噴油策略對高壓共軌柴油機性能的影響

石晉宏，王 鐵，張正午，楊甜甜

(太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024)

自柴油機電控技術工業化以來，由于其性能優越，已在全球范圍內迅速普及，將噴射壓力的產生與噴射過程彼此完全分開，能夠在較寬的范圍內改變噴射壓力和噴射脈寬，實現噴油速率的柔性控制以及預噴射和多次噴射技術，使噴射壓力在20 MPa～2 00 MPa的范圍內彈性調節，最小噴射量可以控制到0.5 mm3，為降低柴油機排放提供了新的途徑[1-2]。王慶新等[3]通過試驗研究發現，當低速低負荷時延遲噴油，會導致碳氫化合物和顆粒物排放的增加。WANG et al[4]和MANIN et al[5]的研究表明，高壓噴射可以提高燃油的噴射能量，細化噴霧并且加快油束的貫穿速度，形成更加均勻的燃油混合氣。蘇萬華等[6]通過試驗研究表明，主噴時間間隔過短，不利于顆粒排放；主噴時間間隔過長，則不利于NOx的降低。

在節能減排的背景下，發展代用燃料對保證能源安全與環境安全具有重要的戰略意義[7]和現實意義[8-9]。F-T煤制油，即煤炭經費托間接液化合成的能在柴油機上直接壓燃的煤制液體燃料，主要成分是支鏈飽和烴及分枝異構飽和烴，硫和芳香烴含量極少，十六烷值和H/C值高，燃燒熱效率高，排放污染物少，被認為是清潔高效的柴油機代用燃料[10]。王鐵等[11-12]在增壓中冷柴油機上燃用F-T煤制油，試驗結果表明：F-T煤制油可以直接在柴油機上應用，NOx排放量平均降低14.5%，碳煙排放平均降低35.6%.宋崇林等[13]開展F-T煤制油在電控柴油機上的性能研究，試驗結果表明：與國Ⅲ柴油相比，在歐洲穩態工況條件下，微粒、一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物分別降低了25.5%，33.9%，39.3%，11.7%.

本文通過改變噴油壓力和噴油正時，研究了不同的噴油策略對F-T煤制油柴油機的影響，以期通過改變噴油參數來充分發揮F-T煤制油和高壓共軌柴油機的特性，提高柴油機的性能。

1 燃料特性及試驗裝置

1.1 燃料特性

試驗用F-T煤制油由山西潞安礦業有限責任公司生產，燃料參數由山西潞安納克碳一化工有限公司提供。主要參數見表1.

燃料品質直接影響發動機的著火、燃燒和排放性能，十六烷值和餾程溫度等油品參數對燃燒過程有重要影響[14]。由表1可知，F-T煤制油與國Ⅵ標準0#柴油相比具有低密度、低餾程溫度和低芳烴含量，不含硫以及較高的十六烷值的特性，具有降低排放的潛質。

表1 F-T煤制油與國Ⅵ 0#柴油參數對比Table 1 Parameters of F-T and 0# diesel

1.2 試驗裝置

試驗用柴油機主要參數見表2.通過Bosch電控單元控制高壓共軌燃油噴射系統和MCV100開放式ECU系統靈活調節噴油正時和軌壓等噴油參數。使用AVL SESAM I60多組分排放測試儀和AVL483微碳煙測試儀進行排放檢測，缸內壓力數據采用Kistler傳感器和德維創燃燒分析系統進行測量和采集，試驗系統布置見圖1.

表2 柴油機主要參數Table 2 Engine specifications

圖1 試驗系統布置圖 Fig.1 Test system

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒穩定性分析

圖2為最高燃燒壓力及其相位概率密度分布圖(100個循環)。由圖2可知：最高燃燒壓力pmax1=8.738 MPa的頻率占41%，即41次；pmax2=8.862 MPa的頻率占33%，即33次，二者合占74%，峰值相位的頻率分別為10%和68%，兩者占比78%，因此試驗的燃燒過程相當穩定。

圖2 最高燃燒壓力及其相位概率密度分布 Fig.2 Probability density distribution of highest combustion pressure and angle

2.2 噴油壓力對F-T煤制油柴油機性能的影響

圖3為不同噴油壓力下的燃燒過程和燃燒參數分析曲線。由圖3(a)可知，缸內壓力和放熱峰值均隨噴油壓力的增大而明顯上升，且峰值相位均提前出現。由圖3(b)可知，噴油壓力越大燃燒越早，噴油壓力由62.8 MPa增大至143.8 MPa時，燃燒提前7°，滯燃期縮短30.2%.

隨著噴油壓力的增大，燃油在缸內的霧化質量提高，蒸發、擴散與空氣混合的物理準備階段和低溫多階段著火的化學準備階段縮短，混合氣形成的速度更快、量更多，提前達到燃料的著火溫度，導致滯燃期縮短，燃燒提前。隨著噴油壓力的增大，滯燃期內形成的混合氣量增多且質量提高，能量增多，缸壓增大，放熱量增多。

圖4為不同噴油壓力下的排放變化曲線。由圖4(a)可知，SOOT和NOx排放有明顯的trade-off關系：SOOT排放隨著噴油壓力的增大呈現線性下降的趨勢；噴油壓力由62 MPa增加至143 MPa時，SOOT排放量降低94.5%，NOx排放量升高16.2%.

