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(yōu)化研究，使用EPAⅣ排放法規(guī)中規(guī)定的八工況測試循環(huán)以及五工況測試循環(huán)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(yōu)化，并最終確定優(yōu)化方案。

關鍵詞：柴油機;EPA;Ⅳ;噴油系統;優(yōu)化設計

一、緒論

作為微型耕種機械、小型拖拉機等農業(yè)機械的主要動力源，非道路小型柴油機在農業(yè)、工業(yè)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(yè)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(jié)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(jié)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(jié)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(guī)規(guī)定使用的八工況測試循環(huán)，以及五工況測試循環(huán)兩種測試循環(huán)開展試驗，研究噴油正時等噴射參數對于發(fā)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(yōu)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(guī)中的發(fā)動機八工況測試循環(huán)，以及五工況測試循環(huán)進行。試驗時測得環(huán)境濕度為50±5%，環(huán)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(guī)定工況下運行，待試驗樣機運行穩(wěn)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(xù)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(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)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(huán)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(guī)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(guī)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(guī)限值為7.5g/kWh。均符合EPA第Ⅳ階段法規(guī)限值。

對試驗樣機安裝氧化催化器DOC后，對五工況試驗循環(huán)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(huán)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(guī)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(yōu)化與標定。最后試驗驗證在優(yōu)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(guī)。

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(fā)展[J].農業(yè)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(huán)柴油機燃燒過程分析及排放性能試驗[J].農業(yè)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(fā)[J].農業(yè)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(fā).2006（4）：19-22.