預(yù)噴射對(duì)輕型柴油機(jī)燃燒與排放性能影響的可視化研究*

呂純昌　賈和坤（-杭州沃德認(rèn)證技術(shù)服務(wù)有限公司浙江杭州3005 -江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

預(yù)噴射對(duì)輕型柴油機(jī)燃燒與排放性能影響的可視化研究*

呂純昌1賈和坤2
（1-杭州沃德認(rèn)證技術(shù)服務(wù)有限公司浙江杭州310015 2-江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

以某輕型柴油機(jī)為樣機(jī)，搭建了缸內(nèi)燃燒過程可視化試驗(yàn)平臺(tái)，通過缸內(nèi)燃燒過程高速攝影、缸內(nèi)示功圖采集及放熱率計(jì)算分析了預(yù)混合低溫燃燒模式下預(yù)噴射對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響規(guī)律。通過所搭建的柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程可視化平臺(tái)可以直觀地分析柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒過程。25%負(fù)荷工況條件下，隨著預(yù)噴射油量的增加，擴(kuò)散火焰出現(xiàn)時(shí)刻提前，火焰面積增大，滯燃期縮短，NOx排放量不斷下降，碳煙排放與有效燃油消耗率則呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。隨著預(yù)噴射正時(shí)不斷提前，但是擴(kuò)散火焰出現(xiàn)時(shí)刻提前，從-4.2°CA提前到-4.8°CA，且擴(kuò)散火焰面積有增大趨勢(shì)。NOx排放量與有效燃油消耗率不斷上升，碳煙先下降后上升。

柴油機(jī)預(yù)噴射預(yù)混合低溫燃燒可視化

引言

隨著內(nèi)燃機(jī)日益向高效節(jié)能與環(huán)保方向發(fā)展，突破柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒模式下有害排放物的生成極限，新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒理論與技術(shù)的創(chuàng)新研究成為國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)[1-3]。電控高壓共軌系統(tǒng)將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，由于具有噴油正時(shí)、噴油量與噴油規(guī)律的高精度、柔性控制等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。基于電控高壓共軌系統(tǒng)控制的多次噴射耦合高比例冷卻EGR策略實(shí)現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)超低排放[6-7]。

柴油機(jī)中的噴霧、蒸發(fā)、混合與燃燒過程非常復(fù)雜，并在高溫高壓下瞬間完成[8]。為了對(duì)柴油機(jī)工作過程中噴霧、氣流運(yùn)動(dòng)、火焰擴(kuò)散等物理過程進(jìn)行直觀的研究分析，加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)探索實(shí)現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒模式的基本途徑，本文基于內(nèi)窺鏡式可視化研究系統(tǒng)，直接拍攝缸內(nèi)噴霧及燃燒火焰的高清晰彩色圖像，并利用數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行圖片的采集和分析。通過對(duì)比分析預(yù)混合低溫燃燒條件及不同預(yù)噴參數(shù)下的缸內(nèi)工作過程，探索預(yù)噴射的作用機(jī)理。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

研究樣機(jī)為某四缸水冷輕型車用柴油機(jī)，裝有電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用奧地利AVL公司的Visio scope內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)搭建了缸內(nèi)燃燒過程可視化試驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)由CCD彩色攝像機(jī)、圖像采集卡、照明光源、角標(biāo)儀、接口卡和計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)體積小，具有多套組件可供選擇，通過將內(nèi)窺鏡頭伸入燃燒室，采用CCD彩色相機(jī)直接拍攝缸內(nèi)噴霧及燃燒火焰的高清晰彩色圖像，利用數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行圖片的采集、重構(gòu)、分析，最終得到擴(kuò)散火焰的溫度和碳煙濃度的空間分布信息。

