轨压与喷油提前角对柴油机NOx排放的影响研究

轨压与喷油提前角对柴油机NOx排放的影响研究作者：侯俊香梁坤峰刘景来源：《现代农业科技》2014年第05期摘要结合某小型直列4缸、直喷式、增压中冷、电控高压共轨柴油机，通过试验研究了十三工况点下不同共轨压力和喷油提前角参数组合对柴油机NOx排放的影响，并分析了NOx 形成机理与喷油参数轨压、喷油提前角改善柴油机排放的作用。

结果表明：NOx排放值随着轨压的增大基本上均呈现逐渐增大趋势，并且随着喷油提前角的增大而增高，同时轨压对NOx排放值的影响小于喷油提前角的影响；喷油提前角应在8～10°间选取，轨压选1 200 bar 左右较为合适；仅改变喷油参数轨压和喷油提前角难以实现全工况的NOx排放值达标。

关键词高压共轨柴油机；轨压；喷油提前角；NOx排放；十三工况中图分类号 TK421 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）05-0218-02The Influence of Rail Pressure and Fuel Injection Advance Angle on NOx Emission of Diesel EngineHOU Jun-xiang 1 LIANG Kun-feng 1，2，3 * LIU Jing 1 GU Hui 1 LI Yu-gang 1 CHEN Wei-feng 1（1 Jiangsu Jianghuai Engine CO.，LTD，Yancheng Jiangsu 224000； 2 Henan University of Science and Technology； 3 Tianjin University）Abstract Combined with a small inline 4 cylinder，direct injection，turbocharged，electronically controlled high pressure common rail diesel engine，influence of thirteen operating points with different common rail pressure and fuel injection advance angle on NOx emission of diesel engine was researched.Formation mechanism of NOx，improvements in the emission of diesel engine from rail pressure and fuel injection advance angle were analyzed.The results showed that：NOx emission value increased with the rail pressure，and also increased with the fuel injection advance angle，and rail pressure′s influence on NOx emission value less than the effect of fuel injection advance angle；fuel injection advance angle should be chosen between 8° to 10°，and rail pressure should be about 1 200 bar；only change the rail pressure and fuel injection advance angle was difficult to fulfil conditions reach the NOx emission standard.Key words high pressure common rail diesel engine；jet pressure；fuel injection advance angle；NOx emission；thirteen operating points20世纪90年代以来，作为车用动力的柴油机已占有越来越重要的地位，然而随着排放法规的日益严格，降低柴油机的排放成为柴油机排放控制技术研究的热点问题[1]。

有关资料表明，单一的柴油机排放控制技术或几种技术的不适当匹配均会产生此消彼长的现象[2]。

如改善柴油机的雾化和燃烧过程，虽然会降低柴油机微粒与烟度的排放，但又会增加NOx排放。

面对柴油机排放控制的特殊困难，目前技术上使用的控制排放手段已逐渐转向高压共轨、增压中冷和EGR等技术的联合应用方面[3-5]。

因此，掌握这些技术参数间的匹配关系对NOx排放的影响规律，对于既保持柴油机良好性能又能有效减少排放污染物具有重要意义。

以一台直列4缸、直喷式、增压中冷、电控高压共轨柴油机为研究对象，通过调整其轨压和喷油提前角，实测了该柴油机十三工况点的NOx排放值，分析了不同共轨压力和喷油提前角组合下的排放结果，为柴油机喷油参数的优化匹配提供参考。

1 试验装置与研究方法试验所选发动机为4102增压中冷发动机，该发动机的基本参数：型式为直列4缸、4冲程、直喷、增压中冷，标定功率76 kW，供油方式为高压共轨，标定功率转速为3 000 r/min，缸径102 mm，最大扭矩290.5 N·m，活塞平均速度11.5 m/s，最大扭矩转速1 800～2 100r/min，平均有效压力809 kPa，排放标准为国Ⅲ。

基于AVL 瞬态测功系统，使用排放测试设备对排气中NOx排放量进行了测量。

研究中，柴油机排放的测试方法是参照GB17691-2001进行的，试验系统采用的测功机系统型号为AVL A1210，气体污染物分析仪型号为AVLi60。

在研究中该系统主要用来改变轨压和喷油提前角2个参数，获取不同工况下的NOx排放量，为方便对比分析，提出了每一工况下NOx排放的目标值。

试验主要对十三工况点进行分析，所选十三工况点分别为怠速以及1 816、2 227、2 638 r/min所对应的25%、50%、75%、100%负荷在不同轨压和不同喷油提前角下进行柴油机的排放性能研究。

