預(yù)噴射對柴油機(jī)排放影響的試驗分析*

閆鵬斌 段敏 杜憲峰 張磊 李興峰

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

近年來，汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)格，NOx和碳煙是柴油機(jī)尾氣排放中控制的關(guān)鍵，柴油機(jī)多次噴射技術(shù)可以實現(xiàn)柴油機(jī)NOx和碳煙排放的折中關(guān)系[1-2]。理想的噴油規(guī)律及靈活的噴油控制策略，可以同時降低NOx和碳煙排放[3-4]。要實現(xiàn)多次噴射，電控高壓共軌系統(tǒng)是必不可少的。電控高壓共軌系統(tǒng)可實現(xiàn)噴油定時、噴油持續(xù)時間（噴油量）以及噴油規(guī)律的高精度控制。高壓噴射在降低煙度和顆粒排放的同時可以明顯改善燃油和空氣的混合，從而使放熱率和缸內(nèi)溫度升高，NOx排放增加[5]。增加預(yù)噴射可以解決NOx排放增加的問題。預(yù)噴射是指在主噴射之前將少量燃油噴入氣缸，預(yù)噴射噴入的少量燃油使得燃燒室被提前加熱，使主噴射的著火延遲期縮短、預(yù)混合燃燒比率減少，從而有效減緩燃燒速率，使缸內(nèi)壓力和溫度降低，進(jìn)而降低NOx的排放[6]。文章以某輕型貨車柴油機(jī)為樣機(jī)來研究預(yù)噴射對柴油機(jī)排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗裝置及試驗方案

主要試驗設(shè)備有DynoRoad 504/5 Sx交流電力測功機(jī)、735S油耗儀、AMA I60排放分析儀、AVL415S煙度計及DEWE-5000燃燒分析儀。

根據(jù)輕型汽車污染物排放限值及測量方法設(shè)定試驗工況：將發(fā)動機(jī)設(shè)定在某一特定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行單次噴射在不同軌壓下的排放試驗以及在“預(yù)噴射+主噴射”方式下，不同主噴定時、預(yù)噴油量和主預(yù)噴間隔角對柴油機(jī)排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗用柴油機(jī)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某輕型貨車柴油機(jī)的基本參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單次噴射試驗結(jié)果分析

單次噴射試驗中，主噴定時分別選取上止點前-8，-6，-4，-2，0，2，4，6，8 ℃A 曲軸轉(zhuǎn)角，測試噴油壓力為140，160 MPa條件下對柴油機(jī)NOx、碳煙及燃油消耗率的影響。不同主噴定時及軌壓對柴油機(jī)NOx、碳煙及燃油消耗率的影響，如圖1和圖2所示。

圖1 單次噴射NOx及碳煙隨主噴定時的變化規(guī)律

圖2 單次噴射燃油消耗率隨主噴定時的變化規(guī)律

由圖1和圖2可以看出，隨著主噴定時推遲，NOx排放量降低，碳煙排放量和燃油消耗率呈現(xiàn)上升的趨勢。這是由于噴油定時對柴油機(jī)的燃燒和排放過程有著重要的影響，隨著噴油定時的提前，滯燃期隨之增長，使氣缸內(nèi)最高壓力和溫度升高，高溫是生成NOx的必要條件，從而使NOx的生成量增加；并且在噴油提前的情況下，導(dǎo)致油氣混合時間加長，混合氣均勻，使燃燒縮短，碳煙排放得到改善，燃油消耗率降低，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，過早的噴油可以使碳煙排放及燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，而NOx排放惡化。

燃油噴射壓力對柴油機(jī)的性能在很大程度有著重要的影響。由圖1和圖2可以看出，噴油壓力為160 MPa時，燃油經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放比噴油壓力為140 MPa時要好，而NOx排放略高。這是由于在高的噴油壓力下，燃油霧化效果好，使燃燒更加劇烈，缸內(nèi)溫度升高，從而使NOx生成量增加，碳煙排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性變好。綜合考慮排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性，在后續(xù)試驗中噴油軌壓選取160 MPa。

2.2 預(yù)噴射主噴定時的影響

在采用預(yù)噴條件下，文章進(jìn)行了主噴定時對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量及燃油消耗率影響的相關(guān)試驗。試驗條件為：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 015 r/min，扭矩200 N·m，軌壓160 MPa，主預(yù)噴間隔角26℃A，預(yù)噴油量5 mg，主噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)，主噴定時分別取上止點前-8，-4，0°CA和上止點后 4，8 °CA曲軸轉(zhuǎn)角。

試驗結(jié)果，如圖3所示，采用預(yù)噴射后，主噴定時對柴油機(jī)排放性能的影響與單次噴射時大致類似，隨著主噴定時的推遲，碳煙排放量和燃油消耗率逐漸上升，NOx排放得到改善。可見預(yù)噴射噴油中，主噴定時的選取對柴油機(jī)的排放特性和經(jīng)濟(jì)特性具有重要影響。主噴定時過早，缸內(nèi)溫度升高，NOx的生成增加；主噴定時推遲過多使燃燒滯后，排氣溫度過高，碳煙排放量和燃油消耗率上升。通過以上對發(fā)動機(jī)性能的分析，主噴定時選取在上止點時發(fā)動機(jī)有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。

