曾正祥,狄亞格,繆雪龍,鄭金保,何佳鑫,李高明
(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620;2.山東福瑞斯動(dòng)力科技有限公司,東營(yíng) 257081)
內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)今動(dòng)力機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ?,是道路、非道路機(jī)械和國(guó)防裝備的主導(dǎo)動(dòng)力。在環(huán)境污染、全球變暖、能源危機(jī)的多重壓力下,發(fā)展安全、清潔、高效的內(nèi)燃機(jī)有著重要意義[1-5]。據(jù)《機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)(2021)》統(tǒng)計(jì),2020年全國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械NOx排放量為478.2萬(wàn)t、HC排放量為42.5萬(wàn)t、顆粒物(particulate matter,PM)排放量為23.7萬(wàn)t,NOx+PM排放量已與機(jī)動(dòng)車排放相當(dāng)。其中,2020年公布的8 360個(gè)機(jī)型的非道路移動(dòng)機(jī)械中,93.5%的動(dòng)力裝置是柴油機(jī),而小型柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛[6]。因此,小型非道路柴油機(jī)排放和油耗的優(yōu)化升級(jí)對(duì)于環(huán)境的改善和國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。
中國(guó)非道路柴油機(jī)第四階段排放法規(guī)2022年年底將在全國(guó)實(shí)施[7]。對(duì)于功率37 kW以上的中大型柴油機(jī),先進(jìn)的排放后處理技術(shù)可以使其有效地達(dá)到排放法規(guī)要求[8];而對(duì)于37 kW以下的小功率柴油機(jī),受成本、體積結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境等因素的限制,選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)、柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)等車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)難以直接應(yīng)用,機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)成為重要的節(jié)能減排手段。文獻(xiàn)[9]中通過控制進(jìn)排氣門的開閉時(shí)刻,引入內(nèi)部廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)系統(tǒng),降低了某款小型非道路柴油機(jī)的NOx和HC排放量,但導(dǎo)致煙度和油耗增加。文獻(xiàn)[10]中通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)某非道路用柴油機(jī)的活塞碗結(jié)構(gòu)、氣門渦流比進(jìn)行優(yōu)化,從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放。文獻(xiàn)[11]中研究了噴射系統(tǒng)對(duì)單缸柴油機(jī)的影響,結(jié)果表明:增大軌壓和主噴正時(shí)可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗,但會(huì)導(dǎo)致NOx排放上升。文獻(xiàn)[12]中通過優(yōu)化燃燒室和標(biāo)定噴射油量使非道路小型柴油機(jī)達(dá)到非道路國(guó)三排放法規(guī)要求。文獻(xiàn)[13]中對(duì)某小型農(nóng)用柴油機(jī)的噴油器孔徑、燃燒室結(jié)構(gòu)、配氣定時(shí)三者協(xié)同優(yōu)化,有效地降低了NOx和顆粒物的排放。前期的研究結(jié)果表明,優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)和燃油噴射系統(tǒng)對(duì)小型柴油機(jī)的油耗和排放有著顯著影響,而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體不變時(shí),噴油參數(shù)的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)小型柴油機(jī)節(jié)能減排的重要途徑[14]。
