燃烧室参数对小型柴油机突增负荷工况燃烧及HC排放的影响

第11卷第4期2005年8月燃　烧　科　学　与　技　术Journ al of Co m bustion Sc i ence and T echno l ogyV o.l11N o.4Aug.2005燃烧室参数对小型柴油机突增负荷工况燃烧及HC排放的影响*孙万臣1,刘忠长1,刘巽俊1,宫本登2,小川英之2,河辺隆夫2(1.吉林大学内燃机工程系,长春130025;2.北海道大学工学部,日本札幌060-8628)摘　要:应用自行开发的柴油机瞬态工况控制系统及排气采集装置,对小型柴油机突增负荷工况下的燃烧及HC 排放特性进行了实验研究,利用气相色谱仪分析了HC排放成分.设计了不同参数的燃烧室,研究了不同压缩比(13～19)和燃烧室形状对柴油机燃烧及HC排放的影响.研究结果表明,同一燃烧室在突增负荷工况,燃油开始增加后,THC排放量急剧增加,最大值达到稳态工况的100倍.随循环数的增加,滞燃期缩短,HC排放逐渐减少.HC 排放成分中LHC占有很大比例,其中乙烯和丙烯最多.随压缩比的降低,滞燃期延长,HC排放明显增加.压缩比相同时适当缩小燃烧室直径,有助于降低HC排放.关键词:柴油机;突增负荷;燃烧室;燃烧;排放中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2005)04-0336-05E ffects of Co mbustion Cha mber Para m eters on Co mbustion and HC Em issions ofa S m all D iesel Engine at Sudden Load-up O perating Cond itionsSUN W an-chen1,LI U Zhong-chang1,LI U Xun-j u n1,M i y a m o to N obo r u2,Oga w a H ir oyuki2,K a w abe Takao2(1.D epart m ent of Interna l Co m bustion Eng i ne,Jili n Un i ve rsit y,Changchun130025,China;2.D epa rt m an t o f Enginee ri ng,H oka i do Un i ve rsit y,Saapo ro060-8628,Japan)Ab stract:The combusti on and HC em issions a t s udden l oad-up ope ra ting conditi ons we re inve sti ga ted on a s m a ll diese l en-gine under differen t combusti on cha m be r pa rame tersw ith a hom e-m ade transi ent ope ra tion con tro l and exhaustm eas u re m ent sy ste m.HC e m issi ons components w ere ana l yzed by g as chro m a t og ra m.Effects o f differen t compression ra ti o s(13～19) and designed combustion chamber shapes on co m bustion and HC em issions we re st udied.Expe ri m en t a l results showed t hat by usi ng t he same cha m be r THC e m issions rap i d l y i ncreased unde r sudden load-up ope ra ting conditions,and t he peak ap-proxi m ate l y reached100ti m es of st eady operati ons.W it h t he i ncrea se of sa m pli ng cy cle ti m es,t he i gn ition de lay w as de-creased and HC e m issi ons w ere reduced.L HC espec iall y e t hene and propy lene w ere the m ajorit y co m ponents of HC e m is-sions.W it h t he dec rease o f comp ress ra tio,HC em issions w ere inc reased and the i gnition de lay w as p ro l onged.R educ i ng co m bustion cha m be r dia m e t e r w as propitious t o reduce HC e m issions under the sa m e co m pre ss ra tio.K ey w ord s:diese l engine;sudden l oad-up;co m bustion cha m be r;co m bustion;e m ission 随着人们环保意识的不断加强,世界各国针对车用柴油机的排放法规日益严格.以前的排放法规所规定的排放测试循环多是以稳态工况为主,作为车用发动机,其加速、减速、冷起动等转速和负荷急剧变化的瞬态过渡工况在发动机的运行中占有很大的比例[1～4],造成的环境污染更加严重.美国联邦车用柴油*收稿日期:2004-11-04. