噴油提前角對叉車發動機性能及排放影響研究

趙小虎

摘 要：對一臺自主研發的叉車發動機在不同噴油提前角下進行排放和性能的對比試驗，研究了在設定不同的噴油提前角下，叉車用內燃機的動力性、經濟性及排放氣體的變化趨勢；同時，通過大量逆向燃燒開發工作，使得該款搭載機械式VE泵的叉車發動機在滿足動力性及經濟性的條件下，達到了非道路機械國III階段的排放法規要求，處于國內領先水平。

關鍵詞：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，已經廣泛應用于物料裝卸和場內運輸作業，并且日益成為生產主力。叉車發動機作為內燃式叉車的心臟，其動力性、經濟性和排放性能對叉車的許多技術性能指標有著非常重要的作用[1]。

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

1 實驗設備、樣機及方案

1.1 試驗設備

本次試驗研究，采用AVL公司生產的綜合臺架控制設備，臺架為AVL電力測力機，排放設備為日本HORIBA公司生產的MEXA-7100D型氣體排放分析儀，排放分析設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顆粒采樣設備對排放氣體中的顆粒物進行采集，利用干燥高壓標氣對排放氣體進行分流稀釋，利用濾紙過濾并收集顆粒物。

由于試驗樣機的開發指標為達到國內非道路III階段排放法規要求，所以試驗用油為標準國III試驗測試用柴油。

1.2 試驗樣機

試驗用發動機為某公司最新研發的4DC渦流室式柴油發動機，采用機械式VE泵，噴油器為S系列單孔軸針式噴油器，排量達到3.05L，發動機具體設計參數如表2所示。

1.3 試驗方案

研究過程中性能試驗均采用國標規定的內燃機臺架試驗方法進行，排放測試循環及方法參照GB20891-2014進行。通過在不同噴油提前角下的大量性能和排放試驗，找出能達到設計指標和排放要求的最佳提前角度。

2 試驗結果及分析

通過外特性試驗和8工況排放循環試驗對提前角為2度、4度、6度、8度和10度下發動機性能和排放結果進行分析。

2.1 動力性影響

在不同靜態提前角下，發動機的標定功率必然會產生變化，該款發動機設計指標要求標定功率為45±1kW；因此，性能開發必須要保證標定功率達到設計指標，所以，在不同靜態提前角下，通過調整機械VE泵的高速螺釘來保證標定功率符合設計指標，如圖1所示。

通過不同靜態提前角下的外特性試驗，如圖2、圖3所示，發動機在2500rpm下的標定功率均保持在45kW左右，伴隨靜態噴射提前角的增大，全速全負荷點的發動機功率和扭矩逐漸增大，原因是由于提前角增加，未燃燃油提前進入汽缸，參與空氣混合時間加長，燃燒更加充分，外在表現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，能夠達到設計指標要求。

圖4、圖5所示為不同靜態提前角下發動機總排溫和爆發壓力對比曲線。隨著噴油提前角的降低，發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，導致燃油燃燒不夠充分，大量未燃燒混合氣進入排氣管再次燃燒，造成排溫整體增加；另外，隨噴油提前角的減小，發動機汽缸內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 經濟性影響

提前角的變化對經濟性的影響較小，最大的區別只體現在比油耗上，如圖6、圖7所示分別為不同靜態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，其他全負荷點的數值相差不大，考慮到叉車實際操作工況，有理由認為，提前角對總的燃油消耗量不會產生較大影響；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動機的功率貢獻更少，有部分燃油在排氣管內參與了燃燒，這與前文描述的總排溫的變化趨勢一致。

2.3 排放影響

該款發動機由于采用正向開發，在燃燒開發期間，必須對該款發動機在硬件調整前進行排放摸底，調查當前狀態的排放水平，并以此作為參考進行后續開發工作，摸底的排放水平如表3所示：

通過排放結果可以看出，開發的原機排放水平就已經能達到非道路國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，所以，對于排放開發的主要目標是降低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整靜態噴油提前角；因此對不同靜態噴油提前角下的發動機進行排放試驗，結果如表4所示。

通過對排放結果的分析可以認為，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，NOx排放明顯下降，在2度和4度提前角下，均達到了III階段的排放水平；不同提前角下排放氣體的8工況數值如圖8、圖9和圖10所示。

由8工況點的具體排放數值可以看出，在不同靜態噴油提前角下，NOx排放值隨工況的變化趨勢一致，并且峰值均出現在1700rpm的75%負荷點，說明在該點，缸內燃燒溫度最大；反觀其他工況，由于負荷的變化，缸內燃燒溫度下降，NOx排放值相應較小，這些都說明燃燒室內的溫度是影響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、經濟性能和排放結果整體進行考慮，在靜態提前角為2度和4度情況下，該款叉車發動機能達到非道路III階段的排放法規要求，考慮到燃油消耗率和總排溫情況，最終選擇4度角作為該款發動機的最終靜態提前角。

另外，由于靜態提前角的調整直接導致了非排放區域提前角的調整，而在4度靜態提前角下，必然會對一些非排放點的外特性性能不利，造成燃燒惡化；為了滿足排放法規要求，同時，保證發動機性能下降盡可能小的情況下，通過燃燒開發的逆向設計反饋，對機械VE泵自身的動態提前器進行適當調整，保證排放法規的同時，盡可能的使非排放點的性能發揮最大優勢，最終的噴油提前角曲線如圖11所示。

3 結束語

（1）叉車發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）隨著靜態提前角的減小，發動機的排溫逐漸上升，在2度提前角下已達到700度以上，所以應選擇最優角度，控制排溫。（3）提前角的減小有利于發動機爆發壓力的降低，可以使發動機運行更加穩定（4）此次研究的排放結果尚存在一定裕度，為該款叉車發動機后續開發和變型開發保留了較大的升級空間。

參考文獻

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

[2]周松，肖友洪，朱元清，等.內燃機排放與污染控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，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].內燃機與動力裝置，2010（1）：39-42.