滿足非四排放標準的農用柴油機試驗研究

張騰，郎曉姣，劉冠麟，尤彥彥，王懷宇，何遠超

(1. 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；3.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

柴油機具有動力強勁、油耗低、可靠性高等優點,作為動力總成占農業機械的95%以上。但是隨著農業機械迅速發展,其面臨著污染排放量大、在偏遠農村使用范圍廣、排放控制技術落后等一系列的問題,這些問題使國內農業機械的排放物日益成為主要污染源[1]。孫俊華等[2]對江蘇省農業機械的排放情況進行調查發現,江蘇省農業機械單機排放的NOx是機動車的2.0倍多。為此,生態環境部在2020年對《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)》進行了修訂,不僅對非道路用柴油機尾氣排放作了明確限制,還要求在2022年全面實施該排放標準[3]。

柴油機的燃燒方式為擴散式燃燒,這就會導致柴油機缸內混合氣不均勻,部分混合氣處于高溫富氧狀態,因此氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)為主要尾氣排放污染物[4]。SCR可以有效處理氮氧化物,但是其需要貴金屬作為催化劑,成本較高;同時需要空間安裝,這些都是農用機械的痛點。因此,廢氣再循環(exhaust gas refricalation,EGR)技術成為農業機械上理想的降低NOx排放的方案。謝緯安等[5]在采用EGR農用單缸發動機上研究發現在高負荷下EGR率增加后,NOx排放明顯降低,同時Soot升高,在引入生物柴油對柴油進行改質后,可以有效降低Soot。陳貴升等[6]研究發現在相同NOx排放時,提前主噴角度可以有效降低煙度;在高轉速大負荷時,主噴角度推遲后Soot先降低后升高,因為發動機不同運行工況上存在一最優CA50和燃燒持續期,此時油耗率最低。鄭佳等[7]研究發現柴油機在使用EGR技術后NOx排放降低,但Soot排放增加。由此可知EGR技術可以有效降低NOx排放,但是Soot排放會升高,因此需要通過EGR率、噴油器的匹配,降低NOx排放的同時抑制Soot快速上升,同時降低油耗率。

本文以滿足非四排放的某農用機械拖拉機用柴油機為研究對象,研究EGR率與噴油器安裝方式對發動機經濟性的影響,為農業機械用EGR柴油機在滿足排放法規時進一步提高經濟性提供參考。

1 試驗方案和設備

1.1 試驗樣機及設備

在本文中試驗用柴油機滿足非道路四階段排放法規要求,采用技術路線為EGR +氧化催化轉換器(diesel oxidation catalyst, DOC)+柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter,DPF)。發動機的主要技術參數見表1,試驗主要測量設備見表2。

表1 發動機主要技術參數

表2 試驗用主要測量設備

1.2 試驗工況點

由于農業柴油機在實際運行時主要集中在中高負荷區域,因此在本研究中主要以工況點一:1 500 r/min、450 N·m和工況點二:1 700 r/min、650 N·m兩個工況點進行相關試驗研究。

1.3 試驗方法

試驗中利用標定工具對柴油機的軌壓、噴油時刻等相關參數進行調整。通過發動機控制單元對EGR閥開度進行調整從而改變EGR率,噴油器錐角的變化則是通過調整噴油器墊片的厚度實現。由于當前農用柴油機在應用時主要是考慮其經濟性和排放性,所以本文以經濟性和排放性為主要研究重點。

1.4 柴油機EGR系統構成

EGR系統按照廢氣來源方式可分為內部EGR和外部EGR兩種形式。由于內部EGR配氣機構要求較高且EGR率精度控制較難,因此該研究對象的柴油機采用外部EGR[8]。該EGR系統主要由EGR冷卻器、EGR閥及相關管路構成。柴油機尾氣中部分氣體經過EGR冷卻器、EGR閥及相關管路進入進氣管與空氣混合,而后進入缸內參與燃燒。其中EGR率是通過進氣中CO2含量與尾氣中CO2含量進行計算的。由于空氣中CO2的含量幾乎為0,所以在實際進行EGR率測量時通常忽略大氣中CO2的含量,因此EGR率的計算采用公式

