非道路風(fēng)冷柴油機(jī)降低NOx和PM排放研究

李建新 張東英 劉長(zhǎng)振 劉廣豐 張潔

（1-中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所天津3004002-廊坊師范學(xué)院）

非道路風(fēng)冷柴油機(jī)降低NOx和PM排放研究

李建新1張東英2劉長(zhǎng)振1劉廣豐1張潔1

（1-中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所天津3004002-廊坊師范學(xué)院）

為了改善非道路F292風(fēng)冷柴油機(jī)的NOx和PM排放性能，通過(guò)試驗(yàn)研究了不同燃燒室、EGR率和供油提前角的影響，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的情況下，優(yōu)化匹配這些參數(shù)，滿(mǎn)足美國(guó)環(huán)保局非道路第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，EGR率為5.75%、10°CA BTDC供油提前角、燃燒室口徑比為0.4和徑深比為2條件下性能達(dá)到最優(yōu)。

風(fēng)冷柴油機(jī)EPA排放限值NOxPM

引言

隨著各種非道路機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用范圍日趨廣泛，非道路小型通用柴油機(jī)的需求也在增長(zhǎng)，美國(guó)、歐盟、日本都在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始研究和制定控制非道路用柴油機(jī)的排放法規(guī)，其中以美國(guó)環(huán)保總署（EPA）排放法規(guī)最為嚴(yán)格，2008年開(kāi)始執(zhí)行第Ⅳ階段。相比于上一階段排放法規(guī)，對(duì)于功率小于19 kW柴油機(jī)，CO、NMHC（非甲烷碳?xì)浠衔铮┘癗Ox排放限值沒(méi)有變化，而PM（顆粒物）由0.8 g/kW· h降低到0.4 g/kW·h，下降幅度達(dá)到50%。我國(guó)也于2014年4月28日發(fā)布了非道路用柴油機(jī)污染物排放限值Ⅲ、Ⅳ階段（GB20891-2014）的強(qiáng)制法規(guī)，其中對(duì)于功率小于19 kW柴油機(jī)，中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段的HC和NOx及CO排放限值和EPA TierⅣ階段一樣，但PM限值為0.6 g/kW·h，超過(guò)EPA TierⅣ限值50%。

由于國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠家開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力和技術(shù)儲(chǔ)備不足，排放難以達(dá)到EPAⅣ階段限值，產(chǎn)品很難占據(jù)美國(guó)市場(chǎng)，其市場(chǎng)被Hatz、Lombardini、Kubota等廠商占據(jù)。

1 排放控制策略

柴油機(jī)采用大過(guò)量空氣系數(shù)壓燃的方式工作，除過(guò)低的負(fù)荷工況外，CO和HC的排放均較低，PM和NOx是解決柴油機(jī)排放的重點(diǎn)。由于受燃油在燃燒室分布和燃燒溫度的影響，PM和NOx存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。NOx和PM的生成條件，目前廣泛采用Φ-T關(guān)系簡(jiǎn)圖來(lái)解釋?zhuān)鐖D1所示。燃燒過(guò)程中soot（PM的主要成分）生成于1600K以上溫度范圍、當(dāng)量比大于2的區(qū)域，而NOx主要生成于溫度大于2200K、當(dāng)量比小于1的區(qū)域。柴油機(jī)燃燒過(guò)程穿越了這兩個(gè)生成區(qū)域，在不使用尾氣后處理的情況下，同時(shí)控制NOx和PM排放的主要辦法是控制混合氣濃度和燃燒溫度，通過(guò)EGR技術(shù)和燃燒過(guò)程控制是解決這一矛盾的有效措施之一。

