淺談柴油機突加負荷時的排放煙度控制方法

吳瑞斌，周長旺，王坤程，王 偉，韓云龍，齊 鳳

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東濟南 250306）

0 引言

一般情況下，柴油機采取增壓中冷和尾氣處理等技術(shù)，可以有效降低柴油機穩(wěn)定運行時的排放煙度和微粒數(shù)量。但是在柴油機突加負荷時，往往排放煙度和微粒數(shù)量都大幅增加。本文就降低柴油機突加負荷時的排放煙度的方法，如對燃料的性質(zhì)、瞬態(tài)過量空氣系數(shù)、噴射壓力、霧化效果和噴油提前角等進行了初步研究[1]。

1 突加負荷時排放煙度的影響因素

柴油機的碳煙多數(shù)情況下是因燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的。尤其是突加負荷時，高濃度柴油與空氣的混合氣體在缸內(nèi)以非均相高壓不完全燃燒，在混合氣的火焰擴散時產(chǎn)生大量碳煙。因此增加燃燒程度是降低突加負荷時煙度的重要分析方向。

1.1 柴油的性質(zhì)

不同性質(zhì)的柴油，其理化性質(zhì)不同，突加負荷時時對排放煙度的影響不同。一般來說，蒸發(fā)性差的柴油霧化性差，著火性好的柴油氣化性差，這些不利因素都會增加碳煙的排放。

1.2 瞬態(tài)過量空氣系數(shù)

有研究表明柴油機的瞬態(tài)空氣過量系數(shù)α 的值，對柴油機突加負荷時的排放煙度具有重要影響。在燃油噴射的主要區(qū)域，由于突加負荷時燃油噴量瞬時增加，而空氣的增量明顯滯后，造成空燃比失衡，如此時瞬態(tài)過量空氣系數(shù)α 值過低，則燃燒不充分，導(dǎo)致排氣煙度上升[2]。尤其在柴油機的高負荷功率段，突加負荷往往會造成柴油機超負荷運行，瞬態(tài)過量空氣系數(shù)α 值應(yīng)重新標定，否則缸內(nèi)空燃比急劇減小，導(dǎo)致排氣煙度迅速上升。因此，有必要對過量空氣系數(shù)進行調(diào)整。

1.3 噴射壓力和霧化效果

在柴油機突加負荷時，噴射系統(tǒng)的優(yōu)劣對排氣煙度有一定影響。如果噴油器的噴射壓力低且不可調(diào)整、噴油嘴的霧化效果差造成油滴顆粒大，則會產(chǎn)生較大的油滴與空氣混合，造成燃燒時間縮短、燃燒不充分，導(dǎo)致排氣煙度上升。尤其是在每次柴油噴射的尾期，噴油器的噴射壓力已經(jīng)減小到一定程度，噴油嘴的霧化效果隨之降低，此時的油滴顆粒直徑遠大于主噴射階段，同時這些大顆粒油滴周圍的含氧量降低，參與燃燒的時間縮短，也會造成排放煙度上升。

1.4 噴油提前角

如果噴油提前角過小，其滯燃期縮短、燃油蒸發(fā)率降低，在突加負荷時，瞬時噴射的大量燃油與空氣的混合不充分，造成燃燒速度變慢，燃油一邊蒸發(fā)一邊燃燒，缸內(nèi)最高壓力、溫度降低，主燃期產(chǎn)生的碳粒未被充分氧化就被排出，造成排氣煙度上升[2-3]。但是，如果噴油提前角設(shè)置的過大，將會使與空氣預(yù)混的柴油量增加，突加負荷時，發(fā)動機工作時噪聲和震動將會超過設(shè)計值，機體本身產(chǎn)生很大的機械負荷。因此，適當增加噴油提前角可以在一定程度上減少排放煙度。

2 降低突加負荷時排放煙度的方法

2.1 選用優(yōu)質(zhì)柴油

一般來講，柴油十六烷值越高，其防爆性越好。而50%餾分溫度越低，柴油中的輕組分越多，其蒸發(fā)性和著火性也越好，就更有利于缸內(nèi)燃燒。但是，有研究表明十六烷值并非越高越好。當十六烷值超過65 時，燃料在燃燒室中會迅速裂化，分離出的碳沒有時間燃燒，這些未充分燃燒的碳則與廢氣一起排放，導(dǎo)致燃料消耗過多。因此綜合柴油的十六烷值、蒸發(fā)性和著火性，選用國V 或國VI 標準的柴油，可以有效降低排放煙度。

2.2 調(diào)整瞬態(tài)過量空氣系數(shù)

