非道路风冷柴油机降低NOx和PM排放研究

李建新 张东英 刘长振 刘广丰 张洁

（1-中国北方发动机研究所天津3004002-廊坊师范学院）

非道路风冷柴油机降低NOx和PM排放研究

李建新1张东英2刘长振1刘广丰1张洁1

（1-中国北方发动机研究所天津3004002-廊坊师范学院）

为了改善非道路F292风冷柴油机的NOx和PM排放性能，通过试验研究了不同燃烧室、EGR率和供油提前角的影响，在满足发动机动力性及经济性的情况下，优化匹配这些参数，满足美国环保局非道路第Ⅳ阶段排放标准。试验结果表明，EGR率为5.75%、10°CA BTDC供油提前角、燃烧室口径比为0.4和径深比为2条件下性能达到最优。

风冷柴油机EPA排放限值NOxPM

引言

随着各种非道路机械设备的应用范围日趋广泛，非道路小型通用柴油机的需求也在增长，美国、欧盟、日本都在20世纪90年代中期开始研究和制定控制非道路用柴油机的排放法规，其中以美国环保总署（EPA）排放法规最为严格，2008年开始执行第Ⅳ阶段。相比于上一阶段排放法规，对于功率小于19 kW柴油机，CO、NMHC（非甲烷碳氢化合物）及NOx排放限值没有变化，而PM（颗粒物）由0.8 g/kW· h降低到0.4 g/kW·h，下降幅度达到50%。我国也于2014年4月28日发布了非道路用柴油机污染物排放限值Ⅲ、Ⅳ阶段（GB20891-2014）的强制法规，其中对于功率小于19 kW柴油机，中国Ⅲ、Ⅳ阶段的HC和NOx及CO排放限值和EPA TierⅣ阶段一样，但PM限值为0.6 g/kW·h，超过EPA TierⅣ限值50%。

由于国内柴油机厂家开发创新能力和技术储备不足，排放难以达到EPAⅣ阶段限值，产品很难占据美国市场，其市场被Hatz、Lombardini、Kubota等厂商占据。

1 排放控制策略

柴油机采用大过量空气系数压燃的方式工作，除过低的负荷工况外，CO和HC的排放均较低，PM和NOx是解决柴油机排放的重点。由于受燃油在燃烧室分布和燃烧温度的影响，PM和NOx存在着此消彼长的关系。NOx和PM的生成条件，目前广泛采用Φ-T关系简图来解释，如图1所示。燃烧过程中soot（PM的主要成分）生成于1600K以上温度范围、当量比大于2的区域，而NOx主要生成于温度大于2200K、当量比小于1的区域。柴油机燃烧过程穿越了这两个生成区域，在不使用尾气后处理的情况下，同时控制NOx和PM排放的主要办法是控制混合气浓度和燃烧温度，通过EGR技术和燃烧过程控制是解决这一矛盾的有效措施之一。

图1 柴油机燃烧Soot、NOx生成trade-off关系图

EGR技术是降低缸内温度、减少NOx排放最有效的措施之一。废气对进气有一定的稀释作用，降低了氧浓度，同时废气中较多的CO2等多原子分子比热容较大，降低了缸内燃烧温度，进一步降低了燃烧反应速率，这都对NOx的生成起到了一定的抑制作用。与外部EGR相比，内部EGR可去除复杂的管路连接和冷却装置，改动成本小。内部EGR一般通过残留废气或在进气过程中排气门二次开启来实现，减少了外部EGR受进排气压差的影响。缺点是内置EGR不能对排气进行冷却，同时由于难以精确控制废气流量，所以EGR率不宜过大。同时EGR在降低NOx排放的同时也造成了PM排放的增加以及燃油经济性的恶化。

供油提前角大小直接影响着缸内燃烧过程，增大供油提前角，使得燃烧滞燃期加长，缸内最高温度和压力均增大，可显著降低PM排放和增加燃油经济性。但增大供油提前角使得缸内燃烧温度增加，NOx排放上升，因此供油提前角需和EGR配合共同匹配降低NOx和PM。为此针对一款F292柴油机进行EGR率和供油提前角的最佳匹配研究，达到EPA非道路TierⅣ阶段排放法规要求。

本研究所涉及的F292柴油机主要参数指标如表1所示。

表1 F292柴油机主要参数指标

2 试验方案

本试验主要测试设备有瑞士Kistler公司的6125B01缸内压力传感器，燃烧数据采集与分析系统采用奥地利DEWETRON公司的DEWE800燃烧分析仪，NOx、CO和HC等气体测量使用日本Horiba公司的MEXA-7200D气体排放分析仪，颗粒采集及分析采用奥地利AVL的472颗粒分析仪。噪声采集使用B/K 2209精密噪声计，燃油耗测量采用中成测试的MCS-960的燃油耗仪。试验系统如图2所示。