圖1 柴油機(jī)燃燒Soot、NOx生成trade-off關(guān)系圖

EGR技術(shù)是降低缸內(nèi)溫度、減少NOx排放最有效的措施之一。廢氣對(duì)進(jìn)氣有一定的稀釋作用，降低了氧濃度，同時(shí)廢氣中較多的CO2等多原子分子比熱容較大，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，進(jìn)一步降低了燃燒反應(yīng)速率，這都對(duì)NOx的生成起到了一定的抑制作用。與外部EGR相比，內(nèi)部EGR可去除復(fù)雜的管路連接和冷卻裝置，改動(dòng)成本小。內(nèi)部EGR一般通過(guò)殘留廢氣或在進(jìn)氣過(guò)程中排氣門(mén)二次開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)，減少了外部EGR受進(jìn)排氣壓差的影響。缺點(diǎn)是內(nèi)置EGR不能對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，同時(shí)由于難以精確控制廢氣流量，所以EGR率不宜過(guò)大。同時(shí)EGR在降低NOx排放的同時(shí)也造成了PM排放的增加以及燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化。

供油提前角大小直接影響著缸內(nèi)燃燒過(guò)程，增大供油提前角，使得燃燒滯燃期加長(zhǎng)，缸內(nèi)最高溫度和壓力均增大，可顯著降低PM排放和增加燃油經(jīng)濟(jì)性。但增大供油提前角使得缸內(nèi)燃燒溫度增加，NOx排放上升，因此供油提前角需和EGR配合共同匹配降低NOx和PM。為此針對(duì)一款F292柴油機(jī)進(jìn)行EGR率和供油提前角的最佳匹配研究，達(dá)到EPA非道路TierⅣ階段排放法規(guī)要求。

本研究所涉及的F292柴油機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 F292柴油機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備有瑞士Kistler公司的6125B01缸內(nèi)壓力傳感器，燃燒數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)采用奧地利DEWETRON公司的DEWE800燃燒分析儀，NOx、CO和HC等氣體測(cè)量使用日本Horiba公司的MEXA-7200D氣體排放分析儀，顆粒采集及分析采用奧地利AVL的472顆粒分析儀。噪聲采集使用B/K 2209精密噪聲計(jì)，燃油耗測(cè)量采用中成測(cè)試的MCS-960的燃油耗儀。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

3 F292燃燒室方案確定

優(yōu)化設(shè)計(jì)燃燒室的幾何形狀，改善燃油與空氣的混合質(zhì)量，是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的重要措施之一?？s口ω型燃燒室能保持柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，能夠較好地產(chǎn)生渦流和擠流，有利于形成油氣混合物，且能加強(qiáng)缸內(nèi)后期燃燒，有利于降低碳煙排放。F292柴油機(jī)設(shè)計(jì)了三個(gè)縮口ω型燃燒室方案，見(jiàn)圖3和表2，在壓縮比和燃燒室容積基本不變的情況下，通過(guò)調(diào)整口徑比和徑深比參數(shù)查看常規(guī)性能和排放指標(biāo)。在噴油器突出高度2.4 mm、4×Φ0.235的噴孔試驗(yàn)條件下，無(wú)內(nèi)置EGR的進(jìn)氣系統(tǒng)配置和12°CA BTDC供油提前角的試驗(yàn)工況下，標(biāo)定點(diǎn)工況性能及排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，從表中可以看出燃燒室二的綜合性能最優(yōu)。

圖3 燃燒室結(jié)構(gòu)

表2 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 不同燃燒室性能指標(biāo)

4 F292內(nèi)部EGR和供油提前角標(biāo)定

4.1 內(nèi)部EGR標(biāo)定

F292柴油機(jī)內(nèi)置EGR通過(guò)在進(jìn)氣行程過(guò)程中排氣門(mén)二次開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)，EGR率主要是通過(guò)小凸輪包角及相位來(lái)控制。本次試驗(yàn)根據(jù)進(jìn)、排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)比值來(lái)定義EGR率，試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)日本Horiba公司的MEXA一7200D廢氣分析儀測(cè)量排氣和進(jìn)氣的CO2含量。在燃燒室二的試驗(yàn)工況下下，根據(jù)初始試驗(yàn)內(nèi)置EGR小凸輪最大升程1.1～1.5 mm，包角為60～65°CamA下，EGR率約為4～7%，具體見(jiàn)表4。

