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摘 要：本研究以小型非道路柴油机186FA为对象，开展“基于美国EAPⅣ及以上超低排放标准”的柴油机电控燃油喷射参数优化研究，使用EPAⅣ排放法规中规定的八工况测试循环以及五工况测试循环分别开展柴油机台架性能试验。通过对电控升级后的186FA柴油机进行排放性能测试，研究喷油正时对实验样机各项性能的影响，从而对喷油正时进行标定优化，并最终确定优化方案。
关键词：柴油机;EPA;Ⅳ;喷油系统;优化设计
一、绪论
作为微型耕种机械、小型拖拉机等农业机械的主要动力源，非道路小型柴油机在农业、工业生产中有着极其重要的作用[1]。近年来，我国小型非道路柴油机的年产量大约在700万台，生产量大并且大量出口，占世界年产量的80%以上，已成为我国内燃机行业的一大特色[2]。
内燃机燃烧系统设计匹配、先进的排气后处理、以及燃油喷射系统电控升级是柴油机节能减排技术措施主要涉及的几个方面[3]。其中，内燃机燃烧系统的匹配是节能减排的基础;燃油喷射系统换代升级是其核心手段;后处理是其技术关键[4]。而对于小型非道路柴油机来说，因为受到了运行状况、用途、制造工艺等限制，其节能减排技术与传统车用柴油机有许多不同之处[5]。
本文以满足EPAⅣ排放限值为目标，以186FA柴油机为样机，开展柴油机台架性能试验，对排放性能进行测试。分别使用美国EPA排放法规规定使用的八工况测试循环，以及五工况测试循环两种测试循环开展试验，研究喷油正时等喷射参数对于发动机各项性能的综合影响，得出进行电控升级后的186FA柴油机中喷油提前角的优化方案。
二、测试方法与装置
本试验选择在186FA柴油机上进行，该柴油机经过电控升级改造后采用电控单体泵喷油系统。其他主要测试设备有：MEXA-7200D气体分析仪、AVL472颗粒采样系统、MX5微克天平等。试验分别采用美国EPA法规中的发动机八工况测试循环，以及五工况测试循环进行。试验时测得环境湿度为50±5%，环境温度为13±1℃，大气压力为102.4±0.1kPa，进气温度为13±1℃。将预热好的试验样机在规定工况下运行，待试验样机运行稳定后，从排气管中取样测量各种排放指标浓度。在每工况运行中，依次改变喷油提前角，分别测量一氧化碳CO、氮氧化物NOx、碳氢化合物THC以及颗粒物PM在排气中的浓度以及试验样机的排气温度、输出功率以及燃油消耗率等参数。
三、燃油喷射正时对柴油机性能的影响
当喷油提前角增加，NOx的浓度也增加，并且，喷油提前角的持续增大，NOx的升高率也越来越快，对比其他工况点数据，得到相同结论。原因为：在上止点前，喷油正时增大会延长滞燃期，使得空气与燃油混合数量增加，有利于燃料的燃烧，从而使得NOx增加，并且随着喷油提前角的不断增大，其排放增加幅度也更高。
与NOx呈现相反趋势，一氧化碳排放随着喷油正时的增加而降低，而当喷油正时过大时，CO的数量减少的速率变缓。对比其他工况点试验数据，发现相同趋势。这是因为，随着柴油机喷油正时的增大，滞燃期内形成的燃油與空气混合数量更多，燃料的燃烧改善，从而使一氧化碳减少。而当喷油正时过早时，过早喷油使得柴油机燃料的整个燃烧过程提前，混合气大部分燃烧不完全，导致CO下降趋势变缓。
总碳氢化合物THC随喷油正时的加大而降低，且下降速率逐渐变缓。对比其他工况点数据，发现相同趋势。这是因为，随着喷油正时的增大，滞燃期增长，从而使得燃油得到充分燃烧，HC降低。而当喷油正时过大，燃烧提前，柴油机压缩负功增加，柴油机效率下降，燃油雾化效果降低，并且此时活塞位置离上止点较远，燃油喷射距离增加，不利于燃油与空气的均匀混合，使得碳氢化合物下降速率变缓。
