单缸柴油机排放性能的生产一致性控制

刘胜吉, 董 浩, 王 建, 徐 康

(江苏大学汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

我国非道路用柴油机应用广、类型多, 主要应用于农业机械、发电机组等领域．非道路用柴油机中小功率单缸柴油机因价格低、结构简单、维修方便, 符合农业用户的使用习惯,使其在农用机械中有着重要的地位．但柴油机尾气中的NOx等污染物排放日益增加[1], 严重污染环境[2], 对人体健康造成很大危害[3], 为此我国已于2016年12月1日全面实施非道路柴油机第三阶段排放标准(http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201601/t20160118_326597.html.), 使我国的排放标准已与美国等发达国家的排放要求相当[4], 致使目前仅有部分单缸柴油机机型通过环保部门的排放形式核准,但实际满足第三阶段排放要求的单缸柴油机批量生产的还较少,特别是对柴油机排放性能的生产一致性控制不严格,这会让柴油机排放性能不稳定[5],导致柴油机批量生产时有相当数量的产品无法满足排放要求,因此找出影响单缸柴油机排放性能的关键因素尤为重要．本文以S1115型单缸柴油机为样机,拟通过仿真模拟,研究关键参数的偏差对整机排放值的影响．

1 原机基本参数

本文所用样机为常见的S1115型卧式、四冲程、单缸水冷柴油机, 其缸径为115 mm,活塞行程为120 mm, 压缩比为18.0, 总排量为1.25 L．柴油机的标定转速为2 200 r·min-1, 标定功率为15.5 kW．

2 模型建立及验证

2.1 模型及参数

柴油机正常运行时, 主要工作过程包含燃料的喷射及其在缸内的雾化、缸内的空气运动和燃料燃烧[6],故在FIRE软件中主要通过喷雾混合模拟、缸内气体运动模拟以及燃烧模拟对缸内燃烧过程进行数值计算, 选取的模型有气相湍流流动模型、喷雾模型、着火及燃烧模型、NOx生成模型以及碳烟生成模型．具体计算模型及参数选取见表1和表2．

表1 计算模型的选取

表2 边界条件的确定

2.2 模型验证

图1 不同工况下原机缸压的模拟值与试验值对比Fig.1 Comparison between simulation and experiment of cylinder pressure

本文选取柴油机标定工况和最大扭矩工况来检验模型的准确性．图1是原机在不同工况下气缸压力试验值与模拟值的对比．从图1可以看出, 2个工况下缸内压力的试验值与模拟值基本一致,误差在工程规定范围内,表明本文所选模型可用来模拟实际试验过程,符合工程分析的要求．表3是2个工况下NOx的试验值与模拟值的对比．从表3可以看出,所选燃烧模型的模拟数值略低于实际试验数值, 但误差符合工程分析要求,故所选模型可用于模拟实际的试验结果．

表3 原机NOx模拟值和试验值对比

3 重要参数的生产一致性

应用模拟计算得到单一因素变化对排放量的影响规律, 再通过对喷油系统和燃烧系统的优化匹配试验,使样机达到第三阶段排放标准．表4是排放试验结果．对于标定功率19 kW以下柴油机, 第三阶段排放标准中要求3 000 h有效寿命内排放要满足限值, 因此初次试验须留有劣化余量和生产一致性控制偏差,以保证产品有高的合格率．《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求(征求意见稿)》(http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201802/t20180224_431718.htm.)给出的CO、HC、NOx、PM劣化系数分别是1.3,1.3,1.15,1.05, 以此计算得到有效寿命期结束时柴油机CO、HC+NOx和PM符合标准要求的排放值分别是3.25, 6.67, 0.54 g·kW-1·h-1．此时, 优化样机的生产控制参数为供油提前角8 ℃A, 气缸压缩余隙1.0 mm, 油嘴头部伸出气缸盖的高度(简称为油嘴伸出高度)2.6 mm, 喷油器流量1.68 L·min-1．本文以此为基础, 研究参数变化对柴油机排放稳定性的影响,以得到控制柴油机生产一致性的具体措施．

表4 原机优化后的排放试验值

3.1 压缩余隙

压缩余隙对柴油机的性能有很大的影响[8], 压缩余隙的误差有很多因素,主要有气缸垫片厚度、机体的上平面与主轴承孔中心之间的距离、连杆两端孔的中心距等．压缩余隙在实际生产和装配中的误差范围一般控制在±0.2 mm, 故模拟方案中压缩余隙在0.8～1.2 mm之间每隔0.1 mm取一个点, 在保持油嘴伸出高度不变的条件下,对这些方案分别进行排放的模拟分析．图2是压缩余隙的变动对样机NOx和Soot排放量的影响．从图2可以看出,随压缩余隙的减小, NOx的排放量增大, 而Soot的排放量减小,且Soot排放量的变化幅度大于NOx; 因此Soot排放量相对于NOx排放量受压缩余隙变化的影响更大,即合理的压缩余隙对减少颗粒物的排放有重要的作用．经计算, 压缩余隙增加0.1 mm,压缩比降低0.24,同时压缩余隙增大还使燃烧室挤流速度变小,改变了喷油油线在燃烧室轴向的分布,影响燃烧过程,从而改变NOx和Soot的排放量．压缩余隙增加0.1 mm, 两个工况下Soot的排放量增大约7.4%,为了将排放恶化控制在5%以内, 将压缩余隙的变化范围控制在±0.07 mm可以满足排放要求．

