满足非道路国四排放标准的大功率柴油机技术_王鑫.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.002满足非道路国四排放标准的大功率柴油机技术王鑫，张祥臣，吴亚龙，聂志斌，韩莉，牛晓晓，孟亮虎（河南柴油机重工有限责任公司，洛阳 471003）摘要：某型大功率柴油机的排放值不满足非道路国四排放法规的要求，为此，对该柴油机燃油喷射系统、燃烧系统、增压系统和后处理系统进行优化设计和匹配。优化喷油策略，使柴油机的PM、CO和HC排放降低到非道路国四限值以下；安装选择性催化还原系统以降低NOx排放。标定试验结果表明，升级后的柴油机满足非道路国四排放法规要求。关键词：大功率柴油机；排放；喷油策略；选择性催化还原系统中图分类号：TK421+.5文献标志码：A文章编号：1001-4357（2022）06-0007-04Emission Control Technologies of High-Powered Diesel Enginesto Meet Non-Road China RegulationWANG Xin，ZHANG Xiangchen，WU Yalong，NIEZhibin，HAN Li，NIU Xiaoxiao，MENG Lianghu（Henan Diesel Engine Industry Co.，Ltd.，Luoyang 471003，China）Abstract：The emissions of a high-powered diesel engine could not meet non-road China regulation.Therefore，the design and matching of the fuel injection system，combustion system，superchargingsystem and after-treatment system of the diesel engine were optimized.By optimizing the injectionstrategies，the particulate matter，CO，and HC emissions of the diesel engine were reduced to satisfythe non-road China emission limit，and a selective catalytic reduction（SCR）system was installed toremove NOxemissions.The calibration test results showed that the upgraded diesel engine met thenon-road China regulation.Key words：high-powered diesel engine；emission；injection strategy；selective catalytic reductionsystem0引言随着中国社会经济的发展，快速的城市化和基础设施建设使人们对非道路机械的需求日益增大。尽管非道路机械数量远少于道路机械，但两者的氮氧化物（NOx）和颗粒物（particulate matter，PM）排放基本持平1，因此非道路机械排放已成为造成大气污染的重要因素。2020年9月21日，生态环境部发布了“非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）（GB 208912014）修改单”（二次征求意见稿），规定自标准发布之日起36个月后，所有生产、进口和销售的560 kW以上非道路移动机械及其装用的柴油机均应符合该标准第四阶段要求。近年来，高压共轨燃油喷射技术在非道路用柴油机上的应用使得污染物排放得到了很大程度的降低2。要满足非道路国四排放法规的要求，须在机内净化的基础上借助于机外净化。高效的性能与排放收稿日期：2021-11-04；修回日期：2021-12-13基金项目：河南省重点研发与推广专项项目（192102310238）第44 卷第6 期8柴 油 机后处理装置存在价格昂贵、结构复杂等问题，通过对燃烧过程进行优化降低柴油机原始排放，以尽量简化后处理系统是目前非道路用柴油机开发的主要方向。机内净化的措施有燃烧室优化设计3、进排气系统改进、优化喷油策略和废气再循环4等。王鹏程5研究了燃烧室形状对柴油机排放特性的影响，结果表明，增加径深比会削弱压缩过程缸内挤流及逆挤流强度，降低燃烧室中央凸台高度可使油束更容易到达燃烧室中心，提高燃烧室内空气利用率，从而降低碳烟排放。SENER等6发现增加喷射角度和喷射压力可以显著减少碳烟排放。沈颖刚等7对比研究了柴油机采用单级增压和二级增压在变海拔条件下的工作特性，结果表明两级增压可提高柴油机对海拔变化的适应性。对于机外净化，通常采用选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）系统，柴油颗粒过滤器（diesel particulate filter，DPF），柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）等后处理装置8。HU 等9研究了 DOC+CDPF+SCR在稳态运行和瞬态循环下对发动机性能和排放特性的影响，结果表明加装后处理系统对发动机功率和经济性能影响不大，而CO、HC、NOx、颗粒 数 量（particle numbers，PN）、PM 分 别 降 低97.6%、98.1%、90%、97%和98%。某型柴油机是我国自主研发的大功率高速柴油机，单机功率为690 kW。该机型可靠性高，燃油消耗率低，使用寿命长，广泛应用于船舶、工程机械和海岛电站等领域。目前该机型的排放不满足非道路国四排放标准，对此展开相关研究。