后噴參數對柴油機燃燒與排放特性的影響

甘 波，陳光利，王 鵬，李子非，丁 波

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063)

前言

電控高壓共軌燃油系統由于能夠進行多次燃油噴射，可實現靈活可控的噴油規律，已在直噴柴油機上得到廣泛應用。研究表明，燃料的霧化、蒸發混合和隨后的燃燒都與噴油規律有著密切關系［1］，多次噴射是改善發動機缸內燃燒的較好方法，靈活運用可以達到改善NOx和Soot排放的效果。后噴是指在主噴結束后迅速向缸內噴入少量燃油，產生二次燃燒，后噴能夠將主噴燃燒產生的Soot帶入到燃燒室擠流區，提高燃燒后期缸內的溫度，加強燃油與新鮮空氣的混合，從而促進Soot和HC的氧化［2］。

本文中通過在某電控共軌柴油機上進行試驗，并結合后噴改善燃燒過程的理論，研究后噴參數對發動機燃燒過程、排放特性及油耗的影響規律。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

試驗樣機為某重型柴油機，采用電控高壓共軌系統、四氣門、頂置凸輪軸，其主要技術參數見表1。試驗主要設備:AVL公司ALPHA500電渦流測功機、PUMA臺架測控儀、AVL735S油耗儀、HORIBA MEXA-7500-DEGR氣體分析儀和AVL415 S煙度計。

表1 發動機主要技術參數

1.2 試驗方案

由于發動機在小負荷時，空燃比較大，氣缸內氧氣充足，燃燒過程中產生的碳煙很快被氧化燃燒，此時采用后噴的效果不明顯，本文中選取柴油機兩個中等負荷工況進行測試。工況1:轉速1 470r/min、負荷率50%、軌壓135MPa;工況2:轉速1 743r/min、負荷率50%、軌壓152.5MPa。試驗中保持每個工況下柴油機動力性基本不變，通過選取不同后噴油量和噴油間隔(后噴始點與主噴終點之間的曲軸轉角)來研究它們對發動機燃燒和排放特性的影響，并進行測試結果分析。

2 試驗結果與分析

2.1 后噴對柴油機燃燒的影響

2.1.1 噴油間隔對柴油機燃燒的影響

發動機在工況2，后噴油量Q=4mm3情況下，不同噴油間隔對缸內壓力、放熱率和溫度的影響如圖1所示。從圖可以看出，不同噴油間隔所對應的壓縮段曲線基本不變，引入后噴后，放熱率曲線上出現了放熱小尖峰，隨著噴油間隔的增大，放熱小尖峰逐步后移，缸內燃燒放熱率峰值有所降低，燃燒重心推遲，導致發動機熱效率下降。由溫度曲線圖可以看出，引入后噴后，缸內溫度峰值開始下降，噴油間隔為20°CA時，主燃燒區域溫度最低。總之，隨著噴油間隔的增大，主燃燒區域平均溫度呈下降趨勢。

2.1.2 后噴油量對柴油機燃燒的影響

發動機在工況2，噴油間隔為20°CA時，不同后噴油量對缸內壓力、放熱率和溫度的影響如圖2所示。從曲線圖看出，引入后噴會使主燃燒段壓力有所升高。隨著后噴油量增加，主燃燒區域放熱率峰值開始下降，主燃燒持續期縮短，缸內溫度不斷降低，這是因為后噴油量的增加在一定程度上減少了主噴油量，導致放熱率峰值和主燃燒最高溫度都下降。放熱率第二峰值隨后噴油量增加而明顯上升，后燃期逐漸增大。