3.2 油嘴伸出高度

样机油嘴伸出高度基础方案为2.6 mm, 但在实际的装配过程中,受喷油器垫片精度以及喷油器安装孔加工误差的影响,其变化范围为±0.2 mm, 故在2.4～2.8 mm之间每隔0.1 mm取一个方案进行排放的模拟分析,结果如图3所示．从图3可以看出,油嘴伸出高度的改变, 使Soot的排放量增大, NOx的排放量减小．这是因为油嘴伸出高度的变化,改变了喷油油线在燃烧室轴向的分布[9], 使轴向上油气混合的均匀性变差,改变了燃烧速度, 增加燃烧时间,使Soot排放量增加,而温度下降又使NOx减少．经计算发现,油嘴伸出高度每改变0.1 mm, Soot排放量约增加4.1%, NOx排放量约减少2.3%, 故油嘴伸出高度控制在±0.1 mm范围内较为合适．

图2 NOx和Soot的排放量与压缩余隙变化的关系Fig.2 Relationship between NOxand Soot with changes in compression clearance

图3 NOx和Soot的排放量与油嘴伸出高度变化的关系Fig.3 Relationship between NOx and Soot withchanges in injector protrusion

3.3 喷油器流量

喷油器流量的基础方案为1.68 L·min-1, 产品中的误差在±5%以内,故选取喷油器流量为1.58,1.63,1.68,1.73,1.78 L·min-1进行排放的模拟仿真,结果如图4所示．从图4可以看出,2种工况下随着喷油器流量的增加,NOx的排放量增加, 这是因为喷孔流量增加,喷油速率增大,预混燃烧量增加,提高了缸内温度．而标定工况下Soot的排放量先降低后升高,这是由于喷孔流量适当增加,使喷油时间缩短,加快了缸内燃油燃烧, 降低Soot排放;当喷孔流量过大时,缸内会出现燃料过浓区域,导致不完全燃烧,氧化效果降低,使Soot排放量增加;当喷孔流量降低时,喷油持续时间加长,缸内燃烧温度降低,NOx减少,而Soot增加．喷孔流量每增加0.05 L·min-1, NOx约增加0.58%, Soot约增加0.53%;而喷孔流量每下降0.05 L·min-1, NOx约降低1.13%, Soot约增加3.14%．因此实际生产过程中,要改进喷油器的加工技术,但考虑到加工难度,最终将喷孔流量误差控制在±0.07 L·min-1, 即±4%的偏差, 以保证柴油机可以满足法规的排放稳定性要求．

3.4 供油提前角

供油提前角的基础方案为8 ℃A．供油提前角变化改变了喷油始点和滞燃期, 缸内最高燃烧温度和燃烧终点等随之改变, 影响柴油机的排放结果[10]．在实际生产和装配过程中, 供油提前角的变化范围一般是±(1～2) ℃A, 故在7 ～9 ℃A之间每隔0.5 ℃A选取一个点进行仿真模拟．图5为供油提前角变化对NOx和Soot排放的影响．图5结果显示, 当供油提前角减小时, Soot的排放量增加, NOx的排放量减少; 当供油提前角增大时, Soot的排放量减少, NOx的排放量增加．经计算, 供油提前角每增加0.5 ℃A, Soot的排放量减少约1.5%, NOx的排放量增加约3.6%．综上分析, 供油提前角的变化范围应控制在±0.5 ℃A, 以保证柴油机排放的稳定性．

图4 NOx和Soot的排放量与喷油器流量变化的关系Fig.4 Relationship between NOx and Soot with different flow injectors

图5 供油提前角变化对NOx和Soot排放的影响Fig.5 Relationship between NOx and Soot with fuel supply advance angles

3.5 装配控制参数及验证

上述计算分析过程中, 计算结果Soot排放量变化与柴油机实测颗粒排放量变化一致, 此外Soot排放量增加时, 柴油机燃烧不完全,使HC、CO排放量也升高, 说明对于S1115型柴油机控制装配过程中参数,缩小公差范围很有必要．柴油机颗粒排放除受燃烧过程影响外,还与机油消耗等因素有关,在装配过程中,控制气缸盖螺栓拧紧力矩,减少气缸孔的变形量;控制活塞配缸间隙、活塞环弹力等能减少机油消耗,减小颗粒排放．

依据上述分析结果,在企业对装配工艺的关键参数控制进行小批量验证,严格工艺操作规程,小批生产的S1115型柴油机都能满足非道路柴油机第三阶段排放要求．

4 结论

1) 通过控制装配过程中的关键参数偏差来提高柴油机性能、排放的稳定性和生产一致性,才能在批量生产中生产满足排放标准要求的合格产品．

2) 对影响燃烧性能变化的装配参数用模拟分析方法得出了S1115型柴油机排放结果变化,结果表明:为减小批量生产柴油机排放性能的波动,需要改变生产条件,增加关键参数的控制装备,对现有装配控制参数较大幅度地减小公差范围．

3) S1115型柴油机的压缩余隙、油嘴伸出高度、喷油器流量和供油提前角应分别控制在±0.07 mm,±0.1 mm,±0.07 L·min-1,±0.5 °CA范围内,经小批量生产验证,能保证柴油机排放性能的批量生产一致性．