试验样机的燃耗随喷油正时的增加而减少。对比其他各工况点试验数据，燃耗率变化趋势一致。这是因为当试验样机喷油提前角增大，滞燃期增长，在发动机做工冲程中，作用于活塞顶部的平均有效压力增大，导致热效率上升，燃油消耗率的下降。
四、喷油正时优化与标定
在分析所得的各最佳喷油正时下，再次试验测量样机的各项排放指标，并按照八工况加权系数进行计算，得出各项指标的比排放值，并采用称重法测量试验样机在整个循环中的PM值。一氧化碳CO的比排放为3.77g/kWh，EPA第Ⅳ阶段排放法规限值为8.0g/kWh;颗粒物PM比排放为0.32g/kWh，EPA第Ⅳ阶段排放法规限值为0.4g/kWh;总碳氢化合物THC加氮氧化合物NOx比排放为5.75g/kWh，EPA第Ⅳ阶段法规限值为7.5g/kWh。均符合EPA第Ⅳ阶段法规限值。
对试验样机安装氧化催化器DOC后，对五工况试验循环下的各工况点按照最佳喷油正时进行排放试验，按照五工况加权系数进行计算，得出各项指标的比排放值，并采用称重法测量试验样机在整个循环中的PM的排放值。一氧化碳CO的比排放为0.843g/kWh;颗粒物PM比排放为0.128g/kWh; THC加NOx比排放为6.159g/kWh。均符合EPA第Ⅳ阶段法规限值。
五、总结
本文通过氮氧化物NOx与其他指标之间的权衡关系的研究分析，确定各工况点下的最佳喷油提前角，完成在标定转速为3600r/min下试验样机喷油提前角的优化与标定。最后试验验证在优化的喷油提前角下试验样机各项排放指标的比排放，测量结果满足美国EPA第Ⅳ阶段排放法规。
参考文献：
[1]刘胜吉，何政，尹必峰，等.单缸柴油机的排放要求和产品发展[J].农业化研究.2009（16）：206-210.
[2]贾和坤，尹必峰，何建光，等.内部废气再循环柴油机燃烧过程分析及排放性能试验[J].农业工程学报.2015（5）：37-41.
[3]尹必峰，黄晨春，刘胜吉，等.高性能低排放小型非道路柴油机的开发[J].农业工程学报.2012（3）：32-37.
[4]熊锋.非道路用直喷柴油机排放物控制研究[D].武汉：武汉理工大学动力机械及工程，2009.
[5]王婵娟.单体泵电控燃油喷射系统的研究[J].机械管理开发.2006（4）：19-22.
关键词：柴油机;EPA;Ⅳ;喷油系统;优化设计
一、绪论
作为微型耕种机械、小型拖拉机等农业机械的主要动力源，非道路小型柴油机在农业、工业生产中有着极其重要的作用[1]。近年来，我国小型非道路柴油机的年产量大约在700万台，生产量大并且大量出口，占世界年产量的80%以上，已成为我国内燃机行业的一大特色[2]。
内燃机燃烧系统设计匹配、先进的排气后处理、以及燃油喷射系统电控升级是柴油机节能减排技术措施主要涉及的几个方面[3]。其中，内燃机燃烧系统的匹配是节能减排的基础;燃油喷射系统换代升级是其核心手段;后处理是其技术关键[4]。而对于小型非道路柴油机来说，因为受到了运行状况、用途、制造工艺等限制，其节能减排技术与传统车用柴油机有许多不同之处[5]。
本文以满足EPAⅣ排放限值为目标，以186FA柴油机为样机，开展柴油机台架性能试验，对排放性能进行测试。分别使用美国EPA排放法规规定使用的八工况测试循环，以及五工况测试循环两种测试循环开展试验，研究喷油正时等喷射参数对于发动机各项性能的综合影响，得出进行电控升级后的186FA柴油机中喷油提前角的优化方案。
二、测试方法与装置
本试验选择在186FA柴油机上进行，该柴油机经过电控升级改造后采用电控单体泵喷油系统。其他主要测试设备有：MEXA-7200D气体分析仪、AVL472颗粒采样系统、MX5微克天平等。试验分别采用美国EPA法规中的发动机八工况测试循环，以及五工况测试循环进行。试验时测得环境湿度为50±5%，环境温度为13±1℃，大气压力为102.4±0.1kPa，进气温度为13±1℃。将预热好的试验样机在规定工况下运行，待试验样机运行稳定后，从排气管中取样测量各种排放指标浓度。在每工况运行中，依次改变喷油提前角，分别测量一氧化碳CO、氮氧化物NOx、碳氢化合物THC以及颗粒物PM在排气中的浓度以及试验样机的排气温度、输出功率以及燃油消耗率等参数。
