浅谈柴油机突加负荷时的排放烟度控制方法

吴瑞斌，周长旺，王坤程，王 伟，韩云龙，齐 凤

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

0 引言

一般情况下，柴油机采取增压中冷和尾气处理等技术，可以有效降低柴油机稳定运行时的排放烟度和微粒数量。但是在柴油机突加负荷时，往往排放烟度和微粒数量都大幅增加。本文就降低柴油机突加负荷时的排放烟度的方法，如对燃料的性质、瞬态过量空气系数、喷射压力、雾化效果和喷油提前角等进行了初步研究[1]。

1 突加负荷时排放烟度的影响因素

柴油机的碳烟多数情况下是因燃料的不完全燃烧产生的。尤其是突加负荷时，高浓度柴油与空气的混合气体在缸内以非均相高压不完全燃烧，在混合气的火焰扩散时产生大量碳烟。因此增加燃烧程度是降低突加负荷时烟度的重要分析方向。

1.1 柴油的性质

不同性质的柴油，其理化性质不同，突加负荷时时对排放烟度的影响不同。一般来说，蒸发性差的柴油雾化性差，着火性好的柴油气化性差，这些不利因素都会增加碳烟的排放。

1.2 瞬态过量空气系数

有研究表明柴油机的瞬态空气过量系数α 的值，对柴油机突加负荷时的排放烟度具有重要影响。在燃油喷射的主要区域，由于突加负荷时燃油喷量瞬时增加，而空气的增量明显滞后，造成空燃比失衡，如此时瞬态过量空气系数α 值过低，则燃烧不充分，导致排气烟度上升[2]。尤其在柴油机的高负荷功率段，突加负荷往往会造成柴油机超负荷运行，瞬态过量空气系数α 值应重新标定，否则缸内空燃比急剧减小，导致排气烟度迅速上升。因此，有必要对过量空气系数进行调整。

1.3 喷射压力和雾化效果

在柴油机突加负荷时，喷射系统的优劣对排气烟度有一定影响。如果喷油器的喷射压力低且不可调整、喷油嘴的雾化效果差造成油滴颗粒大，则会产生较大的油滴与空气混合，造成燃烧时间缩短、燃烧不充分，导致排气烟度上升。尤其是在每次柴油喷射的尾期，喷油器的喷射压力已经减小到一定程度，喷油嘴的雾化效果随之降低，此时的油滴颗粒直径远大于主喷射阶段，同时这些大颗粒油滴周围的含氧量降低，参与燃烧的时间缩短，也会造成排放烟度上升。

1.4 喷油提前角

如果喷油提前角过小，其滞燃期缩短、燃油蒸发率降低，在突加负荷时，瞬时喷射的大量燃油与空气的混合不充分，造成燃烧速度变慢，燃油一边蒸发一边燃烧，缸内最高压力、温度降低，主燃期产生的碳粒未被充分氧化就被排出，造成排气烟度上升[2-3]。但是，如果喷油提前角设置的过大，将会使与空气预混的柴油量增加，突加负荷时，发动机工作时噪声和震动将会超过设计值，机体本身产生很大的机械负荷。因此，适当增加喷油提前角可以在一定程度上减少排放烟度。

2 降低突加负荷时排放烟度的方法

2.1 选用优质柴油

一般来讲，柴油十六烷值越高，其防爆性越好。而50%馏分温度越低，柴油中的轻组分越多，其蒸发性和着火性也越好，就更有利于缸内燃烧。但是，有研究表明十六烷值并非越高越好。当十六烷值超过65 时，燃料在燃烧室中会迅速裂化，分离出的碳没有时间燃烧，这些未充分燃烧的碳则与废气一起排放，导致燃料消耗过多。因此综合柴油的十六烷值、蒸发性和着火性，选用国V 或国VI 标准的柴油，可以有效降低排放烟度。

