基于小型柴油機多噴油參數協同優化的試驗研究

曾正祥，狄亞格，繆雪龍，鄭金保，何佳鑫，李高明

（1.上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620；2.山東福瑞斯動力科技有限公司，東營 257081）

0 概述

內燃機是當今動力機械的主要動力源，是道路、非道路機械和國防裝備的主導動力。在環境污染、全球變暖、能源危機的多重壓力下，發展安全、清潔、高效的內燃機有著重要意義［1-5］。據《機動車環境管理年報（2021）》統計，2020年全國非道路移動機械NOx排放量為478.2萬t、HC排放量為42.5萬t、顆粒物（particulate matter，PM）排放量為23.7萬t，NOx+PM排放量已與機動車排放相當。其中，2020年公布的8 360個機型的非道路移動機械中，93.5%的動力裝置是柴油機，而小型柴油機在農業機械和工程機械中應用廣泛［6］。因此，小型非道路柴油機排放和油耗的優化升級對于環境的改善和國家“雙碳”目標的實現有著重要意義。

中國非道路柴油機第四階段排放法規2022年年底將在全國實施［7］。對于功率37 kW以上的中大型柴油機，先進的排放后處理技術可以使其有效地達到排放法規要求［8］；而對于37 kW以下的小功率柴油機，受成本、體積結構和應用環境等因素的限制，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）、柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）等車用發動機排放控制技術難以直接應用，機內凈化技術成為重要的節能減排手段。文獻［9］中通過控制進排氣門的開閉時刻，引入內部廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）系統，降低了某款小型非道路柴油機的NOx和HC排放量，但導致煙度和油耗增加。文獻［10］中通過計算機仿真對某非道路用柴油機的活塞碗結構、氣門渦流比進行優化，從而降低了發動機污染物排放。文獻［11］中研究了噴射系統對單缸柴油機的影響，結果表明：增大軌壓和主噴正時可以有效改善發動機的油耗，但會導致NOx排放上升。文獻［12］中通過優化燃燒室和標定噴射油量使非道路小型柴油機達到非道路國三排放法規要求。文獻［13］中對某小型農用柴油機的噴油器孔徑、燃燒室結構、配氣定時三者協同優化，有效地降低了NOx和顆粒物的排放。前期的研究結果表明，優化燃燒室結構和燃油噴射系統對小型柴油機的油耗和排放有著顯著影響，而當發動機本體不變時，噴油參數的優化是實現小型柴油機節能減排的重要途徑［14］。

近年來，國內外對噴油策略的研究主要集中在車用重型柴油機，通常協同后處理系統進行噴射參數的優化，基于非道路小功率柴油機的研究非常有限。車用柴油機的研究結論直接應用到小型柴油機上會有較大差異。本研究針對一臺臥式2缸非道路三階段排放水平的小型柴油機，著重探究了軌壓、噴射正時、預噴—主噴間隔、預噴油量對柴油機油耗和排放的影響。在發動機本體不作變更的情況下，對不同工況下的噴油參數協同優化，使柴油機滿足“非四”排放要求，實現產品的全面提升，為大量在用小型柴油機的升級改造和國家“雙碳”目標的實現提供有益的借鑒。

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 試驗發動機

本研究的試驗對象是一臺自主研發的臥式2缸四沖程柴油機，采用高壓共軌燃油噴射系統，柴油機基本參數如表1所示。

表1 柴油機主要參數

1.2 試驗測試系統

柴油機試驗測試系統見圖1，主要包含電力測功機、臺架操作系統、排放分析儀、油耗儀、煙度計、部分流顆粒采集系統、進氣流量計、K型溫度傳感器、壓力傳感器、數據采集系統、發動機的電子控制單元（electronic control unit，ECU）及INCA標定系統。具體試驗設備如表2所示。

圖1 臺架測試系統

表2 試驗臺架測試設備

1.3 試驗方案

本試驗基于非四排放標準8個穩態循環工況，研究柴油機CO排放、HC排放、NOx排放、煙度及比油耗對各噴油參數變化的敏感程度。由于標定工況在穩態循環中占有較大權重，且標定工況下各參變量因子對柴油機性能和排放的影響規律具有代表性，因此本文中重點描述在標定工況點（轉速3 000 r/min、轉矩116 N·m）開展的研究工作。最后，根據各噴油參數的影響規律，對8個工況進行標定優化，使柴油機的油耗符合設計要求，排放達到“非四”法規要求。試驗中的邊界條件為：101.3 kPa的標準大氣壓，進氣溫度25℃，中冷后進氣溫度（45±2）℃，冷卻水溫度（75±2）℃。表3為發動機穩態循環的具體工況點。