圖3 不同噴油壓力下的燃燒過程與燃燒參數變化規律曲線 Fig.3 Combustion process and parameters curve under different injection pressure

圖4 不同噴油壓力下的排放變化規律曲線 Fig.4 Emissions curve under different injection pressure

由圖4(b)可得，CO與HC排放量分別下降6.7 mg/m3和7.8 mg/m3.

隨著噴油壓力的增加，燃油的能量增加，燃油與空氣混合越均勻，局部和瞬時過濃或過稀區域減少，保證了燃燒的充分性，減少了燃燒過程中高溫缺氧的燃氣與燃油混合，降低了預擴散燃燒比例，降低了SOOT和HC生成的可能。由于燃油與空氣的充分混合，燃燒較完全，燃燒過程放熱多、缸內溫度高，減少了烴類燃燒的中間產物和不完全燃燒產物，降低了CO排放量，但高溫促使富氧區的NOx生成量增多。

2.3 預噴正時對F-T煤制油柴油機性能的影響

圖5為不同預噴正時下的燃燒過程和燃燒參數分析曲線。由圖5(a)可知，缸內壓力和放熱峰值均隨預噴的提前而增大，且峰值相位基本一致，燃燒過程變化敏感度較噴油壓力弱。由圖5(b)可知，預噴正時曲軸轉角由上止點前17.5°推后至12.5°時，燃燒推后1.3°，滯燃期縮短7°.

圖5 不同預噴正時下的燃燒過程與燃燒參數變化規律曲線 Fig.5 Combustion process and parameters curve under different pre-injection timing

預噴正時提前。燃油較早噴入缸內，與空氣混合時間較長，滯燃期延長，燃燒持續期長，起燃時刻較早。由于滯燃期延長，形成的預混合氣量增多，缸內壓力和放熱率略有提高，燃燒過程在小幅范圍內變動。

圖6為不同預噴正時下的排放變化曲線。由圖6(a)可知，SOOT排放量隨著預噴正時的推后而增多；預噴正時推后5°時，SOOT排放量增加0.19 mg/m3，NOx排放量降低34 mg/m3.由圖6(b)可得，CO與HC排放量分別上升29 mg/m3和28 mg/m3.

圖6 不同預噴正時下的排放變化規律 Fig.6 Emissions curve under different pre-injection timing

預噴正時越早，參與預混合燃燒的油量越多，總的燃燒持續期更接近上止點，燃燒等容度增大，缸內的最高溫度和壓力升高導致NOx的排放量增多，碳煙排放的生成量越少。當預噴正時曲軸轉角為-17.5°時，主預噴間隔過大，缸內溫度反而下降，NOx排放量下降。預噴推后滯燃期內形成的預混合氣少，燃燒初期的放熱率降低，燃燒溫度降低，CO氧化速率減慢，進而CO和HC排放量升高。

2.4 主噴正時對F-T煤制油柴油機性能的影響

圖7為不同主噴正時下的燃燒過程和燃燒參數分析曲線。由圖7(a)可知，缸內壓力和放熱峰值均隨主噴正時的提前而增大，且峰值相位都提前出現。由圖7(b)可知，主噴越晚著火越推后，主噴正時曲軸轉角上止點后(ATDC)由-10.4°推遲至-4.4°時，燃燒推后0.8°，滯燃期延長8°.

圖7 不同主噴正時下的燃燒過程與燃燒參數變化規律曲線 Fig.7 Combustion process and parameters curve under different main-injection timing

隨著主噴正時的提前，著火時刻提前，滯燃期延長，燃燒持續時間增長，滯燃期內噴入缸內的燃料與空氣混合度變好，混合氣質量提高，預混燃燒的比例增加，缸內壓力和峰值增高。

圖8為不同主噴正時下的排放變化曲線。由圖8(a)可知，SOOT排放量隨著主噴正時的推后而增多；預噴正時斷軸轉角由-10.4°推后-4.4°時，SOOT排放量增加1.19 mg/m3，NOx排放量降低44 mg/m3.由圖8(b)可得，CO與HC排放量分別上升3 mg/m3和23 mg/m3.

當大部分燃油在前段時間噴入氣缸內時，參與預混燃燒的油量增多，燃燒過程結束的早，SOOT排放量低而NOx排放量較高；當推遲主噴正時時，參與擴散燃燒的油量增多，燃燒較完全，SOOT排放量增多，NOx排放量下降；當主噴正時晚于一定時刻后，由于擴散火焰大部分發生在膨脹過程中，火焰溫度較低，碳煙生成速率下降。推遲噴油，局部的混合氣過濃或過稀區域以及溫度或壓力過低區增大，HC排放量增多，燃燒遠離上止點，滯燃期大大延遲，缸內溫度低，CO氧化速率變慢。

圖8 不同主噴正時下的排放變化規律曲線 Fig.8 Emissions curve under different main-injection timing

3 結論

本文主要分析了不同的噴油參數對高壓共軌柴油機燃燒和排放性能的影響。結論如下：

1) 提高噴油壓力，能夠改善混合氣的混合質量，爆發壓力和放熱增多，SOOT排放量直線下降，CO和HC排放量也不同程度地減少，但會增加NOx的排放值。

2) 預噴提前即增大主預噴間隔角，滯燃期縮短，缸壓增大，放熱增多，NOx排放量有下降趨勢。

3) 噴油正時推后，滯燃期延長，預混燃燒的比例增加，缸壓降低，SOOT，CO和HC排放量均上升，NOx排放量下降。

4) 適當加大噴油壓力，推遲主噴正時，增大主預噴間隔角能夠改善電控柴油機的燃燒過程，提升電控柴油機的排放水平。