曾正祥，狄亞格，繆雪龍，鄭金保，何佳鑫，李高明

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.山東福瑞斯動力科技有限公司，東營 257081）

0 概述

內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)今動力機(jī)械的主要動力源，是道路、非道路機(jī)械和國防裝備的主導(dǎo)動力。在環(huán)境污染、全球變暖、能源危機(jī)的多重壓力下，發(fā)展安全、清潔、高效的內(nèi)燃機(jī)有著重要意義［1-5］。據(jù)《機(jī)動車環(huán)境管理年報(bào)（2021）》統(tǒng)計(jì)，2020年全國非道路移動機(jī)械NOx排放量為478.2萬t、HC排放量為42.5萬t、顆粒物（particulate matter，PM）排放量為23.7萬t，NOx+PM排放量已與機(jī)動車排放相當(dāng)。其中，2020年公布的8 360個(gè)機(jī)型的非道路移動機(jī)械中，93.5%的動力裝置是柴油機(jī)，而小型柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛［6］。因此，小型非道路柴油機(jī)排放和油耗的優(yōu)化升級對于環(huán)境的改善和國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。

中國非道路柴油機(jī)第四階段排放法規(guī)2022年年底將在全國實(shí)施［7］。對于功率37 kW以上的中大型柴油機(jī)，先進(jìn)的排放后處理技術(shù)可以使其有效地達(dá)到排放法規(guī)要求［8］；而對于37 kW以下的小功率柴油機(jī)，受成本、體積結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境等因素的限制，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）、柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）等車用發(fā)動機(jī)排放控制技術(shù)難以直接應(yīng)用，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)成為重要的節(jié)能減排手段。文獻(xiàn)［9］中通過控制進(jìn)排氣門的開閉時(shí)刻，引入內(nèi)部廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）系統(tǒng)，降低了某款小型非道路柴油機(jī)的NOx和HC排放量，但導(dǎo)致煙度和油耗增加。文獻(xiàn)［10］中通過計(jì)算機(jī)仿真對某非道路用柴油機(jī)的活塞碗結(jié)構(gòu)、氣門渦流比進(jìn)行優(yōu)化，從而降低了發(fā)動機(jī)污染物排放。文獻(xiàn)［11］中研究了噴射系統(tǒng)對單缸柴油機(jī)的影響，結(jié)果表明：增大軌壓和主噴正時(shí)可以有效改善發(fā)動機(jī)的油耗，但會導(dǎo)致NOx排放上升。文獻(xiàn)［12］中通過優(yōu)化燃燒室和標(biāo)定噴射油量使非道路小型柴油機(jī)達(dá)到非道路國三排放法規(guī)要求。文獻(xiàn)［13］中對某小型農(nóng)用柴油機(jī)的噴油器孔徑、燃燒室結(jié)構(gòu)、配氣定時(shí)三者協(xié)同優(yōu)化，有效地降低了NOx和顆粒物的排放。前期的研究結(jié)果表明，優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)和燃油噴射系統(tǒng)對小型柴油機(jī)的油耗和排放有著顯著影響，而當(dāng)發(fā)動機(jī)本體不變時(shí)，噴油參數(shù)的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)小型柴油機(jī)節(jié)能減排的重要途徑［14］。

近年來，國內(nèi)外對噴油策略的研究主要集中在車用重型柴油機(jī)，通常協(xié)同后處理系統(tǒng)進(jìn)行噴射參數(shù)的優(yōu)化，基于非道路小功率柴油機(jī)的研究非常有限。車用柴油機(jī)的研究結(jié)論直接應(yīng)用到小型柴油機(jī)上會有較大差異。本研究針對一臺臥式2缸非道路三階段排放水平的小型柴油機(jī)，著重探究了軌壓、噴射正時(shí)、預(yù)噴—主噴間隔、預(yù)噴油量對柴油機(jī)油耗和排放的影響。在發(fā)動機(jī)本體不作變更的情況下，對不同工況下的噴油參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，使柴油機(jī)滿足“非四”排放要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面提升，為大量在用小型柴油機(jī)的升級改造和國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有益的借鑒。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

本研究的試驗(yàn)對象是一臺自主研發(fā)的臥式2缸四沖程柴油機(jī)，采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)測試系統(tǒng)