2 结果与分析2.1 十三工况NOx排放量图1为怠速工况下NOx排放量的变化规律。

由图可知，怠速情况下，随着轨压的增大，NOx排放值的变化较小，仅有较小的增大趋势；随着喷油提前角的增大，NOx排放值也随之增高，但增大至10°时，NOx排放值反而又会降低，且此时随轨压的升高呈现逐渐减小的趋势。

然而在试验的轨压和喷油提前角参数的所有组合情况下，NOx排放值均低于此时的目标排放值，由此可知怠速时不同轨压和喷油提前角组合对于NOx排放值的影响较小。

图2为25%负荷工况下NOx排放量的变化规律。

随轨压的增大，在3种转速情况下，NOx排放值基本上均呈现逐渐增大趋势；随着喷油提前角的增大，NOx排放值也随之增高。

在此负荷工况下，3种转速情况所测得的NOx排放值并非均低于所处条件下的排放目标值；同时，此负荷工况下，轨压对NOx排放值的影响要小于喷油提前角，因此要满足目标排放值，需对喷油提前角进行约束，应采用12°以下的喷油提前角。

图3为50%负荷工况下，NOx排放量的变化规律。

在3种转速情况下，NOx排放值随着轨压的增大基本上均仍呈现逐渐增大趋势；随着喷油提前角的增大，NOx排放值也随之增高。

此外，在此负荷工况下，3种速度情况所测得的NOx排放值并非均低于所处条件下的排放目标值，且不同的轨压和喷油提前角试验参数组合能满足目标排放值的情况较少；同时，根据试验结果，此负荷工况下，轨压对NOx排放值的影响也小于喷油提前角的影响。

图4为75%负荷工况下NOx排放量的变化规律。

在3种转速情况下，NOx排放值随着轨压的增大基本上仍均呈现逐渐增大趋势，但在高速情况下，轨压的增大对NOx排放值的增高影响不大；随着喷油提前角的增大，NOx排放值也随之增高；此工况下，轨压对NOx排放值的影响同样小于喷油提前角的影响。

然而，在此负荷工况下，3种速度情况所测得的NOx排放值均高于所处条件下的排放目标值，即不同的轨压和喷油提前角试验参数组合下，NOx排放值均不能满足目标排放值。

图5为100%负荷工况下，NOx排放量的变化规律。

在3种转速情况下，随着轨压的增大，NOx排放值仍基本上均呈现逐渐增大趋势；NOx排放值随着喷油提前角的增大也随之增高；此负荷工况下，轨压对NOx排放值的影响仍小于喷油提前角的影响。

此外，此试验条件下，所采用的不同轨压和喷油提前角试验参数组合，NOx排放值均不能满足目标排放值。

2.2 NOx形成机理与喷油参数的影响NOx是燃烧过程中氮的各种氧化物（包括NO、NO2、N2O4、N2O3、N2O5等，其中NO 的数量最多）的总称。

根据Zeldoviteh理论，柴油机燃烧过程中，燃烧温度、氧浓度及氮和氧在高温中的滞留时间等因素对NOx生成率的影响具有决定作用。

从上述试验结果看，相同转速的不同负荷条件下，NOx排放随柴油机负荷的增大而增加，这是因为随着负荷的增大，可燃混合气的平均空燃比减小，使最高燃烧温度提高。

同时，随着轨压和喷油提前角的增加，柴油机NOx排放量均呈现增大趋势，原因在于，随着轨压的增大，喷油贯穿率较小，燃油雾化质量变好，有利于燃烧的进行，也导致了燃烧温度的增高。

此外，由于喷油提前角的增大，此时喷油时缸内的压力和温度较低，喷油贯穿率较大，大量燃油被喷至壁面上或者其附近，而此处的温度比气缸中央部位更低，燃烧进行时会导致局部的燃烧温度过高，使得NOx的排放增加。

为了优化轨压和喷油提前角的匹配，根据排放目标值，在25%负荷时，低速下喷油提前角选6°或8°，轨压选用1 100 bar较好，中速下轨压选用1 100～1 200 bar、喷油提前角选用10°左右较为合适，高速下喷油提前角选用10°左右、轨压选用1 200～1 400 bar较为合适；在50%负荷时，中、低速情况下喷油提前角选8°，轨压选1 100 bar左右较为合理，而高速下，喷油提前角选10°左右、轨压选1 200 bar左右较为合适。

在75%负荷时，3个速度下，轨压选用1 100～1 200 bar、喷油提前角选用8°更为合理；在100%负荷时，低速下轨压选1 100 bar 左右，喷油提前角选8°以下较为合适，中速下喷油提前角选6°左右、轨压选1 200～1 300 bar 较合适，高速时喷油提前角选用8°以下、轨压选用1 200～1 300 bar比较合适。