后喷策略对柴油机排气污染物的影响

燃烧科学与技术

Journal of Combustion Science and Technology 2017，23(3)：212-216

DOI 10.11715/rskxjs.R201603060

收稿日期：2016-03-29

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228502)；国家自然科学基金资助项目(51574136). 作者简介：杨新乐（1980— ），男，博士，教授，yxl2003@. 通讯作者：吕 刚，男，副教授，lvg@ ．

后喷策略对柴油机排气污染物的影响

杨新乐1，乔约翰1，李 浩2，吕 刚2

(1. 辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新 123000； 2. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

摘 要：在一台电控高压共轨柴油机上，研究了后喷策略对柴油机排放的影响．实验工作在恒定工况下进行，选择不同主后喷间隔及后喷率，测量了CO 、总碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放的排放值；同时，还考察了排气碳烟的表观活化能和石墨化程度．实验结果表明：随着主后喷间隔及后喷率增加，CO 和总碳氢化合物呈上升趋势，而NO x 呈下降趋势；后喷率为12%,和20%,时，无论过大或过小的主后喷间隔，颗粒物排放均有明显的增加；后喷率为4%,时，随着主后喷间隔的增加，颗粒物的排放量增加．后喷对碳烟微粒的活化能有较强的影响，而碳烟石墨化程度的变化也证明了此结果．

关键词：柴油机；主后喷间隔；后喷率；污染物排放；碳烟氧化活性

中图分类号：TK421.5 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2017)03-0212-05

Influence of Post -Injection Strategy on the Exhaust Emissions

from a HSDI Diesel Engine

Yang Xinle 1，QiaoYuehan 1，Li Hao 2，Lü Gang 2

(1．School of Mechanical Engineering ，Liaoning Technical University ，Fuxin 123000，China ；

2．State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China )

Abstract ：A four-cylinder ，direct-injection diesel engine equipped with a high-pressure ，common-rail fuel injec-tion system was tested under a constant engine operating mode to investigate the effect of post-injection strategy on pollutant emissions ．Characteristics of exhaust pollutants were measured and evaluated for different main-post in-tervals (MPIs )and post-injection rates (PIRs )．Measurements included emissions of carbon monoxide (CO )，total hydrocarbons (THC )，nitrogen oxides (NO x )and particulate matter (PM )，the reactivity and graphitization degree of soot particles ．Increasing the MPI or PIR increased the emissions of CO and THC but decreased those of NO x ．At both low and high MPI values ，higher PM emissions and particle number concentrations were observed for 12% and 20% PIRs ．At 4% PIR ，PM emissions and particle number concentration increased with increasing MPI ．Post injectio n significantly influenced the reactivity o f emitted so o t particles ，as was evidenced by changes in the graphitization degree of soot.

Keywords ：diesel engine ；main post-injection interval ；post-injection rate ；pollutant emissions ；soot reactivity

燃料的多次喷射技术是控制柴油机燃烧普遍而

有效的手段．多次喷射通常包括3个阶段：预喷、主

杨新乐等：后喷策略对柴油机排气污染物的影响 燃烧科学与技术

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喷和后喷，其中后喷发生在主喷结束后，喷入燃油量较少[1]．由于后喷可以增加后燃期温度以及缸内湍

流，因此后喷可以降低碳烟(soot )排放[2-3]；

同时后喷也会为柴油机后处理装置(如颗粒捕集器、稀燃氮氧化物捕集装置)再生提供所需的碳氢化合物[3-4]．

Jeftić等[5]研究发现，合适的后喷策略可以增加排气温度、降低碳烟排放并产生活性较高的物质(包括氢和轻质烃)，这些物质有利于后处理装置. Vane-gas 等[6]发现，应用较小的主后喷间隔(main-post in-jection interval ，MPI )，CO 和总碳氢化合物(total hy-drocarbons ，THC )排放量基本不变，并且能减少碳烟的排放．Zheng 等[7]发现在较大EGR 率时，纯柴油以及混合柴油在较大的MPI 时能够降低碳烟排放．此外，Payri 等[8]及Benajes 等[9]认为后喷在不引起氮氧化物排放升高的情况下可降低碳烟排放. Intelligence 等[10]将碳烟的降低归因于后喷对缸内湍流的增强，促进了空气和燃料的混合，使更多的氧气参与燃烧，碳烟的氧化得到增强．另一些研究发现，后喷燃烧提高了缸内温度，进而增加了碳烟的氧化速率，降低了碳烟排放量[11-12]．

