噴油提前角對JX493柴油發動機煙度及NOx的影響分析

陳齊平，歐陽愛國，肖文龍

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌 330013）

噴油提前角對JX493柴油發動機煙度及NOx的影響分析

陳齊平，歐陽愛國，肖文龍

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌 330013）

以JX493柴油發動機為試驗樣機，在額定功率轉速下分別取50%、75%、100%3個負荷點為研究對象，考察柴油機的噴油提前角為0°～10°時，發動機排放性能的變化情況。試驗結果表明：NOx的排放量隨著噴油提前角的增大而增大，而煙度的排放隨著噴油提前角的增大而有所減少，因此在選擇柴油發動機的最佳噴油提前角時，必須綜合考慮發動機排氣的煙度與排出的NOx。

柴油機；噴油提前角；煙度；NOx

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展和汽車保有量的強勁增長，人們的環保意識不斷增強。與汽油機相比，現代柴油機具有效率高、工作可靠、壽命長、油耗低等特點，因此，將柴油機作為主要動力的車輛日益增加[1-3]。隨著我國對環境保護提出越來越高的要求，柴油機的排放標準也在不斷地提高，在影響柴油機排放的諸多因素中，噴油提前角對柴油機的排放影響較大。研究表明當噴油提前角過大時，燃油會提前噴入燃燒室，此時由于噴油過早，燃燒室壓力低，溫度未達到一定程度，不能燃燒，等溫度達到燃燒溫度的時候，燃燒室又有過量燃油，容易發生爆燃，即所謂的燃燒敲缸，從而使機械負荷增大，此時排氣溫度較低，耗油增加。反之當噴油提前角過小時，又會導致后燃嚴重，此時排氣溫度很高，爆壓低，冒黑煙，發動機做功少，燃燒效率低。所以，要解決柴油發動機的排放問題，選擇合理的噴油提前角就變得尤為重要[4-5]。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備整體布局

圖1 試驗設備布局示意圖

本試驗系統布局如圖1所示，該系統主要是由發動機、排放測試分析設備、測功機、燃燒分析儀以及油耗儀器等組成。為了確保排放數據是燃油在正常情況下燃燒所得，爆發壓力放大器、爆發壓力傳感器以及環境空調也作為該測量系統的主要輔助設備。本文所使用的主要儀器及其參數如表1所示。

表1 試驗設備及主要參數

1.2 試驗樣機

試驗所用樣機是一臺JX493柴油發動機，其基本參數如表2所示。該發動機的燃油供給系統為BOSCH公司生產的高壓共軌系統，其優點是噴油壓力的產生不依賴于發動機轉速與系統噴油量，且可以根據發動機不同的工況靈活控制噴射壓力和噴油量，從而實現低轉速高噴射壓力、低速高扭矩、低排放及優化燃油經濟性的目的。與此高壓共軌系統匹配的噴油嘴參數如表3所示。

1.3 試驗方法

考慮到汽車在實際道路路面行駛，試驗前需要將該發動機經過125h的磨合期試驗處理，待各方面性能穩定之后才進行試驗。在額定功率轉速下取負荷分別為50%、75%、100%的3個負荷點為試驗對象，如圖2所示。考察柴油機的噴油提前角從0°增加10°時，發動機煙度和NOx排放性能的變化情況。試驗結果參考GB 18352.2——2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）》的標準限值[6]。

表2 發動機參數

表3 噴油嘴參數

圖2 額定功率轉速下的各負荷點

2 試驗結果與分析

待熱機結束后，依照上述試驗方法，分別對3個負荷試驗點進行試驗。試驗結束后將所得數據依次繪制成散點圖，表示在發動機轉速為3600r/min，功率為80kW時噴油提前角對發動機的煙度排放及NOx排放的影響，如圖3、圖4、圖5所示，分別表示負荷為50%、75%和100%時噴油提前角對發動機煙度及NOx的影響示意圖。