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50476007);国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2001CB209205);吉林省科技发展计划资助项目(20040512);教育部留学回国人员科研起动基金资助项目(2004-5278);吉林大学创新基金资助项目(200408). 作者简介:孙万臣(1968— ),男,博士,副教授;联系人:刘忠长,L i uzc@jl .机排气污染物测试方法从1984年起就开始采用瞬态循环.欧洲2000年1月开始实行的欧Ⅲ排放法规也增加了瞬态循环实验,从欧Ⅳ排放法规开始,全部采用ETC 瞬态循环.日本2005年开始实施的新长期法规也增加了过渡工况测试.因此,未来的排放法规将以控制瞬态工况下排气污染物为主,有必要深入研究柴油机瞬态工况下燃烧及排放随循环的变化规律,探索改善瞬态燃烧、降低排放的途径.由于瞬态工况的控制及排放的测量比较困难,目前详细的研究报道较少.笔者利用自行开发的柴油机过渡工况控制系统及排气采集装置,对柴油机突增负荷工况下的燃烧及排放特性进行了实验研究,利用气相色谱仪对HC 排放成分进行了分析,找到了一定的规律性,为进一步控制柴油机瞬态工况下的HC 排放奠定了基础.1　主要实验设备及排放控制方案1.1　实验发动机及燃烧室参数 实验采用日本洋马公司的NFD -13型单缸柴油机,其主要参数如表1所示.燃烧室形状及参数见图1和表2.采用2号柴油为燃料.表1　实验发动机主要技术参数类型标定功率/标定转速/kW /(r m i n -1)工作容积/L 压缩比进气方式缸径×冲程/(mm )喷油器四冲程单缸直喷式柴油机8.46/26000.63817.7自然吸气92×96Υ0.26mm ×4孔×150°图1　燃烧室形状表2　压缩比ε、燃烧室直径D 及深度H序号εD /m m H /m m 11354202165416319541341648201.2　燃油喷射量及排气采集装置的控制方案 为了模拟实际的发动机突增负荷状态,开发了喷油泵齿条的控制装置,通过控制与喷油泵齿条相连的压缩空气缸来控制燃油的喷射量.调整压缩空气缸的动作范围,可设定不同的当量比,通过循环计数器控制的电磁阀来调整压缩空气的供给,从而实现发动机燃油量的控制.实验转速为1300r /m i n 时,该控制装置从发动机低负荷稳态工况(当量比为0.2)调节到高负荷稳态工况(当量比为0.6)大约需要100m s 的时间,对应大约一个工作循环.燃料增加后,为了测定排气成分随循环的变化规律,制作了能够在任意时刻进行排气全量采集的装置,见图2.该装置由脉冲计数器、循环计数器、蝶形阀、采样袋及电磁阀等组成.脉冲计数器通过检测与喷油泵驱动轴相连的光电信号发生器输出的脉冲信号来实现对采样系统的控制,脉冲计数器的动作触发信号与循环计数器保持一致.燃料增加后,开始排气采样的循环及采样循环数事先通过脉冲计数器进行设定.当到达采样开始的循环设定值时,脉冲计数器使排气控制电磁阀动作,通过压缩空气关闭蝶形阀,切断排气管的排气通路,同时采样电磁阀打开,排气全量采集到采样袋中.从脉冲计数器发出触发信号到蝶形阀完全关闭排气管大约需要32m s ,可以满足排气采集的要求.经过设定的采样循环(本研究中设定为2循环)后,脉冲计数器使电磁阀断电,恢复原始状态,采样结束.通过以上的动作,可以在燃料增加后的任意时刻进行任意循环的排气全量采样.1—喷油泵;2—循环触发器;3—循环计数器;4—脉冲计数器;5—排气电磁阀;6—蝶形阀;7—采样电磁阀;8—采样袋;9—废气分析仪;10—真空泵图2　排气采集控制装置337 2005年8月 孙万臣等:燃烧室参数对小型柴油机突增负荷工况燃烧及HC 排放的影响1.3　HC排气成分的分析装置 为了深入分析突增负荷工况下HC的排气成分,应用气相色谱仪对采集到的气体进行分析,其中总碳氢(T HC)的分析用日本岛津公司的GC-9A型带FI D 检测器的气相色谱仪,色谱峰采用C-2RAX仪器处理.低沸点碳氢(L HC)的分析采用岛津公司的GC-14B型带FI D检测器的气相色谱仪,色谱峰采用C-R8A仪器处理.载气为高纯度的氮.1.4　缸内压力采集装置 缸内压力采用K I STLER公司的6061B型水冷式压力传感器测量,采集的压力信号经K I STLER公司5007型电荷放大器放大后,传输到数字示波器,通过A/D转换卡进行A/D转换后存储到计算机中.曲轴转角信号采用光电式转角检测器采集.测量瞬态缸内压力时,曲轴每1°CA采集1点,每循环共采集128点(从-60°CA ATDC到67°CA ATDC),共采集125循环.应用燃烧分析程序对采集的压力及曲轴转角数据进行计算,得到燃烧放热率、燃烧温度、指示热效率等.2　实验结果及分析2.1　不同压缩比下HC排放特性 对直径相同,压缩比ε分别为13、16、19的3种燃烧室(表2中1～3号燃烧室)进行突增负荷实验.实验时,冷却水温保持80℃,机油温度50℃,供油提前角为6°C A BTDC.转速恒定为1300r/m in,负荷由平均有效压力0.36MPa(对应当量比0.2)突然增大为0.6MPa(当量比0.6),负荷变化时间为100m s时, THC排放浓度随循环数N的变化规律如图3.其中横坐标代表循环数.(循环数10代表10和11两个循环的平均浓度).从图中可见,在所有的压缩比下,THC 浓度在燃油开始增加后急剧增加,其最大排放量达到低负荷稳态工况的100倍.随循环的增加逐渐降低,到1000循环以后基本达到稳定工况状态.随压缩比的降低,T HC排放增加更加明显,并且HC排放峰值所在的循环随压缩比的降低而推迟.压缩比提高到19时,其HC排放明显降低,但此时由于滞燃期缩短,扩散燃烧量增加,导致排气烟度增加[5].与压缩比19相比,HC 排放在压缩比为16时增加5倍,压缩比为13时增加近10倍.