近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)噴油策略的研究主要集中在車用重型柴油機(jī),通常協(xié)同后處理系統(tǒng)進(jìn)行噴射參數(shù)的優(yōu)化,基于非道路小功率柴油機(jī)的研究非常有限。車用柴油機(jī)的研究結(jié)論直接應(yīng)用到小型柴油機(jī)上會(huì)有較大差異。本研究針對(duì)一臺(tái)臥式2缸非道路三階段排放水平的小型柴油機(jī),著重探究了軌壓、噴射正時(shí)、預(yù)噴—主噴間隔、預(yù)噴油量對(duì)柴油機(jī)油耗和排放的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)本體不作變更的情況下,對(duì)不同工況下的噴油參數(shù)協(xié)同優(yōu)化,使柴油機(jī)滿足“非四”排放要求,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面提升,為大量在用小型柴油機(jī)的升級(jí)改造和國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有益的借鑒。
本研究的試驗(yàn)對(duì)象是一臺(tái)自主研發(fā)的臥式2缸四沖程柴油機(jī),采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng),柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。
表1 柴油機(jī)主要參數(shù)
柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)見圖1,主要包含電力測(cè)功機(jī)、臺(tái)架操作系統(tǒng)、排放分析儀、油耗儀、煙度計(jì)、部分流顆粒采集系統(tǒng)、進(jìn)氣流量計(jì)、K型溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元(electronic control unit,ECU)及INCA標(biāo)定系統(tǒng)。具體試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。
圖1 臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)
表2 試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試設(shè)備
本試驗(yàn)基于非四排放標(biāo)準(zhǔn)8個(gè)穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況,研究柴油機(jī)CO排放、HC排放、NOx排放、煙度及比油耗對(duì)各噴油參數(shù)變化的敏感程度。由于標(biāo)定工況在穩(wěn)態(tài)循環(huán)中占有較大權(quán)重,且標(biāo)定工況下各參變量因子對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響規(guī)律具有代表性,因此本文中重點(diǎn)描述在標(biāo)定工況點(diǎn)(轉(zhuǎn)速3 000 r/min、轉(zhuǎn)矩116 N·m)開展的研究工作。最后,根據(jù)各噴油參數(shù)的影響規(guī)律,對(duì)8個(gè)工況進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化,使柴油機(jī)的油耗符合設(shè)計(jì)要求,排放達(dá)到“非四”法規(guī)要求。試驗(yàn)中的邊界條件為:101.3 kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,進(jìn)氣溫度25℃,中冷后進(jìn)氣溫度(45±2)℃,冷卻水溫度(75±2)℃。表3為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)的具體工況點(diǎn)。
表3 8個(gè)工況循環(huán)試驗(yàn)表
標(biāo)定工況下,主噴正時(shí)在上止點(diǎn)前12°(記為-12°,本文中曲軸轉(zhuǎn)角為負(fù)表示上止點(diǎn)前,曲軸轉(zhuǎn)角為正表示上止點(diǎn)后),預(yù)噴—主噴的間隔為1 ms,單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí),軌壓對(duì)柴油機(jī)排放和性能的影響如圖2、圖3所示。軌壓小于140 MPa時(shí),隨著軌壓的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率降低,碳煙和CO的生成量減少,NOx的排放量增加。但當(dāng)軌壓超過140 MPa時(shí),軌壓繼續(xù)增加,比油耗、煙度和CO排放開始增大,NOx排放開始降低,發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率由上升趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)。整個(gè)過程中,HC排放的變化不超過0.02 g/(kW·h)。
圖2 軌壓對(duì)熱效率、NOx排放、HC排放的影響