图2 试验系统布置

3 F292燃烧室方案确定

优化设计燃烧室的几何形状，改善燃油与空气的混合质量，是改善发动机性能和排放的重要措施之一。缩口ω型燃烧室能保持柴油机的动力性、经济性，能够较好地产生涡流和挤流，有利于形成油气混合物，且能加强缸内后期燃烧，有利于降低碳烟排放。F292柴油机设计了三个缩口ω型燃烧室方案，见图3和表2，在压缩比和燃烧室容积基本不变的情况下，通过调整口径比和径深比参数查看常规性能和排放指标。在喷油器突出高度2.4 mm、4×Φ0.235的喷孔试验条件下，无内置EGR的进气系统配置和12°CA BTDC供油提前角的试验工况下，标定点工况性能及排放数据见表3，从表中可以看出燃烧室二的综合性能最优。

图3 燃烧室结构

表2 燃烧室结构参数

表3 不同燃烧室性能指标

4 F292内部EGR和供油提前角标定

4.1 内部EGR标定

F292柴油机内置EGR通过在进气行程过程中排气门二次开启来实现，EGR率主要是通过小凸轮包角及相位来控制。本次试验根据进、排气中的CO2体积分数比值来定义EGR率，试验过程通过日本Horiba公司的MEXA一7200D废气分析仪测量排气和进气的CO2含量。在燃烧室二的试验工况下下，根据初始试验内置EGR小凸轮最大升程1.1～1.5 mm，包角为60～65°CamA下，EGR率约为4～7%，具体见表4。

图4 内置EGR进排气凸轮升程

表4 内置EGR小凸轮方案

4.2 内部EGR与供油提前角优化

为了获得F292柴油机的PM和NOx最佳排放优化，需要对ERG率和供油提前角综合优化，共进行了如表5所示的九种方案，按EPA五工况排放试验结果如图5所示。从图中可以看出，方案五的结果最优，根据进一步的试验及仿真，供油提前角10°CA BTDC下，EGR小凸轮升程最终优化为1.27 mm，包角为62°CamA，EGR率约为5.75%，五工况最终的排放结果：CO为3.968 g/（kW·h），NMHC为1.023 g/（kW· h），NOx为5.037 g/（kW·h），PM为0.296 g/（kW·h）。

表5 内置EGR小凸轮方案

图5 不同EGR率与供油提前角排放数据对比

4.3 可靠性考核

F292柴油机排放及可靠性考核按照美国40 CFR Part1039 Control of Emission from New and IN-use Nonroad Compression-ignition Engines的五工况测试法规进行，相关数据见表6。从中可以看出F292柴油机完全满足EPA第Ⅳ阶段相关气体和PM排放限值，2000h可靠性考核后，气体排放距离限值还有很大的裕度，PM排放距离限值只有4.5%的裕度。

表6 F292可靠性考核指标变化

5 结论

1）内置EGR对降低F292柴油机NOx有显著效果，在5.75%的EGR率条件下，可降低排温27℃，标定工况下降低NOx180×10-6，油耗增加3.4g/（kW·h）；

2）缩口型ω燃烧室在口径比、径深比分别为0.4、2的情况下发动机常规排放性能最佳；

3）F292柴油机在内置EGR率5.75%、供油提前角为10°CA BTDC可获得最佳的NOx和PM优化结果；

4）经2000h可靠性考核后，F292的排放物均在限值范围内，但PM排放距离限值只有4.5%的裕度。

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Study on Reducing NOxand PM Emissions from Non-Road Air-Cooled Diesel Engine

Li Jianxin1，Zhang Dongying2，Liu Changzhen1，Liu Guangfeng1，Zhang Jie1
1-China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）2-Langfang Normal College

In this paper，the effects of combustion chamber geometry，EGR rate and fuel advance angle on emissions from a non-road air-cooled F292 diesel engine are studied in order to reduce NOxand PM，without penalty of performance and fuel economy，optimization matching of those parameters for meeting the 1imits of EPA non-road TierⅣexhaust emission standards.Experimental results show that the performance is optimal with 10°CA BTDC fuel advance angle，5.75%EGR ratio，a combustion chamber with 0.4 calibre-diameter ratio and 2 calibre-depth ratio.

Air-cooled diesel engine，Limits exhaust emission of EPA，NOx，PM

TK421+.5

A

2095-8234（2014）05-0074-04

2014-07-21）

李建新（1979-），男，副研究员，研究方向为内燃机总体设计及性能分析。