圖4 內(nèi)置EGR進(jìn)排氣凸輪升程

表4 內(nèi)置EGR小凸輪方案

4.2 內(nèi)部EGR與供油提前角優(yōu)化

為了獲得F292柴油機(jī)的PM和NOx最佳排放優(yōu)化，需要對(duì)ERG率和供油提前角綜合優(yōu)化，共進(jìn)行了如表5所示的九種方案，按EPA五工況排放試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，方案五的結(jié)果最優(yōu)，根據(jù)進(jìn)一步的試驗(yàn)及仿真，供油提前角10°CA BTDC下，EGR小凸輪升程最終優(yōu)化為1.27 mm，包角為62°CamA，EGR率約為5.75%，五工況最終的排放結(jié)果：CO為3.968 g/（kW·h），NMHC為1.023 g/（kW· h），NOx為5.037 g/（kW·h），PM為0.296 g/（kW·h）。

表5 內(nèi)置EGR小凸輪方案

圖5 不同EGR率與供油提前角排放數(shù)據(jù)對(duì)比

4.3 可靠性考核

F292柴油機(jī)排放及可靠性考核按照美國(guó)40 CFR Part1039 Control of Emission from New and IN-use Nonroad Compression-ignition Engines的五工況測(cè)試法規(guī)進(jìn)行，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。從中可以看出F292柴油機(jī)完全滿(mǎn)足EPA第Ⅳ階段相關(guān)氣體和PM排放限值，2000h可靠性考核后，氣體排放距離限值還有很大的裕度，PM排放距離限值只有4.5%的裕度。

表6 F292可靠性考核指標(biāo)變化

5 結(jié)論

1）內(nèi)置EGR對(duì)降低F292柴油機(jī)NOx有顯著效果，在5.75%的EGR率條件下，可降低排溫27℃，標(biāo)定工況下降低NOx180×10-6，油耗增加3.4g/（kW·h）；

2）縮口型ω燃燒室在口徑比、徑深比分別為0.4、2的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放性能最佳；

3）F292柴油機(jī)在內(nèi)置EGR率5.75%、供油提前角為10°CA BTDC可獲得最佳的NOx和PM優(yōu)化結(jié)果；

4）經(jīng)2000h可靠性考核后，F(xiàn)292的排放物均在限值范圍內(nèi)，但PM排放距離限值只有4.5%的裕度。

1蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005

2安玉光，王忠，毛功平，等.多因素匹配降低生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的數(shù)值模擬[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，186（1）：56～59

3馮丹華，王鐵，馮星，等.多因素作用下降低增壓柴油機(jī)NOx排放的試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，190（5）：73～76，80

4田維，林學(xué)東，李德剛，等.EGR影響高速直噴柴油機(jī)NOx和煙度排放機(jī)理的研究[J].汽車(chē)技術(shù)，2009（9）：26～29

5梅德清，張永濤，袁銀南.生物柴油燃燒過(guò)程N(yùn)Ox生成機(jī)理的分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2013，34（1）：23～27

6Patrick M.Merritt.Regulated and unregulated exhaust emissions comparison for three Tier II non-road diesel engines operating on ethanol-diesel blends[C].SAE 2005-01-2193

Study on Reducing NOxand PM Emissions from Non-Road Air-Cooled Diesel Engine

Li Jianxin1，Zhang Dongying2，Liu Changzhen1，Liu Guangfeng1，Zhang Jie1
1-China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）2-Langfang Normal College

In this paper，the effects of combustion chamber geometry，EGR rate and fuel advance angle on emissions from a non-road air-cooled F292 diesel engine are studied in order to reduce NOxand PM，without penalty of performance and fuel economy，optimization matching of those parameters for meeting the 1imits of EPA non-road TierⅣexhaust emission standards.Experimental results show that the performance is optimal with 10°CA BTDC fuel advance angle，5.75%EGR ratio，a combustion chamber with 0.4 calibre-diameter ratio and 2 calibre-depth ratio.

Air-cooled diesel engine，Limits exhaust emission of EPA，NOx，PM

TK421+.5

A

2095-8234（2014）05-0074-04

2014-07-21）

李建新（1979-），男，副研究員，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)及性能分析。