柴油机预喷射策略对燃烧及排放影响的试验研究

柴油机预喷射策略对燃烧及排放影响的试验研究
曹科;成晓北
【摘要】用试验方法，研究一次预喷射和两次预喷射策略对柴油机燃烧及排放影响。

利用一台直列4缸、涡轮增压、高压共轨柴油机，在转速为1 500 r/min时，在中低负荷 （平均有效压力为0.86 MPa和0.43 MPa）下，测量了预喷油量m'和预喷射与主喷射的间隔角α、缸内压力p、燃烧放热率E'，以及一氧化氮NO、碳氢化合物HC、一氧化碳CO和碳烟排放。

分析表明： α和m'都影响预喷和主喷的E'，间隔角对于主喷滞燃期的的影响比预喷油量的影响更大。

采用一次预喷射策略时，合理地选择预喷射与主喷射的间隔角和预喷油量，可以降低NO和碳烟排放，并且不会对HC和CO排放造成明显恶化。

因此，采用两次预喷射策略可以促进燃油与空气的混合；两次预喷射之间的间隔角较小时，对改善排放的效果更好。

%The effects of one-pilot injection strategy and two-pilot injection strategy on combustion and emission are investigated in a four-cylinder, turbocharged, high pressure common-rail diesel engine. The pilot-main injection intervals, the pilot injection quantities, the diesel combustion pressures, the heat release rates, and the emissions of NO, HC, CO, and soot were measured. The results show that both pilot-main injection interval and pilot injection quantity strongly affect the pilot combustion heat release and the main combustion heat release, and that the effect of pilot-main injection interval on main combustion ignition delay is more evident than the effect of pilot injection quantity. The emission of NO and soot are reduced without obvious deterioration in HC and CO when choosing appropriate pilot-main injection interval and pilot injection
quantity under one-pilot injection strategy. Using two-pilot injection strategy enhances the mixing of fuel and air. The emission is more improved, when the two-pilot injection interval is less.
【期刊名称】《汽车安全与节能学报》
【年(卷),期】2013(000)004
【总页数】6页(P379-384)
【关键词】柴油机;预喷射策略;燃烧;排放;试验
【作者】曹科;成晓北
【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074，中国;华中科技
大学能源与动力工程学院，武汉 430074，中国
【正文语种】中文
【中图分类】U 461.91
柴油机由于优异的燃油经济性，长期以来一直被用作卡车、公交车等大型车辆的动力源。

同时，柴油机较少的CO2排放量也有利于控制全球变暖。

在环境保护方面，要求进一步降低柴油机NO和碳烟排放的呼声也越来越强烈。

但是由于这两者具
有此消彼长的关系，要想同时降低也是极其困难的。

由于共轨式燃油喷射装置不受转速和负荷的影响，可以自由地控制喷油压力和喷油时间，对近年来柴油机的高性能化和低排放作出了巨大的贡献。

因此，针对利用了共轨系统控制自由度的预喷射和后喷射的研究得到发展[1-4]。

通常，这几部分喷
油都用相同的喷油装置和喷油器完成，因此燃油被喷入气缸的相同区域。

所以，视
燃烧条件而定，各部分喷油之间会产生很明显的相互作用。

与不采用预喷射的发动机相比，在主喷射之前喷入少量燃油能显著降低燃烧噪声。

在主喷油期间喷入的燃油燃烧之前，预喷燃油开始燃烧，并使燃烧室中的温度升高。

这一温度的升高会缩短主喷燃油的着火延迟，并会降低预混合燃烧与扩散控制燃烧的比率。

因此，降低了燃烧期间的最高压力梯度和峰值温度，从而能减少发动机噪声和NO的生成。

但是较大份额的扩散控制燃烧会导致较高的碳烟排放。

随着预
喷油量的增加，这种情况更加明显，此时，碳烟排放会不成比例地上升。

而且，不仅较大部分的扩散控制燃烧会导致较高的碳烟排放，某些其他参数也会导致较高的碳烟排放。

主喷燃油的局部空燃比会因预喷燃油已经燃烧而降低，这就会增加碳烟生成，并减少燃烧期间的碳烟氧化。

此外会出现喷入的液态燃油与仍在燃烧的预喷燃油直接接触，并导致碳烟生成加剧[5-7]。

本文进行了一次预喷射和两次预喷射的研究。

在一次预喷射策略下，研究了预主喷间隔角和预喷油量对燃烧及排放的影响；在两次预喷射策略（离主喷射较近的一段预喷定位预喷1，较远的一段预喷定位预喷2）下，研究了预喷2与主喷的间隔角固定时，预喷1与预喷2的间隔角对燃烧及排放的影响。