圖3 軌壓對(duì)有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響
從圖2和圖3可知,軌壓從125 MPa增加到140 MPa時(shí),NOx排 放 從5.14 g/(kW·h)增 加 到5.88 g/(kW·h),有效燃油消耗率從269.70 g/(kW·h)降低到259.77 g/(kW·h),降低了3.7%。在此過程中,隨著軌壓的增加,燃油液滴直徑變小,油氣混合接觸面積增大,油束動(dòng)能增加,有利于燃油的霧化、蒸發(fā)和混合燃燒,縮短了混合氣燃燒所需的物理準(zhǔn)備時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)更加充分的燃燒,故熱效率和NOx排放增加,不完全燃燒產(chǎn)物碳煙和CO排放減少,煙度從0.60 FSN降低到0.38 FSN,降低了36.7%。
當(dāng)軌壓超過140 MPa后,發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NOx排放開始降低,煙度和CO排放開始上升。這是因?yàn)橛褪呢灤┚嘌娱L(zhǎng),缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)加劇,燃燒不穩(wěn)定性增加,壁面附近燃燒比例增大,從而造成燃燒不充分和最高燃燒溫度降低,使NOx排放減少,以CO為表征的不完全燃燒成分增加。此外,軌壓過大導(dǎo)致油泵和摩擦帶來的機(jī)械損失功增加,所以比油耗上升,燃燒熱效率降低。
上述結(jié)果表明,軌壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能有著顯著的影響,在不考慮其他參數(shù)的影響時(shí),140 MPa的軌壓是標(biāo)定工況下軌壓設(shè)定值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。綜合考慮,軌壓應(yīng)低于140 MPa。
標(biāo)定工況下,軌壓為135 MPa,預(yù)噴—主噴間隔為1 ms,單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí),噴射正時(shí)對(duì)柴油機(jī)排放和油耗的影響如圖4、圖5所示。隨著噴射正時(shí)的增大,柴油機(jī)的燃燒熱效率上升,有效燃油消耗率下降,煙度和CO的生成量減少,NOx排放量增加,HC排放呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì)。
圖4 噴射正時(shí)對(duì)熱效率、NOx排放、HC排放的影響
圖5 噴射正時(shí)對(duì)有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響
噴射正時(shí)在-10°~-15°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí),NOx排放從5.18 g/(kW·h)增加到6.07 g/(kW·h),增加了17.2%。噴射正時(shí)增大時(shí),主噴油束進(jìn)入缸內(nèi)時(shí)的背景壓力和溫度降低,噴霧貫穿距延長(zhǎng),滯燃期形成的混合氣增多,從而使得缸內(nèi)的壓力升高率和峰值溫度變大,油滴蒸發(fā)和火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒重心前移[15]。因此,NOx排放增加,以碳煙和CO為表征的不完全燃燒產(chǎn)物減少,煙度從0.56 FSN降低到0.33 FSN,降低了41.1%。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒重心越接近上止點(diǎn),工質(zhì)做功的等容度越好,傳熱損失也減少,故熱效率從30.8%提升至33.6%;有效燃油消耗率從277.88 g/(kW·h)下降到255.02 g/(kW·h),下降了8.2%。
從上述趨勢(shì)來看,噴射正時(shí)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗、NOx排放、煙度及CO排放的影響較大,對(duì)HC排放的影響不明顯。對(duì)于不同工況下的噴射正時(shí),需要從油耗和排放的角度折中處理。
軌壓設(shè)置為135 MPa,主噴正時(shí)為-12°,單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí),預(yù)噴—主噴間隔對(duì)柴油機(jī)排放和性能的影響見圖6、圖7。隨著噴射間隔的增大,有效燃油消耗率先下降后上升,煙度先緩慢下降后波動(dòng)上升,HC排放先上升后下降,呈微小的波動(dòng)。噴射間隔為1 ms時(shí),煙度和NOx排放最低,比油耗最小。
圖6 預(yù)噴—主噴間隔對(duì)熱效率、NOx排放、HC排放的影響