其原因主要是在低负荷稳态运转时,燃烧室壁面温度较低,突增的燃油较多地附着于燃烧室壁面,随着壁面温度增加而逐渐蒸发、热分解,作为HC成分排出.压缩比越低,燃烧室壁面温度越低,燃油喷雾附着于壁面的燃料量越多,同时壁面温度上升较慢,导致随压缩比降低T HC浓度增加.图3　不同压缩比时,突增负荷工况下的THC排放 图4为与图3相对应的THC排放中,作为燃料热分解产物的L HC随循环数N的变化规律.它们在THC 排放中占有很大的比例,且各种LHC成分的变化趋势与THC基本一致.低沸点成分中乙烯(C2H4)和丙烯(C3H6)的排放量最大,其次是乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、丁炔(C4H6)、苯(C6H6)等,其主要原因是附着于燃烧室壁面的燃油组分随温度的增加产生高温裂解、脱氢反应,结果大部分作为不饱和烃排出. 图5为不同压缩比下,突增负荷后缸内压力及放热率的变化.从图中可见,随压缩比降低,滞燃期增加.在所有的压缩比下,燃料开始增加后,随着循环的增加,滞燃期缩短,到100循环几乎与高负荷稳态工况没有差异,这种趋势随压缩比增加而更加明显.其主要原因是,燃料开始增加后,壁面温度逐渐升高,结果使着火延迟期缩短,着火始点提前.这进一步说明了HC排放浓度与燃烧室壁面温度相关联.2.2　不同燃烧室形状下HC的排放特性 图6表示压缩比为16,燃烧室直径及深度不同时,突增负荷工况HC排放成分的对比,这时冷却水温度为15℃,机油温度为30℃,供油提前角为6°CA BTDC.图7所示为两种燃烧室下HC排放成分的对比.从中可见,THC排放的变化趋势基本一致,燃烧室直径D=48mm时,与D=54mm相比,T HC峰值所在的循环较晚,T HC排放除燃料热分解产生的L HC以外降低约350︺0.同时,在各个循环排出的HC成分中除燃料热分解产生的L HC以外,作为燃料成分的高沸点HC(HHC)所占的比例很大,最大放热率下降,结果使预混合燃烧量减少,扩散燃烧份额增加,最终导致燃料热分解的HC成分减少,而作为燃料成分的HC排放增加.338燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第4期图4　不同压缩比时,突增负荷工况下LH C排放图5　不同压缩比时,突增负荷工况下示功图及放热率对比339 2005年8月 孙万臣等:燃烧室参数对小型柴油机突增负荷工况燃烧及HC 排放的影响图6　不同燃烧室形状时,突增负荷工况下TH C排放对比(a )D =48mm ,H =20mm(b )D =54mm ,H =16mm图7　不同燃烧室形状时,突增负荷工况下TH C 和LHC 排放对比3　结　论 (1)燃油开始增加后,T HC 排放浓度急剧增加,而随循环数的增加逐渐减少,经过1000循环左右,降低到与稳定工况相同的水平. (2)在突增负荷工况,随循环数的增加,滞燃期缩短,燃烧始点提前. (3)随着压缩比的降低,柴油机的滞燃期延长,突增负荷工况时,HC 排放明显增加. (4)在压缩比相同时,适当缩小燃烧室直径,有助于减小燃烧室面容比,降低HC 排放.参考文献:[1]　宮本　登.始動日寺にディーゼルエミッションの過渡特性[J ].日本機械学会論文集(B 編),2000,66(641):300—306.M iya m o t o N obo ru .T ransien t cha rac t e ristics of diese l e m is -sions during stading [J ].Tr ans actions of t he J apan Societ y of M echanica l Engineers (B ),2000,66(641):300—306(in Japane se ).[2]　F uji mo to H.C o m bustion i n a s ma ll D I diese l [A ].In :SA EPaper [C ].1992,920697.[3]　金野　满.DM E 圧縮着火機関の未燃成分に関する研究[J ].日本機械学会論文集(B 編),2001,67(659):1849—1854.konno M itsuru .T he unburned e m issions from a C I eng ine op -e ra t ed w ith di me t hy l e t her [J ].Tr ans ati ons of the Jap an Soci -et y of M echanica l Engi neers (B ),2000,67(659):1849—1854(in Japanese ).[4]　N obo ru M i y a m oto .Cy cle -t o -cyc l e transien t cha rac t e ristics ofdiese l em issions du ri ng sta rting [A ].In :SA E Paper [C ].1999,1999-01-3495.[5]　孙万臣,刘巽俊,宫本登,等.燃料挥发性对柴油机性能及排放的影响[J ].内燃机学报,2004,22(4):317—324.Sun W anchen ,L iu Xunj un ,M i y arnoto N obo ru ,et a.l Eeffects o f f ue l vo latilit y of pe rfo r mances and em issions of a diese l engine [J ].T r ans altio ns of CS I CE ,2004,22(4):317—324(i n Chine se ).340 燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第4期。