朱巖栓 韋小泰， 楊 俊 陳 征

（1-廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院 廣西 玉林 530000 2-湖南大學機械與運載工程學院）

引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，非道路用柴油機受到了越來越多的關注。與道路用柴油機相比，非道路用柴油機的凈化技術較為落后，排放污染問題更為嚴重。為此，環(huán)境保護部與國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB20891-2014 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）[1]，對非道路用柴油機的各類氣體和顆粒排放物作了明確限定。為達到日益嚴格的排放標準，除了使用后處理裝置凈化尾氣，從源頭減少排氣污染物的生成量尤為重要。噴油器是柴油機中一個重要的零部件，許多學者對其參數(shù)進行了研究。Avinash 等人[2]的研究表明，噴油壓力增加，有效熱效率（BTE）升高，平均有效壓力（BMEP）下降，NOx排放升高，CO 和HC排放下降；噴油時刻提前，BMEP 和BTE 增加，排氣溫度下降，NOx排放升高，CO 和HC 排放下降。Jerzy等人[3]研究了噴孔直徑對柴油機性能的影響。結果表明，增加噴孔直徑，燃油的蒸發(fā)量減少，燃燒初期的燃燒反應變慢，缸內(nèi)的溫度和壓力下降。Kim 等人[4]的研究表明，噴孔的噴射角度較小時，滯燃期更短，燃燒后的氣缸壓力以及放熱率更高，平均指示壓力更高，排放更低。Sayin 等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，噴孔的數(shù)量會影響柴油機的有效燃油消耗率（BSFC）以及排放。宋戰(zhàn)全等人[6]的研究表明，增加噴油器的啟噴壓力，能在一定程度上改善柴油機的燃油經(jīng)濟性和降低排放。Boccardo 等人[7]研究了共軌噴油系統(tǒng)的噴油壓力從200MPa 升高到300MPa 對非道路歐Ⅴ柴油機性能的影響。結果表明，NOx-Soot 和NOx-顆粒數(shù)之間的平衡能得到顯著改善。同時，能提高發(fā)動機效率，而不會對納米顆粒的排放產(chǎn)生不利影響。可見，選擇合適的噴油器和噴油系統(tǒng)參數(shù)，有利于提高非道路用柴油機的性能、降低排放物的生成量。

本文在一臺直列四缸非道路用柴油機上分別使用新噴油器與原噴油器進行了臺架外特性試驗，研究不同噴油器對該非道路用柴油機的燃燒過程、動力性和經(jīng)濟性的影響，并根據(jù)試驗結果選擇性能更好的噴油器進行非道路穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（NRSC）試驗，檢驗該非道路用柴油機是否滿足中國第四階段非道路用柴油機排氣污染物排放限值要求。

1 試驗設備

試驗所用非道路用柴油機的主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗柴油機主要技術參數(shù)

試驗設備包括電力測功機、燃油流量計、燃燒分析儀和排放分析儀等。試驗過程中，通過進氣空調將進氣溫度控制在（25±1）℃，通過冷卻系統(tǒng)將冷卻水出水溫度控制在（90±3）℃。

2 試驗方法及試驗結果分析

2.1 外特性試驗

對該非道路用柴油機進行臺架外特性試驗，研究新噴油器（8 孔）和原噴油器（7 孔）對發(fā)動機燃燒過程、動力性和經(jīng)濟性的影響。在試驗過程中，測試轉速為800～2 200 r/min，轉速間隔為100 r/min，待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。

2.1.1 噴油速率變化

2 種噴油器在各轉速的噴油速率變化和噴油持續(xù)期變化分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 噴油速率的變化

圖2 噴油持續(xù)期的變化

從圖1 和圖2 可以看出，在大部分轉速下，新噴油器的噴油速率明顯高于原噴油器。相對于原噴油器，新噴油器的噴油持續(xù)期明顯縮短。這說明新噴油器的噴油速度更快，有助于提高油束的動能和油氣混合速率。

2.1.2 噴油速率對燃燒過程的影響

試驗柴油機采用不同噴油器時，在外特性工況下的最大放熱量、缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最高放熱速率和缸內(nèi)最高氣體溫度的變化分別如圖3、圖4、圖5、圖6 所示。

圖3 最大放熱量的變化

圖4 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的變化

圖5 最高放熱速率的變化

圖6 缸內(nèi)最高氣體溫度的變化

從圖3 和圖4 可以看出，該非道路用柴油機使用新的噴油器后，燃燒最大放熱量增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力相應地增加。從圖5 和圖6 可以看出，與原噴油器相比，使用新噴油器后，燃料燃燒過程中的放熱速率顯著升高，缸內(nèi)最高氣體溫度也有一定程度的升高。這是因為，使用新噴油器后，噴油速率升高，噴油持續(xù)期縮短，有助于提高油束的動能和油氣混合速率，使得蒸發(fā)霧化效果更好[8]，有利于更快地形成均質可燃混合氣。此外，噴油持續(xù)期縮短，燃料的燃燒反應過程更多地發(fā)生在主燃期，后燃燃燒減少[9]。上述原因使得缸內(nèi)燃料在更短時間內(nèi)集中放熱，缸內(nèi)氣體的最大燃燒壓力、最高放熱速率和最高溫度均升高。

