喷油提前角对JX493柴油发动机烟度及NOx的影响分析

陈齐平，欧阳爱国，肖文龙

（华东交通大学机电工程学院，江西 南昌 330013）

喷油提前角对JX493柴油发动机烟度及NOx的影响分析

陈齐平，欧阳爱国，肖文龙

（华东交通大学机电工程学院，江西 南昌 330013）

以JX493柴油发动机为试验样机，在额定功率转速下分别取50%、75%、100%3个负荷点为研究对象，考察柴油机的喷油提前角为0°～10°时，发动机排放性能的变化情况。试验结果表明：NOx的排放量随着喷油提前角的增大而增大，而烟度的排放随着喷油提前角的增大而有所减少，因此在选择柴油发动机的最佳喷油提前角时，必须综合考虑发动机排气的烟度与排出的NOx。

柴油机；喷油提前角；烟度；NOx

0 引 言

随着社会经济的快速发展和汽车保有量的强劲增长，人们的环保意识不断增强。与汽油机相比，现代柴油机具有效率高、工作可靠、寿命长、油耗低等特点，因此，将柴油机作为主要动力的车辆日益增加[1-3]。随着我国对环境保护提出越来越高的要求，柴油机的排放标准也在不断地提高，在影响柴油机排放的诸多因素中，喷油提前角对柴油机的排放影响较大。研究表明当喷油提前角过大时，燃油会提前喷入燃烧室，此时由于喷油过早，燃烧室压力低，温度未达到一定程度，不能燃烧，等温度达到燃烧温度的时候，燃烧室又有过量燃油，容易发生爆燃，即所谓的燃烧敲缸，从而使机械负荷增大，此时排气温度较低，耗油增加。反之当喷油提前角过小时，又会导致后燃严重，此时排气温度很高，爆压低，冒黑烟，发动机做功少，燃烧效率低。所以，要解决柴油发动机的排放问题，选择合理的喷油提前角就变得尤为重要[4-5]。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备整体布局

图1 试验设备布局示意图

本试验系统布局如图1所示，该系统主要是由发动机、排放测试分析设备、测功机、燃烧分析仪以及油耗仪器等组成。为了确保排放数据是燃油在正常情况下燃烧所得，爆发压力放大器、爆发压力传感器以及环境空调也作为该测量系统的主要辅助设备。本文所使用的主要仪器及其参数如表1所示。

表1 试验设备及主要参数

1.2 试验样机

试验所用样机是一台JX493柴油发动机，其基本参数如表2所示。该发动机的燃油供给系统为BOSCH公司生产的高压共轨系统，其优点是喷油压力的产生不依赖于发动机转速与系统喷油量，且可以根据发动机不同的工况灵活控制喷射压力和喷油量，从而实现低转速高喷射压力、低速高扭矩、低排放及优化燃油经济性的目的。与此高压共轨系统匹配的喷油嘴参数如表3所示。

1.3 试验方法

考虑到汽车在实际道路路面行驶，试验前需要将该发动机经过125h的磨合期试验处理，待各方面性能稳定之后才进行试验。在额定功率转速下取负荷分别为50%、75%、100%的3个负荷点为试验对象，如图2所示。考察柴油机的喷油提前角从0°增加10°时，发动机烟度和NOx排放性能的变化情况。试验结果参考GB 18352.2——2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）》的标准限值[6]。

表2 发动机参数

表3 喷油嘴参数

图2 额定功率转速下的各负荷点

2 试验结果与分析

待热机结束后，依照上述试验方法，分别对3个负荷试验点进行试验。试验结束后将所得数据依次绘制成散点图，表示在发动机转速为3600r/min，功率为80kW时喷油提前角对发动机的烟度排放及NOx排放的影响，如图3、图4、图5所示，分别表示负荷为50%、75%和100%时喷油提前角对发动机烟度及NOx的影响示意图。