后喷技术在降低碳烟排放的同时，也影响排气颗粒物的理化特性[13-14]，目前有关这方面的报道还是很少．鉴于此，本文不但开展了主后喷间隔MPI 及后喷率(post-injection rates ，PIR )对柴油机排放污染物影响的研究，同时还通过拉曼光谱和热重分析技术探讨了后喷对碳烟颗粒的石墨化程度及氧化活性的影响规律．

1 实验设备与实验方案

1.1 实验设备和测试方法

实验在一台电控高压柴油机上进行，该柴油机无后处理和EGR 装置，发动机具体参数见表1．采用电涡流测功机(A VL ALPHA350AF )和PUMA 系统控制发动机速度与转矩．实验时，发动机冷却水和机油温度分别控制在80～85℃和85～90℃．发动机转速和喷油量分别控制在1800r/min 和每循环50mg ．单主喷工况平均有效压力为1.06MPa ．采用ETAS 公司的INCA6.2标定软件进行发动机后喷策略参数的调节．如图1所示，每循环采用两次喷射：一次主喷和一次后喷，喷射压力均为130MPa ．为了避免过高的压升率，主喷时刻为上止点前1°CA ．PIR 表示后喷油量占每循环总喷油量的百分比，在本次实验中PIR 为4%、12%和20%(短主喷时，每循环油量分别为48,mg 、44,mg 和40,mg ；后喷时，每循环油量分别为

2mg 、6mg 和10mg )．θMPI 被定义为主喷结束到后

喷开始间曲轴转角．由于θMPI 过大易造成热效率过低

和不稳定的燃烧，因此选取θMPI 为8°CA 、

12°CA 、16°CA 和20°CA ．

表1 实验柴油机主要性能参数

项

目

参 数

型式 直列、中冷、废气涡轮增压

气缸数 4 缸径/mm 102 行程/mm 118 压缩比 17∶1

活塞总排量/L 3.856 燃油喷射系统 Bosch 电控高压共轨系统

最低空载稳定转速/(r ·min -1) ≤750

标定功率/kW 100 标定转速/(r ·min -1) 2,800

最大转矩/(N ·m ) 420 最大转矩转速/(r ·min -1) 1,500～1,700

排放 满足国Ⅳ排放法规

图1 后喷参数定义

1.2 污染物的测量

采用HORIBA 公司生产的MEXA-7100DEGR 型排放分析系统测量发动机排气气态污染物，包括

CO 、THC 和NO x ，检测精度为1×10-6．使用分流排气采样系统(HOR IBA MDLT-1302TMA )收集颗粒物，所用滤纸直径为70mm ．稀释后混合气温度低于52℃．采用电子微量天平(Sartorius ME 5-F ，精度为0.001mg )分别测量实验前后滤纸质量，测量3次，平均后相减得到颗粒物质量． 1.3 热重和拉曼分析

采用聚四氟乙烯(R2PL047，PallGelman ，USA )采集颗粒物样品．室温下，使用二氯甲烷浸泡颗粒物样品，通过超声震荡分离颗粒物中碳烟．采用离心分离法获得二氯甲烷中悬浮的碳烟．为完全除去碳烟中可溶性杂质，使用新的二氯甲烷重复上述过程4次．最后所得碳烟样品干燥后密封在玻璃试管内以备实验分析．

采用显微拉曼散射光谱仪(R enishaw R M1000)分析碳烟的石墨化程度．拉曼光谱的波长范围为

900～2000cm -1．拉曼光谱仪每次扫描范围直径为2μm ，选取10个位置，一个位置测试60s ，再应用软件累计3次的结果以减少光谱中的杂音．在