寇传富1，徐孟2，姚磊3
广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林 537000
摘要
随着国六法规的推广及普及，国六法规对柴油尾气中的氮氧、烟度、颗粒等的要求更加严格，为了适应法规，大多数柴油机采用了EGR+DOC+DPF+ASC+SCR的技术路线，这主要是从发动机外部进行，本文主要是从发动机内部的燃烧系统进行研究分析，研究不同压缩比活塞、不同缸盖涡流比、喷油器流量等对氮氧、烟度、颗粒等的影响，研究表明：大压缩比活塞、小涡流比缸盖、大喷油器流量对降低发动机尾气排放中的氮氧、烟度、颗粒以及比油耗等有利，从发动机内部本身降低这些有害尾气的排放，改善油耗。
关键词：柴油机 燃烧系统 压缩比 涡流比 流量 排放
1.前言
随着生活水平的不断提高，人们对环境的要求也越来越高，为适应大众对净化空气的需求，更加严格的国六重型车排放法规应运而生，研究法规发现，之前柴油机的尾气排放处理技术路线已经达不到国六法规的要求，必须重新研究其他技术路线以期达到国六法规的标准，现阶段主要从发动机本体以及发动机外部后处理两个方面的技术来降低发动机尾气排放中的氮氧、烟度、颗粒等。
本试验主要研究在不同活塞压缩比、缸盖涡流比、喷油器流量等零部件对柴油机尾气排放中的氮氧、颗粒以及烟度的影响，并分析其对柴油机的经济性、动力性等发动机的性能的影响，为柴油机从发动机本体出发优化性能及降低排放提供参考。
2.排放尾气成分及产生机理
柴油发动机由于过量空气系数比较大，一氧化碳和碳氢化合物的排放比较低，而氮氧化物和颗粒（包括碳烟）排放就比较高，因此控制柴油机排放物的重点，就在于降低柴油机的氮氧和颗粒的排放[1]。
氮氧化物的产生主要是跟温度和氧浓度以及反应物反应时间有关，一般来讲，温度越高、氧浓度越大、反应时间越长，氮氧化物的生成量就越多。柴油机的高压燃油是在燃烧刚要开始前才喷入燃烧室，燃烧期间燃油分布会不均匀，还需要在极短的时间内与空气混合、自燃而工作，从而会引起燃气体中的温度和成分浓度也分布不均匀，因此合理组织缸内气体混合，控制喷油时刻，从发动机本体内对氮氧化物的生成进行控制。
颗粒主要是由干碳烟、可溶有机成分和硫酸盐等组成，它们能在空气中长时间悬浮并且与空气中的污染气体组分发生光化学氧化反应生成二次颗粒，颗粒物不仅污染空气，其携带的多环芳烃等还危害人们的身体健康[2]，颗粒的产生主要是跟氧浓度有关，一般是燃油在高温缺氧的条件下的不完全燃烧产生的，因此提高喷油压力，改善雾化，增加进气，混合充分等都有利于降低颗粒的排放[3]。
烟度的产生主要也是跟进气中的氧浓度有关，是颗粒中的一部分，颗粒的排放中包括了白烟、蓝烟、黑烟，烟度主要是由黑烟组成，黑烟是含有密度大、颗粒细微的碳粒子，因此一般有利于颗粒排放降低的措施也对烟度的降低有帮助。
总的来说，每一种技术措施在降低某种排放污染物时，往往结果有限，有时还会带来另外一种排放污染物的增加，甚至动力性、经济性的劣化，因此寻求一种兼顾各种排放污染物、经济性动力性等各种性能理想的柴油发动机排放控制技术，因此研究理想的喷油状态、油气混合以及匹配的燃烧室，从发动机本体出发得到更好性能降低排放的方法，在实际的工程中，一般是几种技术同时并用，综合考虑发动机的排放性、经济性、动力性，从而得到最优的匹配。
3.试验对象
本文中的试验研究对象为1台排量为15升左右的涡轮增压柴油发动机，该发动机的基本参数如下表1所示。
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4.试验结果
4.1试验设备
该试验是在AVL电力测功机台架上完成的，主要通过AVL 735油耗仪测量油耗、AVL 415S测量烟度、AMA i60气体分析仪测量发动机尾气排放污染物，主要设备参数如下表2所示。
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4.2试验方案及工况
该试验选用不同压缩比的活塞，不同缸盖涡流比，不同喷油器流量进行组合对比试验，因为涉及到3个件的组合，且每个件的方案较多，所以先通过仿真计算选取几个最优的方案，然后对这些选取出来的几个最优方案进行试验对比。
试验过程中选用外特性以及特征点工况，特征点工况如下表3所示。对于特征工况点的选取，是考虑发动机的外特性、WHSC循环、WHTC循环、WNTE控制区进行综合选取，最终选取其中11个工况点来进行试验。经验证，这11个特征工况点均在排放控制的区域，也在发动机的常用区域，同时研究对象特性的改变在选取的特征点中对发动机本体的性能表现有影响，因此本试验研究针对发动机每个选取的运行工况特征点以及DOE的设计和试验测试结果是可行的，可以找到每个工况点的最优结果，使方案的对比更具可行性。
