預(yù)噴與后噴參數(shù)對柴油機(jī)排放影響的試驗研究

尹來承，邱爽，馬寧，于澤浩

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.北油電控燃油噴射系統(tǒng)(天津)有限公司，天津 301701)

柴油機(jī)燃料的燃燒效果直接影響其工作性能及尾氣中污染物的排放。為了使柴油機(jī)排出的氣體滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，達(dá)到減小環(huán)境污染的目的，一般首先針對柴油機(jī)內(nèi)部的燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化，使燃料的燃燒更加充分，以減少有害物質(zhì)的排放，再使用適當(dāng)?shù)耐鈨艋O(shè)備對其進(jìn)行輔助處理，通過催化反應(yīng)降低燃料燃燒后氣體中的有毒有害物質(zhì)的排放[1-2]。高壓燃油多次噴射是目前主流的內(nèi)凈化技術(shù)，為了能夠使柴油機(jī)燃料燃燒更加充分、尾氣中有害物質(zhì)的排放處于較低水平，往往會在每一個噴油階段進(jìn)行5～6次燃油噴射，即在主噴前增加2～3次預(yù)噴，在主噴后增加1～2次后噴[3-4]。

預(yù)噴射是指在主噴射之前進(jìn)行油量較少的噴射，使活塞在到達(dá)上止點之前缸內(nèi)壓力有所升高，從而減少主噴射燃油燃燒的滯后期，這一方式可以有效提高燃燒室的溫度，因此對尾氣中HC與CO的排放有明顯的抑制效果[5]，但預(yù)噴油量高達(dá)一定程度時，將會表現(xiàn)為較早的主燃燒，使尾氣中NOx排放有所增加，因此一般把預(yù)噴分為兩次進(jìn)行，避免產(chǎn)生高溫高壓富氧環(huán)境而促進(jìn)NOx的產(chǎn)生。

后噴射主要分為兩種，較早的后噴射與較晚的后噴射，不同時間的后噴所產(chǎn)生的作用不同。在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中[6]，較早的后噴射是指在主噴射之后，主噴射所噴射出的燃油正在燃燒時加入后噴射，噴射少量的燃油，使后噴射所噴射的燃料在主噴射燃燒接近結(jié)束時再進(jìn)行一次燃燒，使其能夠?qū)⒅鲊娚鋾r燃油燃燒后產(chǎn)生的微粒以及其他有害氣體消耗掉，從而降低尾氣中微粒、CO及NOx等物質(zhì)的排放，屬柴油機(jī)的內(nèi)凈化[7]。

較晚的后噴射是指在主噴射之后，主噴射所噴出的燃油燃燒完畢之后再進(jìn)行少量燃油的噴射[8]。較晚的后噴射目的是將精確計量的燃料噴入氣缸中，與之前所有燃油燃燒產(chǎn)生的廢氣混合在一起，使其不進(jìn)行燃燒，通過柴油機(jī)的排氣行程進(jìn)入排氣系統(tǒng)，被尾氣中的余熱蒸發(fā)。這種較晚的后噴射主要用來提供碳?xì)浠衔?，這些碳?xì)浠衔镌谘趸呋D(zhuǎn)化器中被氧化[9]，使排氣溫度升高，從而促進(jìn)廢氣的后期處理，如微粒捕捉器或NOx儲存式催化轉(zhuǎn)化器等都是采用加入較晚后噴射的方法減小尾氣中有害氣體的排放。這種在柴油機(jī)工作過程中加入較晚的后噴射，用于促進(jìn)后期尾氣處理的方式屬柴油機(jī)的外凈化。本次試驗主要對較早的后噴射進(jìn)行研究。

預(yù)噴射與后噴射的角度和油量對柴油機(jī)燃料燃燒所產(chǎn)生的有害氣體排放有著十分重要的影響，因此針對不同的后噴時刻與后噴油量對柴油機(jī)尾氣中有害氣體排放的影響進(jìn)行試驗探究十分必要，并且具有很高的應(yīng)用價值。

1 試驗設(shè)備與試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗樣機(jī)為1臺YN33四缸高壓共軌柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。噴油器型號為LT-Z4468(孔徑0.151 mm，孔數(shù)7)，ECU為P175，使用AVL發(fā)動機(jī)臺架試驗控制系統(tǒng)對其進(jìn)行試驗。使用該試驗控制系統(tǒng)中的電力測功機(jī)對柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩進(jìn)行控制，使用濾紙式煙度計和排放分析儀分別對尾氣的煙度與其他物質(zhì)的排放進(jìn)行測量。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.2 試驗方法

首先對YN33發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)噴試驗，選取不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷的8種工況(800 r/min、0%負(fù)荷；1 800 r/min、50%負(fù)荷；1 800 r/min、75%負(fù)荷；1 800 r/min、100%負(fù)荷；2 600 r/min、10%負(fù)荷；2 600 r/min、50%負(fù)荷；2 600 r/min、75%負(fù)荷；2 600 r/min、100%負(fù)荷)進(jìn)行試驗。預(yù)噴油量為1.5 mg和2.0 mg兩級，每一工況都調(diào)整預(yù)噴提前角(10°～18°曲軸轉(zhuǎn)角)，綜合考慮油耗率、NOx排放和煙度值，確定各個工況下預(yù)噴1的最優(yōu)預(yù)噴提前角與預(yù)噴油量[10]。

