喷油提前角对叉车发动机性能及排放影响研究

赵小虎

摘 要：对一台自主研发的叉车发动机在不同喷油提前角下进行排放和性能的对比试验，研究了在设定不同的喷油提前角下，叉车用内燃机的动力性、经济性及排放气体的变化趋势；同时，通过大量逆向燃烧开发工作，使得该款搭载机械式VE泵的叉车发动机在满足动力性及经济性的条件下，达到了非道路机械国III阶段的排放法规要求，处于国内领先水平。

关键词：叉车；提前角；排放；性能

引言

叉车作为一种常用的非道路移动工程机械，已经广泛应用于物料装卸和场内运输作业，并且日益成为生产主力。叉车发动机作为内燃式叉车的心脏，其动力性、经济性和排放性能对叉车的许多技术性能指标有着非常重要的作用[1]。

随着国家对内燃机排放的重视，非道路机械的更严格排放控制法规也于2014年出台，新型匹配叉车发动机的研发必须将排放气体的控制作为开发的主导指标。文章通过对一款自主研发的叉车发动机在试验阶段的燃烧开发工作，研究了不同喷油提前角对发动机性能及排放的影响，并通过逆向设计反馈，使得该款发动机达到非道路机械国III阶段排放水平，处于国内行业领先地位。

1 实验设备、样机及方案

1.1 试验设备

本次试验研究，采用AVL公司生产的综合台架控制设备，台架为AVL电力测力机，排放设备为日本HORIBA公司生产的MEXA-7100D型气体排放分析仪，排放分析设备主要检测排放气体中的NOx、CO和HC的ppm含量，检测方法如表1所示。

颗粒PM采集器使用AVLSPC472颗粒采样设备对排放气体中的颗粒物进行采集，利用干燥高压标气对排放气体进行分流稀释，利用滤纸过滤并收集颗粒物。

由于试验样机的开发指标为达到国内非道路III阶段排放法规要求，所以试验用油为标准国III试验测试用柴油。

1.2 试验样机

试验用发动机为某公司最新研发的4DC涡流室式柴油发动机，采用机械式VE泵，喷油器为S系列单孔轴针式喷油器，排量达到3.05L，发动机具体设计参数如表2所示。

1.3 试验方案

研究过程中性能试验均采用国标规定的内燃机台架试验方法进行，排放测试循环及方法参照GB20891-2014进行。通过在不同喷油提前角下的大量性能和排放试验，找出能达到设计指标和排放要求的最佳提前角度。

2 试验结果及分析

通过外特性试验和8工况排放循环试验对提前角为2度、4度、6度、8度和10度下发动机性能和排放结果进行分析。

2.1 动力性影响

在不同静态提前角下，发动机的标定功率必然会产生变化，该款发动机设计指标要求标定功率为45±1kW；因此，性能开发必须要保证标定功率达到设计指标，所以，在不同静态提前角下，通过调整机械VE泵的高速螺钉来保证标定功率符合设计指标，如图1所示。

通过不同静态提前角下的外特性試验，如图2、图3所示，发动机在2500rpm下的标定功率均保持在45kW左右，伴随静态喷射提前角的增大，全速全负荷点的发动机功率和扭矩逐渐增大，原因是由于提前角增加，未燃燃油提前进入汽缸，参与空气混合时间加长，燃烧更加充分，外在表现必然是功率和扭矩的增大；在提前角为2度条件下的扭矩值较低，但最大扭矩保持在185Nm之上，能够达到设计指标要求。

图4、图5所示为不同静态提前角下发动机总排温和爆发压力对比曲线。随着喷油提前角的降低，发动机的总排温呈上升趋势，主要是由于柴油喷入时间推迟，参与空气混合时间降低，导致燃油燃烧不够充分，大量未燃烧混合气进入排气管再次燃烧，造成排温整体增加；另外，随喷油提前角的减小，发动机汽缸内最大燃烧压力也逐渐降低，这也与燃油混合时间的降低而保持一致。