2.1 喷油提前角对烟度的影响及分析

图3 负荷为50%时，烟度、NOx随喷油提前角的变化情况

图4 负荷为75%时，烟度、NOx随喷油提前角的变化情况

图5 负荷为100%时，烟度、NOx随喷油提前角的变化情况

烟度主要反映发动机中粒径相对较小且可以悬浮在空气中的颗粒物的排放，烟度能直接反映柴油发动机加速时混合气瞬间过浓导致悬浮颗粒物的生成量。当发动机负荷在50%时，如图3所示，发动机排放的烟度与喷油提前角并不成比例关系，而是随着喷油提前角的增大呈现出先增后减的变化趋势[7]。其主要原因是当发动机负荷较低时，活塞压缩还不充足，提前喷油容易导致燃油过剩从而使混合气瞬间过浓，继而导致发动机排放烟度增大，所以当发动机负荷在50%时，为使发动机烟度排放减少，应该尽量减小喷油提前角。但是当发动机负荷在75%和100%时，如图4和图5所示，随着喷油提前角的增大发动机烟度排放逐渐减小。这是因为发动机在高负荷状态时，活塞压缩较快，这时增大喷油提前角可以使混合气更加充分燃烧从而减少烟度的排放，所以发动机负荷在75%和100%时，为使发动机排放的烟度减少，应该适当增大喷油提前角。综合对比图3、图4、图5可以发现，随着负荷的增加，发动机烟度排放增加，这主要是因为柴油发动机在高负荷状态时其空燃比和温度都相对较高，造成燃烧室的局部地方混合气过浓，从而导致排放物中产生较多的微粒，同时由于氧气不足、柴油中烃分子发生分裂而形成较多的碳烟[8]。并且可以看出，在低负荷状态下喷油提前角对发动机烟度排放的影响不是很大，所以发动机在低负荷状态时其烟度排放不作为确定喷油提前角的主要参考因素；但是，在高负荷状态下喷油提前角对发动机烟度排放的影响很大，所以，为了确保发动机烟度的排放满足相关标准，在选择喷油提前角的数值时需要着重考虑发动机烟度的排放。

2.2 喷油提前角对NOx的影响及分析

柴油发动机NOx的生成量主要取决于柴油机燃烧始点的气缸内温度和其后的缸内温度升高率。图3、图4、图5显示随着喷油提前角增大，发动机NOx排放量增多；这主要是因为喷油提前角过大时会使着火延迟期增大，从而使燃烧室工作粗暴性增强，燃烧室压力升高率急剧上升，继而使发动机的NOx排放量增多，同时伴随着燃烧噪声增加[9]。由于喷油提前角的增大，燃烧始点也开始前移，从而使得燃烧室内的最高燃烧压力、最大压力升高率和最大放热率都逐渐增大；所以，过大的喷油提前角不仅使NOx的排放增加还会对发动机造成严重危害。从图3、图4、图5对比可以发现，随着负荷的增加发动机NOx排放量增多，这是因为柴油机在大负荷条件下工作时，缸内温度较高，同时供给的空气较为充足，但柴油机是在缸内形成混合气，混合气形成时间较短，容易造成混合气不均，使得在某些区域有过量空气存在，导致燃烧室内局部温度很高，继而使NOx大量生成。

3 喷油提前角的优化

当喷油提前角过大，则喷油时刻距离上止点较远，此时活塞往上移动处于压缩冲程，在混合气着火后，气体膨胀阻碍活塞上行，所作负功开始增多，反而会使发动机的油耗增加。当喷油时刻远离上止点时，此时缸内空气密度压力以及温度都较低，会使燃油蒸发、雾化，延长了混合时间，继而使着火延迟期增加、预混合燃烧阶段的油量变多，从而使压力升高率增加，发动机的燃烧噪声也随之增加，导致发动机工作粗暴。当发动机工作粗暴，会使发动机的缸内燃烧温度增加，从而增加了发动机的热负荷，同时也使得尾气中的NOx排放污染物变多，排放性能变差。相反，如果喷油提前角过小，比如在上止点后才开始喷油，活塞正处于下行阶段，缸内的温度和压力会逐渐下降，不利于燃烧室内燃油的蒸发混合，使得很多燃油在未完全混合的情况下就参与燃烧，从而导致燃烧不完全，继而使烟度的排放增加，甚至排气冒黑烟。有时，部分燃油甚至会在排气管中燃烧，发出爆燃的声音，使得发动机功率下降，油耗增加[10]。