在一次預(yù)噴的基礎(chǔ)上，加入二次預(yù)噴，預(yù)噴油量為1.5 mg，并在上述的8種工況下進(jìn)行試驗。在試驗過程中改變預(yù)噴2的預(yù)噴提前角(范圍10°～45°曲軸轉(zhuǎn)角，角度間隔為5°曲軸轉(zhuǎn)角)，分別進(jìn)行試驗，記錄尾氣中煙度與NOx等數(shù)值[11]；觀察尾氣中有害物質(zhì)排放與預(yù)噴參數(shù)之間的關(guān)系和變化規(guī)律，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)選取最有利于排放的預(yù)噴參數(shù)，并與未加入預(yù)噴時尾氣中的有害物質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[12-13]。

在兩次預(yù)噴基礎(chǔ)上加入一次后噴，在8種工況下進(jìn)行試驗(后噴油量1.5 mg)。試驗時不斷改變后噴角(范圍在15°～43°曲軸轉(zhuǎn)角，角度間隔為2°曲軸轉(zhuǎn)角),對不同的工況分別進(jìn)行單因素試驗[14]，觀察后噴角與尾氣中有害物質(zhì)排放的關(guān)系，依據(jù)NOx值，并參考其他參數(shù)數(shù)值，選定最佳后噴角，并將最佳后噴角時的煙度值和NOx的排放與不進(jìn)行后噴時進(jìn)行對比；再以該后噴角為基準(zhǔn)，改變后噴油量(范圍為2～10 mg，間隔增量為1 mg)，試驗測量該柴油機(jī)在不同工況、不同后噴油量下的有害物質(zhì)排放，并探究后噴油量與尾氣中煙度的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)噴對尾氣中NOx排放和煙度的影響

此次試驗中共進(jìn)行三次噴射，兩次預(yù)噴與一次主噴[15]，預(yù)噴1最優(yōu)排放數(shù)據(jù)如表2所示。預(yù)噴2提前角與尾氣中NOx排放及煙度的關(guān)系見圖1。

表2 預(yù)噴1最優(yōu)噴射參數(shù)與尾氣中有害物質(zhì)排放值

圖1 預(yù)噴2提前角與尾氣中有害物質(zhì)的關(guān)系

由圖1可以看出，除大負(fù)荷工況外，尾氣中NOx排放與煙度均在一定范圍內(nèi)波動。在中小負(fù)荷下，NOx排放大多隨著預(yù)噴時間的提前而逐漸減??；而在較大負(fù)荷下，NOx排放始終在較高水平不規(guī)律波動，主要是由于氣缸內(nèi)處于高溫高壓狀態(tài)，而高溫是NOx產(chǎn)生的必要條件[16]；各個工況下NOx排放均在35°～40°曲軸轉(zhuǎn)角的區(qū)間內(nèi)達(dá)到最低值；除了大負(fù)荷工況之外，煙度均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，在2 600 r/min，275 N·m工況下(即100%負(fù)荷)煙度隨預(yù)噴提前角增大而增大，其余大多數(shù)工況下在預(yù)噴提前角為40°曲軸轉(zhuǎn)角時NOx排放與煙度達(dá)到最低。綜合考慮尾氣中各類有害氣體排放，最終確定的各工況下預(yù)噴2最優(yōu)噴射參數(shù)如表3所示。

加入二次預(yù)噴與未加入二次預(yù)噴的NOx排放與煙度對比如圖2所示。

表3 預(yù)噴2參數(shù)與尾氣中有害物質(zhì)排放

圖2 有無二次預(yù)噴的排放對比

由圖2可以看出，加入二次預(yù)噴后，尾氣中NOx排放在各個工況下均有所下降，變化趨勢與未加入二次預(yù)噴時的趨勢一致。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于加入二次預(yù)噴后，主噴油量相對變小，主噴射燃燒時的放熱率降低，間接實現(xiàn)了氣缸內(nèi)溫度的降低，使NOx的產(chǎn)生缺少條件，從而降低尾氣中NOx的排放。加入二次預(yù)噴后尾氣中的煙度值在各個工況下均略有增高，原因是預(yù)噴油量增加后，氣缸內(nèi)燃燒前燃油量增加，滯燃期隨之縮短，燃燒前噴入氣缸內(nèi)的燃油混合不充分，從而導(dǎo)致煙度值的小幅度升高。

