噴油壓力和提前角對柴油機排放影響的試驗研究

李龍，龐振龍，張寧，穆振仟，孫鎮

1.淄柴機器有限公司,山東 淄博 255000;2.淄柴動力有限公司,山東 淄博 255000

0 引言

環境保護日益受到全社會的重視，柴油機的發展方向正在從“提升發動機的動力性和經濟性”轉向“提供綠色環保的清潔動力”[1-3]。文獻[4]提高了對船用柴油機污染物排放限值要求。柴油發動機的主要排放物為CO、NOx、CH和顆粒物(particulate matter，PM)[5]，為了降低柴油機的污染物排放，相關學者進行了大量的研究：方平等[6]分析了船舶柴油機排放的煙氣污染物種類及其來源,結合發動機臺架試驗研究了主要煙氣污染物的排放規律，指出進行尾氣治理是實現船舶尾氣達標排放的有效措施；王輝等[7]將柴油-甲醇組合燃燒技術應用到船舶柴油機上,進行臺架試驗和實船驗證,結果表明,船舶柴油機摻燒甲醇后的碳煙和NOx排放均大幅降低,弱化了碳煙排放和NOx排放此消彼長的難題；周金喜[8]基于臺架試驗從燃油性質、柴油機類型、PM粒徑分布、化學組分等方面深入系統地研究排放顆粒物的理化性質,通過理論計算得出船舶廢氣洗滌器對顆粒物的去除效果。但是關于噴油壓力和供油提前角對發動機排放影響的研究較少。

本文中以某船用四沖程中速柴油機為研究對象，采用控制變量法，改變發動機的噴油壓力和供油提前角，進行多組對比試驗，研究噴油壓力和供油提前角對船用柴油機排放的影響，為實現船用柴油機達標排放打下良好基礎。

1 試驗設備和方案

1.1 試驗目的

進行船舶柴油機臺架試驗，利用排放測試設備對柴油機排氣中的CO、NOx和PM進行測量，研究噴油壓力、供油提前角對排氣污染物的影響規律。

1.2 試驗主要裝置

試驗主要設備有船用四沖程中速柴油機、測功器、柴油機氣態污染物和顆粒物排放測試儀器；試驗使用的濾紙為碳氟化合物涂層的玻璃纖維濾紙(DOP)，濾紙直徑為70 mm，捕集率為95%。柴油機主要技術參數如表1所示，氣體成分分析儀技術參數如表2所示。PM質量計量室的溫度維持在-40～150 ℃，溫度偏差不大于0.1 ℃，相對濕度保持在20%～98%，濕度偏差不大于0.1%，露點溫度為9.5 ℃。PM分析天平型號為MSX125P-1CE-DI，測量范圍為0.02～60.00 g，分辨率和精度為10 μg。

表1 發動機主要技術參數

表2 氣體成分分析儀技術參數

1.3 試驗方法

噴油壓力測點設置在高壓油管與噴油器之間的高壓接管上，通過調整燃油凸輪相位調整供油提前角；按照文獻[4]中規定的“按推進特性運行的船用主機”的試驗循環以及污染物排放計算方法進行試驗和計算。對于按照推進特性運行的船用主機，75%負荷工況點的加權系數為0.5，所占比重最大，因此選擇對75%負荷工況點(轉速為910 r/min、功率為910 kW)進行污染物排放研究。

研究噴油壓力對各污染物排放的影響時，將供油提前角(本文中供油提前角均指上止點前曲軸轉角，簡記為曲軸轉角)對應的曲軸轉角設置為9°，調整噴油壓力進行試驗；研究供油提前角對各污染物排放的影響時，保持噴油壓力為102 MPa，通過調整燃油凸輪相位調節供油提前角。測量75%負荷工況點各污染物的排放，計算此工況下的污染物比排放，之后換算為各污染物在總排放中的質量分數，要求各步驟相對誤差在±2%以內。污染物比排放計算公式為

qm,e=qm,a+qm,f，

(1)

qm,m=μcqm,e，

(2)

g=qm,m/P，

(3)

