非道路风冷柴油机降低NOx和PM排放研究

2014-02-15 12:44李建新张东英刘长振刘广丰张洁
小型内燃机与车辆技术 2014年5期
关键词:供油凸轮缸内

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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6Patrick M.Merritt.Regulated and unregulated exhaust emissions comparison for three Tier II non-road diesel engines operating on ethanol-diesel blends[C].SAE 2005-01-2193

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。

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