2.2 后噴對排放特性的影響

2.2.1 后噴油量對NOx、Soot和油耗的影響

發動機在工況1，噴油間隔為15°CA情況下，保持其他參數不變，不同后噴油量 Q為2、4、6、10、14和18mm3對 NOx、Soot和油耗的影響如圖3所示。隨著后噴油量的增大，NOx排放呈略微下降趨勢，這是因為引入后噴后，主噴階段噴入的燃料相對較少，從而使預混合燃燒階段混合氣量減少，導致缸內溫度降低，NOx生成量減少。引入后噴后，Soot排放降低了45%左右。碳煙主要在柴油機擴散燃燒剛開始時生成，此時燃料與空氣并未良好混合，油滴四周被預混合燃燒的高溫產物包圍，形成局部濃度極不均勻的富油區和貧油區，缺氧的富油區是形成碳煙的主要區域［3］。隨著后噴油量增加，后噴燃油對缸內擾動效果增強，會使更多的氧氣進入到燃燒產物區域，從而加速了Soot氧化。由圖3可以看出，后噴會使燃油消耗率略微增加，后噴油量變化對油耗的惡化不太明顯。

發動機在工況2，噴油間隔為20°CA情況下，保持其他參數不變，不同后噴油量 Q 為2、4、6、8、10、12、14、16 和 18mm3對 NOx、Soot和油耗的影響如圖4所示。由圖可見，NOx排放隨著后噴油量的增加而逐漸減少，這與工況1的變化趨勢相同，由2.1.2節中燃燒過程分析可以看出，后噴油量的增加使得缸內平均溫度降低，因而減少了NOx的生成。Soot排放隨后噴油量增大而先減小后增加，當后噴油量為Q=14mm3時，Soot排放降到最低，降幅約為35%。隨著后噴油量繼續增大，Soot值不再降低，反而出現上升趨勢，這是因為當油量繼續增加，會使后噴燃燒持續期變長，后噴燃油在壁面附近的高溫缺氧區域內形成較多的混合蒸氣，從而導致碳煙生成量升高。隨著后噴油量增加，油耗逐漸開始增大，在后噴油量Q=14 mm3左右時，能使Soot排放和油耗達到平衡。

2.2.2 噴油間隔對NOx、Soot和油耗的影響

從圖5可以看出在工況1，保持后噴油量Q=4mm3的情況下，隨著噴油間隔增大，NOx排放和油耗基本不變。Soot隨噴油間隔增大而呈現先降后升的趨勢，在15°CA附近達到最低。噴油間隔過小，后噴與主噴較為靠近，此時后噴入缸內的燃油由于混合時間太短，無法與氧氣充分混合燃燒而導致更多碳煙的生成。噴油間隔再增大時，后噴燃料燃燒推遲，燃燒效率下降，燃燒產物區域內溫度降低，此時生成的碳煙無法再次氧化［4］，碳煙排放增加。

發動機在工況2，保持后噴油量 Q=4mm3，NOx、Soot和油耗隨噴油間隔變化關系如圖6所示。由圖可見，它與工況1變化趨勢基本一致。噴油間隔增大對NOx排放和油耗基本無影響，Soot排放先降低后升高，在噴油間隔為20°CA時最小，達到最佳效果。

3 結論

(1)引入后噴會使放熱率曲線出現二次尖峰，缸內平均溫度下降。隨著噴油間隔的增大，主燃燒段缸壓基本不變，二次放熱率峰值逐步后移;隨著后噴油量的增加，主燃燒段放熱率峰值有所下降，二次放熱率峰值明顯上升。

(2)后噴能夠有效降低Soot排放，隨著噴油間隔增大，Soot排放呈先下降后上升的趨勢，噴油間隔過大會導致燃燒滯后，反而會使Soot排放增大;隨著后噴油量的增加，Soot排放降低，但當后噴油量過大時，Soot排放開始增加。

(3)后噴在一定條件內能夠減少NOx排放，隨著后噴油量增加，NOx排放逐漸降低，但此時油耗有所上升;相同后噴油量下，噴油間隔對NOx排放和油耗無明顯影響。

［1］ 劉雄，張惠明．利用預噴射降低柴油機低速全負荷黑煙排放［J］．內燃機學報，2006，24(4):326 －330．

［2］ 李明星，王輝，等．后噴射改善輕型商用車柴油機排放的應用［J］．車用發動機，2011，195(4):74 －75．

［3］ 張志沛．汽車發動機原理［M］．北京:人民交通出版社，2007:35－37．

［4］ 尹必峰，何建光，等．后噴對輕型柴油機燃燒過程及排放性能的影響［J］．江蘇大學學報，2011，32(5):507 －510．