突加負荷時的噴油量瞬間增加，空燃比會急劇降低，為了使燃油充分燃燒，要供應(yīng)比理論值更多的空氣量。瞬態(tài)過量空氣系數(shù)對碳氧化物、氮氧化物以及碳煙的影響規(guī)律，一般是隨著α 值的增加，碳氧化物和氮氧化物以及碳煙排放濃度會逐漸降低，當α 值增加到1.05～1.25 時，碳氧化物和氮氧化物以及碳煙會維持在一個較低水平，且隨著α 值的繼續(xù)增加而基本不變。綜合突加負荷和平穩(wěn)運行時的煙氣成分，由式（1）、式（2）的計算結(jié)果，反復(fù)調(diào)整瞬態(tài)過量空氣系數(shù)，得到α 最佳范圍值為1.11～1.21。

其中，α完為柴油完全燃燒時柴油過量空氣系數(shù)；α未為柴油未完全燃燒時的過量空氣系數(shù)；O2、CO、N2為其在排煙中的含量百分數(shù)。

2.3 采用高壓共軌和電磁噴射系統(tǒng)

采用高壓共軌系統(tǒng)，具有很高的噴射壓力，在突加負荷時，可以根據(jù)負荷的變化實時調(diào)整最佳噴射壓力和噴射持續(xù)時間。它的一般過程是，柴油經(jīng)高壓泵加壓后進入高壓軌道內(nèi)，根據(jù)負荷的變化，發(fā)動機ECU 發(fā)出噴射指令，噴油器進行燃油噴射，此時噴射壓力由共軌管內(nèi)的壓力傳感器反饋至ECU 中，ECU 根據(jù)反饋實時調(diào)整噴射壓力和噴射持續(xù)時間。

利用電磁噴射系統(tǒng)，可以連續(xù)進行多次噴射，每次噴射的油量更精確、霧化效果更好，使缸內(nèi)霧化的柴油顆粒充分燃燒，減低排氣煙度和NOx的含量[3]。基本原理是：當線圈不通電時，在彈簧的作用下，銜鐵與鐵芯脫離接觸，使電磁閥閥口處于閉合狀態(tài)；當ECU 發(fā)出噴射指令，電磁閥得到指令后，線圈的通電電流逐漸增加，產(chǎn)生的電磁力也逐漸增加，當電磁力大于彈簧力時，銜鐵開始運動，電磁閥閥口打開。

2.4 適當增大噴油提前角

通過向前微調(diào)噴油提前角，使其滯燃期反應(yīng)時間隨之增加，此時噴油時的缸內(nèi)氣體溫度、壓力和其他化學反應(yīng)的速率隨之降低，反應(yīng)時間亦因此迅速增長[1-3]。

滯燃期增長，突加負荷時噴入缸內(nèi)的柴油就越多，燃油和空氣混合時間增長，燃油蒸發(fā)率提高，燃燒時壓力和溫度升高，在主燃期內(nèi)排出的碳粒可充分氧化，降低排放煙度。滯燃期與噴油提前角的關(guān)系曲線如圖1 所示，燃油蒸發(fā)率與噴油提前角的關(guān)系如圖2 所示[1-3]。

圖1 噴油提前角與滯燃期關(guān)系曲線

圖2 噴油提前角與燃油蒸發(fā)率關(guān)系曲線

但有研究表明，隨著柴油機的噴油提前角的逐漸增大，雖然可以有效地降低顆粒物的排放，但可能會導(dǎo)致氮氧化物的排放上升。僅靠調(diào)節(jié)噴油提前角，很難同時滿足兩者的排放要求，甚至當柴油機的噴油提前角達到一定的數(shù)值之后，碳氫化物和碳氧化物的排放也會逐漸增加。因此，適當增加燃油提前角，使柴油機突加負荷是的排放煙度控制在可接受范圍內(nèi)，是極其必要的。

需要注意的是，如果噴油提前角過大，則在主燃期內(nèi)全部柴油與空氣的混合氣幾乎同時燃燒，此時缸內(nèi)壓力升高率迅速升高，各旋轉(zhuǎn)運動部件受到極大應(yīng)力，嚴重時會縮短柴油機的壽命。

2.5 調(diào)整前后排氣煙度對比

通過對比突加負荷時的林格曼黑度值，來判定排氣煙度變化趨勢。按每次突加50 kW 負荷，突加負荷后穩(wěn)定運行5 min，連續(xù)進行3 次測試后，取3 次測試結(jié)果平均值。可以看到調(diào)整后林格曼黑度有明顯下降，即表明排氣煙度下降（圖3）[4]。

圖3 每次突加50 kW 的林格曼黑度曲線

3 總結(jié)

本文在對燃料的性質(zhì)、瞬態(tài)過量空氣系數(shù)、噴射壓力、霧化效果和噴油提前角進行分析后，通過選用優(yōu)質(zhì)燃料、調(diào)節(jié)最佳過瞬態(tài)量空氣系數(shù)、采用高壓共軌和電磁噴射系統(tǒng)和適當增大點火提前角的方法，進行突加負荷測試，來判定排氣煙度的變化值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)整后林格曼黑度值明顯下降，表明這些優(yōu)化措施可以有效降低排氣煙度。