預(yù)噴對柴油機燃燒與排放的影響

王輝，黃榮，郭曉宇，黃豪中

(1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

柴油機作為一種重要的動力裝置，由于其較高的熱效率、較大的輸出扭矩以及優(yōu)越的穩(wěn)定性，在工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，柴油機在運行過程中排出的廢氣對環(huán)境和人類健康有著極大危害，尤其是氮氧化物(NOx)和顆粒物。因此，為了減少柴油機的污染物排放以滿足嚴格的排放法規(guī)，許多學(xué)者開展了相關(guān)技術(shù)的研究，這其中包括低溫燃燒技術(shù)[3-4]、排氣后處理系統(tǒng)[5-6]以及多次噴射策略[7-8]等。

多次噴射策略包括預(yù)噴、主噴和后噴，其中，預(yù)噴策略(預(yù)噴率和預(yù)噴間隔)在優(yōu)化發(fā)動機燃燒過程、降低NOx排放和發(fā)動機噪聲等方面具有顯著優(yōu)勢[9-10]。Fang等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)NOx排放隨著預(yù)噴率增大而減少。Wei等[12]在一臺6缸柴油機上研究柴油-甲醇混合燃料耦合預(yù)噴策略對排放特性的影響，結(jié)果顯示隨著預(yù)噴率增大，HC和CO排放降低。Yun等[13]的研究結(jié)果表明，隨著預(yù)噴間隔增大，soot和NOx排放減少。Jeon和Park[14]在一臺可視化柴油機上研究了預(yù)噴策略對發(fā)動機燃用柴油-生物柴油混合燃料排放的影響，研究發(fā)現(xiàn)，與單次噴射相比，使用預(yù)噴策略能降低NOx排放和最大壓力升高率，但是soot排放升高。d’Ambrosio等[15]發(fā)現(xiàn)預(yù)噴策略在降低NOx排放方面具有顯著效果。

柴油機使用預(yù)噴策略能降低NOx排放，但會導(dǎo)致soot排放升高。為了保證在降低NOx排放的同時能實現(xiàn)柴油機的較低soot排放目標(biāo)，本研究在一臺4缸增壓柴油機上研究了預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對柴油機燃燒和排放特性的影響。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗在一臺排量2.0 L的4缸增壓高速柴油機上進行，發(fā)動機的主要參數(shù)見表1。通過INCA軟件和開放式ECU對Bosch電控單元控制的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的噴油量、噴油正時、軌壓等噴油參數(shù)進行調(diào)整。

表1 試驗發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

發(fā)動機試驗臺架的主要測控系統(tǒng)包括湘儀電渦流測功機、德維創(chuàng)燃燒分析儀、AVL415SE煙度計、MEXA-7100DEGR排放分析儀以及發(fā)動機顆粒排放分析儀Combustion DMS500MkⅡ。發(fā)動機試驗臺架見圖1。

1—油箱；2—燃油濾清器；3—油耗儀；4—高壓油泵；5—空氣流量計；6—渦輪增壓器；7—熱交換器；8—EGR閥；9—熱交換器；10—高壓共軌；11—開放式ECU；12—ECU控制器；13—電渦流測功機；14—控制柜；15—柴油機；16—角標(biāo)儀；17—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；18—Horiba MEXA-7100DEGR；19—DMS500Mk Ⅱ；20—AVL 415SE煙度計；21—背壓閥。圖1 發(fā)動機試驗臺架示意

1.2 試驗方法

為了保證試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可對比性，試驗過程中，冷卻水溫度控制在(85±3) ℃，進氣溫度控制在(30±2) ℃，噴油時刻固定在-7°ATDC，噴射壓力為100 MPa。對于每次測試，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，EGR率為24.7%，發(fā)動機負荷為0.6 MPa(35%負荷)。為了更好地研究預(yù)噴策略對柴油機燃燒與排放的影響，采用單次噴射作為對比。預(yù)噴間隔在15°～45°范圍內(nèi)變化，預(yù)噴率在5%～20%之間變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對燃燒特性的影響

圖2示出在不同預(yù)噴率和預(yù)噴間隔下缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。從圖2可以看出，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后，柴油的放熱可分為兩個階段，即預(yù)噴放熱和主噴放熱。隨著預(yù)噴率增加(如圖2a)，預(yù)噴放熱率峰值升高，主噴放熱率峰值降低。這主要是因為隨著預(yù)噴率的增加，預(yù)噴階段放熱量增加，導(dǎo)致預(yù)噴放熱率峰值升高。在保持總噴油量不變的前提下，預(yù)噴率的增加致使主噴階段燃油量減少，主噴放熱率峰值降低。

從圖2b可以看出，隨著預(yù)噴間隔增大，預(yù)噴放熱率峰值下降。這是因為隨著預(yù)噴間隔增大，預(yù)噴時活塞遠離上止點，缸內(nèi)溫度和壓力較低，預(yù)噴燃油的滯燃期延長，導(dǎo)致油氣混合過稀，預(yù)噴燃油燃燒速度減慢，因此預(yù)噴放熱率峰值下降。過稀的混合氣在預(yù)噴階段未能完全燃燒，推遲到主噴階段，增加了主噴階段的燃油量，使得主噴放熱率峰值升高。

圖2 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

圖3示出在不同預(yù)噴率和預(yù)噴間隔下的最大壓力升高率曲線。從圖3可以看到，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后，最大壓力升高率降低。這是因為采用預(yù)噴策略后，預(yù)混燃燒放熱量對后噴入缸內(nèi)的主噴柴油起到引燃作用，縮短了主噴滯燃期，降低放熱率峰值，使得最大壓力升高率降低。

