后噴參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響

甘 波，陳光利，王 鵬，李子非，丁 波

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063)

前言

電控高壓共軌燃油系統(tǒng)由于能夠進(jìn)行多次燃油噴射，可實(shí)現(xiàn)靈活可控的噴油規(guī)律，已在直噴柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。研究表明，燃料的霧化、蒸發(fā)混合和隨后的燃燒都與噴油規(guī)律有著密切關(guān)系［1］，多次噴射是改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的較好方法，靈活運(yùn)用可以達(dá)到改善NOx和Soot排放的效果。后噴是指在主噴結(jié)束后迅速向缸內(nèi)噴入少量燃油，產(chǎn)生二次燃燒，后噴能夠?qū)⒅鲊娙紵a(chǎn)生的Soot帶入到燃燒室擠流區(qū)，提高燃燒后期缸內(nèi)的溫度，加強(qiáng)燃油與新鮮空氣的混合，從而促進(jìn)Soot和HC的氧化［2］。

本文中通過在某電控共軌柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合后噴改善燃燒過程的理論，研究后噴參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程、排放特性及油耗的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)樣機(jī)為某重型柴油機(jī)，采用電控高壓共軌系統(tǒng)、四氣門、頂置凸輪軸，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)主要設(shè)備:AVL公司ALPHA500電渦流測功機(jī)、PUMA臺(tái)架測控儀、AVL735S油耗儀、HORIBA MEXA-7500-DEGR氣體分析儀和AVL415 S煙度計(jì)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí)，空燃比較大，氣缸內(nèi)氧氣充足，燃燒過程中產(chǎn)生的碳煙很快被氧化燃燒，此時(shí)采用后噴的效果不明顯，本文中選取柴油機(jī)兩個(gè)中等負(fù)荷工況進(jìn)行測試。工況1:轉(zhuǎn)速1 470r/min、負(fù)荷率50%、軌壓135MPa;工況2:轉(zhuǎn)速1 743r/min、負(fù)荷率50%、軌壓152.5MPa。試驗(yàn)中保持每個(gè)工況下柴油機(jī)動(dòng)力性基本不變，通過選取不同后噴油量和噴油間隔(后噴始點(diǎn)與主噴終點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角)來研究它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響，并進(jìn)行測試結(jié)果分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 后噴對(duì)柴油機(jī)燃燒的影響

2.1.1 噴油間隔對(duì)柴油機(jī)燃燒的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2，后噴油量Q=4mm3情況下，不同噴油間隔對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度的影響如圖1所示。從圖可以看出，不同噴油間隔所對(duì)應(yīng)的壓縮段曲線基本不變，引入后噴后，放熱率曲線上出現(xiàn)了放熱小尖峰，隨著噴油間隔的增大，放熱小尖峰逐步后移，缸內(nèi)燃燒放熱率峰值有所降低，燃燒重心推遲，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率下降。由溫度曲線圖可以看出，引入后噴后，缸內(nèi)溫度峰值開始下降，噴油間隔為20°CA時(shí)，主燃燒區(qū)域溫度最低?？傊S著噴油間隔的增大，主燃燒區(qū)域平均溫度呈下降趨勢(shì)。

2.1.2 后噴油量對(duì)柴油機(jī)燃燒的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2，噴油間隔為20°CA時(shí)，不同后噴油量對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度的影響如圖2所示。從曲線圖看出，引入后噴會(huì)使主燃燒段壓力有所升高。隨著后噴油量增加，主燃燒區(qū)域放熱率峰值開始下降，主燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)溫度不斷降低，這是因?yàn)楹髧娪土康脑黾釉谝欢ǔ潭壬蠝p少了主噴油量，導(dǎo)致放熱率峰值和主燃燒最高溫度都下降。放熱率第二峰值隨后噴油量增加而明顯上升，后燃期逐漸增大。

