喷油压力和提前角对柴油机排放影响的试验研究

李龙，庞振龙，张宁，穆振仟，孙镇

1.淄柴机器有限公司,山东 淄博 255000;2.淄柴动力有限公司,山东 淄博 255000

0 引言

环境保护日益受到全社会的重视，柴油机的发展方向正在从“提升发动机的动力性和经济性”转向“提供绿色环保的清洁动力”[1-3]。文献[4]提高了对船用柴油机污染物排放限值要求。柴油发动机的主要排放物为CO、NOx、CH和颗粒物(particulate matter，PM)[5]，为了降低柴油机的污染物排放，相关学者进行了大量的研究：方平等[6]分析了船舶柴油机排放的烟气污染物种类及其来源,结合发动机台架试验研究了主要烟气污染物的排放规律，指出进行尾气治理是实现船舶尾气达标排放的有效措施；王辉等[7]将柴油-甲醇组合燃烧技术应用到船舶柴油机上,进行台架试验和实船验证,结果表明,船舶柴油机掺烧甲醇后的碳烟和NOx排放均大幅降低,弱化了碳烟排放和NOx排放此消彼长的难题；周金喜[8]基于台架试验从燃油性质、柴油机类型、PM粒径分布、化学组分等方面深入系统地研究排放颗粒物的理化性质,通过理论计算得出船舶废气洗涤器对颗粒物的去除效果。但是关于喷油压力和供油提前角对发动机排放影响的研究较少。

本文中以某船用四冲程中速柴油机为研究对象，采用控制变量法，改变发动机的喷油压力和供油提前角，进行多组对比试验，研究喷油压力和供油提前角对船用柴油机排放的影响，为实现船用柴油机达标排放打下良好基础。

1 试验设备和方案

1.1 试验目的

进行船舶柴油机台架试验，利用排放测试设备对柴油机排气中的CO、NOx和PM进行测量，研究喷油压力、供油提前角对排气污染物的影响规律。

1.2 试验主要装置

试验主要设备有船用四冲程中速柴油机、测功器、柴油机气态污染物和颗粒物排放测试仪器；试验使用的滤纸为碳氟化合物涂层的玻璃纤维滤纸(DOP)，滤纸直径为70 mm，捕集率为95%。柴油机主要技术参数如表1所示，气体成分分析仪技术参数如表2所示。PM质量计量室的温度维持在-40～150 ℃，温度偏差不大于0.1 ℃，相对湿度保持在20%～98%，湿度偏差不大于0.1%，露点温度为9.5 ℃。PM分析天平型号为MSX125P-1CE-DI，测量范围为0.02～60.00 g，分辨率和精度为10 μg。

表1 发动机主要技术参数

表2 气体成分分析仪技术参数

1.3 试验方法

喷油压力测点设置在高压油管与喷油器之间的高压接管上，通过调整燃油凸轮相位调整供油提前角；按照文献[4]中规定的“按推进特性运行的船用主机”的试验循环以及污染物排放计算方法进行试验和计算。对于按照推进特性运行的船用主机，75%负荷工况点的加权系数为0.5，所占比重最大，因此选择对75%负荷工况点(转速为910 r/min、功率为910 kW)进行污染物排放研究。

研究喷油压力对各污染物排放的影响时，将供油提前角(本文中供油提前角均指上止点前曲轴转角，简记为曲轴转角)对应的曲轴转角设置为9°，调整喷油压力进行试验；研究供油提前角对各污染物排放的影响时，保持喷油压力为102 MPa，通过调整燃油凸轮相位调节供油提前角。测量75%负荷工况点各污染物的排放，计算此工况下的污染物比排放，之后换算为各污染物在总排放中的质量分数，要求各步骤相对误差在±2%以内。污染物比排放计算公式为

qm,e=qm,a+qm,f，

(1)

qm,m=μcqm,e，

(2)

g=qm,m/P，

(3)

式中：qm,e为湿基排气质量流量，kg/h；qm,a为湿基进气质量流量，kg/h；qm,f为燃油质量流量，kg/h；qm,m为排放物质量流量，kg/h；μ为质量流量计算用湿基因数；c为某组分的体积分数，%；g为每种气体的比排放，g/(kW·h)；P为试验台测量的净功率，kW。

2 试验结果和分析

2.1 喷油压力和供油提前角对CO排放的影响

目前船用柴油机均采用增压中冷技术，过量空气系数较大，氧气较充足，在发动机正常工况范围内，CO生成量较低[9]。但在柴油机负荷过大时，燃料供给大，与空气混合不均匀，燃烧室局部缺氧区域较多，产生大量CO；柴油机缸内喷射油束中心的空气较少，此处的过量空气系数偏低，CO生成率较高。应提高燃油雾化质量，使燃料与空气混合更均匀，可减少油束中心处CO生成。

试验中采用TPS系列涡轮增压器，压比最高为4.5，此次75%负荷工况点的压比约为3.3，高压比增压器的使用造成缸内压缩压力的提高，影响油束的贯穿力，不利于燃油与空气混合。为改善高压比的不利影响，试验中提高了泵端压力，额定工况泵端压力可达120 MPa，可以提供给油束更高的贯穿力和雾化效果，有助于改善缸内燃烧和减少排放污染物的生成。

2.1.1 喷油压力的影响

不同喷油压力下CO排放曲线如图1所示。由图1可知：1)喷油压力为92～103 MPa时，随喷油压力增加，尾气中CO质量分数由30%下降至21%左右；2)喷油压力大于103 MPa时，尾气中CO质量分数略微上升，大于107 MPa时，CO质量分数基本不变。CO质量分数下降的原因为：提高喷油压力可有效提高燃油的雾化质量，使得油气混合更加均匀，改善燃烧，显著减少CO的排放；此外，随着燃烧质量的提高，缸内最高燃烧温度和压力均相应增加，O2充足，部分CO转化为CO2，进一步减少了CO的生成。由于燃烧室为小涡流比设计，喷油压力提高至一定值后，油气混合改善不明显， CO质量分数基本不变。

