多维数值模拟研究[J].内燃机工程，2007，28（4）：11-15.

（作者单位：山东科技职业学院汽车工程系，山东潍坊261053）