后喷对柴油机燃烧和排放性能影响的试验研究

本文研究了在不同的 EGR 率下后喷对柴油机 燃烧和排放性能的影响。在试验中，转速(1400r/min) 和喷油总量保持不变(50mg/cyc)，而后喷油量、后 喷时刻做相应的改变。
1 试验装置及研究方法
本研究在一台六缸增压共轨发动机上进行，对 第六缸进行了改造，独立出其进、排气系统，其余 五缸保持不变，发动机参数如表 1 所示。
从图 4 可知，主燃烧放热率差别不大，随着后 喷时刻推移，后喷燃烧相位也相应推迟，且 EGR 率较大时，滞燃期较长。结合前面的排放分析可知， 后喷对发动机性能的影响，是由 EGR 率的大小和 燃烧相位决定的。
RoHR(J/deg) RoHR(J/deg)
250 200 150 100 50
0
-10
总喷油量：50mg/cyc
0
0
10
20
30
40
50
60
Crank Angle(deg.ATDC)
图 4 不同 EGR 率下的放热率
图 5 为不同后喷时刻的指示燃油消耗率，从图 可知，和没有后喷时相比，后喷时刻较早时 (3.8deg.ATDC 和 9.8deg.ATDC)油耗率降低，后喷时 刻较晚时(１５.8deg.ATDC 和２１.8deg.ATDC)油耗 率升高。这主要和燃烧是否充分有关，当后喷较早 时，缸内温度较高，较多的 CO 和 THC 被氧化，提 高了燃烧效率，从图中的 CO 和 THC 排放缩小图可 看出，油耗率的变化是和 CO 及 THC 的变化趋势是 一样的。
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NOx(g/kwh)
smoke(FSN)
总喷油量：50mg/cyc 后喷油量：9mg/cyc
10
主喷时刻:-10deg.ATDC
后喷时刻:
8
3.8deg.ATDC
9.8deg.ATDC
15.8deg.ATDC
21.8deg.ATDC
6
No post-injecion
4
2
0
0
后喷油量：9mg/cyc
EGR Rate:42% 后喷时刻:
3.8deg/ATDC 9.8deg/ATDC 15.8deg/ATDC 21.8deg/ATDC
250
EGR Rate:60%
后喷时刻:
200
3.8deg/ATDC 150
9.8deg/ATDC 15.8deg/ATDC 100
21.8deg/ATDC 50
CO(g/kwh)
后喷油量：9mg/cyc
total injection mass:50mg/cyc post-injecion mass:9mg/cyc 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0
1
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
(c)
total injection mass:50mg/cyc post-injecion mass:9mg/cyc
8
7 6
5 4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
(d)
图 3 喷油时刻对排放的影响
些，缸内温度较低，达不到 CO 的氧化温度，造成燃 烧不充分
图 4 是在ＥＧＲ率分别为 42%和 60%时，在不 同后喷时刻下的放热率。由图 2(b)知，和无后喷相 比，在ＥＧＲ率为 42%时，加入后喷后烟度为变大； 在 EGR 率为 60%j 时，加入后喷烟度为变小。
图 1 是试验装置示意图，通过调节背压阀，可 以改变 EGR 率，EGR 率大小由 Horiba MEXA-7100DEGR 排气分析仪监视。喷油由一套电控系统控制，可灵 活调节喷油量、喷油时刻、轨压等参数。缸内压力 采集采用了自行开发的缸压采集及放热率实时处理 系统完成，气体测量采用 Horiba MEXA-7100DEGR 排气分析仪，烟度测量采用了 AVL415 烟度计。
2.5
2.0
1.5
1.0
40
50
60
70
EGR Rate(%) (b)
总喷油量：50mg/cyc 后喷油量：9mg/cyc
主喷时刻:-10deg.ATDC 100 后喷时刻:
3.8deg.ATDC
9.8deg.ATDC
80
15.8deg.ATDC
21.8deg.ATDC
No post-injecion 60
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
