趙小虎

摘 要：對一臺自主研發(fā)的叉車發(fā)動機在不同噴油提前角下進(jìn)行排放和性能的對比試驗，研究了在設(shè)定不同的噴油提前角下，叉車用內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放氣體的變化趨勢；同時，通過大量逆向燃燒開發(fā)工作，使得該款搭載機械式VE泵的叉車發(fā)動機在滿足動力性及經(jīng)濟(jì)性的條件下，達(dá)到了非道路機械國III階段的排放法規(guī)要求，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：叉車；提前角；排放；性能

引言

叉車作為一種常用的非道路移動工程機械，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物料裝卸和場內(nèi)運輸作業(yè)，并且日益成為生產(chǎn)主力。叉車發(fā)動機作為內(nèi)燃式叉車的心臟，其動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能對叉車的許多技術(shù)性能指標(biāo)有著非常重要的作用[1]。

隨著國家對內(nèi)燃機排放的重視，非道路機械的更嚴(yán)格排放控制法規(guī)也于2014年出臺，新型匹配叉車發(fā)動機的研發(fā)必須將排放氣體的控制作為開發(fā)的主導(dǎo)指標(biāo)。文章通過對一款自主研發(fā)的叉車發(fā)動機在試驗階段的燃燒開發(fā)工作，研究了不同噴油提前角對發(fā)動機性能及排放的影響，并通過逆向設(shè)計反饋，使得該款發(fā)動機達(dá)到非道路機械國III階段排放水平，處于國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先地位。

1 實驗設(shè)備、樣機及方案

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗研究，采用AVL公司生產(chǎn)的綜合臺架控制設(shè)備，臺架為AVL電力測力機，排放設(shè)備為日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-7100D型氣體排放分析儀，排放分析設(shè)備主要檢測排放氣體中的NOx、CO和HC的ppm含量，檢測方法如表1所示。

顆粒PM采集器使用AVLSPC472顆粒采樣設(shè)備對排放氣體中的顆粒物進(jìn)行采集，利用干燥高壓標(biāo)氣對排放氣體進(jìn)行分流稀釋，利用濾紙過濾并收集顆粒物。

由于試驗樣機的開發(fā)指標(biāo)為達(dá)到國內(nèi)非道路III階段排放法規(guī)要求，所以試驗用油為標(biāo)準(zhǔn)國III試驗測試用柴油。

1.2 試驗樣機

試驗用發(fā)動機為某公司最新研發(fā)的4DC渦流室式柴油發(fā)動機，采用機械式VE泵，噴油器為S系列單孔軸針式噴油器，排量達(dá)到3.05L，發(fā)動機具體設(shè)計參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗方案

研究過程中性能試驗均采用國標(biāo)規(guī)定的內(nèi)燃機臺架試驗方法進(jìn)行，排放測試循環(huán)及方法參照GB20891-2014進(jìn)行。通過在不同噴油提前角下的大量性能和排放試驗，找出能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)和排放要求的最佳提前角度。

2 試驗結(jié)果及分析

通過外特性試驗和8工況排放循環(huán)試驗對提前角為2度、4度、6度、8度和10度下發(fā)動機性能和排放結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 動力性影響

在不同靜態(tài)提前角下，發(fā)動機的標(biāo)定功率必然會產(chǎn)生變化，該款發(fā)動機設(shè)計指標(biāo)要求標(biāo)定功率為45±1kW；因此，性能開發(fā)必須要保證標(biāo)定功率達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，所以，在不同靜態(tài)提前角下，通過調(diào)整機械VE泵的高速螺釘來保證標(biāo)定功率符合設(shè)計指標(biāo)，如圖1所示。

通過不同靜態(tài)提前角下的外特性試驗，如圖2、圖3所示，發(fā)動機在2500rpm下的標(biāo)定功率均保持在45kW左右，伴隨靜態(tài)噴射提前角的增大，全速全負(fù)荷點的發(fā)動機功率和扭矩逐漸增大，原因是由于提前角增加，未燃燃油提前進(jìn)入汽缸，參與空氣混合時間加長，燃燒更加充分，外在表現(xiàn)必然是功率和扭矩的增大；在提前角為2度條件下的扭矩值較低，但最大扭矩保持在185Nm之上，能夠達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

圖4、圖5所示為不同靜態(tài)提前角下發(fā)動機總排溫和爆發(fā)壓力對比曲線。隨著噴油提前角的降低，發(fā)動機的總排溫呈上升趨勢，主要是由于柴油噴入時間推遲，參與空氣混合時間降低，導(dǎo)致燃油燃燒不夠充分，大量未燃燒混合氣進(jìn)入排氣管再次燃燒，造成排溫整體增加；另外，隨噴油提前角的減小，發(fā)動機汽缸內(nèi)最大燃燒壓力也逐漸降低，這也與燃油混合時間的降低而保持一致。