式中：qm,e為濕基排氣質量流量，kg/h；qm,a為濕基進氣質量流量，kg/h；qm,f為燃油質量流量，kg/h；qm,m為排放物質量流量，kg/h；μ為質量流量計算用濕基因數；c為某組分的體積分數，%；g為每種氣體的比排放，g/(kW·h)；P為試驗臺測量的凈功率，kW。

2 試驗結果和分析

2.1 噴油壓力和供油提前角對CO排放的影響

目前船用柴油機均采用增壓中冷技術，過量空氣系數較大，氧氣較充足，在發動機正常工況范圍內，CO生成量較低[9]。但在柴油機負荷過大時，燃料供給大，與空氣混合不均勻，燃燒室局部缺氧區域較多，產生大量CO；柴油機缸內噴射油束中心的空氣較少，此處的過量空氣系數偏低，CO生成率較高。應提高燃油霧化質量，使燃料與空氣混合更均勻，可減少油束中心處CO生成。

試驗中采用TPS系列渦輪增壓器，壓比最高為4.5，此次75%負荷工況點的壓比約為3.3，高壓比增壓器的使用造成缸內壓縮壓力的提高，影響油束的貫穿力，不利于燃油與空氣混合。為改善高壓比的不利影響，試驗中提高了泵端壓力，額定工況泵端壓力可達120 MPa，可以提供給油束更高的貫穿力和霧化效果，有助于改善缸內燃燒和減少排放污染物的生成。

2.1.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下CO排放曲線如圖1所示。由圖1可知：1)噴油壓力為92～103 MPa時，隨噴油壓力增加，尾氣中CO質量分數由30%下降至21%左右；2)噴油壓力大于103 MPa時，尾氣中CO質量分數略微上升，大于107 MPa時，CO質量分數基本不變。CO質量分數下降的原因為：提高噴油壓力可有效提高燃油的霧化質量，使得油氣混合更加均勻，改善燃燒，顯著減少CO的排放；此外，隨著燃燒質量的提高，缸內最高燃燒溫度和壓力均相應增加，O2充足，部分CO轉化為CO2，進一步減少了CO的生成。由于燃燒室為小渦流比設計，噴油壓力提高至一定值后，油氣混合改善不明顯， CO質量分數基本不變。

圖1 不同噴油壓力下的CO排放曲線

2.1.2 供油提前角的影響

不同供油提前角的CO排放曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著供油提前角對應的曲軸轉角由9°減小至5°，尾氣中CO質量分數呈現整體上升趨勢。分析其原因為：本次試驗用柴油機渦流比較小，為1.0，隨著供油提前角的減小，噴油靠近上止點，部分燃油噴落至燃燒室壁面，導致缸內燃燒惡化，缸內最高燃燒溫度降低，產生大量CO。

圖2 不同供油提前角的CO排放量曲線

供油提前角的變化對柴油機的缸內燃燒過程影響較大，較小的供油提前角改變也會導致部分工況出現冒黑煙的情況。

2.2 噴油壓力和供油提前角對NOx排放的影響

柴油機排放的NOx中，NO2占比較小，NO占比最大，NO的主要來源是空氣中參與燃燒的N2，因此重點對NOx排放中的NO進行試驗分析。N2生成NO的化學反應機理是擴展的澤耳多維奇(Zeldovitch)機理[10-11]。在過量空氣系數為1附近，空氣中NO生成和消失的主要反應為：

在較濃的混合氣中同時也有反應:

影響柴油機NOx排放的主要因素是缸內的燃燒溫度、O2的濃度，隨著缸內燃燒溫度的升高，NOx的生成呈指數急劇增長。為了抑制NOx生成，必須保證較低的缸內燃燒溫度以及燃燒時較低的O2濃度。