(a)
总喷油量：50mg/cyc 后喷油量：9mg/cyc
5.0
主喷时刻:-10deg.ATDC
4.5 后喷时刻:
4.0
3.8deg.ATDC
9.8deg.ATDC
3.5
15.8deg.ATDC
21.8deg.ATDC
3.0
No post-injecion
中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2009 年学术年会
CSICE2009-019
后喷对柴油机燃烧和排放性能影响的试验研究1
张全长 尧命发 郑尊清 张鹏
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；
摘要：后喷是降低碳烟排放的一个重要手段。在固定的主喷时刻下，通过改变后喷油量和后喷
时刻，本文对不同 EGR 率时后喷对柴油机燃烧和排放性能的影响做了研究。结果表明，后喷时刻和 后喷油量对 NOx 排放影响都不大，特别是在高 EGR 的条件下；后喷时刻对碳烟的影响主要和 EGR 率 有关，EGR 率较低时，随后喷时刻推迟，碳烟排放会升高，而 EGR 率较高时，随后喷时刻推迟，碳 烟排放会降低；EGR 率较低时，后喷油量对碳烟排放影响较小，而在高 EGR 下，随后喷油量变大， 碳烟排放降低。后喷油量对 CO 和 THC 排放影响不大，在高 EGR 率时，推迟后喷时刻或增加后喷油 量会增加 CO 排放。后喷对排放的影响主要和 EGR 率大小和燃烧相位有关。
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
(c)
总喷油量：50mg/cyc 后喷油量：9mg/cyc
15
14 主喷时刻:-10deg.ATDC 13 后喷时刻:
3.8deg.ATDC
12
9.8deg.ATDC
11
15.8deg.ATDC
10
21.8deg.ATDC
9
No post-injecion
喷油速率
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.006
-0.004
-0.002
12 3 t1 t2
0.000
时间
0.002
0.004
0.006
图 2 喷油规律
2.1 后喷时刻的影响 图 3(a)-(d)是在压缩比为 16、进气压力为
1.9bar、主喷时刻为上止点前 10 度、后喷油量为 9mg/cyc 时，在不同的后喷时刻下 NOx、碳烟、CO 和 THC 排放图。
由图 3(c)-(d)可知，后喷的有无或后喷时刻在 大多数情况下对 CO 和 THC 排放影响是较小的，只是 当后喷时刻为 21.8deg.ATDC 时，在较高 EGR 率时 CO 和 THC 排放高些，特别是ＣＯ，随着后喷时刻的 推移，排放相应增加。如前面所述，后喷时刻较晚
2 试验结果
中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2009 年学术年会
图 5 指示燃油消耗率
图 6 是在不同后喷时刻下的 IMEP。由图可知， 和无后喷相比，当后喷较早即接近主喷时，IMEP 是变大的，而当后喷较晚时，IMEP 会变小。当 EGR 率超过 50%时，IMEP 会迅速降低。
研究表明，采用 EGR 后，由于缸内最高燃烧燃 烧温度降低，NOx 排放可以大幅降低[1-3]，因此，EGR 成为控制 NOx 排放的最有效措施[4-5]。不过由于采取 EGR 后，氧浓度降低，缸内燃烧温度降低，增加了 碳烟的形成，减小了碳烟的氧化，碳烟排放会增加。
要解决碳烟增加这一问题，有两个可能的方 法，一是使用后处理技术；二是采取灵活的喷油方 式。研究表明，多次喷射是降低碳烟排放的一个有 效手段[6-9]，采取合适的喷油模式后，碳烟排放可以 降低高达 50%。
本试验发动机转速固定在 1400r/min，循环喷 油量为 50mg/cyc。当喷油量和喷油提前角固定时， 调节背压阀，改变 EGR 率，直到第六缸“失火”。
表 1 发动机参数
缸径 冲程 连杆长度 压缩比 排量 进气门关闭时刻 喷孔数 喷孔直径 喷束夹角 喷射系统 轨压
105mm 125mm 210mm 16:1 1081.8cm3 -137 deg ATDC 7 0.17 mm 155 deg Common Rail 1600bar
