国六轻型柴油机PN排放试验研究.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n设计研究国六轻型柴油机P N排放试验研究宋军太,王明明,张勇,房瑞雪(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 )摘要:为探究国六柴油机P N排放的影响因素,本文以某国六轻型柴油机为研究对象,研究万有工况P N原排的分布特点,以及主喷提前角、轨压、预喷、近后喷、E G R率、进气节流阀开度等参数对单一工况P N原排和WH S C循环P N排放的影响;同时还研究了P N排放和NO x排放之间的相关性.研究结果表明:万有工况,随着转速增大,P N排放整体上呈上升的趋势,随着扭矩的升高,P N排放呈降低的趋势;主喷提前角、轨压、E G R率对P N排放的影响较显著;而预喷间隔角、预后喷油量对P N排放影响较小;P N比排放与NO x比排放存在此消彼长的T r a d e o f f关系,并且存在一个拐点,当NO x比排放低于拐点后,P N比排放会大幅度上升.对于WH S C循环,增加主喷提前角与轨压可以较大程度降低P N排放,但NO x排放会增加明显.关键词:P N排放;柴油机;E G R;NO x中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()S t u d yo nP NE m i s s i o no fC H I N A L i g h tD i e s e lE n g i n eS o n gJ u n t a i,W a n gM i n g m i n g,Z h a n gY o n g,F a n gR u i x u e(W e i c h a iP o w e rC o,L t d,S h a n d o n gW e i f a n g )A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r et h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fP Ne m i s s i o no fCH I NA d i e s e l e n g i n e,t h i sp a p e rt a k e saCH I NA d i e s e l e n g i n ea s t h er e s e a r c ho b j e c t t os t u d yt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fP No r i g i n a l e m i s s i o nu n d e ru n i v e r s a l c h a r a c t e r i s t i c s,a n dt h ee f f e c t so f I n j e c t i o na d v a n c eA n g l e,r a i lp r e s s u r e,p r e i n j e c t i o n,n e a rb a c k i n j e c t i o n,E G Rr a t e,i n t a k et h r o t t l ev a l v ea n do t h e rp a r a m e t e r so nP No r i g i n a l e m i s s i o nu n d e rs i n g l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dWH S Cc y c l eP Ne m i s s i o n T h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nP Ne m i s s i o na n dNO xe m i s s i o nw a sa l s os t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a t:U n i v e r s a l c h a r a c t e r i s t i c s,P Ne m i s s i o n i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f e n g i n es p e e d,a n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft o r q u e;I n j e c t i o na d v a n c eA n g l e,r a i lp r e s s u r ea n dE G Rr a t eh a v es i g n i f i c a n t e f f e c t so nP