拍攝過程中，AVL 513D系統(tǒng)通過角標(biāo)儀進(jìn)行曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)同步，因此試驗(yàn)前先用頻閃儀確定出發(fā)動(dòng)機(jī)的上止點(diǎn)位置，試驗(yàn)過程中的基本設(shè)置參數(shù)：曝光頻率為10Hz，圖像分辨率為640×480像素，曝光時(shí)間為80μs。試驗(yàn)過程中采用氣體分析儀分別測(cè)試進(jìn)氣和排氣中的CO2濃度，依照公式（1）計(jì)算得到EGR率，本文所有試驗(yàn)工況下的EGR率均為65%。CA50的含義為缸內(nèi)燃燒累計(jì)放熱量達(dá)總放熱量50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

1.2試驗(yàn)方案

在進(jìn)氣氧濃度、噴射壓力和進(jìn)氣溫度參數(shù)的優(yōu)化匹配基礎(chǔ)上，保持主噴射正時(shí)為-20°CA ATDC不變，引入預(yù)噴射，研究預(yù)噴油量和預(yù)噴正時(shí)對(duì)預(yù)混合低溫燃燒過程與排放的影響，各控制參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)控制參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1預(yù)噴油量對(duì)燃燒與排放的影響

圖1中給出了25%負(fù)荷工況，不同預(yù)噴油量下的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率曲線，預(yù)噴正時(shí)與主噴正時(shí)分別是-40°CA和-20°CA。從圖中的缸內(nèi)壓力變化曲線可以得知，相對(duì)于單次噴射下的缸內(nèi)壓力曲線，引入預(yù)噴射后缸內(nèi)壓力上升始點(diǎn)提前，且壓力峰值上升。瞬時(shí)放熱率曲線表明，主噴燃油放熱之前，預(yù)噴燃油有一個(gè)明顯的放熱過程。與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后主噴燃油的放熱始點(diǎn)提前，瞬時(shí)放熱率峰值降低。這是由于預(yù)噴射燃油的放熱導(dǎo)致缸內(nèi)溫度壓力升高，主噴燃油的著火滯燃期縮短，減少了預(yù)混合燃燒，主噴油量的減少也是放熱率峰值降低的主要原因。

比較不同預(yù)噴油量對(duì)缸內(nèi)燃燒過程的影響可以看出，隨著預(yù)噴油量的不斷增加，預(yù)噴燃油的放熱率峰值有所上升；同時(shí)，預(yù)噴油量的增加導(dǎo)致主噴燃油放熱始點(diǎn)提前，瞬時(shí)放熱率峰值下降。主噴燃油放熱始點(diǎn)提前的主要原因是隨著預(yù)噴射油量的增加，預(yù)噴射放出更多的熱量，導(dǎo)致了缸內(nèi)壓力和溫度上升；而隨著預(yù)噴油量的增大，主噴燃油的不斷減少則是主噴燃油瞬時(shí)放熱率下降的主要原因。

25%負(fù)荷工況下，隨著預(yù)噴射油量的增加，燃油消耗率呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢(shì)，如圖2所示。從前面燃燒過程分析可知，該工況下引入預(yù)噴射后，燃燒相位明顯提前，更靠近上止點(diǎn)，這是燃油消耗率略有降低的主要原因，由于預(yù)噴射正時(shí)為-40°CA，隨著預(yù)噴射油量的增加，會(huì)有更多的燃油發(fā)生著壁現(xiàn)象，因此燃油消耗率又出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。引入預(yù)噴射后，各個(gè)預(yù)噴油量下，NOx排放均低于單次噴射，且隨著預(yù)噴射油量的增加，主噴射燃油量進(jìn)一步減少，NOx排放改善效果更佳，預(yù)噴油量為7.5mg工況下NOx排放比單次噴射工況降低了53.7%。預(yù)噴射是影響油氣混合碳煙排放的關(guān)鍵因素。25%負(fù)荷工況中，在所采用的預(yù)噴射參數(shù)下，預(yù)噴燃油在很早的時(shí)刻（-40° CA）噴入燃燒室，有充分的時(shí)間與空氣進(jìn)行混合，當(dāng)預(yù)噴油量逐漸增加，預(yù)噴燃油形成的均質(zhì)混合氣數(shù)量增加，碳煙進(jìn)一步下降，當(dāng)預(yù)噴油量超過一定值以后，更多的燃油著壁以及主噴射滯燃期縮短產(chǎn)生的影響開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，因此隨著預(yù)噴油量的增加，碳煙的排放出現(xiàn)了先降低后增加的趨勢(shì)。