表3 8個工況循環試驗表

2 試驗結果分析

2.1 軌壓對柴油機性能的影響

標定工況下，主噴正時在上止點前12°（記為-12°，本文中曲軸轉角為負表示上止點前，曲軸轉角為正表示上止點后），預噴—主噴的間隔為1 ms，單缸預噴油量為1.5 mg時，軌壓對柴油機排放和性能的影響如圖2、圖3所示。軌壓小于140 MPa時，隨著軌壓的增大，發動機的燃油消耗率降低，碳煙和CO的生成量減少，NOx的排放量增加。但當軌壓超過140 MPa時，軌壓繼續增加，比油耗、煙度和CO排放開始增大，NOx排放開始降低，發動機的指示熱效率由上升趨勢轉變為下降趨勢。整個過程中，HC排放的變化不超過0.02 g/（kW·h）。

圖2 軌壓對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖3 軌壓對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

從圖2和圖3可知，軌壓從125 MPa增加到140 MPa時，NOx排 放 從5.14 g/（kW·h）增 加 到5.88 g/（kW·h），有效燃油消耗率從269.70 g/（kW·h）降低到259.77 g/（kW·h），降低了3.7%。在此過程中，隨著軌壓的增加，燃油液滴直徑變小，油氣混合接觸面積增大，油束動能增加，有利于燃油的霧化、蒸發和混合燃燒，縮短了混合氣燃燒所需的物理準備時間，從而實現更加充分的燃燒，故熱效率和NOx排放增加，不完全燃燒產物碳煙和CO排放減少，煙度從0.60 FSN降低到0.38 FSN，降低了36.7%。

當軌壓超過140 MPa后，發動機熱效率和NOx排放開始降低，煙度和CO排放開始上升。這是因為油束的貫穿距延長，缸內湍流運動加劇，燃燒不穩定性增加，壁面附近燃燒比例增大，從而造成燃燒不充分和最高燃燒溫度降低，使NOx排放減少，以CO為表征的不完全燃燒成分增加。此外，軌壓過大導致油泵和摩擦帶來的機械損失功增加，所以比油耗上升，燃燒熱效率降低。

上述結果表明，軌壓對發動機的經濟性能和排放性能有著顯著的影響，在不考慮其他參數的影響時，140 MPa的軌壓是標定工況下軌壓設定值的轉折點。綜合考慮，軌壓應低于140 MPa。

2.2 噴射正時對柴油機性能的影響

標定工況下，軌壓為135 MPa，預噴—主噴間隔為1 ms，單缸預噴油量為1.5 mg時，噴射正時對柴油機排放和油耗的影響如圖4、圖5所示。隨著噴射正時的增大，柴油機的燃燒熱效率上升，有效燃油消耗率下降，煙度和CO的生成量減少，NOx排放量增加，HC排放呈現先增加后下降的變化趨勢。

圖4 噴射正時對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖5 噴射正時對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

噴射正時在-10°～-15°范圍內逐漸增大時，NOx排放從5.18 g/（kW·h）增加到6.07 g/（kW·h），增加了17.2%。噴射正時增大時，主噴油束進入缸內時的背景壓力和溫度降低，噴霧貫穿距延長，滯燃期形成的混合氣增多，從而使得缸內的壓力升高率和峰值溫度變大，油滴蒸發和火焰傳播速度加快，發動機的燃燒重心前移［15］。因此，NOx排放增加，以碳煙和CO為表征的不完全燃燒產物減少，煙度從0.56 FSN降低到0.33 FSN，降低了41.1%。此外，發動機燃燒重心越接近上止點，工質做功的等容度越好，傳熱損失也減少，故熱效率從30.8%提升至33.6%；有效燃油消耗率從277.88 g/（kW·h）下降到255.02 g/（kW·h），下降了8.2%。

從上述趨勢來看，噴射正時的變化對發動機的比油耗、NOx排放、煙度及CO排放的影響較大，對HC排放的影響不明顯。對于不同工況下的噴射正時，需要從油耗和排放的角度折中處理。