Ne m i s s i o n;P r e i n j e c t i o ni n t e r v a lA n g l ea n dp r o g n o s t i ci n j e c t i o nv o l u m eh a dl i t t l ee f f e c to nP Ne m i s s i o n T h e r e i saT r a d e o f f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nP Ns p e c i f i ce m i s s i o na n dNO xs p e c i f i ce m i s s i o n,a n d t h e r e i s a n i n f l e c t i o np o i n t Wh e nNO xs p e c i f i c e m i s s i o n i s l o w e r t h a nt h e i n f l e c t i o np o i n t,P Ns p e c i f i ce m i s s i o nw i l l i n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y F o rWH S Cc y c l e,i n c r e a s i n g t h e I n j e c t i o na d v a n c eA n g l e a n d r a i l p r e s s u r ec a ng r e a t l yr e d u c eP Ne m i s s i o n,b u tNO xe m i s s i o nw i l l i n c r e a s es i g n i f i c a n t l y K e yw o r d s:P NE m i s s i o n;D i e s e l;E G R;NO x作者简介:宋军太(),男,山东潍坊人,工程师,工学硕士,主要研究方向为柴油机电控标定与性能排放开发.引言大气中各种颗粒物的超标是引发雾霾天气的最主要因素,尤其是PM (即细颗粒物)被认为是造成雾霾天气的“元凶”.细颗粒物粒径较小,比表面积较大,富含大量有毒有害物质并且能长时间停留在大气中,现已成为我国当前首要大气污染物,对大气环境质量、农业生产、人体健康等各方面造成严重的影响.我国机动车排放已成为大气环境中细颗粒物的主要来源之一,其中柴油车颗粒物排放占到了机动车尾气排放的 .因此降低柴油机颗粒物排放对改善空气质量具有重要意义.随着 年G B 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)标准的正式公布,法规对于颗粒物的排放限值进一步加严.与G B 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车污染物排放限值及测量方法(中国、阶段)相比,本标准中,PM排放限值降低,并且首次提出对颗粒物数量(P N)的限值要求.国六柴油机存在两种呼吸器系统,一种是闭式系统(曲轴箱废气导回到增压器入口),此种呼吸系统排放较低(尤其是P N排放),但存在污染增压器和中冷器,可靠性差等缺点.另一种是开式循环系统,由于是曲轴箱废气直接接入到后处理之后的排气管,所以不会影响增压器和中冷器,可靠性好.但同时曲轴箱中的废气未经过处理,这样会导致排放增大(尤其P N排放),对企业满足国家环保部认证及工信部抽检要求提出更严峻的挑战.虽然已有大量学者对柴油机颗粒物质量(PM)进行了研究,但对柴油机颗粒物数量(P N)的研究(尤其是原机P N排放)涉及的比较少.闫姗姗等运用透射电镜对微米颗粒物的形貌、粒径等微观结构进行了研究;王建海等研究了稳态循环(E S C、WH S C)和 瞬 态 循 环(E T C、WHT C)中 经 过 年第 期D P F捕集后的尾气中排气背压变化率绝对值峰值和颗粒物数量浓度瞬态峰值的关系,并且统计了颗粒物粒径分布特征;熊兴旺等对比了双级D O C P O C串联系统和单组D O C P O C系统对柴油机排放的影响,指出双级D O C P O C串联系统能更好降低PM及P N排放,并能够克服油品变差对颗粒物排放的影响.本文基于某一国六轻型E G R发动机进行试验,研究了该款发动机在整个万有工况中P N原排的分布特点,以及主喷提前角、轨压、预喷间隔角,预后喷油量、E G R开度、节流阀开度等参数对单一工况P N原排和全球统一稳态循环(WH S C)P N原排的影响;同时还研究了P N原排和N O x之间的相关性,对国六轻型发动机开式呼吸器系统P N排放的控制提供指导作用.试验对象本文试验对象为满足国六排放法规的某轻型发动机,该发动机采用电控高压共轨燃油喷射系统普通放气阀涡轮增压器T VAE G RD O CD P FS C RA S C的技术路线,表给出了试验用发动机技术参数.