淺談非道路三階段陸用發電柴油機性能開發

印志強 劉翀 任憲豐 王懷寬 周飛章

摘要：柴油機的性能開發是影響其排放控制技術及發動機耐久性的關鍵環節，而且我國現階段提出的非道路三階段排放標準需要進一步降低柴油機的NOX+HC排放和PM排放，于是對柴油機整體性能的開發就顯得愈加重要。本文通過定性定量分析陸用發電柴油機的三階段排放性能，闡述了非道路三階段陸用發電用柴油機性能開發過程，通過分析試驗結果，做出調整方向，滿足排放、動力性、匹配方面更加優化。

關鍵詞：非道路三階段;排放;性能開發;匹配

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0015-02

0? 引言

自2014年10月1日起，凡進行排氣污染物排放型式核準的非道路移動機械用柴油機都必須符合《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》的第三階段要求。對柴油機的污染物排放限值加嚴，并且修改采用了歐盟2004/26/EC中關于各功率段耐久性的要求。

1? 中國非道路三階段排放法規及陸用發電柴油機的排放認證工況

通過表1-非道路二階段和表2-非道路三階段的排放限值對比，NOX和HC總和的限值在中國非道路三階段有明顯的降低，PM限值只在37kW以下機型有降低，CO限值在37kW以下機型有降低，非道路三階段同時增加了560kW以上機型的排放與顆粒物的限值要求。

根據“GB/T 8190.4-2010《往復式內燃機 -排放測量-第4部分：不同用途發動機的穩態試驗循環》”，陸用發電柴油機的排放認證工況循環應遵循D2五工況排放試驗循環，見表3。

2? 陸用發電柴油機噴油器試驗選型

對WPX柴油機進行陸用發電用途三階段排放性能開發試驗，柴油機主要參數見表4，系統配置見表5。

為保證柴油機的出廠一致性，將NOX+HC的限值降低到3.6g/kWh（10%的工程指標余量），PM的限值降低到0.16g/kWh（20%的工程指標余量）。

試驗前，通過性能仿真手段優化出兩種噴油器，件號分別是A和B，根據噴油結束時刻計算結果和排放結果進行噴油器優化選型，噴油器參數見表6。

通過摸底試驗，排放結果和額定工況機械限值匯總以圖示形式展示，見圖1，綜合考量對比NOX+HC排放，PM排放，燃油綜合比油耗，渦輪前排溫等參數，A噴油器在燃油經濟性、排放指標等優于B噴油器。

3? 陸用發電柴油機性能開發需要注意的問題

噴油器選型之后，在A噴油器的配置下，進行了性能開發試驗，在試驗過程中匯總了需要注意的問題。

3.1 機械限值

額定工況下中冷前氣壓、爆發壓力超技術條件限值，無論1500r/min還是1800r/min，由于在上止點附近開始噴油，導致有后燃，排氣能量增大，增壓器轉速升高，從而壓端進氣流量增大，導致缸內純壓縮壓力升高，大于缸內的燃燒壓力，最大缸內壓力并不是燃燒壓力。

根據Kistler燃燒分析儀測量數據：1500r/min和1800r/min機型額定工況燃燒始點AI05（燃燒始點）的位置出現在上止點后13～14°CA，而最大缸壓，即圖2、圖3的p-？準示功圖中的第一個波峰位置位于上止點附近，所以，最大缸內壓力并不是燃燒壓力。由于缸內最大壓力（壓縮壓力）出現在上止點左右，會導致在活塞上行過程中阻力加大，不利于燃油消耗的經濟性。

3.2 增壓器性能方面

陸用發電柴油機的性能開發需要兼顧兩種轉速1500r/min和1800r/min，對于固定截面增壓器難度很大，1500r/min中高負荷進氣流量小，過量空氣系數低，導致排溫高，而1800r/min中高負荷進氣流量大，壓氣機出口溫度有超過許用限值的風險。通過本次試驗研究，建議陸用發電柴油機在后期性能開發過程中需要匹配可變截面的增壓器。

3.3 風扇水箱匹配方面

由于陸用發電機型需要具有在環境溫度50-60°C極限環境下工作的能力，故在試驗室模擬了極限環境溫度匹配風扇水箱之后的熱平衡試驗。

渦輪后排溫限值為560±10℃，壓端出口氣溫限值為200～210℃;發動機匹配風扇水箱的性能隨環境溫度變化的試驗結果見表7。

表7 中顯示，隨著壓氣機進氣溫度的升高，1500r/min機型渦輪后排溫先到達限值，1800r/min機型壓端出口氣溫先到達限值，以此為參考基準，我們在實際生產使用時需要降低其功率，規避超過增壓器使用限值的風險。

4? 結束語

對于陸用發電柴油機的三階段性能開發，對噴油器選型、增壓器的選用和匹配是非常重要的一個階段，通過本次性能開發試驗研究，建議：①優化燃燒室結構及相應的噴油策略，加快燃燒速率，降低缸內的壓縮壓力，減小負功，提高燃油經濟性;②陸用發電柴油機需要匹配可變截面的增壓器，提高1500r機型中高負荷的進氣充量，從而降低排氣溫度;降低1800r機型中高負荷的進氣充量，降低壓氣機出口溫度，提高壓氣機的使用壽命，從而在風扇水箱匹配過程中，機型不會因為排溫和壓端溫度的原因降低功率，提高產品的可靠性。

參考文獻：

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