2.3 預噴—主噴間隔對柴油機性能的影響

軌壓設置為135 MPa，主噴正時為-12°，單缸預噴油量為1.5 mg時，預噴—主噴間隔對柴油機排放和性能的影響見圖6、圖7。隨著噴射間隔的增大，有效燃油消耗率先下降后上升，煙度先緩慢下降后波動上升，HC排放先上升后下降，呈微小的波動。噴射間隔為1 ms時，煙度和NOx排放最低，比油耗最小。

圖6 預噴—主噴間隔對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

從圖6和圖7可知，噴油間隔為1 ms時，有效燃油消耗率為極小值263.03 g/（kW·h），與圖中極大值267.11 g/（kW·h）相比，下降了1.53%。這是因為在“預噴+主噴”的噴射模式下，噴射間隔為1 ms時，預噴油有充足的時間與空氣混合、蒸發和燃燒，有效地誘導了主噴火焰核心的形成，提高了混合氣燃燒效率，從而使缸內燃燒穩定，發動機油耗降低，不完全燃燒產物減少。當預噴—主噴間隔較小時，預噴階段的燃油沒有完全汽化，主噴就已經開始，弱化了預噴的引燃作用，預噴火焰前鋒與主噴油滴出現火包油的概率增加，從而造成煙度、CO排放和比油耗較大，NOx排放較少。當噴射間隔過大，工質對活塞壓縮時做的負功增加，缸內壓力波動變大，缸內燃燒穩定性變差，從而造成發動機油耗和排放惡化。

圖7 預噴—主噴間隔對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

總體上，預噴—主噴間隔的變化對發動機燃燒熱效率影響相對較大，對各類排放的影響程度相對較小。NOx排放的極大值與極小值之差僅為0.18 g/（kW·h），煙度的變化小于0.05 FSN，HC排放的變化不超過0.02 g/（kW·h）。

2.4 預噴油量對柴油機性能的影響

在標定工況下，設置軌壓為130 MPa，主噴正時為-12°，噴射間隔為1 ms。選取單缸預噴油量為0 mg、1.0 mg、1.5 mg、2.0 mg、2.5 mg，分別占總循環油量的0%、2.4%、3.6%、4.8%、6.0%。預噴油量對柴油機排放和性能的影響見圖8、圖9。隨著預噴油量的增加，發動機的有效燃油消耗率先下降后上升，熱效率先上升后下降，NOx和CO排放逐漸增多，HC排放先快速下降后緩慢上升。

圖8 預噴油量對熱效率、NOx排放、HC排放的影響

圖9 預噴油量對有效燃油消耗率、煙度、CO排放的影響

當預噴量為1.0 mg時，有效燃油消耗率和CO排放取得極小值，有效燃油消耗率為259.6 g/（kW·h），CO排放為6.3 g/（kW·h），比極大值降低了6.1%。合適的預噴油量促進了缸內產生羥基OH等加快燃燒反應速度的自由基生成，混合氣充分燃燒，從而降低了缸內峰值溫度和最大壓力，燃燒效率得到改善。當預噴油量較小時，預噴燃燒釋放的熱量減少，不能創造良好的活化基，壁面激冷效應嚴重［15］，比油耗升高，排放變差。尤其當預噴量為0 mg時，只有主噴過程無預噴過程，缸內燃燒滯燃期延長，燃燒穩定性降低，激冷效應范圍增大，HC排放增加顯著。預噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中，HC排放從極大值0.44 g/（kW·h）降低到極小值0.25 g/（kW·h），降低了42.7%。當預噴量過大時，未燃燒的預噴油量與主噴油量重疊燃燒，導致缸內溫度上升迅速，主噴霧化也受到影響，從而造成燃燒效率下降，以CO為表征的不完全燃燒產物增多。

根據前文所述，軌壓、噴射正時、噴射間隔改變時，HC排放的變化小于0.05 g/（kW·h），對比可知，預噴油量對柴油機HC排放的影響更加顯著。

2.5 噴油參數的協同控制對柴油機的影響

由于噴射正時和軌壓對柴油機排放和油耗影響顯著，預噴量和預噴—主噴的噴射間隔對NOx排放和煙度的影響較小，對燃燒熱效率影響較大。故重點研究軌壓—噴射正時的協同控制對有效燃油消耗率、NOx排放和煙度的影響，及預噴油量—噴射間隔對發動機比油耗的影響，從而獲得各噴射參數較佳的范圍。最終，從重點降低NOx排放的角度進行區域局部掃描優化，獲得噴油參數的最佳組合。