從圖6和圖7可知,噴油間隔為1 ms時(shí),有效燃油消耗率為極小值263.03 g/(kW·h),與圖中極大值267.11 g/(kW·h)相比,下降了1.53%。這是因?yàn)樵凇邦A(yù)噴+主噴”的噴射模式下,噴射間隔為1 ms時(shí),預(yù)噴油有充足的時(shí)間與空氣混合、蒸發(fā)和燃燒,有效地誘導(dǎo)了主噴火焰核心的形成,提高了混合氣燃燒效率,從而使缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低,不完全燃燒產(chǎn)物減少。當(dāng)預(yù)噴—主噴間隔較小時(shí),預(yù)噴階段的燃油沒有完全汽化,主噴就已經(jīng)開始,弱化了預(yù)噴的引燃作用,預(yù)噴火焰前鋒與主噴油滴出現(xiàn)火包油的概率增加,從而造成煙度、CO排放和比油耗較大,NOx排放較少。當(dāng)噴射間隔過大,工質(zhì)對(duì)活塞壓縮時(shí)做的負(fù)功增加,缸內(nèi)壓力波動(dòng)變大,缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差,從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放惡化。
圖7 預(yù)噴—主噴間隔對(duì)有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響
總體上,預(yù)噴—主噴間隔的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱效率影響相對(duì)較大,對(duì)各類排放的影響程度相對(duì)較小。NOx排放的極大值與極小值之差僅為0.18 g/(kW·h),煙度的變化小于0.05 FSN,HC排放的變化不超過0.02 g/(kW·h)。
在標(biāo)定工況下,設(shè)置軌壓為130 MPa,主噴正時(shí)為-12°,噴射間隔為1 ms。選取單缸預(yù)噴油量為0 mg、1.0 mg、1.5 mg、2.0 mg、2.5 mg,分別占總循環(huán)油量的0%、2.4%、3.6%、4.8%、6.0%。預(yù)噴油量對(duì)柴油機(jī)排放和性能的影響見圖8、圖9。隨著預(yù)噴油量的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率先下降后上升,熱效率先上升后下降,NOx和CO排放逐漸增多,HC排放先快速下降后緩慢上升。
圖8 預(yù)噴油量對(duì)熱效率、NOx排放、HC排放的影響
圖9 預(yù)噴油量對(duì)有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響
當(dāng)預(yù)噴量為1.0 mg時(shí),有效燃油消耗率和CO排放取得極小值,有效燃油消耗率為259.6 g/(kW·h),CO排放為6.3 g/(kW·h),比極大值降低了6.1%。合適的預(yù)噴油量促進(jìn)了缸內(nèi)產(chǎn)生羥基OH等加快燃燒反應(yīng)速度的自由基生成,混合氣充分燃燒,從而降低了缸內(nèi)峰值溫度和最大壓力,燃燒效率得到改善。當(dāng)預(yù)噴油量較小時(shí),預(yù)噴燃燒釋放的熱量減少,不能創(chuàng)造良好的活化基,壁面激冷效應(yīng)嚴(yán)重[15],比油耗升高,排放變差。尤其當(dāng)預(yù)噴量為0 mg時(shí),只有主噴過程無(wú)預(yù)噴過程,缸內(nèi)燃燒滯燃期延長(zhǎng),燃燒穩(wěn)定性降低,激冷效應(yīng)范圍增大,HC排放增加顯著。預(yù)噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中,HC排放從極大值0.44 g/(kW·h)降低到極小值0.25 g/(kW·h),降低了42.7%。當(dāng)預(yù)噴量過大時(shí),未燃燒的預(yù)噴油量與主噴油量重疊燃燒,導(dǎo)致缸內(nèi)溫度上升迅速,主噴霧化也受到影響,從而造成燃燒效率下降,以CO為表征的不完全燃燒產(chǎn)物增多。
根據(jù)前文所述,軌壓、噴射正時(shí)、噴射間隔改變時(shí),HC排放的變化小于0.05 g/(kW·h),對(duì)比可知,預(yù)噴油量對(duì)柴油機(jī)HC排放的影響更加顯著。
由于噴射正時(shí)和軌壓對(duì)柴油機(jī)排放和油耗影響顯著,預(yù)噴量和預(yù)噴—主噴的噴射間隔對(duì)NOx排放和煙度的影響較小,對(duì)燃燒熱效率影響較大。故重點(diǎn)研究軌壓—噴射正時(shí)的協(xié)同控制對(duì)有效燃油消耗率、NOx排放和煙度的影響,及預(yù)噴油量—噴射間隔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的影響,從而獲得各噴射參數(shù)較佳的范圍。最終,從重點(diǎn)降低NOx排放的角度進(jìn)行區(qū)域局部掃描優(yōu)化,獲得噴油參數(shù)的最佳組合。