结合图3、图4、图5可知，在选择合适的喷油提前角时要兼顾排放烟度和NOx的影响，要使排放满足GB 18352.2——2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）》要求（烟度＜0.06FSN，NOx＜780mg/L）。当负荷为50%时，如图3所示，应使喷油提前角控制在0°左右，此时烟度排量为0.023，NOx的排量为319.3619 mg/L，满足排放要求。同理当负荷为75%时，如图4所示，使喷油提前角控制在6°左右，此时烟度排量为0.037、NOx的排量为632.1467mg/L也满足排放要求。当负荷在100%时，烟度和NOx都较高，要同时满足排放要求较难，此时可以优先考虑烟度，因为NOx可以通过后处理方式消除。所谓后处理方式即通过催化还原法消除NOx，研究常用催化剂包括复合金属氧化物、分子筛催化剂、负载型贵金属、类水滑石化合物。所以，选择喷油提前角为8°左右，此时烟度排量为0.058，NOx的排量为835.9054mg/L。综上所述，通过催化还原的方法可以使得负荷在100%时发动机的NOx降低，所以发动机负荷为100%时，其烟度和NOx均符合国标要求。

4 结束语

通过对JX493柴油发动机进行试验，发现不同负荷下发动机烟度及NOx的排放不同，所以发动机负荷不同时，喷油提前角也应该变化。实验数据表明，当发动机在额定功率转速下负荷为50%时，喷油提前角为0°时最佳，负荷为75%时喷油提前角为6°时最佳，负荷为100%时喷油提前角为8°时最佳。试验结果表明当负荷增加时应适当加大喷油提前角来达到优化排放的目的。

[1]郭红松，张海燕，曹磊.国V柴油对车用柴油机排放影响的试验研究[J].车用发动机，2012（3）：21-23.

[2]Grover P S，Bordelon S H.New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance[J].Polymer，2008（1）：85-87.

[3]汤东，罗福强，夏基胜，等.柴油机燃烧过程及NOx排放的试验研究[J].农机化研究，2006（3）：134-136.

[4]宫长明，谭满志.燃油系统参数对直喷式柴油机性能和排放的影响[J].农业机械学报，2007（5）：14-17.

[5]孙秀英，姜斌.小型柴油机降低排放性能的试验研究[J].农业装备与车辆工程，2012（1）：61-63.

[6]GB 18352.2——2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）[S].北京：中国标准出版社，2005.

[7]安春生.机车柴油机的排放研究 [J].内燃机车，2012（6）：6-8.

[8]李臣译.GE公司PowerHaul柴油机开发[J].国外内燃机车，2011（1）：75-78.

[9]谭丕强，陆家祥，邓康耀，等.喷油提前角对柴油机排放影响的研究[J].内燃机工程，2004，25（2）：9-11.

[10]腾超，卢德华.16V280ZC型柴油机NOx排放性能的优化[J].内燃机车，2012（4）：5-7.

The influence and analysis of injection advance on JX493 diesel engine’s smoke and NOx

CHEN Qi-ping，OUYANG Ai-guo，XIAO Wen-long
（School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Taking JX493 diesel engine as the study object，under the load of 50%，75%and 100% at the rated power speed，Examine diesel fuel injection advance angle from 0 degrees to 10 degrees，the change of engine emissions performance.Experimental results show that NOxwith fuel injection timing increases，smoke injection advance angle increases with the improvement.Therefore，when choosing the fuel injection advance angle，the engine exhaust smoke and NOxcombined effects must be considered.

diesel engine；fuel supply advance；smoke；NOx

U262.11；TK16；TK411+.51；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0124-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.032

2014-04-12；

：2014-06-02

国家自然科学基金（51265015）江西省自然科学基金（20142BAB216026）江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ14392）

陈齐平（1984-），男，江西樟树市人，博士，主要从事汽车检测、电动汽车等方面的研究。