本试验中的排放是指发动机的原机排放,即在后处理上游测量P N排放与N O x排放.表试验用柴油机基本技术参数表进气方式气缸数功率/k W排量/L增压中冷 测量设备及油品本试验采用西门子公司的电力测功机进行扭矩与功率测量,采用直采气体排放分析仪ME X A 进行N O x排放与E G R率测量,采用AV L 颗粒计数器进行颗粒物数目(P N排放)的测量;试验采用燃油为国六标准柴油.表给出了试验中所用的测量设备信息,表所示为试验用柴油关键指标.表试验用测试设备信息测功机气体分析仪P N设备进气流量计电力测功机ME X A D E G RAV L A B B 西门子HO R I B AAV LA B B表国六标准油技术指标燃油密度/(k g/m)十六烷值硫含量/(m g/k g)国六柴油 试验方法本文首先采集发动机整个万有工况的P N排放,然后对某固定工况采用控制变量法采集主喷提前角、轨压、E G R率、预喷、后喷等参数变化时,P N排放与N O x排放随这些参数的变化规律,并探究了P N排放与N O x排放之间的T r a d e o f f关系.最后研究了轨压及主喷提前角对WH S C循环P N排放与N O x排放的影响.试验结果分析 万有工况P N原排分布图为万有工况P N排放的分布情况,从图中可以看出整个万有工况从左上往右下,P N排放是呈增大的趋势.这是由于随着转速的增大,缸内燃油与空气的混合时间相对缩短,造成燃油与空气混合不均匀,致使燃烧室内局部燃烧恶化,这样就会造成P N排放的增加.另外随着扭矩的增大,轨压与提前角的标定也会相应增大,燃油雾化效果更好,滞燃期更长,预混燃烧更充分,气缸内平均燃烧温度和压力增大,P N排放减小.图万有工况原机P N比排放分布 电控参数对单工况原机P N比排放的影响图所示为某固定工况P N比排放与N O x比排放随主喷提前角的变化特征.从图中可以看出,随着主喷提前角的增大,P N比排放相应的减小,N O x比排放逐渐增大.这是由于随着主喷提前角增大,燃烧起始点提前,放热中心靠前,燃烧持续期增加,气缸内平均燃烧温度增大,油气燃烧更充分,因此P N比排放降低,相应的N O x比排放增加.图主喷提前角对原机P N和N O x比排放的影响P N比排放与N O x比排放随轨压的变化规律如图所示.由图可知,随着轨压的升高,P N比排放减小,N O x比排放增大.这是由于随着轨压的提高,燃油雾化和蒸发的更好,能加快混合气的形成,燃烧始点提前,最高燃烧温度和压力提前,燃烧速率大大加快,燃烧更充分,因此P N比排放减小,N O x比排放升高.图轨压对原机P N和N O x比排放的影响如图所示,随着预喷间隔角减小,N O x比排放呈上升的趋势,原因是由于预喷间隔角减小时,预喷和主喷间隔较近,有一部分预喷的油量可能会参与到主喷的燃烧内燃机与配件w w w n r j p j c n中,这样会导致缸内燃烧温度略增,因此N O x比排放有所增大;从图中还可以看出,预喷间隔角对P N比排放无明显影响.图预喷间隔角对原机P N和N O x比排放的影响P N和N O x比排放受预喷油量和后喷喷油量的影响情况如图、图所示,从图中可以看出,随着预喷油量的增加,N O x比排放增加,而P N比排放相应会略微减小,这是由于随着预喷油量的增大,主喷开始喷射时缸内燃烧温度升高,并且预喷油量太大,可能会使预喷燃烧和主喷燃烧存在重叠,会较大程度提高主喷燃烧时的温度及能量,所以随着预喷油量增加,N O x比排放增加的趋势也会变大,相应的P N比排放减小的程度变大.另外随着后喷油量的增大N O x比排放逐渐减小,并且减小的幅度变大,这是因为后喷一般发生在上止点后,活塞下行做功的过程,此时的氧含量较低,燃烧变差,并且过大的后喷油量这种效果更明显,所以N O x比排放随着后喷油量的增大而减小的趋势变大.值得注意的是随着后喷油量的增加,P N比排放会出现先快速上升然后降低最后急剧增大的现象,说明存在一个最佳的后喷油量使得P N比排放与N O x比排放同时处于较低的水平.图预喷油量对原机P N和N O x比排放的影响图后喷油量对原机P N和N O x比排放的影响如图所示,随着E G R率增大,P N比排放呈增大趋势,并且E G R率大到一定程度,P N比排放呈爆炸式增长.这是由于随着E G R率增大,一方面缸内再循环的废气量增多,新鲜进气量减小,过量空气系数减小,导致燃烧恶化,碳烟增多,相应P N比排放增大,N O x排放降低;另一方面,废气热容较大,会降低缸内平均燃烧温度,燃烧放热率减小,这样也会导致P N比排放增大,N O x比排放减小.当E G R率过高,会导致新鲜进气量严重不足,会产生大量碳烟,P N比排放急剧增大.因此在利用E G R降低N O x的同时,要考虑P N比排放的增加,保证E G R率在一个合理的范围内,这样既能保证较低的N O x排放,又不会导致P N排放恶化.图E G R率对P N比排放和N O x比排放的影响图所示为P N比排放与N O x比排放随节流阀开度变化的情况.