作者简介：张全长（1981-），男，博士研究生；研究方向：柴油机低温燃烧机理；Email: bmd_2007@ 基金资助：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007BC210002)
中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2009 年学术年会
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2
3
1
EGR
排气 13
关键词：废气再循环；排放；后喷
引言
柴油机具有良好的经济性和动力性，得到了越 来越广泛的应用。但由于柴油机的 NOx 和碳烟排放 存在“trade-off”的关系，很难同时降低这两种排 放。为了能满足越来越严格的排放法规，柴油机需 要一种有效的技术能同时降低 NOx 和碳烟排放，废 气再循环(EGR)有可能成为解决这一难题的有效手 段。
6
7
89
11
4 进气 5 10
12
1：空压机 2：三通阀 3：流量计 4：稳压罐 5：中冷器 6：烟度计 7： 排气分析仪 8：缸压传感器 9：喷油器 10：测功机 11：编码器 12：电荷 放大器 13：背压阀
图 1 试验装置示意图
喷射时刻分为静态喷射时刻和动态喷射时刻。 静态喷射时刻是指电控喷射系统给出喷射信号所对 应的时刻，动态喷射时刻是指电磁阀开启时刻。图 2 中是喷油量为 50mg/cyc 时的喷油规律，1 点是静 态喷射时刻，2 点是动态喷射时刻，3 点是喷油结束 时刻。转速为 1400r/min 中时，对应的响应延迟时 间 t1 为 3.8 度曲轴转角，喷油持续期 t2 为 11.1 度曲轴转角，文章的喷油时刻都是指的静态喷油时 刻。
CO(g/kwh)
THC(g/kwh)
中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2009 年学术年会
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ISFC(g/kwh)
270 260 250 240
总喷油量：50mg/cyc
主喷时刻:-10deg.ATDC 后喷时刻:
3.8deg.ATDC 9.8deg.ATDC 15.8deg.ATDC 21.8deg.ATDC No post-injecion
由图 3(b)可知，在 EGR 率不太大时(<45%)，和 无后喷相比，在任何一个后喷时刻喷油，碳烟排放 都会升高；而在 EGR 率较大时，和无后喷相比，随 着后喷时刻推迟，碳烟排放逐渐下降。可能原因如 下：EGR 率较小时，缸内温度较高，加入后喷后， 较高的缸内温度又促使了部分碳烟生成，而此时活 塞下移，缸内温度降低较快，碳烟的氧化量减少； 在较大 EGR 率下加入后喷后，滞燃期相对较长，油 气混合较好，缸内温度较低，碳烟生成量较少而氧 化量较多，特别是后喷较晚时(21.8deg.ATDC)，缸 内温度更低，油气混合较好，很难达到碳烟的生成 条件，造成碳烟排放大幅降低。所以，后喷的加入 是否能降低碳烟排放，关键取决于缸内温度，缸内 温度的高低直接影响碳烟的生成量和氧化量，而缸 内温度又和后喷时刻和 EGR 率有关。
THC(g/kwh)
230 220
0
0
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
(d)
210
200 0
10
20
30
40
50
60
70
EGR Rate(%)
度较高，后喷油量加大后，较容易就能达到碳烟的 生成温度条件；但在较大 EGR 率下，缸内温度较低， 则碳烟的生成条件不易达到，但由于碳烟的氧化温 度相对低些，就会有较多的碳烟被氧化，而较少的 碳烟生成。当后喷时刻不同的，随后喷油量的变大， 碳烟降低所对应的 EGR 率范围是不同的。图 7(b)中 缩小图是后喷时刻为 21.8deg.ATDC 时，不同后喷油 量下的碳烟排放图，由图可知，随后喷油量变大， 碳烟开始降低的 EGR 率前移到了 40%左右。这是因
由图 3(a)可知，随着后喷时刻推移，NOx 排放 变化不大，特别是在高 EGR 的情况下。由于缸内温 度是影响 NOx 排放的最主要因素，而后喷对主燃烧 过程并没大的影响，缸内最高温度已在主燃烧期间 达到，因此后喷对 NOx 影响不大。在 EGR 较小时， 没有后喷时 NOx 是最高的，而随着后喷时刻的后移， NOx 排放逐渐降低。随 EGR 率的变大，后喷时刻对 NOx 排放的影响越来越弱。