圖10為軌壓—噴射正時(shí)對(duì)有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響。從圖10可知,大軌壓協(xié)同大的噴射正時(shí)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率較低,NOx排放較高;小軌壓協(xié)同小的噴射正時(shí)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放都較差。當(dāng)軌壓較大時(shí),噴霧質(zhì)量較好,配合大的噴射正時(shí),缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)更加充分,火焰形成和傳播速度提高,燃燒效率得到有效改善,比油耗降低,不完全燃燒排放減少,NOx排放增加。當(dāng)軌壓較小時(shí),缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量變差,若配合小的噴射提前角,將導(dǎo)致燃燒重心后移,燃燒后期的化學(xué)能損失變大,發(fā)動(dòng)機(jī)有效功減少,比油耗上升,煙度增大。
圖10 軌壓—噴射正時(shí)對(duì)有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響
較小的軌壓協(xié)同較大的噴射正時(shí)可以有效降低NOx排放同時(shí)兼顧油耗。雖然小軌壓會(huì)降低霧化質(zhì)量,但機(jī)械泵等帶來的機(jī)械損失也隨之減小。若配合大的噴射正時(shí),缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)充足,燃燒狀態(tài)改善,工質(zhì)做功的等容度也更好,從而可改善比油耗和排放。故標(biāo)定工況下,可將軌壓設(shè)置在128 MPa~133 MPa范圍內(nèi),主噴正時(shí)設(shè)置在-12.5°~-13.5°范圍內(nèi)。
圖11為預(yù)噴—主噴間隔對(duì)有效燃油消耗率的影響。從圖11可知,預(yù)噴—主噴間隔在0.85 ms~1.15 ms范圍內(nèi)時(shí),配合預(yù)噴油量在1.0 mg~1.6 mg范圍內(nèi),有效燃油消耗率較低。合理的預(yù)噴油量和預(yù)噴—主噴間隔,使預(yù)噴燃油充分蒸發(fā)、混合和燃燒,有效地引燃主噴油霧,降低了缸內(nèi)的峰值壓力和溫度,從而使比油耗下降。最后,對(duì)上述4個(gè)噴射參數(shù)構(gòu)成的區(qū)域進(jìn)行掃描尋優(yōu),優(yōu)化后的標(biāo)定工況軌壓為130 MPa,噴射正時(shí)為-12.9°,預(yù)噴—主噴間隔為1.50 ms,預(yù)噴油量為1.50 mg,優(yōu)化后結(jié)果見表4。
圖11 預(yù)噴—主噴間隔對(duì)有效燃油消耗率的影響
表4 標(biāo)定工況優(yōu)化后結(jié)果
根據(jù)噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)排放和油耗的影響規(guī)律,在原機(jī)基礎(chǔ)上快速找到不同工況的參數(shù)范圍,利用參數(shù)掃描法,完成8個(gè)工況的試驗(yàn)優(yōu)化。最終的8個(gè)工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)的測(cè)試結(jié)果見表5。測(cè)試結(jié)果表明,PM排放、HC+NOx排放、CO排放均遠(yuǎn)低于非道路四階段排放法規(guī)限值。
表5 8個(gè)工況優(yōu)化后循環(huán)測(cè)試結(jié)果
(1)4個(gè)噴油參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放的影響程度從大到小依次為:噴射正時(shí)、軌壓、預(yù)噴油量、預(yù)噴—主噴間隔。噴射正時(shí)增大,NOx排放上升,油耗和以煙度為表征的不完全燃燒減少。預(yù)噴—主噴間隔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響較小,但每個(gè)工況點(diǎn)都存在合適的噴射間隔,使油耗和排放都較低。
(2)適當(dāng)小的軌壓協(xié)同較大的噴射正時(shí)可以有效地兼顧柴油機(jī)油耗與NOx的排放。標(biāo)定工況下,相對(duì)于大軌壓144 MPa協(xié)同小噴射正時(shí)-10°等其他的組合方式,軌壓設(shè)置在128 MPa~133 MPa范圍內(nèi),且主噴正時(shí)在-12.5°~-13.5°范圍內(nèi)時(shí),柴油機(jī)性能和NOx排放的綜合表現(xiàn)更好。。
(3)“預(yù)噴+主噴”的噴油模式可以有效降低HC排放,HC排放對(duì)其他噴油參數(shù)的變化敏感性較低,對(duì)預(yù)噴油量最為敏感。標(biāo)定工況下,預(yù)噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中,HC排放從0.44 g/(kW·h)降低到0.25 g/(kW·h)。試驗(yàn)過程中,其他噴射參數(shù)改變時(shí),HC排放的變化小于0.05 g/(kW·h)。
(4)不同工況下,柴油機(jī)的噴油參數(shù)都存在較佳的組合區(qū)域。與原機(jī)相比,優(yōu)化后的標(biāo)定工況NOx排放降低了22.48%,有效燃油消耗率降低了2.01%。優(yōu)化后的8個(gè)工況達(dá)到非四階段排放法規(guī)要求,實(shí)現(xiàn)了非道路三階段排放的柴油機(jī)排放升級(jí)。