2.2 后噴對(duì)排放特性的影響

2.2.1 后噴油量對(duì)NOx、Soot和油耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在工況1，噴油間隔為15°CA情況下，保持其他參數(shù)不變，不同后噴油量 Q為2、4、6、10、14和18mm3對(duì) NOx、Soot和油耗的影響如圖3所示。隨著后噴油量的增大，NOx排放呈略微下降趨勢(shì)，這是因?yàn)橐牒髧姾?，主噴階段噴入的燃料相對(duì)較少，從而使預(yù)混合燃燒階段混合氣量減少，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，NOx生成量減少。引入后噴后，Soot排放降低了45%左右。碳煙主要在柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒剛開始時(shí)生成，此時(shí)燃料與空氣并未良好混合，油滴四周被預(yù)混合燃燒的高溫產(chǎn)物包圍，形成局部濃度極不均勻的富油區(qū)和貧油區(qū)，缺氧的富油區(qū)是形成碳煙的主要區(qū)域［3］。隨著后噴油量增加，后噴燃油對(duì)缸內(nèi)擾動(dòng)效果增強(qiáng)，會(huì)使更多的氧氣進(jìn)入到燃燒產(chǎn)物區(qū)域，從而加速了Soot氧化。由圖3可以看出，后噴會(huì)使燃油消耗率略微增加，后噴油量變化對(duì)油耗的惡化不太明顯。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2，噴油間隔為20°CA情況下，保持其他參數(shù)不變，不同后噴油量 Q 為2、4、6、8、10、12、14、16 和 18mm3對(duì) NOx、Soot和油耗的影響如圖4所示。由圖可見，NOx排放隨著后噴油量的增加而逐漸減少，這與工況1的變化趨勢(shì)相同，由2.1.2節(jié)中燃燒過程分析可以看出，后噴油量的增加使得缸內(nèi)平均溫度降低，因而減少了NOx的生成。Soot排放隨后噴油量增大而先減小后增加，當(dāng)后噴油量為Q=14mm3時(shí)，Soot排放降到最低，降幅約為35%。隨著后噴油量繼續(xù)增大，Soot值不再降低，反而出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)油量繼續(xù)增加，會(huì)使后噴燃燒持續(xù)期變長，后噴燃油在壁面附近的高溫缺氧區(qū)域內(nèi)形成較多的混合蒸氣，從而導(dǎo)致碳煙生成量升高。隨著后噴油量增加，油耗逐漸開始增大，在后噴油量Q=14 mm3左右時(shí)，能使Soot排放和油耗達(dá)到平衡。

2.2.2 噴油間隔對(duì)NOx、Soot和油耗的影響

從圖5可以看出在工況1，保持后噴油量Q=4mm3的情況下，隨著噴油間隔增大，NOx排放和油耗基本不變。Soot隨噴油間隔增大而呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，在15°CA附近達(dá)到最低。噴油間隔過小，后噴與主噴較為靠近，此時(shí)后噴入缸內(nèi)的燃油由于混合時(shí)間太短，無法與氧氣充分混合燃燒而導(dǎo)致更多碳煙的生成。噴油間隔再增大時(shí)，后噴燃料燃燒推遲，燃燒效率下降，燃燒產(chǎn)物區(qū)域內(nèi)溫度降低，此時(shí)生成的碳煙無法再次氧化［4］，碳煙排放增加。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2，保持后噴油量 Q=4mm3，NOx、Soot和油耗隨噴油間隔變化關(guān)系如圖6所示。由圖可見，它與工況1變化趨勢(shì)基本一致。噴油間隔增大對(duì)NOx排放和油耗基本無影響，Soot排放先降低后升高，在噴油間隔為20°CA時(shí)最小，達(dá)到最佳效果。

3 結(jié)論

(1)引入后噴會(huì)使放熱率曲線出現(xiàn)二次尖峰，缸內(nèi)平均溫度下降。隨著噴油間隔的增大，主燃燒段缸壓基本不變，二次放熱率峰值逐步后移;隨著后噴油量的增加，主燃燒段放熱率峰值有所下降，二次放熱率峰值明顯上升。

(2)后噴能夠有效降低Soot排放，隨著噴油間隔增大，Soot排放呈先下降后上升的趨勢(shì)，噴油間隔過大會(huì)導(dǎo)致燃燒滯后，反而會(huì)使Soot排放增大;隨著后噴油量的增加，Soot排放降低，但當(dāng)后噴油量過大時(shí)，Soot排放開始增加。

(3)后噴在一定條件內(nèi)能夠減少NOx排放，隨著后噴油量增加，NOx排放逐漸降低，但此時(shí)油耗有所上升;相同后噴油量下，噴油間隔對(duì)NOx排放和油耗無明顯影響。

［1］ 劉雄，張惠明．利用預(yù)噴射降低柴油機(jī)低速全負(fù)荷黑煙排放［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006，24(4):326 －330．

［2］ 李明星，王輝，等．后噴射改善輕型商用車柴油機(jī)排放的應(yīng)用［J］．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，195(4):74 －75．

［3］ 張志沛．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］．北京:人民交通出版社，2007:35－37．

［4］ 尹必峰，何建光，等．后噴對(duì)輕型柴油機(jī)燃燒過程及排放性能的影響［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(5):507 －510．