图1 不同喷油压力下的CO排放曲线

2.1.2 供油提前角的影响

不同供油提前角的CO排放曲线如图2所示。由图2可知，随着供油提前角对应的曲轴转角由9°减小至5°，尾气中CO质量分数呈现整体上升趋势。分析其原因为：本次试验用柴油机涡流比较小，为1.0，随着供油提前角的减小，喷油靠近上止点，部分燃油喷落至燃烧室壁面，导致缸内燃烧恶化，缸内最高燃烧温度降低，产生大量CO。

图2 不同供油提前角的CO排放量曲线

供油提前角的变化对柴油机的缸内燃烧过程影响较大，较小的供油提前角改变也会导致部分工况出现冒黑烟的情况。

2.2 喷油压力和供油提前角对NOx排放的影响

柴油机排放的NOx中，NO2占比较小，NO占比最大，NO的主要来源是空气中参与燃烧的N2，因此重点对NOx排放中的NO进行试验分析。N2生成NO的化学反应机理是扩展的泽耳多维奇(Zeldovitch)机理[10-11]。在过量空气系数为1附近，空气中NO生成和消失的主要反应为：

在较浓的混合气中同时也有反应:

影响柴油机NOx排放的主要因素是缸内的燃烧温度、O2的浓度，随着缸内燃烧温度的升高，NOx的生成呈指数急剧增长。为了抑制NOx生成，必须保证较低的缸内燃烧温度以及燃烧时较低的O2浓度。

2.2.1 喷油压力的影响

不同喷油压力下NOx排放曲线如图3所示。由图3可知：喷油压力由92 MPa提高至107 MPa，尾气中NOx的质量分数呈缓慢上升趋势，由56%升高至61%。其原因为：随着喷油压力的不断提高，喷油速率增加，滞燃期内形成的混合气增加，燃烧扩散速度加快，燃烧持续期减小，燃烧得到明显改善，各缸平均爆发压力由12.9 MPa升高至13.2 MPa，缸内最高温度升高，NOx排放相应增加；此时柴油机燃烧室内的过量空气系数较大，O2充足，在高温富氧的条件下，导致NOx排放相应增加。

图3 不同喷油压力下的NOx排放变化

2.2.2 供油提前角的影响

不同供油提前角下NOx排放曲线如图4所示。由图4可知：供油提前角对应的曲轴转角由10°减小至5°，NOx质量分数由64%降低至35%，降幅明显。分析其原因为：随着供油提前角的减小，滞燃期内形成的混合气减少，燃烧持续期增加，导致缸内最高燃烧温度和压力均下降， NOx生成量减小；但随着供油角度的不断减小，缸内燃烧恶化，燃烧持续期加长并产生后燃，对柴油机的经济性产生不利影响。

图4 不同供油提前角下的NOx排放变化

减小供油提前角是降低NOx排放的有效手段，但调整供油提前角降低排放的同时，应同步优化燃烧过程，使燃烧更完全，保证柴油机性能。

2.3 喷油压力和供油提前角对PM排放的影响

运行工况对柴油机PM排放的影响较大，其中排气温度对PM的影响尤为明显，排气温度不同，PM会呈现不同形态，当排气温度过高时，一般呈现碳质微球的聚集体，称为碳烟；当排气温度过低时，碳烟可吸附多种有机物。碳烟是柴油机污染物的排放问题核心。碳烟一般是在高温和缺氧条件下生成，因此改善柴油机的油气混合均匀性，是降低PM的有效措施。

2.3.1 喷油压力的影响

不同喷油压力下PM排放曲线如图5所示。由图5可知：喷油压力由92 MPa增大至107 MPa，尾气中PM质量分数由14.0%降至8.5%左右，降幅显著。其原因为：随着喷油压力的提高，燃油雾化更均匀，促进燃油与空气的混合，改善油气混合的宏观及微观均匀性，局部缺氧地区明显减小，预混燃烧比例增加，缸内燃烧充分，从而有效降低PM排放。

图5 不同喷油压力下的PM排放曲线

2.3.2 供油提前角的影响

不同供油提前角的PM排放曲线如图6所示。由图6可知：随着供油提前角对应的曲轴转角由10°减小到5°，尾气中PM质量分数由9.0%提高至14.0%。其原因为：随着供油提前角的减小，滞燃期内形成的混合气减少，导致整个燃烧过程中油气混合不均匀，燃烧持续期增加，扩散燃烧比例增大，同时出现部分后燃现象，从而导致排气温度过高，导致PM大量生成。

图6 不同供油提前角的PM排放曲线

3 结论

通过改变喷油压力、供油提前角等条件，在发动机台架上对船用柴油机污染物的排放进行试验研究，得到喷油压力、供油提前角对CO、PM和NOx排放的影响。

1)喷油压力增大，燃油雾化质量更好，油气混合更加均匀，燃烧质量提高，减少了CO和PM的排放；缸内最高燃烧质量提高，部分CO转化为CO2，进一步减少了CO的生成；提高喷油压力后，缸内燃烧情况得到明显改善，缸内燃烧最高温度、压力升高，导致NOx排放量随之增加。

2)供油提前角的减小，缸内最高燃烧压力和温度均降低，可使NOx排放量显著降低；但减小供油提前角，燃烧混合气形成时间缩短，油气混合不均匀，导致燃烧不完全，排气温度升高，CO和PM排放量相应增加。