滿足EPAⅣ排放電控單缸風冷柴油機燃油噴射參數優化

周惠琴

摘 要：本研究以小型非道路柴油機186FA為對象，開展“基于美國EAPⅣ及以上超低排放標準”的柴油機電控燃油噴射參數優化研究，使用EPAⅣ排放法規中規定的八工況測試循環以及五工況測試循環分別開展柴油機臺架性能試驗。通過對電控升級后的186FA柴油機進行排放性能測試，研究噴油正時對實驗樣機各項性能的影響，從而對噴油正時進行標定優化，并最終確定優化方案。

關鍵詞：柴油機;EPA;Ⅳ;噴油系統;優化設計

一、緒論

作為微型耕種機械、小型拖拉機等農業機械的主要動力源，非道路小型柴油機在農業、工業生產中有著極其重要的作用[1]。近年來，我國小型非道路柴油機的年產量大約在700萬臺，生產量大并且大量出口，占世界年產量的80%以上，已成為我國內燃機行業的一大特色[2]。

內燃機燃燒系統設計匹配、先進的排氣后處理、以及燃油噴射系統電控升級是柴油機節能減排技術措施主要涉及的幾個方面[3]。其中，內燃機燃燒系統的匹配是節能減排的基礎;燃油噴射系統換代升級是其核心手段;后處理是其技術關鍵[4]。而對于小型非道路柴油機來說，因為受到了運行狀況、用途、制造工藝等限制，其節能減排技術與傳統車用柴油機有許多不同之處[5]。

本文以滿足EPAⅣ排放限值為目標，以186FA柴油機為樣機，開展柴油機臺架性能試驗，對排放性能進行測試。分別使用美國EPA排放法規規定使用的八工況測試循環，以及五工況測試循環兩種測試循環開展試驗，研究噴油正時等噴射參數對于發動機各項性能的綜合影響，得出進行電控升級后的186FA柴油機中噴油提前角的優化方案。

二、測試方法與裝置

本試驗選擇在186FA柴油機上進行，該柴油機經過電控升級改造后采用電控單體泵噴油系統。其他主要測試設備有：MEXA-7200D氣體分析儀、AVL472顆粒采樣系統、MX5微克天平等。試驗分別采用美國EPA法規中的發動機八工況測試循環，以及五工況測試循環進行。試驗時測得環境濕度為50±5%，環境溫度為13±1℃，大氣壓力為102.4±0.1kPa，進氣溫度為13±1℃。將預熱好的試驗樣機在規定工況下運行，待試驗樣機運行穩定后，從排氣管中取樣測量各種排放指標濃度。在每工況運行中，依次改變噴油提前角，分別測量一氧化碳CO、氮氧化物NOx、碳氫化合物THC以及顆粒物PM在排氣中的濃度以及試驗樣機的排氣溫度、輸出功率以及燃油消耗率等參數。

三、燃油噴射正時對柴油機性能的影響

當噴油提前角增加，NOx的濃度也增加，并且，噴油提前角的持續增大，NOx的升高率也越來越快，對比其他工況點數據，得到相同結論。原因為：在上止點前，噴油正時增大會延長滯燃期，使得空氣與燃油混合數量增加，有利于燃料的燃燒，從而使得NOx增加，并且隨著噴油提前角的不斷增大，其排放增加幅度也更高。

與NOx呈現相反趨勢，一氧化碳排放隨著噴油正時的增加而降低，而當噴油正時過大時，CO的數量減少的速率變緩。對比其他工況點試驗數據，發現相同趨勢。這是因為，隨著柴油機噴油正時的增大，滯燃期內形成的燃油與空氣混合數量更多，燃料的燃燒改善，從而使一氧化碳減少。而當噴油正時過早時，過早噴油使得柴油機燃料的整個燃燒過程提前，混合氣大部分燃燒不完全，導致CO下降趨勢變緩。

總碳氫化合物THC隨噴油正時的加大而降低，且下降速率逐漸變緩。對比其他工況點數據，發現相同趨勢。這是因為，隨著噴油正時的增大，滯燃期增長，從而使得燃油得到充分燃燒，HC降低。而當噴油正時過大，燃燒提前，柴油機壓縮負功增加，柴油機效率下降，燃油霧化效果降低，并且此時活塞位置離上止點較遠，燃油噴射距離增加，不利于燃油與空氣的均勻混合，使得碳氫化合物下降速率變緩。

試驗樣機的燃耗隨噴油正時的增加而減少。對比其他各工況點試驗數據，燃耗率變化趨勢一致。這是因為當試驗樣機噴油提前角增大，滯燃期增長，在發動機做工沖程中，作用于活塞頂部的平均有效壓力增大，導致熱效率上升，燃油消耗率的下降。

四、噴油正時優化與標定

在分析所得的各最佳噴油正時下，再次試驗測量樣機的各項排放指標，并按照八工況加權系數進行計算，得出各項指標的比排放值，并采用稱重法測量試驗樣機在整個循環中的PM值。一氧化碳CO的比排放為3.77g/kWh，EPA第Ⅳ階段排放法規限值為8.0g/kWh;顆粒物PM比排放為0.32g/kWh，EPA第Ⅳ階段排放法規限值為0.4g/kWh;總碳氫化合物THC加氮氧化合物NOx比排放為5.75g/kWh，EPA第Ⅳ階段法規限值為7.5g/kWh。均符合EPA第Ⅳ階段法規限值。

對試驗樣機安裝氧化催化器DOC后，對五工況試驗循環下的各工況點按照最佳噴油正時進行排放試驗，按照五工況加權系數進行計算，得出各項指標的比排放值，并采用稱重法測量試驗樣機在整個循環中的PM的排放值。一氧化碳CO的比排放為0.843g/kWh;顆粒物PM比排放為0.128g/kWh; THC加NOx比排放為6.159g/kWh。均符合EPA第Ⅳ階段法規限值。

五、總結

本文通過氮氧化物NOx與其他指標之間的權衡關系的研究分析，確定各工況點下的最佳噴油提前角，完成在標定轉速為3600r/min下試驗樣機噴油提前角的優化與標定。最后試驗驗證在優化的噴油提前角下試驗樣機各項排放指標的比排放，測量結果滿足美國EPA第Ⅳ階段排放法規。

參考文獻：

[1]劉勝吉，何政，尹必峰，等.單缸柴油機的排放要求和產品發展[J].農業化研究.2009（16）：206-210.

[2]賈和坤，尹必峰，何建光，等.內部廢氣再循環柴油機燃燒過程分析及排放性能試驗[J].農業工程學報.2015（5）：37-41.

[3]尹必峰，黃晨春，劉勝吉，等.高性能低排放小型非道路柴油機的開發[J].農業工程學報.2012（3）：32-37.

[4]熊鋒.非道路用直噴柴油機排放物控制研究[D].武漢：武漢理工大學動力機械及工程，2009.

[5]王嬋娟.單體泵電控燃油噴射系統的研究[J].機械管理開發.2006（4）：19-22.