1试验设备及原机性能测试1.1试验原机与设备试验原机为一台6缸增压直喷柴油机，装有机械泵供油系统，未采用后处理装置。试验原机的主要技术参数如表1所示，测试仪器和设备如表2所示。1.2原机性能测试分析按照 8 工况试验循环对原机进行排放摸底试验。表3为原机排放与非道路国四排放限值对比。可以看出，原机CO和HC排放满足非道路国四限值要求，但PM排放超出限值90%，NOx排放超出限值 12%。已无法通过喷油策略优化等措施同时将PM和NOx排放降低到非道路国四限值以下，须对原机各系统进行升级。2柴油机结构优化设计及匹配2.1燃烧室优化设计柴油机原机的燃烧室为中心带凸台的直口燃烧室。为有效降低原机的PM排放，须对燃烧室进行优化设计，促进燃油和进气充分混合。因此，设计一种带台阶斜面的缩口型燃烧室。图1为燃烧室优化设计前后对比。优化后的燃烧室容积与原机燃烧室保持一致，燃烧室上部设置缩口、台阶斜面和竖直导流面，可使喷油器喷出的燃油沿台阶斜面向上运动，与燃烧室上部空间的空气充分混合，如图2所示。表1柴油机主要技术参数项目结构形式缸径/mm活塞行程/mm排量/L压缩比标定功率/kW标定转速/（rmin-1）最大转矩/（Nm）参数直列、6缸、增压中冷17019526.5613.56901 8003 800图1原机燃烧室与优化后燃烧室对比表2测试仪器和设备仪器水力测功机燃烧分析仪微量天平排放分析仪油耗仪颗粒采集仪不透光烟度计型号2D110BAVL-631AT261AVL-AMAi60HZB2000AVL-472AVL-415表3原机排放与非道路国四排放限值对比项目国四排放限值/（gkW-1h-1）原机排放/（gkW-1h-1）排放参数CO3.502.12NOx3.503.90HC0.400.15PM0.100.192022 年 11 月9王鑫等：满足非道路国四排放标准的大功率柴油机技术2.2喷油系统参数与燃烧室优化匹配为提高燃油喷射压力，灵活控制燃油喷射，将原机机械泵供油系统升级为高压共轨燃油喷射系统。采用AVL FIRE软件进行油嘴参数与燃烧室的优化匹配计算。计算不同涡流比、油嘴参数（孔数、孔径、喷雾锥角）、油嘴凸出高度、喷射参数（喷油时刻、喷油持续期）等边界条件对新设计柴油机的性能及排放特性的影响。图3为7孔和8孔喷油器采用不同喷雾锥角时的柴油机 NO 和碳烟排放对比。从图 3可以看出，随着喷雾锥角从150增大到162，NO排放逐渐降低，而碳烟排放呈现先降低后升高的趋势。该燃烧室可采用较大的喷雾锥角，以降低柴油机的NO排放，同时保证柴油机的碳烟排放不至大幅上升。因此，在喷雾锥角为 155160时，柴油机的 NO和碳烟排放均处于较低的水平，最适宜的喷雾锥角为158。同时可以看出，当采用8孔喷油器时，柴油机的NO排放较7孔喷油器升高，而碳烟排放有所降低。这是因为采用8孔喷油器的燃油雾化更为充分，有利于碳烟排放的降低；但同时与空气均匀混合的燃油蒸气所占据的缸内区域增多，使得燃烧区域增大，导致NO排放的增加。图4为8孔喷油器采用不同喷孔直径时的柴油机NO和碳烟排放对比。可以看出：当喷孔直径为0.32 mm时，NO排放最低；随着喷孔直径的减小，NO 排放缓慢增加；喷孔直径从 0.30 mm 减小到0.29 mm时，NO排放增加幅度变大；喷孔直径从0.32 mm减小到0.29 mm，碳烟排放逐渐降低。为平衡NO和碳烟的排放，8孔喷油器宜选取孔径为0.30 mm。基于仿真计算结果，优选喷油器的油嘴参数为8孔、喷雾锥角为155、孔径为0.30 mm。由于共轨燃油喷射系统的喷油压力高，燃油雾化较快，宜选取较小的进气涡流比。本研究通过更改气道设计，实现进气涡流比为0.4。2.3增压器匹配计算与优化利用 GT-POWER 软件，基于柴油机基本数据建立计算模型。选取大小不同的两种蜗壳增压器，计算得出非道路8工况点的压气机效率，如图5所示。从图5可以看出，在最大转矩转速时，大蜗壳增压器的联合运行线靠近喘振线；小蜗壳增压器的联合运行线距离喘振线有较大的裕量。在标定转速时，大蜗壳增压器距离阻塞线的裕量较小蜗壳时大，但两种增压器距离阻塞线都有足够的安全裕量。仿真计算结果表明，当增压器由大蜗壳更换为小蜗壳时，在低速工况，增压器转速增大，图2燃油撞壁后运动形态图3不同喷雾锥角下的NO和碳烟排放图48孔喷油器的NO和碳烟排放第44 卷第6 期10柴 油 机增压压力增加，低速工况进气量增大，发动机联合运行线向远离喘振线的方向移动，提高柴油机在低速工况时的动力性、经济性和排放性能。因此本研究优选小蜗壳增压器与柴油机匹配。2.4SCR系统设计与匹配计算根据柴油机最大废气流量和催化剂空速等参数计算所需催化剂的体积。设计一套紧凑型的SCR装置，以便在狭小的安装空间布置。SCR系统的封装壳体如图6所示。采用AVL FIRE软件对SCR系统的内流场进行计算，如图7所示。从图7可以看出，尿素水溶液从左侧中心喷入，排气气流携带尿素喷雾在圆筒内高速旋转，使尿素喷雾与排气充分混合，并促进尿素喷雾的蒸发。随后排气进入催化剂封装壳体，分两路与两侧的催化剂接触。催化剂斜置结构最大限度地缩短了SCR系统封装壳体的宽度。3改进后样机性能测试基于上述关键技术方案的研究，完成柴油机整机装配与调试，进行柴油机非道路8工况的性能与排放试验标定。通过调整喷油策略，使柴油机的碳烟排放满足非道路国四排放限值的要求，然后加装SCR后处理装置降低柴油机的NOx排放至非道路国四限值以下。柴油机排放标定试验结果如表4所示。可以看出，通过机内净化可将柴油机的 PM 排放降低至0.078 g/（kW h），较非道路国四排放限值有22%的裕度，且CO和HC排放远低于排放限值，但NOx排放高出排放限值两倍多，因此通过采用SCR系统将 NOx排放降至 2.38 g/（kW h）。柴油机安装SCR系统后，排气背压增大，导致最高燃烧压力升高、油耗上升、排气温度上升、涡轮转速下降。与未加装SCR系统时相比，在相同的标定参数下，各工况的碳烟排放值都有所上升，最终PM排放值为0.089 g/（k