柴油機(jī)試驗(yàn)測試系統(tǒng)見圖1，主要包含電力測功機(jī)、臺架操作系統(tǒng)、排放分析儀、油耗儀、煙度計(jì)、部分流顆粒采集系統(tǒng)、進(jìn)氣流量計(jì)、K型溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)的電子控制單元（electronic control unit，ECU）及INCA標(biāo)定系統(tǒng)。具體試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

圖1 臺架測試系統(tǒng)

表2 試驗(yàn)臺架測試設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)基于非四排放標(biāo)準(zhǔn)8個(gè)穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況，研究柴油機(jī)CO排放、HC排放、NOx排放、煙度及比油耗對各噴油參數(shù)變化的敏感程度。由于標(biāo)定工況在穩(wěn)態(tài)循環(huán)中占有較大權(quán)重，且標(biāo)定工況下各參變量因子對柴油機(jī)性能和排放的影響規(guī)律具有代表性，因此本文中重點(diǎn)描述在標(biāo)定工況點(diǎn)（轉(zhuǎn)速3 000 r/min、轉(zhuǎn)矩116 N·m）開展的研究工作。最后，根據(jù)各噴油參數(shù)的影響規(guī)律，對8個(gè)工況進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，使柴油機(jī)的油耗符合設(shè)計(jì)要求，排放達(dá)到“非四”法規(guī)要求。試驗(yàn)中的邊界條件為：101.3 kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)氣溫度25℃，中冷后進(jìn)氣溫度（45±2）℃，冷卻水溫度（75±2）℃。表3為發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)的具體工況點(diǎn)。

表3 8個(gè)工況循環(huán)試驗(yàn)表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軌壓對柴油機(jī)性能的影響

標(biāo)定工況下，主噴正時(shí)在上止點(diǎn)前12°（記為-12°，本文中曲軸轉(zhuǎn)角為負(fù)表示上止點(diǎn)前，曲軸轉(zhuǎn)角為正表示上止點(diǎn)后），預(yù)噴—主噴的間隔為1 ms，單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí)，軌壓對柴油機(jī)排放和性能的影響如圖2、圖3所示。軌壓小于140 MPa時(shí)，隨著軌壓的增大，發(fā)動機(jī)的燃油消耗率降低，碳煙和CO的生成量減少，NOx的排放量增加。但當(dāng)軌壓超過140 MPa時(shí)，軌壓繼續(xù)增加，比油耗、煙度和CO排放開始增大，NOx排放開始降低，發(fā)動機(jī)的指示熱效率由上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荨Ｕ麄€(gè)過程中，HC排放的變化不超過0.02 g/（kW·h）。

圖2 軌壓對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖3 軌壓對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

從圖2和圖3可知，軌壓從125 MPa增加到140 MPa時(shí)，NOx排 放 從5.14 g/（kW·h）增 加 到5.88 g/（kW·h），有效燃油消耗率從269.70 g/（kW·h）降低到259.77 g/（kW·h），降低了3.7%。在此過程中，隨著軌壓的增加，燃油液滴直徑變小，油氣混合接觸面積增大，油束動能增加，有利于燃油的霧化、蒸發(fā)和混合燃燒，縮短了混合氣燃燒所需的物理準(zhǔn)備時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更加充分的燃燒，故熱效率和NOx排放增加，不完全燃燒產(chǎn)物碳煙和CO排放減少，煙度從0.60 FSN降低到0.38 FSN，降低了36.7%。

當(dāng)軌壓超過140 MPa后，發(fā)動機(jī)熱效率和NOx排放開始降低，煙度和CO排放開始上升。這是因?yàn)橛褪呢灤┚嘌娱L，缸內(nèi)湍流運(yùn)動加劇，燃燒不穩(wěn)定性增加，壁面附近燃燒比例增大，從而造成燃燒不充分和最高燃燒溫度降低，使NOx排放減少，以CO為表征的不完全燃燒成分增加。此外，軌壓過大導(dǎo)致油泵和摩擦帶來的機(jī)械損失功增加，所以比油耗上升，燃燒熱效率降低。

上述結(jié)果表明，軌壓對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能有著顯著的影響，在不考慮其他參數(shù)的影響時(shí)，140 MPa的軌壓是標(biāo)定工況下軌壓設(shè)定值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。綜合考慮，軌壓應(yīng)低于140 MPa。