式中:REGR為柴油機EGR率;CCO2,in為發動機進氣中CO2的含量;CCO2,air為大氣中CO2的含量;CCO2,out為發動機尾氣中CO2的含量。

2 試驗結果分析

2.1 噴油器墊片厚度對發動機排放的影響

噴油器油嘴安裝深度指的是噴油嘴頂端到柴油機缸蓋的長度,該長度對噴油器的噴油空間有較大的影響。噴油器墊片越厚,噴油器油嘴的伸出量越小,反之亦然。本文選取了2.0、1.5、1.0、0.5 mm 4種不同厚度的噴油器墊片對噴油器油嘴的伸出量進行調節,可等效于不同噴油器錐角試驗。表3給出了柴油機在不同墊片厚度下的NRTC排放值。由表3可知,隨著噴油器墊片減薄,柴油機排放趨勢變好,這主要是因為當噴油器墊片厚度減薄后,噴油器油嘴伸出量變長,燃油分子主要噴射在活塞上表面,與空氣混合程度趨于良好,發動機性能優異。但是噴油器墊片過厚時,若噴射壓力不變,則噴油器工作時油路長度增加,在油束末端壓力不足或者噴在活塞頂部表面導致燃油分子混合程度下降,發動機性能發生下降[9]。隨著墊片的持續減薄,柴油機排放又開始惡化,這主要是因為噴油器墊片減薄后噴油器油頭凸出高度增加,而噴油器在工作時燃油會進入到活塞上燃燒室的凹坑中,燃油分子處于局部較濃的狀態,而活塞上部的空氣利用率偏低,導致燃油與空氣混合不均勻,燃油不能充分燃燒,使得柴油機經濟性變差、排放惡化。在該試驗發動機中,當噴油器墊片為1 mm時,發動機氣缸中空氣與燃油混合更充分,燃燒更加充分,發動機性能更好。因此,在該研究對象中選擇墊片為1 mm的噴油器對柴油機進行開發。

表3 柴油機在不同墊片厚度下的NRTC排放值

2.2 EGR對發動機排放的影響

對于柴油機排放影響較大的就是發動機缸內氧含量以及缸內燃燒溫度[10]。柴油機在使用EGR技術后,可以在有效降低缸內溫度的同時降低氧的相對含量,此時可以有效抑制NOx的排放,但是此時有利于Soot生成,因此有必要研究EGR對發動機排放的影響。圖1給出了EGR率對發動機NOx和Soot排放的影響。由圖1可知,隨著EGR率的上升,NOx排放下降,但是Soot排放上升。與低負荷相比,柴油機在中高負荷工況時采用EGR技術可以更為有效降低NOx排放,降幅與低負荷相比高3%左右。這是因為柴油機在中高速負荷運行時,需要較大的EGR率,此時缸內廢氣不僅可以有效地稀釋缸內混合氣的燃油分子濃度、增加進氣量,還可以提高缸內混合氣的熱容比,降低缸內燃燒溫度,降低NOx的排放[11-12]。但是,如果EGR率過高,極易引起柴油機缸內燃燒惡化、排放變差和經濟性降低。

(a) 工況一

2.3 EGR和噴油提前角協同作用對發動機影響

2.3.1 排氣溫度變化

(a) 工況一

柴油機的排氣溫度可以表征柴油機缸內的燃燒程度,同時影響發動機的可靠性,因此有必要研究發動機排氣溫度的變化。圖2給出了柴油機排氣溫度在固定噴油時刻時隨著EGR率的變化曲線。由圖2可知,隨著EGR率的增加,柴油機的排氣溫度上升,發動機排氣溫度最高為463 ℃,滿足發動機排氣系統設計要求。低負荷時EGR率每升高1%,排氣溫度升高3 ℃左右;高負荷時EGR率每升高1%,排氣溫度升高5 ℃左右。這是因為,當EGR率增加后,缸內混合氣量增加,氧含量占比相對降低,燃燒持續期延長,后燃期相對延長,使柴油機排氣溫度升高;同時EGR進入柴油機進氣管后,缸內混合氣溫度較高,因此排氣溫度也上升[13]。