圖10為軌壓—噴射正時對有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響。從圖10可知，大軌壓協同大的噴射正時時，發動機有效燃油消耗率較低，NOx排放較高；小軌壓協同小的噴射正時時，發動機的性能和排放都較差。當軌壓較大時，噴霧質量較好，配合大的噴射正時，缸內的氣流運動更加充分，火焰形成和傳播速度提高，燃燒效率得到有效改善，比油耗降低，不完全燃燒排放減少，NOx排放增加。當軌壓較小時，缸內混合氣的質量變差，若配合小的噴射提前角，將導致燃燒重心后移，燃燒后期的化學能損失變大，發動機有效功減少，比油耗上升，煙度增大。

圖10 軌壓—噴射正時對有效燃油消耗率、煙度和NOx排放的影響

較小的軌壓協同較大的噴射正時可以有效降低NOx排放同時兼顧油耗。雖然小軌壓會降低霧化質量，但機械泵等帶來的機械損失也隨之減小。若配合大的噴射正時，缸內混合氣運動充足，燃燒狀態改善，工質做功的等容度也更好，從而可改善比油耗和排放。故標定工況下，可將軌壓設置在128 MPa～133 MPa范圍內，主噴正時設置在-12.5°～-13.5°范圍內。

圖11為預噴—主噴間隔對有效燃油消耗率的影響。從圖11可知，預噴—主噴間隔在0.85 ms～1.15 ms范圍內時，配合預噴油量在1.0 mg～1.6 mg范圍內，有效燃油消耗率較低。合理的預噴油量和預噴—主噴間隔，使預噴燃油充分蒸發、混合和燃燒，有效地引燃主噴油霧，降低了缸內的峰值壓力和溫度，從而使比油耗下降。最后，對上述4個噴射參數構成的區域進行掃描尋優，優化后的標定工況軌壓為130 MPa，噴射正時為-12.9°，預噴—主噴間隔為1.50 ms，預噴油量為1.50 mg，優化后結果見表4。

圖11 預噴—主噴間隔對有效燃油消耗率的影響

表4 標定工況優化后結果

根據噴油參數對柴油機排放和油耗的影響規律，在原機基礎上快速找到不同工況的參數范圍，利用參數掃描法，完成8個工況的試驗優化。最終的8個工況穩態循環的測試結果見表5。測試結果表明，PM排放、HC+NOx排放、CO排放均遠低于非道路四階段排放法規限值。

表5 8個工況優化后循環測試結果

3 結論

（1）4個噴油參數對發動機的油耗和排放的影響程度從大到小依次為：噴射正時、軌壓、預噴油量、預噴—主噴間隔。噴射正時增大，NOx排放上升，油耗和以煙度為表征的不完全燃燒減少。預噴—主噴間隔對發動機性能和排放影響較小，但每個工況點都存在合適的噴射間隔，使油耗和排放都較低。

（2）適當小的軌壓協同較大的噴射正時可以有效地兼顧柴油機油耗與NOx的排放。標定工況下，相對于大軌壓144 MPa協同小噴射正時-10°等其他的組合方式，軌壓設置在128 MPa～133 MPa范圍內，且主噴正時在-12.5°～-13.5°范圍內時，柴油機性能和NOx排放的綜合表現更好。。

（3）“預噴+主噴”的噴油模式可以有效降低HC排放，HC排放對其他噴油參數的變化敏感性較低，對預噴油量最為敏感。標定工況下，預噴量從0 mg變化到1.5 mg的過程中，HC排放從0.44 g/（kW·h）降低到0.25 g/（kW·h）。試驗過程中，其他噴射參數改變時，HC排放的變化小于0.05 g/（kW·h）。

（4）不同工況下，柴油機的噴油參數都存在較佳的組合區域。與原機相比，優化后的標定工況NOx排放降低了22.48%，有效燃油消耗率降低了2.01%。優化后的8個工況達到非四階段排放法規要求，實現了非道路三階段排放的柴油機排放升級。