2.2 噴射正時(shí)對柴油機(jī)性能的影響

標(biāo)定工況下，軌壓為135 MPa，預(yù)噴—主噴間隔為1 ms，單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí)，噴射正時(shí)對柴油機(jī)排放和油耗的影響如圖4、圖5所示。隨著噴射正時(shí)的增大，柴油機(jī)的燃燒熱效率上升，有效燃油消耗率下降，煙度和CO的生成量減少，NOx排放量增加，HC排放呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢。

圖4 噴射正時(shí)對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖5 噴射正時(shí)對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

噴射正時(shí)在-10°～-15°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，NOx排放從5.18 g/（kW·h）增加到6.07 g/（kW·h），增加了17.2%。噴射正時(shí)增大時(shí)，主噴油束進(jìn)入缸內(nèi)時(shí)的背景壓力和溫度降低，噴霧貫穿距延長，滯燃期形成的混合氣增多，從而使得缸內(nèi)的壓力升高率和峰值溫度變大，油滴蒸發(fā)和火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤l(fā)動機(jī)的燃燒重心前移［15］。因此，NOx排放增加，以碳煙和CO為表征的不完全燃燒產(chǎn)物減少，煙度從0.56 FSN降低到0.33 FSN，降低了41.1%。此外，發(fā)動機(jī)燃燒重心越接近上止點(diǎn)，工質(zhì)做功的等容度越好，傳熱損失也減少，故熱效率從30.8%提升至33.6%；有效燃油消耗率從277.88 g/（kW·h）下降到255.02 g/（kW·h），下降了8.2%。

從上述趨勢來看，噴射正時(shí)的變化對發(fā)動機(jī)的比油耗、NOx排放、煙度及CO排放的影響較大，對HC排放的影響不明顯。對于不同工況下的噴射正時(shí)，需要從油耗和排放的角度折中處理。

2.3 預(yù)噴—主噴間隔對柴油機(jī)性能的影響

軌壓設(shè)置為135 MPa，主噴正時(shí)為-12°，單缸預(yù)噴油量為1.5 mg時(shí)，預(yù)噴—主噴間隔對柴油機(jī)排放和性能的影響見圖6、圖7。隨著噴射間隔的增大，有效燃油消耗率先下降后上升，煙度先緩慢下降后波動上升，HC排放先上升后下降，呈微小的波動。噴射間隔為1 ms時(shí)，煙度和NOx排放最低，比油耗最小。

圖6 預(yù)噴—主噴間隔對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

從圖6和圖7可知，噴油間隔為1 ms時(shí)，有效燃油消耗率為極小值263.03 g/（kW·h），與圖中極大值267.11 g/（kW·h）相比，下降了1.53%。這是因?yàn)樵凇邦A(yù)噴+主噴”的噴射模式下，噴射間隔為1 ms時(shí)，預(yù)噴油有充足的時(shí)間與空氣混合、蒸發(fā)和燃燒，有效地誘導(dǎo)了主噴火焰核心的形成，提高了混合氣燃燒效率，從而使缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)油耗降低，不完全燃燒產(chǎn)物減少。當(dāng)預(yù)噴—主噴間隔較小時(shí)，預(yù)噴階段的燃油沒有完全汽化，主噴就已經(jīng)開始，弱化了預(yù)噴的引燃作用，預(yù)噴火焰前鋒與主噴油滴出現(xiàn)火包油的概率增加，從而造成煙度、CO排放和比油耗較大，NOx排放較少。當(dāng)噴射間隔過大，工質(zhì)對活塞壓縮時(shí)做的負(fù)功增加，缸內(nèi)壓力波動變大，缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差，從而造成發(fā)動機(jī)油耗和排放惡化。

圖7 預(yù)噴—主噴間隔對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

總體上，預(yù)噴—主噴間隔的變化對發(fā)動機(jī)燃燒熱效率影響相對較大，對各類排放的影響程度相對較小。NOx排放的極大值與極小值之差僅為0.18 g/（kW·h），煙度的變化小于0.05 FSN，HC排放的變化不超過0.02 g/（kW·h）。