2.2.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下NOx排放曲線如圖3所示。由圖3可知：噴油壓力由92 MPa提高至107 MPa，尾氣中NOx的質量分數呈緩慢上升趨勢，由56%升高至61%。其原因為：隨著噴油壓力的不斷提高，噴油速率增加，滯燃期內形成的混合氣增加，燃燒擴散速度加快，燃燒持續期減小，燃燒得到明顯改善，各缸平均爆發壓力由12.9 MPa升高至13.2 MPa，缸內最高溫度升高，NOx排放相應增加；此時柴油機燃燒室內的過量空氣系數較大，O2充足，在高溫富氧的條件下，導致NOx排放相應增加。

圖3 不同噴油壓力下的NOx排放變化

2.2.2 供油提前角的影響

不同供油提前角下NOx排放曲線如圖4所示。由圖4可知：供油提前角對應的曲軸轉角由10°減小至5°，NOx質量分數由64%降低至35%，降幅明顯。分析其原因為：隨著供油提前角的減小，滯燃期內形成的混合氣減少，燃燒持續期增加，導致缸內最高燃燒溫度和壓力均下降， NOx生成量減小；但隨著供油角度的不斷減小，缸內燃燒惡化，燃燒持續期加長并產生后燃，對柴油機的經濟性產生不利影響。

圖4 不同供油提前角下的NOx排放變化

減小供油提前角是降低NOx排放的有效手段，但調整供油提前角降低排放的同時，應同步優化燃燒過程，使燃燒更完全，保證柴油機性能。

2.3 噴油壓力和供油提前角對PM排放的影響

運行工況對柴油機PM排放的影響較大，其中排氣溫度對PM的影響尤為明顯，排氣溫度不同，PM會呈現不同形態，當排氣溫度過高時，一般呈現碳質微球的聚集體，稱為碳煙；當排氣溫度過低時，碳煙可吸附多種有機物。碳煙是柴油機污染物的排放問題核心。碳煙一般是在高溫和缺氧條件下生成，因此改善柴油機的油氣混合均勻性，是降低PM的有效措施。

2.3.1 噴油壓力的影響

不同噴油壓力下PM排放曲線如圖5所示。由圖5可知：噴油壓力由92 MPa增大至107 MPa，尾氣中PM質量分數由14.0%降至8.5%左右，降幅顯著。其原因為：隨著噴油壓力的提高，燃油霧化更均勻，促進燃油與空氣的混合，改善油氣混合的宏觀及微觀均勻性，局部缺氧地區明顯減小，預混燃燒比例增加，缸內燃燒充分，從而有效降低PM排放。

圖5 不同噴油壓力下的PM排放曲線

2.3.2 供油提前角的影響

不同供油提前角的PM排放曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著供油提前角對應的曲軸轉角由10°減小到5°，尾氣中PM質量分數由9.0%提高至14.0%。其原因為：隨著供油提前角的減小，滯燃期內形成的混合氣減少，導致整個燃燒過程中油氣混合不均勻，燃燒持續期增加，擴散燃燒比例增大，同時出現部分后燃現象，從而導致排氣溫度過高，導致PM大量生成。

圖6 不同供油提前角的PM排放曲線

3 結論

通過改變噴油壓力、供油提前角等條件，在發動機臺架上對船用柴油機污染物的排放進行試驗研究，得到噴油壓力、供油提前角對CO、PM和NOx排放的影響。

1)噴油壓力增大，燃油霧化質量更好，油氣混合更加均勻，燃燒質量提高，減少了CO和PM的排放；缸內最高燃燒質量提高，部分CO轉化為CO2，進一步減少了CO的生成；提高噴油壓力后，缸內燃燒情況得到明顯改善，缸內燃燒最高溫度、壓力升高，導致NOx排放量隨之增加。

2)供油提前角的減小，缸內最高燃燒壓力和溫度均降低，可使NOx排放量顯著降低；但減小供油提前角，燃燒混合氣形成時間縮短，油氣混合不均勻，導致燃燒不完全，排氣溫度升高，CO和PM排放量相應增加。