2.1 噴油提前角對煙度的影響及分析

圖3 負荷為50%時，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

圖4 負荷為75%時，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

圖5 負荷為100%時，煙度、NOx隨噴油提前角的變化情況

煙度主要反映發動機中粒徑相對較小且可以懸浮在空氣中的顆粒物的排放，煙度能直接反映柴油發動機加速時混合氣瞬間過濃導致懸浮顆粒物的生成量。當發動機負荷在50%時，如圖3所示，發動機排放的煙度與噴油提前角并不成比例關系，而是隨著噴油提前角的增大呈現出先增后減的變化趨勢[7]。其主要原因是當發動機負荷較低時，活塞壓縮還不充足，提前噴油容易導致燃油過剩從而使混合氣瞬間過濃，繼而導致發動機排放煙度增大，所以當發動機負荷在50%時，為使發動機煙度排放減少，應該盡量減小噴油提前角。但是當發動機負荷在75%和100%時，如圖4和圖5所示，隨著噴油提前角的增大發動機煙度排放逐漸減小。這是因為發動機在高負荷狀態時，活塞壓縮較快，這時增大噴油提前角可以使混合氣更加充分燃燒從而減少煙度的排放，所以發動機負荷在75%和100%時，為使發動機排放的煙度減少，應該適當增大噴油提前角。綜合對比圖3、圖4、圖5可以發現，隨著負荷的增加，發動機煙度排放增加，這主要是因為柴油發動機在高負荷狀態時其空燃比和溫度都相對較高，造成燃燒室的局部地方混合氣過濃，從而導致排放物中產生較多的微粒，同時由于氧氣不足、柴油中烴分子發生分裂而形成較多的碳煙[8]。并且可以看出，在低負荷狀態下噴油提前角對發動機煙度排放的影響不是很大，所以發動機在低負荷狀態時其煙度排放不作為確定噴油提前角的主要參考因素；但是，在高負荷狀態下噴油提前角對發動機煙度排放的影響很大，所以，為了確保發動機煙度的排放滿足相關標準，在選擇噴油提前角的數值時需要著重考慮發動機煙度的排放。

2.2 噴油提前角對NOx的影響及分析

柴油發動機NOx的生成量主要取決于柴油機燃燒始點的氣缸內溫度和其后的缸內溫度升高率。圖3、圖4、圖5顯示隨著噴油提前角增大，發動機NOx排放量增多；這主要是因為噴油提前角過大時會使著火延遲期增大，從而使燃燒室工作粗暴性增強，燃燒室壓力升高率急劇上升，繼而使發動機的NOx排放量增多，同時伴隨著燃燒噪聲增加[9]。由于噴油提前角的增大，燃燒始點也開始前移，從而使得燃燒室內的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和最大放熱率都逐漸增大；所以，過大的噴油提前角不僅使NOx的排放增加還會對發動機造成嚴重危害。從圖3、圖4、圖5對比可以發現，隨著負荷的增加發動機NOx排放量增多，這是因為柴油機在大負荷條件下工作時，缸內溫度較高，同時供給的空氣較為充足，但柴油機是在缸內形成混合氣，混合氣形成時間較短，容易造成混合氣不均，使得在某些區域有過量空氣存在，導致燃燒室內局部溫度很高，繼而使NOx大量生成。

3 噴油提前角的優化

當噴油提前角過大，則噴油時刻距離上止點較遠，此時活塞往上移動處于壓縮沖程，在混合氣著火后，氣體膨脹阻礙活塞上行，所作負功開始增多，反而會使發動機的油耗增加。當噴油時刻遠離上止點時，此時缸內空氣密度壓力以及溫度都較低，會使燃油蒸發、霧化，延長了混合時間，繼而使著火延遲期增加、預混合燃燒階段的油量變多，從而使壓力升高率增加，發動機的燃燒噪聲也隨之增加，導致發動機工作粗暴。當發動機工作粗暴，會使發動機的缸內燃燒溫度增加，從而增加了發動機的熱負荷，同時也使得尾氣中的NOx排放污染物變多，排放性能變差。相反，如果噴油提前角過小，比如在上止點后才開始噴油，活塞正處于下行階段，缸內的溫度和壓力會逐漸下降，不利于燃燒室內燃油的蒸發混合，使得很多燃油在未完全混合的情況下就參與燃燒，從而導致燃燒不完全，繼而使煙度的排放增加，甚至排氣冒黑煙。有時，部分燃油甚至會在排氣管中燃燒，發出爆燃的聲音，使得發動機功率下降，油耗增加[10]。