2.4 預(yù)噴油量對柴油機(jī)性能的影響

在標(biāo)定工況下，設(shè)置軌壓為130 MPa，主噴正時(shí)為-12°，噴射間隔為1 ms。選取單缸預(yù)噴油量為0 mg、1.0 mg、1.5 mg、2.0 mg、2.5 mg，分別占總循環(huán)油量的0%、2.4%、3.6%、4.8%、6.0%。預(yù)噴油量對柴油機(jī)排放和性能的影響見圖8、圖9。隨著預(yù)噴油量的增加，發(fā)動機(jī)的有效燃油消耗率先下降后上升，熱效率先上升后下降，NOx和CO排放逐漸增多，HC排放先快速下降后緩慢上升。

圖8 預(yù)噴油量對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖9 預(yù)噴油量對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

當(dāng)預(yù)噴量為1.0 mg時(shí)，有效燃油消耗率和CO排放取得極小值，有效燃油消耗率為259.6 g/（kW·h），CO排放為6.3 g/（kW·h），比極大值降低了6.1%。合適的預(yù)噴油量促進(jìn)了缸內(nèi)產(chǎn)生羥基OH等加快燃燒反應(yīng)速度的自由基生成，混合氣充分燃燒，從而降低了缸內(nèi)峰值溫度和最大壓力，燃燒效率得到改善。當(dāng)預(yù)噴油量較小時(shí)，預(yù)噴燃燒釋放的熱量減少，不能創(chuàng)造良好的活化基，壁面激冷效應(yīng)嚴(yán)重［15］，比油耗升高，排放變差。尤其當(dāng)預(yù)噴量為0 mg時(shí)，只有主噴過程無預(yù)噴過程，缸內(nèi)燃燒滯燃期延長，燃燒穩(wěn)定性降低，激冷效應(yīng)范圍增大，HC排放增加顯著。預(yù)噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中，HC排放從極大值0.44 g/（kW·h）降低到極小值0.25 g/（kW·h），降低了42.7%。當(dāng)預(yù)噴量過大時(shí)，未燃燒的預(yù)噴油量與主噴油量重疊燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度上升迅速，主噴霧化也受到影響，從而造成燃燒效率下降，以CO為表征的不完全燃燒產(chǎn)物增多。

根據(jù)前文所述，軌壓、噴射正時(shí)、噴射間隔改變時(shí)，HC排放的變化小于0.05 g/（kW·h），對比可知，預(yù)噴油量對柴油機(jī)HC排放的影響更加顯著。

2.5 噴油參數(shù)的協(xié)同控制對柴油機(jī)的影響

由于噴射正時(shí)和軌壓對柴油機(jī)排放和油耗影響顯著，預(yù)噴量和預(yù)噴—主噴的噴射間隔對NOx排放和煙度的影響較小，對燃燒熱效率影響較大。故重點(diǎn)研究軌壓—噴射正時(shí)的協(xié)同控制對有效燃油消耗率、NOx排放和煙度的影響，及預(yù)噴油量—噴射間隔對發(fā)動機(jī)比油耗的影響，從而獲得各噴射參數(shù)較佳的范圍。最終，從重點(diǎn)降低NOx排放的角度進(jìn)行區(qū)域局部掃描優(yōu)化，獲得噴油參數(shù)的最佳組合。

圖10為軌壓—噴射正時(shí)對有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響。從圖10可知，大軌壓協(xié)同大的噴射正時(shí)時(shí)，發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率較低，NOx排放較高；小軌壓協(xié)同小的噴射正時(shí)時(shí)，發(fā)動機(jī)的性能和排放都較差。當(dāng)軌壓較大時(shí)，噴霧質(zhì)量較好，配合大的噴射正時(shí)，缸內(nèi)的氣流運(yùn)動更加充分，火焰形成和傳播速度提高，燃燒效率得到有效改善，比油耗降低，不完全燃燒排放減少，NOx排放增加。當(dāng)軌壓較小時(shí)，缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量變差，若配合小的噴射提前角，將導(dǎo)致燃燒重心后移，燃燒后期的化學(xué)能損失變大，發(fā)動機(jī)有效功減少，比油耗上升，煙度增大。