2.2 經(jīng)濟(jì)性影響

提前角的變化對經(jīng)濟(jì)性的影響較小，最大的區(qū)別只體現(xiàn)在比油耗上，如圖6、圖7所示分別為不同靜態(tài)提前角下外特性的小時油耗量和燃油消耗率對比曲線，對比兩圖可以看出，不同提前角下的小時油耗量除了2500rpm外，其他全負(fù)荷點的數(shù)值相差不大，考慮到叉車實際操作工況，有理由認(rèn)為，提前角對總的燃油消耗量不會產(chǎn)生較大影響；但通過對比燃油消耗率可知，隨著提前角的減小，燃油消耗率逐漸增加，說明單位體積的燃油對發(fā)動機的功率貢獻(xiàn)更少，有部分燃油在排氣管內(nèi)參與了燃燒，這與前文描述的總排溫的變化趨勢一致。

2.3 排放影響

該款發(fā)動機由于采用正向開發(fā)，在燃燒開發(fā)期間，必須對該款發(fā)動機在硬件調(diào)整前進(jìn)行排放摸底，調(diào)查當(dāng)前狀態(tài)的排放水平，并以此作為參考進(jìn)行后續(xù)開發(fā)工作，摸底的排放水平如表3所示：

通過排放結(jié)果可以看出，開發(fā)的原機排放水平就已經(jīng)能達(dá)到非道路國II階段的排放要求，和非道路國III階段排放限值相比，CO和PM均能滿足要求，但是NOx明顯超過4.7的指標(biāo)，所以，對于排放開發(fā)的主要目標(biāo)是降低NOx排放。

NOx的生成條件為高溫、富氧，為了降低NOx的排放限制，最簡單和最容易的方法為調(diào)整靜態(tài)噴油提前角；因此對不同靜態(tài)噴油提前角下的發(fā)動機進(jìn)行排放試驗，結(jié)果如表4所示。

通過對排放結(jié)果的分析可以認(rèn)為，伴隨著噴油提前角的減小，PM、HC和CO的排放略有提高，但均在III階段的排放限值要求范圍內(nèi)，NOx排放明顯下降，在2度和4度提前角下，均達(dá)到了III階段的排放水平；不同提前角下排放氣體的8工況數(shù)值如圖8、圖9和圖10所示。

由8工況點的具體排放數(shù)值可以看出，在不同靜態(tài)噴油提前角下，NOx排放值隨工況的變化趨勢一致，并且峰值均出現(xiàn)在1700rpm的75%負(fù)荷點，說明在該點，缸內(nèi)燃燒溫度最大；反觀其他工況，由于負(fù)荷的變化，缸內(nèi)燃燒溫度下降，NOx排放值相應(yīng)較小，這些都說明燃燒室內(nèi)的溫度是影響NOx排放的最主要因素[2，3]。

2.4 選取最佳提前角度

綜合以上動力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放結(jié)果整體進(jìn)行考慮，在靜態(tài)提前角為2度和4度情況下，該款叉車發(fā)動機能達(dá)到非道路III階段的排放法規(guī)要求，考慮到燃油消耗率和總排溫情況，最終選擇4度角作為該款發(fā)動機的最終靜態(tài)提前角。

另外，由于靜態(tài)提前角的調(diào)整直接導(dǎo)致了非排放區(qū)域提前角的調(diào)整，而在4度靜態(tài)提前角下，必然會對一些非排放點的外特性性能不利，造成燃燒惡化；為了滿足排放法規(guī)要求，同時，保證發(fā)動機性能下降盡可能小的情況下，通過燃燒開發(fā)的逆向設(shè)計反饋，對機械VE泵自身的動態(tài)提前器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證排放法規(guī)的同時，盡可能的使非排放點的性能發(fā)揮最大優(yōu)勢，最終的噴油提前角曲線如圖11所示。

3 結(jié)束語

（1）叉車發(fā)動機在不同提前角下，排放影響較大的量為NOx，對其他氣體和顆粒物的影響較小。（2）隨著靜態(tài)提前角的減小，發(fā)動機的排溫逐漸上升，在2度提前角下已達(dá)到700度以上，所以應(yīng)選擇最優(yōu)角度，控制排溫。（3）提前角的減小有利于發(fā)動機爆發(fā)壓力的降低，可以使發(fā)動機運行更加穩(wěn)定（4）此次研究的排放結(jié)果尚存在一定裕度，為該款叉車發(fā)動機后續(xù)開發(fā)和變型開發(fā)保留了較大的升級空間。

參考文獻(xiàn)

[1]王照輝，李少亮，田靜，等.叉車用發(fā)動機的現(xiàn)狀及展望[J].工程機械，2000（3）：38-39.

[2]周松，肖友洪，朱元清，等.內(nèi)燃機排放與污染控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：15-20.

[3]王照輝，李少亮，田靜，等.電控VE泵供油提前角對排放的影響[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2010（1）：39-42.