圖2　不同預(yù)噴油量下的有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放

2.2預(yù)噴油量對(duì)火焰特征的影響

圖3示出了1600r/min，25%負(fù)荷下，EGR閥全開時(shí)不同預(yù)噴油量條件下，從主噴燃油噴射開始(-20°CA)到CA5對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的缸內(nèi)實(shí)拍圖片。從圖中可以看出在各工況下，燃油在-12°CA已經(jīng)基本霧化完畢。預(yù)噴油量為2.5mg和5mg的工況下，在CA5對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角下并未出現(xiàn)擴(kuò)散火焰。而預(yù)噴油量為7.5mg，工況在-5.2°CA時(shí)出現(xiàn)少量擴(kuò)散火焰，這是由于預(yù)噴油量較大，其燃燒產(chǎn)生的溫度較高，因此主噴燃油噴入氣缸時(shí)的溫度較高，主燃燒滯燃期縮短，預(yù)混合時(shí)間縮短。可見預(yù)混合時(shí)間充分是沒有出現(xiàn)擴(kuò)散火焰的根本原因。

圖3　不同噴射正時(shí)下的燃油噴射及著火過程

圖4給出不同預(yù)噴油量下的擴(kuò)散火焰發(fā)展過程圖片。由圖4中可以看出，隨著預(yù)噴油量的增大，著火時(shí)刻逐漸提前，當(dāng)預(yù)噴油量為7.5mg時(shí)，在CA5之前已經(jīng)出現(xiàn)擴(kuò)散火焰。此外，從圖4中還可以觀察到，對(duì)應(yīng)CA10、CA50和CA90的曲軸轉(zhuǎn)角下的圖片中，隨著預(yù)噴油量的增大，缸內(nèi)火焰面積也呈逐漸增大的趨勢(shì)。這是由于預(yù)噴油量增大，預(yù)噴放熱量增多，導(dǎo)致主噴燃油的滯燃期縮短，預(yù)混合氣減少，擴(kuò)散燃燒比例增加。因此，預(yù)噴油量的增大，滯燃期縮短，擴(kuò)散火焰出現(xiàn)時(shí)刻提前，火焰面積增大，這也是造成大預(yù)噴油量下碳煙升高的原因之一。

圖4　不同預(yù)噴油量下的擴(kuò)散火焰發(fā)展過程

2.3預(yù)噴正時(shí)的影響

圖5給出了25%負(fù)荷工況，預(yù)噴油量為5mg時(shí)，不同預(yù)噴正時(shí)下的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率曲線。與單次噴射相比，缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的改變與前面分析預(yù)噴射油量的影響基本一致。引入預(yù)噴射后，缸內(nèi)壓力峰值上升，瞬時(shí)放熱率峰值下降，壓力上升始點(diǎn)和主噴燃油放熱始點(diǎn)提前。隨著預(yù)噴正時(shí)從-40°CA提前到-70°CA，缸內(nèi)壓力峰值是不斷上升的，其上升始點(diǎn)也有所提前。對(duì)于預(yù)噴燃油的放熱而言，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，預(yù)噴燃油放熱過程也略有提前，而其放熱率峰值幾乎沒有發(fā)生變化。隨著預(yù)噴正時(shí)從-40°CA提前到-70°CA，從對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)放熱率曲線中可以看出，預(yù)噴正時(shí)的提前，主噴射放熱始點(diǎn)提前，滯燃期縮短，放熱率峰值下降。