1 试验装置和方法
试验在一台4缸涡轮增压、电控高压共轨柴油机上进行，柴油机具有浅盆形ω燃
烧室，其他主要技术规格见表1。

表1 发动机技术规格
采用Bosch 电控高压共轨喷射系统，可以根据需要灵活调节喷油始点、喷射压力
和喷油持续期等。

采用加热型氢火焰离子化分析仪（HFID）测量HC排放，不分
光红外分析仪（NDIR）测量CO排放，化学发光分析仪（CLD）测量NO排放，碳烟排放采用消光式烟度计（AVL DISMOKE）测量。

2 试验结果
2.1 喷油定时的影响
为了确定喷油定时对燃烧特性的影响，按照表2中所列的条件进行了一项实验。

表2中：BMEP为平均有效压力(brake mean effective pressure)；ATDC为上止点后(after top dead center)；CA为曲轴转角(crank angle)；EGR为废气再循环(exhaust gas recirculation)。

表2 发动机运转条件
图1为缸内压力p和放热率E'随喷油定时CA(ATDC)的变化情况。

图1 喷油定时对缸压及放热率的影响
图2为滞燃期CA和燃烧始点CA随喷油定时CA(ATDC)的变化情况。

图2 喷油定时对滞燃期和燃烧始点的影响
从图1可以看出，单次喷射时的放热呈现出很明显的预混合燃烧和扩散燃烧的特性，随着喷油定时的提前，预混合燃烧峰值呈现“先下降后上升”的趋势，扩散燃烧峰值基本不变。

喷油正时在CA（ATDC）为－15° ～－2°时，滞燃期基本保持不变，喷油正时提前到CA 为－15°之前时，滞燃期呈现线性增加的趋势，原因是喷油定时过早，缸内的压力和温度不足以触发高温反应，着火延迟。

喷油正时在CA为－15°～0°时，着火由喷油定时决定，由于在这一喷油定时内的缸内压力和温度足够高，在燃油与空气充分混合形成稀混合气之前可触使高温反应。

通过观察放热率曲线可以看出，这一时期内形成的预混合燃烧较弱，主要以扩散燃烧为主。

喷油正时提前到CA为－15°之前时，燃烧始点提前，滞燃期增加，由于喷油早，此时缸内的温度和压力均较低，滞燃期内的燃料与空气有足够的时间混合，着火主要由混合气的热力学特性和化学反应决定，这一时期的预混合燃烧呈现明显增强的趋势。

2.2 预喷射的影响
2.2.1 一次预喷射的影响
1）预主喷间隔角的影响。

一次预喷射的实验，预喷油量m'＝4 mg/cyc，1 500 r/min、低负荷(BMEP = 0.43 MPa)和中等负荷下(BMEP = 0.86 MPa)，其他参数如表3所示。

图3为1 500 r/min时，改变预喷射与主喷射的间隔角α时，缸内压力p和放热率E'随曲轴转角CA的变化。

从图3中可知，采用预喷后的缸内压力高于无预喷时的缸内压力，间隔角α的变化明显影响预喷射燃油的燃烧。

表3 一次预喷射实验方案
图4概括了1 500 r/min下所有试验的预喷射燃烧放热率峰值和主喷燃烧放热率峰值，E'peak。

从图4中可知：在α由小变大的过程中，预喷射燃油的燃烧速率呈现降低的趋势，其中包括与预喷射燃烧对应的总放热率峰值的降低，以及与主喷射对应的总放热率峰值的逐渐升高。

1 500 r/min时，预喷射和主喷射燃烧滞燃期的特性曲线绘于图5。

图3 缸内压力和放热率随预主喷间隔角的变化
图4 所有试验的预喷射和主喷射的燃烧放热率峰值
图5 所有试验的预喷射和主喷射的燃烧滞燃期
图5表明：预主喷间隔角影响着预喷射滞燃期，预主喷间隔角的增大引起预喷射滞燃期增加，这种影响在较低负荷时更为明显。

同时，预主喷间隔角也影响着主喷射滞燃期，由于预喷燃油燃烧引起的较高压力和温度条件，引起主喷射燃烧滞燃期的缩短。

较小的预主喷间隔角能形成更好的预喷射燃烧，进而能促使主喷射燃烧滞燃期更加缩短。

当发动机负荷增加时，预喷射燃烧就更加明显，预喷射燃油也趋向于以更早的提前角燃烧，然而，随着预主喷间隔角的减小，预喷燃油的燃烧速率却增大了。

这一现象可解释为：在小的间隔角和短的滞燃期下，缸内的混合气没有达到均匀，因此，燃烧室内更多的区域达到了适宜的自燃条件。

具有这些喷射参数的燃烧很迅速，并
含有更多的喷入燃料。

然而，增加预主喷间隔角时，只有在缸内温度和压力达到临界值时才会发生自燃，但由于滞燃期的增加，空燃混合气在燃烧始点就很均匀。

因此，相对于较小的间隔角，很少会出现自燃中心，并且预喷射燃烧趋向于扩散且含有更少的燃料量[8-12]。

图6是1 500 r/min，负荷为0.86 MPa时CO、HC、NO和碳烟排放随预主喷间隔角的变化，负荷为0.43 MPa时的趋势与0.86 MPa时的相同，故以0.86 MPa时的为代表以例示。

