主噴提前角對燃用F-T 柴油高壓共軌柴油機經濟及排放性能影響的試驗研究＊

喬 靖

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

前言

經過許多高校和科研機構多年來的科學研究發現，F-T柴油相比于0#柴油有著其特有的優勢，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動機的顆粒物排放密切相關，F-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，所以可以在發動機上直接燃用F-T 柴油。隨著F-T 柴油生產技術的逐漸成熟，其生產成本得到下降，與0#柴油的價格基本持平，這也為將F-T 柴油單獨燃用于發動機提供了現實基礎。

將F-T 柴油燃用于發動機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降低，就需要考慮調整噴油參數等等其他方法。上海交通大學的王俊席等人[4]研究了噴油提前角對柴慮柴油機性能的影響，研究發現：柴油機的動力經濟性能可以通過增大噴油提前角來實現，而且有害污染排放物的排放量也會得到下降。上海交通大學的黃毅教授[5]調整了柴油機的噴油參數，如噴油壓力、噴油時刻和噴油脈寬等等，使發動機的起動性能得到明顯提高。大連理工大學的王平等[6]研究了發動機的燃燒過程和噴油提前角之間的關系，結果表明：噴油提前角的變化會影響缸內最大燃燒壓力、放熱率、壓力升高率等。

本文在一臺高壓共軌柴油機上燃用F-T 柴油，調整柴油機的主噴提前角，研究不同主噴提前角對發動機的燃燒和排放性能的影響。

1 試驗燃料、設備及方法

本試驗使用的F-T 柴油由山西潞安集團提供，其理化性質如表1 所示。

表1 F-T 柴油的理化參數

臺架試驗所用的柴油機是云內動力有限公司生產的YN33CRD1 四缸高壓共軌柴油機，其主要參數如表2 所示。柴油機原始標定的相關噴油參數為噴油壓力127 MPa，主噴角7.8°CA BTDC，預噴角15.7°CA BTDC 和預噴脈寬266μs。

表2 YN33CRD1 柴油機的主要技術參數

使用昆明鼎擎科技公司生產的MCV100 發動機控制系統對柴油機進行控制，該系統可以控制噴油壓力、主預噴提前角、預噴脈寬等噴油參數；使用6056A41 型預熱塞式電荷壓力傳感器測量缸內壓力，該傳感器有測量精度高，安裝方便等優點；使用ET2500 型油耗儀測量發動機油耗；使用德維創公司DEWE-800-CA-SE 型燃燒分析儀對缸內燃燒情況進行計算分析。柴油機的排放情況則是由AVL 公司生產的Sesam i60 FTIR 多組分尾氣排氣分析儀和微碳煙排放測試系統進行檢測，前者負責檢測柴油機排放物中的NOX、CO、CH、HCHO 和CH3OH 等，后者負責檢測碳煙顆粒物。利用相關油耗測量設備測量3 組燃油消耗量，測量一次燃油消耗量耗時20s，將三次測得的燃油消耗量求平均值作為最終的測量結果。測量發動機排放時，要連續測量排放100 秒，為了減小測量誤差，將前后20 秒的排放數據去掉，選取其中的60 秒的排放數據為最終的排放數據；測量缸壓時，每次要測量150 個燃燒循環，以提高數據的可靠性，分析其中的100 個循環數據，得到燃燒分析結果。

2 主噴提前角對柴油機性能的影響研究

F-T 柴油有著比0#柴油更優異的理化特性，將F-T 柴油燃用于高壓共軌柴油機相比于0#柴油經濟性和排放特性均有所提升，所以為了進一步發揮F-T 柴油的優勢，研究主噴提前角對發動機性能的影響，在不同噴油提前角下進行轉速2000r/min、負荷分別為50%和75%的試驗。

2.1 主噴提前角對柴油機經濟性能的影響研究

圖1 為不同主噴提前角下的有效燃油消耗率對比圖。

圖1 改變主噴提前角后的有效燃油消耗率對比圖

從圖1 中可以看出主噴提前角升高后，柴油機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，有更多時間讓柴油和空氣混合，可以產生更加均勻的可燃混合氣，可燃混合氣燃燒也會更加完全，最終提高發動機的經濟性能。

2.2 主噴提前角對柴油機排放性能的影響研究

2.2.1 主噴提前角對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，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時的NOX排放量增加了90.36%，缸內溫度的升高是NOX排放量增加的主要原因。從圖2 中我們可以看出，缸內溫度隨著主噴提前角的增加而增大，NOX的產生又與缸內溫度有著直接聯系，只有在足夠高的溫度下才會生成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排放對比圖

2.2.2 主噴提前角對碳煙的排放影響

柴油機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比圖。

圖3 改變主噴提前角后的碳煙排放對比圖

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，增加了燃燒的時間，恰好破壞其缺氧環境，燃燒在富氧環境下進行，故SOOT 排放量下降。

2.2.3 主噴提前角對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，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時的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間充分混合，且延長了后期燃燒的時間，可燃混合氣可以更加充分燃燒，進而使缸內溫度升高，更多的HC 會被氧化成為H2O 和CO2[9]。

圖4 改變主噴提前角后的HC 排放對比圖

2.2.4 主噴提前角對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，主噴提前角為10.8°CA BTDC 時的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，也是因為更多的CO 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 排放對比圖

3 結論

通過在一臺高壓共軌柴油機上燃用F-T 柴油，并改變其主噴提前角，可以總結出如下結論：

（1）柴油機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，缸內壓力、缸內壓力升高率、缸內溫度都有不同程度的提升，瞬時放熱率稍有降低。

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