結合圖3、圖4、圖5可知，在選擇合適的噴油提前角時要兼顧排放煙度和NOx的影響，要使排放滿足GB 18352.2——2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）》要求（煙度＜0.06FSN，NOx＜780mg/L）。當負荷為50%時，如圖3所示，應使噴油提前角控制在0°左右，此時煙度排量為0.023，NOx的排量為319.3619 mg/L，滿足排放要求。同理當負荷為75%時，如圖4所示，使噴油提前角控制在6°左右，此時煙度排量為0.037、NOx的排量為632.1467mg/L也滿足排放要求。當負荷在100%時，煙度和NOx都較高，要同時滿足排放要求較難，此時可以優先考慮煙度，因為NOx可以通過后處理方式消除。所謂后處理方式即通過催化還原法消除NOx，研究常用催化劑包括復合金屬氧化物、分子篩催化劑、負載型貴金屬、類水滑石化合物。所以，選擇噴油提前角為8°左右，此時煙度排量為0.058，NOx的排量為835.9054mg/L。綜上所述，通過催化還原的方法可以使得負荷在100%時發動機的NOx降低，所以發動機負荷為100%時，其煙度和NOx均符合國標要求。

4 結束語

通過對JX493柴油發動機進行試驗，發現不同負荷下發動機煙度及NOx的排放不同，所以發動機負荷不同時，噴油提前角也應該變化。實驗數據表明，當發動機在額定功率轉速下負荷為50%時，噴油提前角為0°時最佳，負荷為75%時噴油提前角為6°時最佳，負荷為100%時噴油提前角為8°時最佳。試驗結果表明當負荷增加時應適當加大噴油提前角來達到優化排放的目的。

[1]郭紅松，張海燕，曹磊.國V柴油對車用柴油機排放影響的試驗研究[J].車用發動機，2012（3）：21-23.

[2]Grover P S，Bordelon S H.New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance[J].Polymer，2008（1）：85-87.

[3]湯東，羅福強，夏基勝，等.柴油機燃燒過程及NOx排放的試驗研究[J].農機化研究，2006（3）：134-136.

[4]宮長明，譚滿志.燃油系統參數對直噴式柴油機性能和排放的影響[J].農業機械學報，2007（5）：14-17.

[5]孫秀英，姜斌.小型柴油機降低排放性能的試驗研究[J].農業裝備與車輛工程，2012（1）：61-63.

[6]GB 18352.2——2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）[S].北京：中國標準出版社，2005.

[7]安春生.機車柴油機的排放研究 [J].內燃機車，2012（6）：6-8.

[8]李臣譯.GE公司PowerHaul柴油機開發[J].國外內燃機車，2011（1）：75-78.

[9]譚丕強，陸家祥，鄧康耀，等.噴油提前角對柴油機排放影響的研究[J].內燃機工程，2004，25（2）：9-11.

[10]騰超，盧德華.16V280ZC型柴油機NOx排放性能的優化[J].內燃機車，2012（4）：5-7.

The influence and analysis of injection advance on JX493 diesel engine’s smoke and NOx

CHEN Qi-ping，OUYANG Ai-guo，XIAO Wen-long
（School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Taking JX493 diesel engine as the study object，under the load of 50%，75%and 100% at the rated power speed，Examine diesel fuel injection advance angle from 0 degrees to 10 degrees，the change of engine emissions performance.Experimental results show that NOxwith fuel injection timing increases，smoke injection advance angle increases with the improvement.Therefore，when choosing the fuel injection advance angle，the engine exhaust smoke and NOxcombined effects must be considered.

diesel engine；fuel supply advance；smoke；NOx

U262.11；TK16；TK411+.51；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0124-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.032

2014-04-12；

：2014-06-02

國家自然科學基金（51265015）江西省自然科學基金（20142BAB216026）江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ14392）

陳齊平（1984-），男，江西樟樹市人，博士，主要從事汽車檢測、電動汽車等方面的研究。