圖10 軌壓—噴射正時(shí)對有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響

較小的軌壓協(xié)同較大的噴射正時(shí)可以有效降低NOx排放同時(shí)兼顧油耗。雖然小軌壓會降低霧化質(zhì)量，但機(jī)械泵等帶來的機(jī)械損失也隨之減小。若配合大的噴射正時(shí)，缸內(nèi)混合氣運(yùn)動充足，燃燒狀態(tài)改善，工質(zhì)做功的等容度也更好，從而可改善比油耗和排放。故標(biāo)定工況下，可將軌壓設(shè)置在128 MPa～133 MPa范圍內(nèi)，主噴正時(shí)設(shè)置在-12.5°～-13.5°范圍內(nèi)。

圖11為預(yù)噴—主噴間隔對有效燃油消耗率的影響。從圖11可知，預(yù)噴—主噴間隔在0.85 ms～1.15 ms范圍內(nèi)時(shí)，配合預(yù)噴油量在1.0 mg～1.6 mg范圍內(nèi)，有效燃油消耗率較低。合理的預(yù)噴油量和預(yù)噴—主噴間隔，使預(yù)噴燃油充分蒸發(fā)、混合和燃燒，有效地引燃主噴油霧，降低了缸內(nèi)的峰值壓力和溫度，從而使比油耗下降。最后，對上述4個(gè)噴射參數(shù)構(gòu)成的區(qū)域進(jìn)行掃描尋優(yōu)，優(yōu)化后的標(biāo)定工況軌壓為130 MPa，噴射正時(shí)為-12.9°，預(yù)噴—主噴間隔為1.50 ms，預(yù)噴油量為1.50 mg，優(yōu)化后結(jié)果見表4。

圖11 預(yù)噴—主噴間隔對有效燃油消耗率的影響

表4 標(biāo)定工況優(yōu)化后結(jié)果

根據(jù)噴油參數(shù)對柴油機(jī)排放和油耗的影響規(guī)律，在原機(jī)基礎(chǔ)上快速找到不同工況的參數(shù)范圍，利用參數(shù)掃描法，完成8個(gè)工況的試驗(yàn)優(yōu)化。最終的8個(gè)工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)的測試結(jié)果見表5。測試結(jié)果表明，PM排放、HC+NOx排放、CO排放均遠(yuǎn)低于非道路四階段排放法規(guī)限值。

表5 8個(gè)工況優(yōu)化后循環(huán)測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）4個(gè)噴油參數(shù)對發(fā)動機(jī)的油耗和排放的影響程度從大到小依次為：噴射正時(shí)、軌壓、預(yù)噴油量、預(yù)噴—主噴間隔。噴射正時(shí)增大，NOx排放上升，油耗和以煙度為表征的不完全燃燒減少。預(yù)噴—主噴間隔對發(fā)動機(jī)性能和排放影響較小，但每個(gè)工況點(diǎn)都存在合適的噴射間隔，使油耗和排放都較低。

（2）適當(dāng)小的軌壓協(xié)同較大的噴射正時(shí)可以有效地兼顧柴油機(jī)油耗與NOx的排放。標(biāo)定工況下，相對于大軌壓144 MPa協(xié)同小噴射正時(shí)-10°等其他的組合方式，軌壓設(shè)置在128 MPa～133 MPa范圍內(nèi)，且主噴正時(shí)在-12.5°～-13.5°范圍內(nèi)時(shí)，柴油機(jī)性能和NOx排放的綜合表現(xiàn)更好。。

（3）“預(yù)噴+主噴”的噴油模式可以有效降低HC排放，HC排放對其他噴油參數(shù)的變化敏感性較低，對預(yù)噴油量最為敏感。標(biāo)定工況下，預(yù)噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中，HC排放從0.44 g/（kW·h）降低到0.25 g/（kW·h）。試驗(yàn)過程中，其他噴射參數(shù)改變時(shí)，HC排放的變化小于0.05 g/（kW·h）。

（4）不同工況下，柴油機(jī)的噴油參數(shù)都存在較佳的組合區(qū)域。與原機(jī)相比，優(yōu)化后的標(biāo)定工況NOx排放降低了22.48%，有效燃油消耗率降低了2.01%。優(yōu)化后的8個(gè)工況達(dá)到非四階段排放法規(guī)要求，實(shí)現(xiàn)了非道路三階段排放的柴油機(jī)排放升級。