主噴提前角對(duì)燃用F-T 柴油高壓共軌柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)及排放性能影響的試驗(yàn)研究＊

喬 靖

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

前言

經(jīng)過(guò)許多高校和科研機(jī)構(gòu)多年來(lái)的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-T柴油相比于0#柴油有著其特有的優(yōu)勢(shì)，是一種良好的代用燃料[1]。F-T 柴油的十六烷值高于0#柴油，其值高達(dá)70 以上，著火性能良好，燃燒也較充分，硫和芳香烴的含量與發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放密切相關(guān)，F(xiàn)-T 柴油擁有極低的芳香烴含量，因此顆粒物排放更加清潔[2]。F-T 柴油與含氧燃料混合后也有著良好的燃燒排放性能[3]，而且F-T 柴油的體積低熱值與0#柴油的比值接近，所以可以在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接燃用F-T 柴油。隨著F-T 柴油生產(chǎn)技術(shù)的逐漸成熟，其生產(chǎn)成本得到下降，與0#柴油的價(jià)格基本持平，這也為將F-T 柴油單獨(dú)燃用于發(fā)動(dòng)機(jī)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

將F-T 柴油燃用于發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低污染物的排放，但是其降低排放的幅度有限，如果想要將排放值繼續(xù)降低，就需要考慮調(diào)整噴油參數(shù)等等其他方法。上海交通大學(xué)的王俊席等人[4]研究了噴油提前角對(duì)柴慮柴油機(jī)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：柴油機(jī)的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能可以通過(guò)增大噴油提前角來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且有害污染排放物的排放量也會(huì)得到下降。上海交通大學(xué)的黃毅教授[5]調(diào)整了柴油機(jī)的噴油參數(shù)，如噴油壓力、噴油時(shí)刻和噴油脈寬等等，使發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能得到明顯提高。大連理工大學(xué)的王平等[6]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和噴油提前角之間的關(guān)系，結(jié)果表明：噴油提前角的變化會(huì)影響缸內(nèi)最大燃燒壓力、放熱率、壓力升高率等。

本文在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)上燃用F-T 柴油，調(diào)整柴油機(jī)的主噴提前角，研究不同主噴提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能的影響。

1 試驗(yàn)燃料、設(shè)備及方法

本試驗(yàn)使用的F-T 柴油由山西潞安集團(tuán)提供，其理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 F-T 柴油的理化參數(shù)

臺(tái)架試驗(yàn)所用的柴油機(jī)是云內(nèi)動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的YN33CRD1 四缸高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表2 所示。柴油機(jī)原始標(biāo)定的相關(guān)噴油參數(shù)為噴油壓力127 MPa，主噴角7.8°CA BTDC，預(yù)噴角15.7°CA BTDC 和預(yù)噴脈寬266μs。

表2 YN33CRD1 柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

使用昆明鼎擎科技公司生產(chǎn)的MCV100 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)可以控制噴油壓力、主預(yù)噴提前角、預(yù)噴脈寬等噴油參數(shù)；使用6056A41 型預(yù)熱塞式電荷壓力傳感器測(cè)量缸內(nèi)壓力，該傳感器有測(cè)量精度高，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；使用ET2500 型油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗；使用德維創(chuàng)公司DEWE-800-CA-SE 型燃燒分析儀對(duì)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行計(jì)算分析。柴油機(jī)的排放情況則是由AVL 公司生產(chǎn)的Sesam i60 FTIR 多組分尾氣排氣分析儀和微碳煙排放測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，前者負(fù)責(zé)檢測(cè)柴油機(jī)排放物中的NOX、CO、CH、HCHO 和CH3OH 等，后者負(fù)責(zé)檢測(cè)碳煙顆粒物。利用相關(guān)油耗測(cè)量設(shè)備測(cè)量3 組燃油消耗量，測(cè)量一次燃油消耗量耗時(shí)20s，將三次測(cè)得的燃油消耗量求平均值作為最終的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放時(shí)，要連續(xù)測(cè)量排放100 秒，為了減小測(cè)量誤差，將前后20 秒的排放數(shù)據(jù)去掉，選取其中的60 秒的排放數(shù)據(jù)為最終的排放數(shù)據(jù)；測(cè)量缸壓時(shí)，每次要測(cè)量150 個(gè)燃燒循環(huán)，以提高數(shù)據(jù)的可靠性，分析其中的100 個(gè)循環(huán)數(shù)據(jù)，得到燃燒分析結(jié)果。

2 主噴提前角對(duì)柴油機(jī)性能的影響研究

F-T 柴油有著比0#柴油更優(yōu)異的理化特性，將F-T 柴油燃用于高壓共軌柴油機(jī)相比于0#柴油經(jīng)濟(jì)性和排放特性均有所提升，所以為了進(jìn)一步發(fā)揮F-T 柴油的優(yōu)勢(shì)，研究主噴提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在不同噴油提前角下進(jìn)行轉(zhuǎn)速2000r/min、負(fù)荷分別為50%和75%的試驗(yàn)。