圖5　不同預(yù)噴正時(shí)下的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率曲線

圖6給出在預(yù)噴油量為5mg時(shí)，柴油機(jī)有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放隨著預(yù)噴正時(shí)的變化關(guān)系。隨著預(yù)噴正時(shí)的不斷提前，有效燃油消耗率有所上升，因?yàn)樵摴r下，主噴正時(shí)處于預(yù)噴燃油的放熱過程中，滯燃期縮短，放熱相位提前，出現(xiàn)遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的趨勢(shì)，燃燒效率下降。引入預(yù)噴射后NOx排放均低于單次噴射，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，NOx排放均出現(xiàn)了逐漸上升的現(xiàn)象，碳煙排放呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。預(yù)噴正時(shí)的提前，使得預(yù)噴燃油的混合時(shí)間和混合質(zhì)量有所提高，因此碳煙降低。隨著預(yù)噴正時(shí)的繼續(xù)提前，預(yù)噴燃油霧化不良以及主噴燃油滯燃期縮短是碳煙排放上升的主要原因。

圖6　不同預(yù)噴正時(shí)下的有效燃油消耗率、NO x和碳煙排放

2.4預(yù)噴正時(shí)對(duì)火焰特征的影響

圖7給出了預(yù)噴油量為5mg，不同預(yù)噴正時(shí)下擴(kuò)散火焰發(fā)展過程圖片。由圖可知，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，在CA5時(shí)刻仍都未出現(xiàn)擴(kuò)散火焰，但是擴(kuò)散火焰出現(xiàn)時(shí)刻稍有提前，從-4.2°CA提前到-4.8°CA，且擴(kuò)散火焰面積不斷增加。對(duì)應(yīng)CA10、CA50和CA90的曲軸轉(zhuǎn)角下的圖片中，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，使得燃燒持續(xù)期有增大的趨勢(shì)。預(yù)噴正時(shí)提前，預(yù)噴燃油放熱提前，主噴燃油噴入氣缸時(shí)的缸內(nèi)壓力和溫度都有所升高，因此，緊跟著預(yù)噴燃油放熱后的主噴燃油放熱始點(diǎn)提前，滯燃期縮短。

圖7　不同預(yù)噴正時(shí)下的擴(kuò)散火焰發(fā)展過程

3　結(jié)論

1）搭建的柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程可視化平臺(tái)在不干擾噴霧燃燒場(chǎng)情況下能方便得到直觀的柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒照片，為進(jìn)一步研究柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒過程提供了條件。

2）預(yù)噴射的引入，減小了主噴油量的同時(shí)縮短了主噴燃油的著火滯燃期，放熱相位提前，放熱率峰值下降，能夠有效抑制NOx的生成。

3）隨著預(yù)噴射油量的增加，滯燃期縮短，NOx排放量不斷下降，碳煙排放與有效燃油消耗率則呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。

4）隨著預(yù)噴射正時(shí)不斷提前，NOx排放量與有效燃油消耗率不斷上升，碳煙先下降后上升。

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8賈和坤,劉勝吉,尹必峰，等.EGR對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒過程影響的可視化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(7): 1263-1266

Visualization Study of the Influence of Pilot-Injection on Combustion and Em ission for Light-Duty Diesel

Lv Chunchang1,Jia Hekun2
1-Hangzhou ORDCertification Technology Service Co.,Ltd.(Hangzhou,Zhejiang,310015,China) 2-Schoolof Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University

Taking one high pressure common rail light-duty diesel engine as the research object,a visualization platform for cylinderworking process of a diesel enginewas built.Influence of pilot injection under low-temperature premixed combustion on combustion process and emission characteristics was studied through cylinder combustion process high-speed photography,cylinder pressure and heat release rate.The study illustrated that spray and combustion processwas analyzed directly through visualization platform.At 25%load,with the pilot injection quantity increased,the timing of diffusion flame occurring advanced and the flame area expanded,the ignition delay shortened,and the NOxemission reduced constantly while Soot emission and BSFC decreased firstly and then increased.With the pilot injection timing advanced,the timing of diffusion flame occurring advanced from-4.2°CA to-4.8°CA and the flame area had a tendency to expand,then the NOxand BSFC emission increased constantly while Sootemission decreased firstly and then increased.

Diesel engine,Pilot injection,Low-temperature premixed combustion,Visualization

TK421.5

A

2095-8234（2016）02-0017-05

2016-01-07）

中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2014M560400），江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（13JDG075）。

呂純昌(1975-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排放控制。