三、燃油喷射正时对柴油机性能的影响
当喷油提前角增加，NOx的浓度也增加，并且，喷油提前角的持续增大，NOx的升高率也越来越快，对比其他工况点数据，得到相同结论。原因为：在上止点前，喷油正时增大会延长滞燃期，使得空气与燃油混合数量增加，有利于燃料的燃烧，从而使得NOx增加，并且随着喷油提前角的不断增大，其排放增加幅度也更高。
与NOx呈现相反趋势，一氧化碳排放随着喷油正时的增加而降低，而当喷油正时过大时，CO的数量减少的速率变缓。对比其他工况点试验数据，发现相同趋势。这是因为，随着柴油机喷油正时的增大，滞燃期内形成的燃油與空气混合数量更多，燃料的燃烧改善，从而使一氧化碳减少。而当喷油正时过早时，过早喷油使得柴油机燃料的整个燃烧过程提前，混合气大部分燃烧不完全，导致CO下降趋势变缓。
总碳氢化合物THC随喷油正时的加大而降低，且下降速率逐渐变缓。对比其他工况点数据，发现相同趋势。这是因为，随着喷油正时的增大，滞燃期增长，从而使得燃油得到充分燃烧，HC降低。而当喷油正时过大，燃烧提前，柴油机压缩负功增加，柴油机效率下降，燃油雾化效果降低，并且此时活塞位置离上止点较远，燃油喷射距离增加，不利于燃油与空气的均匀混合，使得碳氢化合物下降速率变缓。
试验样机的燃耗随喷油正时的增加而减少。对比其他各工况点试验数据，燃耗率变化趋势一致。这是因为当试验样机喷油提前角增大，滞燃期增长，在发动机做工冲程中，作用于活塞顶部的平均有效压力增大，导致热效率上升，燃油消耗率的下降。
四、喷油正时优化与标定
在分析所得的各最佳喷油正时下，再次试验测量样机的各项排放指标，并按照八工况加权系数进行计算，得出各项指标的比排放值，并采用称重法测量试验样机在整个循环中的PM值。一氧化碳CO的比排放为3.77g/kWh，EPA第Ⅳ阶段排放法规限值为8.0g/kWh;颗粒物PM比排放为0.32g/kWh，EPA第Ⅳ阶段排放法规限值为0.4g/kWh;总碳氢化合物THC加氮氧化合物NOx比排放为5.75g/kWh，EPA第Ⅳ阶段法规限值为7.5g/kWh。均符合EPA第Ⅳ阶段法规限值。
对试验样机安装氧化催化器DOC后，对五工况试验循环下的各工况点按照最佳喷油正时进行排放试验，按照五工况加权系数进行计算，得出各项指标的比排放值，并采用称重法测量试验样机在整个循环中的PM的排放值。一氧化碳CO的比排放为0.843g/kWh;颗粒物PM比排放为0.128g/kWh; THC加NOx比排放为6.159g/kWh。均符合EPA第Ⅳ阶段法规限值。
五、总结
本文通过氮氧化物NOx与其他指标之间的权衡关系的研究分析，确定各工况点下的最佳喷油提前角，完成在标定转速为3600r/min下试验样机喷油提前角的优化与标定。最后试验验证在优化的喷油提前角下试验样机各项排放指标的比排放，测量结果满足美国EPA第Ⅳ阶段排放法规。
参考文献：
[1]刘胜吉，何政，尹必峰，等.单缸柴油机的排放要求和产品发展[J].农业化研究.2009（16）：206-210.
[2]贾和坤，尹必峰，何建光，等.内部废气再循环柴油机燃烧过程分析及排放性能试验[J].农业工程学报.2015（5）：37-41.
[3]尹必峰，黄晨春，刘胜吉，等.高性能低排放小型非道路柴油机的开发[J].农业工程学报.2012（3）：32-37.
[4]熊锋.非道路用直喷柴油机排放物控制研究[D].武汉：武汉理工大学动力机械及工程，2009.
[5]王婵娟.单体泵电控燃油喷射系统的研究[J].机械管理开发.2006（4）：19-22.