从图6中可以看出，采用预喷射后的NO排放均比单次喷射低，在预主喷间隔角
等于20°时达到最大值随后降低，碳烟则呈现完全相反的趋势，但总体变化不大。

间隔角大于20°之后，CO和HC排放明显恶化。

综上，与单次喷射相比，采用20°的预主喷间隔角，能同时改善NO和碳烟排放，HC和CO的恶化程度最小。

图6 排放随预—主喷间隔角的变化
2）预喷油量的影响。

图7为转速1 500 r/min, 负荷0.86 MPa下，改变预喷油量时，缸内压力和放热
率随曲轴转角的变化。

在一定的预主喷间隔角下，缸内压力会随着预喷油量的增加会增大。

预喷油量的变化并不会对预喷和主喷燃油滞燃期产生影响，但会显著影响放热率。

更大的预喷油量会产生更高的预喷燃烧放热率，预喷燃烧后的缸内压力和温度更高，能够促使主喷燃油与空气更好的混合，主喷燃烧就更加柔和，导致更低地主喷放热率 [11]。

图8为在不同的预主喷间隔角下，排放随预喷油量的变化。

当预主喷间隔角较小时，预喷油量的变化并不会对CO 造成影响；当预主喷间隔角较大时，增加预喷
油量会导致更多的CO 排放，这主要是因为缸内压力和温度较低，燃油雾化不好，产生燃油附着缸壁和活塞顶部的现象，燃油难以完全燃烧。

在一定的预主喷间隔角下，增加预喷油量会使烟度排放先上升后下降。

大的预主喷间隔角下增加预喷油量
会明显改善NO排放。

图7 中等负荷下缸内压力和放热率随预喷油量的变化
图8 排放随预喷油量的变化
2.2.2 两次预喷射的影响
在1 500 r/min，0.86 MPa下研究了两次预喷射对柴油机燃烧及排放的影响，并与一次预喷射的试验结果进行了比较（见图9、10）。

为了便于分析和比较，将两次预喷射的油量均固定在2 mg/cyc。

图9 预喷2—主喷间隔角一定时缸内压力和放热率随预喷1—预喷2间隔角的变化
图10 预喷2—主喷间隔角一定时排放随预喷1—预喷2间隔角的变化
从图9中看出，采用两次预喷射后的缸内压力高于一次预喷射的缸压，在主喷放热之前有明显的两段预喷射放热。

离主喷较远的一段预喷放热基本不受两次预喷间隔角α1—2的影响，而离主喷较近的一段预喷放热明显由两次预喷间隔角决定。

两次预喷射对于主喷射燃烧滞燃期基本没有影响，但会使主喷放热率峰值降低。

从图10可以看出，采用两次预喷射可以改善CO排放，并且不会对HC 造成明显恶化，主要是由于将燃油分成两次喷射加强了其与空气的混合，减少了气缸壁面的燃油附着量，燃油的燃烧更加充分，通过比较预喷射放热率曲线可以观察到。

两次预喷射会对NO 和碳烟排放造成一定程度的恶化，两者均在预喷1－预喷2间隔角α1—2 = 20°时达到最大值，随后开始下降，预喷1—预喷2间隔角α1—2 = 10°时的NO 和碳烟排放最好。

综合分析可以看出，采用较小的预喷1—预喷2间隔角对于改善排放最有利 [12]。

3 结论
本文在一台四缸电控高压共轨柴油机上研究了一次预喷射和两次预喷射策略对燃烧和放热的影响，得到如下结论：
1）预主喷间隔角对预喷燃烧期间的已燃燃油量有影响，这种特性也引起了主喷滞燃期的变化。

由于燃烧室中较高的温度和压力，促进了着火延迟机理，预喷射燃烧在发动机负荷较高时更加明显。

预喷射可以改善NO排放，对碳烟排放不会造成
明显的恶化，采用较大的预主喷间隔角会明显造成HC和CO 排放的恶化。

2）两次预喷射对于主喷射燃烧滞燃期基本没有影响，但会使主喷放热率峰值降低。

两次预喷射可以改善CO排放，但会对NO和碳烟排放造成轻微恶化。

这意味着
两次预喷射可以更好地促使缸内空气的利用，加强燃油与空气的混合。

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