2.3.2 柴油機燃油消耗率

等NOx排放時噴油提前角和EGR率對燃油消耗率的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著噴油提前角的提前,EGR率呈現出升高的趨勢,同時燃油消耗率下降。這是因為噴油提前角推遲在一定程度上可以增加新鮮空氣的進氣量且增加了空氣與柴油的混合時間,可以使柴油分子和空氣分子充分混合,在柴油機燃燒工作的過程中著火延遲期可以得到延長;同時,EGR的使用增加了柴油機進氣量,使柴油混合氣濃度降低,減少了柴油機缸內局部混合偏濃的狀態,使柴油分子實現更充分燃燒,因此可以有效地降低柴油機的油耗率。在噴油提前角推遲后,著火延遲期延長、后燃減少的同時會降低缸內的燃燒溫度,破壞了NOx的生成條件,NOx排放降低因此降低EGR率需求[6]。但是在相同NOx排放時,噴油提前角變化和EGR率在不同工況點影響程度不一致。在中低速負荷時,推遲噴油提前角導致柴油與空氣混合時間相對延長,混合氣更均勻,燃燒持續期縮短,但是泵氣損失降低,膨脹比下降帶來的損失較少,因此對柴油機的燃油消耗率影響較小;而在高速大負荷時,噴油提前角推遲導致有效膨脹比降低,殘余廢氣系數增加,造成柴油機燃油消耗率上升幅度較大。

(a) 工況一

2.3.3 柴油機Soot排放

Soot是柴油機微粒的重要組成部分,碳煙生成條件為高溫缺氧,與NOx的生成條件完全相反。483煙度計主要是測量柴油機尾氣中碳煙量(Soot),所以主要是研究在相同NOx排放時Soot的變化情況。圖4給出了在相同NOx排放時Soot隨著噴油提前角和EGR率變化的曲線。

(a) 工況一

與未使用EGR柴油機相比,柴油機在使用EGR后其缸內燃燒滯燃期延長,缸內的柴油分子參與反作用生成的OH等活性基增加,導致煙度排放升高[7,14]。由圖4可知,Soot隨著噴油提前角的提前呈現出上升趨勢,特別是在中高負荷時變化更加明顯。這主要是因為在等NOx排放工況下,柴油機在中高速負荷工況運行時,在噴油提前角的推遲和EGR的共同作用下,柴油機缸內燃燒速率下降,燃燒持續期在一定程度上延長,缸內的溫度會略有下降,導致Soot氧化速率下降進而導致煙度排放上升[15-16]。而在低速負荷工況運行時,噴油提前角推遲可以適當增加新鮮空氣量,減少缸內的局部過濃高溫區域,因此Soot進一步降低。柴油機在工作時,理論上認為缸內燃燒期越短,其循環熱效率越高;但是在實際工作時,由于柴油與空氣的混合程度、燃燒放熱期短等因素的影響,很容易出現局部放熱狀態導致熱效率下降。柴油機在使用EGR后,有效地改善了缸內柴油與空氣混合的均勻性,合適的EGR率可以改善燃燒期,從而提升柴油機燃燒熱效率、提升經濟性。但是柴油機在使用EGR提升經濟性和降低NOx排放的同時,Soot等排放問題需要進行合理控制,避免出現排放過高的問題[17]。當前柴油機在使用EGR技術后,通常搭配燃燒室、進氣系統優化等措施達到改善缸內燃燒狀態的目的,這樣不僅可以降低柴油機排放還可以進一步提升經濟性,對于農用柴油機來講是最佳選擇。由2.2和2.3可知,為了兼顧柴油機的排放性和經濟性,EGR率設定在7.5%～12%,噴油提前角在4°～11°,發動機排氣溫度在430 ～460 ℃,滿足發動機設計要求。

3 結論

通過研究滿足非四排放標準的農用柴油機噴油器安裝深度、EGR率等參數對發動機的經濟性、排放性的影響,得出如下結論:

1)合理的噴油器墊片可以有效改善燃油空氣混合程度,使發動機排放趨于良好。在噴油器墊片為1 mm時,發動機的排放性能最優,因此該農用柴油機選擇噴油器墊片為1 mm。

2)農用柴油機在使用EGR技術后,NOx排放顯著降低但Soot有所上升,可滿足發動機排放要求。其中,發動機在低負荷運行時EGR率每升高1%,排氣溫度升高3 ℃左右;在高負荷運行時EGR率每升高1%,排氣溫度升高5 ℃左右。在中高負荷工況時可以更為有效地降低NOx排放,降幅與低負荷相比高3%左右。

3)在相同NOx排放時,EGR率和噴油提前角共同作用可改變發動機經濟性和排放性。噴油提前角推遲后可以降低對EGR率的需求,同時可以提升柴油機的經濟性,但是對Soot帶來負面影響,特別是高速負荷狀態下更為明顯。為了兼顧經濟性和排放性,在該試驗柴油機上可采用較高的EGR率即7.5%～12%,噴油提前角可適當推遲至4°～11°。