2.1 主噴提前角對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的影響研究

圖1 為不同主噴提前角下的有效燃油消耗率對(duì)比圖。

圖1 改變主噴提前角后的有效燃油消耗率對(duì)比圖

從圖1 中可以看出主噴提前角升高后，柴油機(jī)的有效燃油消耗率逐漸降低，但是降低的幅度有限，噴油提前角從1.8°CA BTDC 增大到10.8°CA BTDC 后，有限燃油消耗率降低5.3%。有效燃油消耗率降低的原因是噴油提前，有更多時(shí)間讓柴油和空氣混合，可以產(chǎn)生更加均勻的可燃混合氣，可燃混合氣燃燒也會(huì)更加完全，最終提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。

2.2 主噴提前角對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響研究

2.2.1 主噴提前角對(duì)NOX的排放影響

只由氮、氧元素組成的化合物被叫做氮氧化合物NOX，柴油機(jī)的NOX排放物中NO 是最主要的生成物[7]。圖2 是不同主噴提前角下的NOX排放量對(duì)比圖。

從圖2 可以看出隨著主噴提前角的升高，NOX排放量增加，相比于主噴提前角為1.8°CA BTDC 時(shí)，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時(shí)的NOX排放量增加了90.36%，缸內(nèi)溫度的升高是NOX排放量增加的主要原因。從圖2 中我們可以看出，缸內(nèi)溫度隨著主噴提前角的增加而增大，NOX的產(chǎn)生又與缸內(nèi)溫度有著直接聯(lián)系，只有在足夠高的溫度下才會(huì)生成NOX，溫度越高，NOX生成量越多。而且，滯燃期的增加也使得更多燃料在燃燒時(shí)富氧燃燒，使得NOX生成量增加。

圖2 改變主噴提前角后的NOX排放對(duì)比圖

2.2.2 主噴提前角對(duì)碳煙的排放影響

柴油機(jī)的顆粒物排放中成分眾多，其中含量最多的就是碳煙，碳煙生成的兩個(gè)必備條件是高溫和缺氧[8]。圖3 是不同主噴提前角下的碳煙排放量對(duì)比圖。

圖3 改變主噴提前角后的碳煙排放對(duì)比圖

從圖3 中可以明顯觀察出主噴提前角升高后，SOOT 的排放量大幅度減少。主噴提前角為10.8°CA BTDC 時(shí)的碳煙排放量比主噴提前角為1.8°CA BTDC 降低了39.63%。想要降低碳煙排放量，就必須破壞碳煙的生成條件，即破壞高溫和缺氧條件，主噴提前角增加所引起的滯燃期延長(zhǎng)，增加了燃燒的時(shí)間，恰好破壞其缺氧環(huán)境，燃燒在富氧環(huán)境下進(jìn)行，故SOOT 排放量下降。

2.2.3 主噴提前角對(duì)HC 的排放影響

從圖4 中可以看出主噴提前角提高之后，HC 排放量逐漸降低，相比于主噴提前角為1.8°CA BTDC 時(shí)，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時(shí)的HC 排放量降低81.43%。主噴提前角增加后引起的提前噴油，使可燃混合氣有更多的時(shí)間充分混合，且延長(zhǎng)了后期燃燒的時(shí)間，可燃混合氣可以更加充分燃燒，進(jìn)而使缸內(nèi)溫度升高，更多的HC 會(huì)被氧化成為H2O 和CO2[9]。

圖4 改變主噴提前角后的HC 排放對(duì)比圖

2.2.4 主噴提前角對(duì)CO 的排放影響

圖5 中顯示提高主噴提前角后CO 排放量減少，相比于主噴提前角為1.8°CA BTDC 時(shí)，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時(shí)的CO 排放量降低34.75%，CO 排放量降低的原因與HC 排放量降低的原因基本一致，也是因?yàn)楦嗟腃O 被氧化成為了CO2，故CO 排放量降低。

圖5 改變主噴提前角后的CO 排放對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過(guò)在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)上燃用F-T 柴油，并改變其主噴提前角，可以總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）柴油機(jī)的燃燒特性受主噴提前角的影響巨大。提高主噴提前角后，燃油霧化和燃燒效果得到改善，缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)壓力升高率、缸內(nèi)溫度都有不同程度的提升，瞬時(shí)放熱率稍有降低。

（2）主噴提前角提高后，高壓共軌柴油機(jī)燃用F-T 柴油的經(jīng)濟(jì)性能得到小幅改善，碳煙、HC 和CO 排放量降低，NOX排放量增加。