从图中可以看出,当节流阀开度从 减小至,P N和N O x比排放不变,这是由于节流阀开度一般在 以上时,进气流量已经达到最大,因此对P N和N O x比 排 放 基 本 无 影 响;节 流 阀 开 度 从 降 至,虽然进气流量有所减少,但此时缸内燃烧所需空气量足够,燃烧不会有较大恶化,另外进气减少会使缸内工质总比热容降低,缸内平均燃烧温度略微升高,在这两种作用的综合作用下,P N和N O x比排放无明显变化;当节流阀开度减小到 以下,进气量减少引发缸内油气燃烧的恶化程度明显高于工质比热容降低从而提高缸内平均燃烧温度的效果,因此P N比排放增大,N O x比排放减小.图节流阀开度对原机P N和N O x比排放的影响 P N与N O x比排放的T r a d e o f f关系对某固定工况点进行D O E试验,对不同的主喷提前角与轨压的组合进行设计,在台架上进行这些组合的数据采集,然后对采集的数据进行优化分析,得到图所示P N比排放与N O x之间的关系.从图中可知,P N比排放与N O x比排放之间存在此消彼长的T r a d e o f f关系,并且存在一个拐点,如图中虚线所示,当N O x比排放低于拐点后,P N比排放会大幅度增加.因此在进行排放标定时,应远 离 该 拐 点,在 平 缓 区 进 行N O x排 放 的 选 取,避 免N O x比排放的波动,导致P N比排放的剧烈恶化.年第 期图P N比排放和N O x比排放的T r a d e o f f关系 电控参数对WH S C循环P N比排放的影响分别改变主喷提前角和轨压,进行WH S C循环,测量整个循环的P N比排放和N O x比排放,试验结果如图 图 所示.与单个工况趋势一样,随着提前角的增加,P N比排放基本呈线性降低的趋势,N O x比排放呈线性增加的趋势,反之亦然;与提前角规律相似,随着轨压的增大,P N比排放基本呈线性降低的趋势,N O x比排放呈线性增加的趋势,反之亦然.图 主喷提前角变化对WH S C循环排放结果的影响图 轨压变化对WH S C循环排放结果的影响图 WH S C循环P N比排放和N O x比排放的T r a d e o f f关系图 为WH S C循环,P N比排放随N O x比排放变化的曲线,由图 可知,与固定工况类似,WH S C循环的P N比排放与N O x比排放也是此消彼长的T r a d e o f f关系.通过两者的关系可以初步确认达到某个P N比排放水平,N O x比排放增大的幅度,在排放标定时,应兼顾P N排放与N O x排放,远离某一污染物急剧上升的区域,避免出现因某一参数的微小变化带来某一污染物的严重恶化,这样可以提高排放的鲁棒性.结论()对于该轻型柴油机,在整个万有工况中,从左上角(低速高负荷)到右下角(高速低负荷),即随着转速的增大或者扭矩的减小,P N比排放呈下降的趋势.()轨压和主喷提前角对P N比排放与N O x比排放有显著的影响,且影响趋势相似,即随着轨压或者主喷提前角的增大,P N比排放呈明显的下降趋势,相应的N O x比排放基本呈线性上升的趋势.()预喷间隔角对P N比排放基本无影响,对N O x比排放具有一定的影响,随着预喷间隔角的降低,N O x比排放呈上升趋势.()预后喷油量对P N比排放具有一定程度的影响,预喷油量增大,P N比排放(N O x排放)略微减小(略微增大);随着后喷油量的增大,P N比排放(N O x比排放)先快速上升然后降低最后急剧增大(呈下降趋势).()E G R率对P N比排放的影响比较显著,随着E G R率的增大,P N比排放呈上升趋势,N O x比 排 放 呈 降 低趋势.()节流阀开度对P N比排放的影响主要是进气量的改变导致燃烧状态的变化,随着节流阀开度减小,P N比排放先保持不变,之后大幅度升高,相应的N O x比排放先保持不变,之后呈大幅下降趋势.()P N比排放与N O x比排放存在此消彼长的T r a d e o f f关系,并且存在一个拐点,当N O x比排放低于拐点后,P N比排放会大幅度上升.()主喷提前角和轨压的变化对WH S C循环具有较大的影响,在确定N O x排放时,需要同时兼顾P N比排放的水平.参考文献:曹军骥 PM 与环境M北京:科学出版社,王跃思,张军科,王莉莉,等京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望J地球科学进展,():刘洪岐欧重型柴油机微粒捕集器再生及控制关键技术研究D长春:吉林大学,生态环境部,国家市场监督管理总局重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):G B S北京:中国环境科学出版社,闫姗姗,刘召策,杨旗,等柴油机排放颗粒物特征及影响因素分析J河北:河北工程大学,王建海,熊兴旺,于津涛,高俊华,等柴油机D P F后处理颗粒物排放研究J内燃机工程,熊兴旺,高俊华,等双级串联D O CP O C柴油机排放特性研究J内燃机工程,