2.2 后噴角對尾氣中NOx排放和煙度的影響

由圖3a可知，后噴角的改變對NOx排放的影響并不明顯，隨著后噴角的改變，NOx排放均在小范圍內(nèi)波動，先隨著后噴角的增大而小范圍減小，然后隨著后噴角的增大而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于后噴時刻與主噴時刻相近時，后噴燃油噴入后間接降低了缸內(nèi)的氧氣濃度， 而NOx形成的主要條件是高溫富氧，與主噴相近的后噴射小幅度抑制了NOx的形成條件，因而NOx排放逐漸減少。由圖3b可知，后噴角對煙度有較大影響，大多工況下隨著后噴角的增大煙度呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是由于當(dāng)主噴與后噴間隔較小時，氣缸內(nèi)的氣體混合時間較短，未能充分混合，不利于燃油的氧化，因而煙度值較大。當(dāng)后噴角大于25°曲軸轉(zhuǎn)角時，各工況下尾氣中煙度值均呈現(xiàn)下降的趨勢，此時氣缸內(nèi)的混合氣混合較為充分，因而炭煙的產(chǎn)生逐漸減少。當(dāng)主噴與后噴間隔過大時，后噴所噴入的燃油逐漸向后推遲燃燒，主噴與后噴所噴入的燃油燃燒持續(xù)時間較長，因而導(dǎo)致部分燃料燃燒不充分，燃燒效率下降，溫度也有所降低，尾氣中的煙度值有所上升[17]。

圖3 不同后噴角下排放對比

2.3 后噴油量對尾氣中NOx排放和煙度的影響

根據(jù)不同后噴角下的NOx排放與煙度值，選取各個工況下的最優(yōu)后噴時刻，在最優(yōu)后噴時刻改變后噴油量(2～10 mg)觀察其對尾氣中有害物質(zhì)的影響。由圖4a可知，隨著后噴油量的改變，尾氣中NOx的排放在大多數(shù)工況下并未出現(xiàn)明顯波動，產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是由于后噴入的燃油燃燒時并未對缸內(nèi)壓力及溫度產(chǎn)生過多影響，因此NOx排放趨于平穩(wěn)。由圖4b可知，在大多數(shù)工況下，隨著后噴油量的增加，煙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于加入少量的后噴燃油可以使氣缸內(nèi)的混合氣產(chǎn)生攪動，使燃油與空氣混合更充分，因而減少了炭煙的產(chǎn)生；隨著后噴油量的持續(xù)增大，后噴入的燃油與空氣之間的混合變差，油氣混合均勻度下降，因而尾氣中的煙度值有所上升，但除高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況外其余工況下煙度值的上下浮動并不劇烈。

圖4 后噴油量與尾氣中有害物質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)尾氣中煙度值與NOx排放，最終確定各工況下最優(yōu)后噴角與最優(yōu)后噴油量以及相應(yīng)的有害排放(見表4)。

表4 最優(yōu)后噴點尾氣中有害物質(zhì)排放

由圖5a可知，在最優(yōu)后噴點加入后噴后，與未加入后噴相比，尾氣中NOx稍有減少，并無較大波動。由圖5b可以看出，加入后噴后各個工況下尾氣中炭煙的排放均大幅減少，后噴對尾氣中的煙度值影響較為明顯，可以很好地抑制炭煙產(chǎn)生[18]。在主噴射之后加入適量燃油進(jìn)行后噴，使其在主噴燃油燃燒的末端參與燃燒，可以使主噴燃油燃燒產(chǎn)生的炭煙一同燃燒，以此降低炭煙的排放。由于后噴油

圖5 有無后噴時各工況下排放對比

量較小，且后噴燃油燃燒時活塞一般向下運動，并未產(chǎn)生高溫高壓的條件，因此加入后噴前后NOx排放沒有較大變化。

3 結(jié)論

a) 對于試驗樣機(jī)，除2 600 r/min，100%負(fù)荷工況外，其余工況預(yù)噴2最優(yōu)提前角均為40°曲軸轉(zhuǎn)角，在該角度尾氣中NOx排放達(dá)到最低點；2 600 r/min，100%負(fù)荷工況時，預(yù)噴2最優(yōu)提前角為35°曲軸轉(zhuǎn)角；在柴油機(jī)噴油過程中加入二次預(yù)噴，與只進(jìn)行一次預(yù)噴相比，可以有效地抑制尾氣中NOx產(chǎn)生，但尾氣中的煙度值有所上升；

b) 在柴油機(jī)噴油過程中加入1.5 mg后噴燃油后，尾氣中的煙度值隨著后噴角的改變變化劇烈，各個工況下總體呈現(xiàn)先增大，后減小，再增大的趨勢；尾氣中NOx排放的變化趨勢與煙度值的變化趨勢相似，但變化幅度較??；

c) 選擇各工況下合適的后噴角，隨著后噴油量的增加，尾氣中的煙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在低轉(zhuǎn)速高負(fù)載工況下變化劇烈；尾氣中NOx排放無明顯變化規(guī)律；

d) 在最優(yōu)后噴角與后噴油量工況點，與未增加后噴相比，尾氣中的煙度值大幅下降，NOx排放有少量減小，在柴油機(jī)主噴后增加合適的后噴可以極為有效地降低尾氣中的煙度值。