圖3 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對最大壓力升高率的影響

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)噴間隔減小和預(yù)噴率增加，最大壓力升高率降低。這是因為隨著預(yù)噴間隔減小，缸內(nèi)壓力和溫度升高，有利于預(yù)噴階段混合氣著火，燃燒產(chǎn)生的熱量對主噴階段燃油起到引燃作用，導(dǎo)致最大壓力升高率降低。隨著預(yù)噴率增大，預(yù)噴階段放熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，主噴滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例減小，最大壓力升高率降低。因此，使用小預(yù)噴間隔耦合大預(yù)噴率策略能顯著降低最大壓力升高率。

圖4示出預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對柴油機熱效率的影響。從圖4可以看到，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后，熱效率提高。其中，在預(yù)噴間隔15°、預(yù)噴率15%的工況下，柴油機的熱效率最高，比單次噴射的熱效率提高1.8%。隨著預(yù)噴間隔增大，熱效率降低，而改變預(yù)噴率對熱效率的影響較小。主要原因是增大預(yù)噴間隔，預(yù)噴階段缸內(nèi)溫度和壓力低，燃油濕壁量增加[16]，燃燒效率降低導(dǎo)致熱效率減小。為實現(xiàn)柴油機的高熱效率，應(yīng)采用小預(yù)噴間隔策略。

圖4 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對熱效率的影響

2.2 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對排放特性的影響

圖5示出soot排放隨著預(yù)噴率和預(yù)噴間隔的變化。從圖5可以看出，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后，soot排放升高。這是因為預(yù)噴階段燃油燃燒產(chǎn)生的熱量對主噴階段燃油起到引燃作用，主噴滯燃期縮短，導(dǎo)致預(yù)混燃燒比例減小，擴散燃燒比例增加， soot排放升高。

從圖5a可以看出，隨著預(yù)噴間隔增大， soot排放降低。這是因為，隨著預(yù)噴間隔增大，預(yù)噴階段燃油與空氣混合更充分，形成更多均質(zhì)的混合氣，燃料燃燒更充分，導(dǎo)致soot排放降低。

從圖5b可以看出，隨著預(yù)噴率增大，soot排放升高。這可能是因為預(yù)噴率增大會出現(xiàn)預(yù)噴燃油碰壁現(xiàn)象，不利于燃油蒸發(fā)和進一步與空氣混合，缸內(nèi)出現(xiàn)局部混合氣過濃區(qū)域，導(dǎo)致soot排放升高。

圖6示出不同預(yù)噴率和預(yù)噴間隔條件下的NOx排放情況。從圖6可以看出，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略后， NOx排放降低； NOx排放隨著預(yù)噴間隔的增大無明顯變化，但隨著預(yù)噴率增加，NOx排放降低。這是因為NOx生成主要取決于缸內(nèi)燃燒溫度、氧濃度和高溫持續(xù)時間，隨著預(yù)噴率增加，主噴滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例減少，缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx排放降低。為實現(xiàn)低NOx排放，應(yīng)采用大預(yù)噴率策略。

圖5 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對soot排放的影響

圖6 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對NOx排放的影響

圖7示出CO排放隨預(yù)噴率和預(yù)噴間隔的變化。從圖7可以看出，與單次噴射相比，采用預(yù)噴策略發(fā)動機的CO排放升高，且隨著預(yù)噴間隔和預(yù)噴率的增大，CO排放升高。這是因為隨著預(yù)噴間隔增大，滯燃期延長，部分混合氣竄入氣缸與活塞之間的狹隙，狹隙內(nèi)溫度較低，抑制了CO氧化成CO2。另外，預(yù)噴燃油由于缸內(nèi)壓力低發(fā)生濕壁現(xiàn)象而不能完全燃燒，導(dǎo)致CO排放升高。隨著預(yù)噴率增大，狹隙效應(yīng)和濕壁程度增強[16]，因此CO排放進一步升高。

圖7 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對CO排放的影響

圖8示出預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對THC排放的影響。從圖8可以看出，THC排放趨勢與CO排放相似。隨著預(yù)噴間隔和預(yù)噴率的增大，竄入狹隙和氣缸邊界層的燃油量增加，此時缸內(nèi)燃燒溫度較低，淬火效應(yīng)導(dǎo)致部分燃料燃燒不完全，使得THC排放升高。

圖8 預(yù)噴率和預(yù)噴間隔對THC排放的影響

3 結(jié)論

a) 采用預(yù)噴策略后，放熱分為預(yù)噴放熱和主噴放熱兩階段，隨著預(yù)噴率增加，主噴放熱率峰值降低，隨著預(yù)噴間隔增大，主噴放熱率峰值升高；

b) 采用預(yù)噴策略能顯著降低最大壓力升高率，在大預(yù)噴率和小預(yù)噴間隔工況下，最大壓力升高率較?。?/p>

c) 增加預(yù)噴率，NOx排放降低，soot、CO和THC排放升高；增大預(yù)噴間隔，NOx排放無明顯變化，soot排放顯著降低，CO和THC排放升高；采取大預(yù)噴間隔策略可以同時降低NOx和soot排放；

d) 在小負荷下，采用大預(yù)噴率和小預(yù)噴間隔策略可以同時實現(xiàn)較高的熱效率和較低的NOx排放。