2.2 经济性影响

提前角的变化对经济性的影响较小，最大的区别只体现在比油耗上，如图6、图7所示分别为不同静态提前角下外特性的小时油耗量和燃油消耗率对比曲线，对比两图可以看出，不同提前角下的小时油耗量除了2500rpm外，其他全负荷点的数值相差不大，考虑到叉车实际操作工况，有理由认为，提前角对总的燃油消耗量不会产生较大影响；但通过对比燃油消耗率可知，随着提前角的减小，燃油消耗率逐渐增加，说明单位体积的燃油对发动机的功率贡献更少，有部分燃油在排气管内参与了燃烧，这与前文描述的总排温的变化趋势一致。

2.3 排放影响

该款发动机由于采用正向开发，在燃烧开发期间，必须对该款发动机在硬件调整前进行排放摸底，调查当前状态的排放水平，并以此作为参考进行后续开发工作，摸底的排放水平如表3所示：

通过排放结果可以看出，开发的原机排放水平就已经能达到非道路国II阶段的排放要求，和非道路国III阶段排放限值相比，CO和PM均能满足要求，但是NOx明显超过4.7的指标，所以，对于排放开发的主要目标是降低NOx排放。

NOx的生成条件为高温、富氧，为了降低NOx的排放限制，最简单和最容易的方法为调整静态喷油提前角；因此对不同静态喷油提前角下的发动机进行排放试验，结果如表4所示。

通过对排放结果的分析可以认为，伴随着喷油提前角的减小，PM、HC和CO的排放略有提高，但均在III阶段的排放限值要求范围内，NOx排放明显下降，在2度和4度提前角下，均达到了III阶段的排放水平；不同提前角下排放气体的8工况数值如图8、图9和图10所示。

由8工况点的具体排放数值可以看出，在不同静态喷油提前角下，NOx排放值随工况的变化趋势一致，并且峰值均出现在1700rpm的75%负荷点，说明在该点，缸内燃烧温度最大；反观其他工况，由于负荷的变化，缸内燃烧温度下降，NOx排放值相应较小，这些都说明燃烧室内的温度是影响NOx排放的最主要因素[2，3]。

2.4 选取最佳提前角度

综合以上动力性能、经济性能和排放结果整体进行考虑，在静态提前角为2度和4度情况下，该款叉车发动机能达到非道路III阶段的排放法规要求，考虑到燃油消耗率和总排温情况，最终选择4度角作为该款发动机的最终静态提前角。

另外，由于静态提前角的调整直接导致了非排放区域提前角的调整，而在4度静态提前角下，必然会对一些非排放点的外特性性能不利，造成燃烧恶化；为了满足排放法规要求，同时，保证发动机性能下降尽可能小的情况下，通过燃烧开发的逆向设计反馈，对机械VE泵自身的动态提前器进行适当调整，保证排放法规的同时，尽可能的使非排放点的性能发挥最大优势，最终的喷油提前角曲线如图11所示。

3 结束语

（1）叉车发动机在不同提前角下，排放影响较大的量为NOx，对其他气体和颗粒物的影响较小。（2）随着静态提前角的减小，发动机的排温逐渐上升，在2度提前角下已达到700度以上，所以应选择最优角度，控制排温。（3）提前角的减小有利于发动机爆发压力的降低，可以使发动机运行更加稳定（4）此次研究的排放结果尚存在一定裕度，为该款叉车发动机后续开发和变型开发保留了较大的升级空间。

参考文献

[1]王照辉，李少亮，田静，等.叉车用发动机的现状及展望[J].工程机械，2000（3）：38-39.

[2]周松，肖友洪，朱元清，等.内燃机排放与污染控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：15-20.

[3]王照辉，李少亮，田静，等.电控VE泵供油提前角对排放的影响[J].内燃机与动力装置，2010（1）：39-42.