圖3 預(yù)噴條件下主噴定時對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

2.3 預(yù)噴油量的影響

本試驗中，主噴定時選取在上止點，主預(yù)噴間隔為26°CA，總噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)，預(yù)噴油量分別為2，5，8 mg。預(yù)噴油量對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量及燃油消耗率的影響，如圖4所示。

圖4 預(yù)噴油量對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖4可知，NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率都隨預(yù)噴油量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，但是上升趨勢不太明顯。這是由于隨著預(yù)噴量的增加，引燃作用越來越明顯，過大的預(yù)噴油量使預(yù)燃和主燃連在一起，氣缸內(nèi)燃燒溫度提高，導(dǎo)致NOx生成增加。碳煙升高是由于隨著預(yù)噴油量的增加，預(yù)燃效果增強(qiáng)，消耗大量的氧，主燃時氧的體積濃度降低，使燃燒后期碳煙不能得到很好的氧化，碳煙生成量增加。而2 mg的預(yù)噴油量已經(jīng)能夠很好地對燃燒室起到預(yù)熱作用，并能引燃主燃燒。因此，預(yù)噴油量選取2 mg比較合適。

2.4 主預(yù)噴間隔角的影響

在相同工況下，試驗條件為：選取預(yù)噴油量為2 mg，主噴定時為上止點，主噴油量由MAP圖自動調(diào)節(jié)，主預(yù)噴間隔角分別取22，26，30°CA，主預(yù)噴間隔角對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量和燃油消耗率的影響，如圖5所示。

圖5 主預(yù)噴間隔角對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

由試驗結(jié)果可知，采用預(yù)噴射后，隨著主預(yù)噴間隔角的增加，NOx排放和燃油消耗率有所增加，但變化不太明顯，而碳煙排放量的減小趨勢相對明顯。總的來說，主預(yù)噴間隔角的變化對三者的影響不太大，這是由于主預(yù)噴間隔角對主燃燒階段影響較小。一般情況下，主預(yù)噴間隔角較小時，噴入氣缸內(nèi)的燃油還沒有來得及完全燃燒，主噴開始噴油，對燃燒室起不到預(yù)熱作用；主預(yù)噴間隔角過大，預(yù)噴射燃油對主噴射起不到很好的引燃作用，缸內(nèi)溫度較低，主噴噴入的燃油不易汽化燃燒。綜合以上對柴油機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性能的分析，主預(yù)噴間隔角為26°CA時比較合理。

2.5 單次噴射與預(yù)噴射試驗比較

經(jīng)過以上分析可知，在2 015 r/min，200 N·m工況下，主噴定時在上止點，主預(yù)噴間隔為26°CA，預(yù)噴油量為2 mg時，主預(yù)噴策略比較合理。因此，選取此條件下的試驗結(jié)果與主噴定時為上止點時的單次噴射試驗結(jié)果做比較，如表2所示。

表2 單次噴射與預(yù)噴射試驗結(jié)果比較g/kW·h

由表2可知，與單次噴射試驗相比，預(yù)噴射條件下NOx與碳煙排放量分別降低了7.6%和44%；燃油消耗率增加了12.24 g/kW·h。由以上對比結(jié)果可知：采用預(yù)噴射可以同時降低NOx和碳煙的排放，但是燃油消耗率會有所增加，可以達(dá)到NOx與碳煙排放的折中優(yōu)化。

圖6示出單次噴射與預(yù)噴射缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。正如前面分析，單次噴射缸內(nèi)最高燃燒溫度要高于預(yù)噴射，這也是單次噴射中NOx排放量高于預(yù)噴射的主要原因。

圖6 單次噴射與預(yù)噴射缸內(nèi)溫度變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）單次噴射試驗中，隨著主噴定時的推遲，NOx排放量降低，碳煙排放量和燃油消耗率呈現(xiàn)上升的趨勢。然而，中間存在著一個合理的主噴定時，使三者中的某一排放物過高或過低。

2）采用預(yù)噴射時與單次噴射噴油定時推遲有著類似效果，而預(yù)噴燃油對燃燒室的預(yù)熱作用使NOx排放量降低，并且可以降低碳煙排放量。

3）預(yù)噴射與單次噴射類似，也存在一個合理的主噴定時，主噴定時過早會使NOx排放量上升，過遲會使燃燒滯后，碳煙量和燃油消耗率上升。NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率隨預(yù)噴油量的增加而升高，NOx排放量隨主預(yù)噴間隔角變化不大，因此，存在合適的預(yù)噴量和主預(yù)噴間隔角以實現(xiàn)NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率之間的折中關(guān)系。