2.2 调整瞬态过量空气系数

突加负荷时的喷油量瞬间增加，空燃比会急剧降低，为了使燃油充分燃烧，要供应比理论值更多的空气量。瞬态过量空气系数对碳氧化物、氮氧化物以及碳烟的影响规律，一般是随着α 值的增加，碳氧化物和氮氧化物以及碳烟排放浓度会逐渐降低，当α 值增加到1.05～1.25 时，碳氧化物和氮氧化物以及碳烟会维持在一个较低水平，且随着α 值的继续增加而基本不变。综合突加负荷和平稳运行时的烟气成分，由式（1）、式（2）的计算结果，反复调整瞬态过量空气系数，得到α 最佳范围值为1.11～1.21。

其中，α完为柴油完全燃烧时柴油过量空气系数；α未为柴油未完全燃烧时的过量空气系数；O2、CO、N2为其在排烟中的含量百分数。

2.3 采用高压共轨和电磁喷射系统

采用高压共轨系统，具有很高的喷射压力，在突加负荷时，可以根据负荷的变化实时调整最佳喷射压力和喷射持续时间。它的一般过程是，柴油经高压泵加压后进入高压轨道内，根据负荷的变化，发动机ECU 发出喷射指令，喷油器进行燃油喷射，此时喷射压力由共轨管内的压力传感器反馈至ECU 中，ECU 根据反馈实时调整喷射压力和喷射持续时间。

利用电磁喷射系统，可以连续进行多次喷射，每次喷射的油量更精确、雾化效果更好，使缸内雾化的柴油颗粒充分燃烧，减低排气烟度和NOx的含量[3]。基本原理是：当线圈不通电时，在弹簧的作用下，衔铁与铁芯脱离接触，使电磁阀阀口处于闭合状态；当ECU 发出喷射指令，电磁阀得到指令后，线圈的通电电流逐渐增加，产生的电磁力也逐渐增加，当电磁力大于弹簧力时，衔铁开始运动，电磁阀阀口打开。

2.4 适当增大喷油提前角

通过向前微调喷油提前角，使其滞燃期反应时间随之增加，此时喷油时的缸内气体温度、压力和其他化学反应的速率随之降低，反应时间亦因此迅速增长[1-3]。

滞燃期增长，突加负荷时喷入缸内的柴油就越多，燃油和空气混合时间增长，燃油蒸发率提高，燃烧时压力和温度升高，在主燃期内排出的碳粒可充分氧化，降低排放烟度。滞燃期与喷油提前角的关系曲线如图1 所示，燃油蒸发率与喷油提前角的关系如图2 所示[1-3]。

图1 喷油提前角与滞燃期关系曲线

图2 喷油提前角与燃油蒸发率关系曲线

但有研究表明，随着柴油机的喷油提前角的逐渐增大，虽然可以有效地降低颗粒物的排放，但可能会导致氮氧化物的排放上升。仅靠调节喷油提前角，很难同时满足两者的排放要求，甚至当柴油机的喷油提前角达到一定的数值之后，碳氢化物和碳氧化物的排放也会逐渐增加。因此，适当增加燃油提前角，使柴油机突加负荷是的排放烟度控制在可接受范围内，是极其必要的。

需要注意的是，如果喷油提前角过大，则在主燃期内全部柴油与空气的混合气几乎同时燃烧，此时缸内压力升高率迅速升高，各旋转运动部件受到极大应力，严重时会缩短柴油机的寿命。

2.5 调整前后排气烟度对比

通过对比突加负荷时的林格曼黑度值，来判定排气烟度变化趋势。按每次突加50 kW 负荷，突加负荷后稳定运行5 min，连续进行3 次测试后，取3 次测试结果平均值。可以看到调整后林格曼黑度有明显下降，即表明排气烟度下降（图3）[4]。

图3 每次突加50 kW 的林格曼黑度曲线

3 总结

本文在对燃料的性质、瞬态过量空气系数、喷射压力、雾化效果和喷油提前角进行分析后，通过选用优质燃料、调节最佳过瞬态量空气系数、采用高压共轨和电磁喷射系统和适当增大点火提前角的方法，进行突加负荷测试，来判定排气烟度的变化值。结果发现调整后林格曼黑度值明显下降，表明这些优化措施可以有效降低排气烟度。