2.1.3 噴油速率對動力性和經(jīng)濟性的影響

試驗柴油機在外特性工況下使用新噴油器后轉矩的增長率如圖7 所示。

圖7 使用新噴油器后轉矩的增長率

從圖7 可以看出，與原噴油器相比，柴油機使用新噴油器后，在外特性工況的轉矩均有不同程度的增加，意味著使用新噴油器能提高柴油機的動力性。這是因為，使用噴油速率更高的新噴油器后，噴油量和放熱量增大，噴油持續(xù)期縮短，燃燒持續(xù)期縮短[10]，燃燒放熱更為集中，最大爆發(fā)壓力增加，使得活塞在膨脹做功過程中對外輸出更多的功，故發(fā)動機的動力性增強。

有效燃油消耗率（BSFC）是衡量發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的一個重要指標。試驗發(fā)動機使用新噴油器進行外特性試驗時BSFC 的降低率如圖8 所示。

表2 NRSC 試驗工況點

圖8 使用新噴油器后有效燃油消耗率的降低率

表3 NRSC 試驗中8 個循環(huán)工況的排放

從圖8 可以看出，與使用原噴油器相比，發(fā)動機使用新噴油器后，發(fā)動機的BSFC 降低，燃油經(jīng)濟性提高。這是因為，新噴油器的噴油速率快，噴油持續(xù)期短，提高了油束的動能和油氣混合速率，有利于燃燒放熱過程。其次，使用新噴油器后，發(fā)動機的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增加，更高的壓力推動活塞在膨脹做功行程中能對外輸出更多的有用功。此外，使用新噴油器后，更大部分燃料的燃燒過程發(fā)生在主燃期，有助于熱效率的提高[11]。上述原因綜合作用，降低了試驗非道路用柴油機的有效燃油消耗率，提高了燃油經(jīng)濟性。

2.2 穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（NRSC）

為了驗證該非道路用柴油機使用新噴油器后的排放性能，按照GB20891-2014 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）要求，在臺架上對該非道路用柴油機開展了穩(wěn)態(tài)試驗。根據(jù)要求，選擇如表2 所示的8 工況進行循環(huán)試驗。

試驗柴油機在NRSC 試驗中8 個工況的CO、HC、NOx排放以及顆粒數(shù)測量結果如表3 所示。

根據(jù)GB20891-2014 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）要求，CO 排放測量采用不分光紅外線吸收型分析儀（NDIR）測量，HC 排放采用加熱型氫火焰離子化分析儀（HFID）測量，NOx排放采用帶NO2/NO 轉化器的化學發(fā)光檢測器（CLD）測量，顆粒數(shù)排放采用顆粒計數(shù)器測量。對8 個循環(huán)工況的各類排放進行加權轉換計算（除顆粒物PM 質量采用單濾紙取樣微克天平稱重外），得到該試驗循環(huán)非道路用柴油機的NRSC 加權總排放，如表4 所示。

表4 NRSC 加權總排放 g/（kW·h）

從表4 可以看出，試驗柴油機各類排放物的加權總排放均小于中國第四階段非道路用柴油機排氣污染物排放限值。表明使用新噴油器的柴油機能滿足中國第四階段非道路用柴油機排氣污染物排放限值標準。

3 結論

本文對某非道路用柴油機進行臺架外特性試驗，研究了該非道路用柴油機使用原噴油器與新噴油器后對其燃燒過程、動力性和經(jīng)濟性的影響。根據(jù)試驗結果，選擇性能表現(xiàn)更好的噴油器進行非道路穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（NRSC），檢驗該非道路用柴油機是否滿足中國第四階段非道路用柴油排氣污染物排放限值標準，結論如下：

1）與原噴油器相比，新噴油器的噴油速率升高，噴油持續(xù)期明顯縮短。

2）使用新噴油器后，燃料燃燒的最大放熱量增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和最高氣體溫度升高，燃燒放熱速度加快。

3）使用新噴油器后，該非道路用柴油機的轉矩增加，有效燃油消耗率下降。

4）使用新噴油器后，該非道路用柴油機在NRSC試驗循環(huán)中的CO、HC、NOx和PM 的加權排放量均低于中國第四階段非道路用柴油機排氣污染物排放限值。