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4.3试验结果及分析
所有外特性试验和特征点工况试验的边界条件的控制都是一致的，试验数据结果准确可靠。其中特征工况点的试验是通过运用正交法进行试验设计，试验过程中通过改变每个工况的主喷正时、轨压等2个电控参数耦合进行试验测试，主要从比油耗、排气烟度与比氮氧排放的关系进行对比研究，由于试验过程中记录的试验数据信息量大，并且通过分析发现每个特征工况点在相同的负荷率区域的试验结果的变化趋势基本一致，因此本文仅选取其中1600r/min@100%负荷、1100r/min@70%负荷、900r/min@100%负荷三个工况进行分析，以NOX比排放为横坐标，具体分析结果见下文所述。
下图1是不同流量喷油器的外特性喷油持续期的试验结果，图2至图7是不同流量喷油器特征点工况的试验结果。
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图3 1600r/min@100%负荷S415烟度对比
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图6 900r/min@100%负荷比油耗对比
图7 900r/min@100%负荷S415烟度对比
从上面的对比图可以看出：不同流量的喷油器在相同工况时的持续时间不同，流量越小的喷油持续期越长；在相同比氮氧的情况下，大流量的喷油器的比油耗会优于小流量的，而烟度在高速大负荷时大流量的也要好，但在低速和小负荷时优势没有那么明显。这主要是喷油持续期大导致燃烧的滞燃期长，滞燃期长，燃料在压缩行程中燃烧就多，会使得燃油消耗量上升，工作粗暴，氮氧排放增加，同时喷油时间长，燃油在缸内温度较低时，就会喷入，而得不到完全燃烧，会导致烟度和颗粒的增加。
下图8至图13是不同压缩比活塞条件下特征点工况的试验结果。
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从上面的对比图可以看出：不同压缩比的活塞下发动机的性能表现不同，压缩比大的燃油经济性要好，烟度颗粒较小。这主要是因为压缩比大的活塞，空气在缸内与燃油混合的会更加充分，燃烧起来也更加充分，不完全燃烧的燃油就会很少，而且燃烧得好，缸内的温度也不会很高，发动机工作柔和，氮氧和烟度颗粒的排放都较低，动力性和经济性也较好。
下图14至图19是不同涡流缸盖比特征点工况的试验结果。
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从上面的对比图可以看出：小涡流比缸盖在高低速的时候油耗明显比大涡流比的好，在中速的时候也有优势，但在中高速，小涡流比的缸盖的烟度大涡流比缸盖基本相当，在低速时小涡流比的稍微有优势。这是因为小涡流缸盖有利于增加缸内的进气，提高空燃比，使得空气和燃油混合的比较充分，不完全燃烧的油较少，动力性和经济性较好，但是在高速时，小涡流比缸盖混合时间没有大涡流比缸盖长，大涡流比缸盖的烟度会好，但好的不是很明显，随着转速的降低，小涡流比缸盖的烟度就比大涡流比好。
5.结论
本文通过在车用柴油机上对不同流量的喷油器、不同压缩比的活塞以及不同涡流比的缸盖进行试验研究分析,并且结合外特性及特殊工况点的试验结果进行分析研究，可以得到如下结论：
（1）.小涡流比缸盖有利于增加气缸里面的混合度，增加进气，提高缸内空燃比，使得燃油和空气的混合更加均匀充分，从而让燃烧更加完全，温度低，对降低氮氧的排放有利，对降低烟度、颗粒的影响没有氮氧那么大，同时对经济性和动力性也很有利。
（2）.对于大压缩比的活塞，使得空气在缸内与燃油的混合会变得更加充分更加均匀，燃烧起来也更好，不完全燃烧的燃油就会变得很少，而且燃烧得好，缸内的温度也不会很高，发动机工作柔和，氮氧和烟度颗粒的排放都较低，而且动力性和经济性也很好。
（3）.喷油持续期大的滞燃期就会长，滞燃期长，燃料在压缩行程中的燃烧就多，便会使得燃油消耗量上升，发动机工作粗暴，氮氧排放增加，同时喷油时间长，燃油在缸内温度较低时，就会喷入，从而使得部分燃油得不到完全燃烧，会导致烟度和颗粒的增加。
（4）.大流量的喷油器对减少排放中的氮氧、颗粒等尾气排放有利，而且动力性和经济性会明显的改善。
参考文献
[1].龚金科.汽车排放及控制技术[M].北京：人民交通出版社，2012.
[2].陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3].李正帅，陆耀组.高压共轨式电控燃油喷射系统的计算机仿真[J].长安大学学报（自然科学版），2002,22（1）：66-69.
作者简介：寇传富(1981-)，男，硕士研究生，研究方向：发动机
E-mail: kcf810928@163.com