預(yù)噴正時對柴油發(fā)動機燃燒和排放特性的影響

程志騰，李俊民

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.杭州錢塘交通運輸局（籌），浙江 杭州 310000）

隨著化石能源消耗的增加，排放法規(guī)日益嚴格，尋找新的策略，提高內(nèi)燃機效率，減少排放物的污染是必然趨勢。柴油機因其熱效率高、功率范圍廣、可靠性高，占據(jù)內(nèi)燃機市場份額持續(xù)上升。改變噴油規(guī)律，是降低柴油機排放的重要技術(shù)措施，目前主要集中在對噴油規(guī)律曲線形狀，預(yù)噴射，多段噴射的研究上。噴油正時對發(fā)動機性能有明顯的影響，同時也是柴油機在應(yīng)用過程中相對容易改變的一個參數(shù)。

欒興存等人在探究多次噴射對柴油機性能的影響中得出如下結(jié)論，隨著預(yù)噴正時的提前，缸內(nèi)壓力峰值降低，主燃燒階段的滯燃期縮短，碳煙和NOx排放均降低；LI等在一臺六缸共軌柴油機中研究了預(yù)噴正時對甲醇-柴油雙燃料的影響，結(jié)果表明隨著預(yù)噴的提前，最大壓升率、氣缸溫度降低，循環(huán)波動變大，HC化合物排放減少，CO、NOx和細顆粒物排放增加。本文研究基于發(fā)動機臺架試驗，調(diào)整柴油機預(yù)噴時刻，對其燃燒特性和排放特性進行試驗研究。

1 試驗裝置和內(nèi)容

本次試驗使用的柴油發(fā)動機是濰柴的WP4G 154E330直列六缸增壓中冷發(fā)動機，主要參數(shù)如表1所示。加裝了柴油噴射控制板，與原機電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）協(xié)同控制柴油噴射時刻；在柴油機第1缸上安裝火花塞式缸壓傳感器，通過采集缸壓信號等參數(shù)對柴油機進行燃燒分析。

試驗所用的主要設(shè)備有：CW150電渦流測功機，用于控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩；柴油消耗量用質(zhì)量流量計測量；瑞士Kistler公司生產(chǎn)的KiBox燃燒分析儀，測量缸壓信號，用來分析發(fā)動機的燃燒特性；粒子計數(shù)器、五氣分析儀、SMPS-3938掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀等設(shè)備，用于測量尾氣排放，分析發(fā)動機的排放特性。

試驗發(fā)動機以轉(zhuǎn)速1 800 r/min，低負荷（30%）作為試驗工況點，以單噴射模式在該工況下運行作為對照試驗，然后保持主噴射時刻不變，引入預(yù)噴射策略。預(yù)噴時刻與主噴時刻分別間隔5 °CA、10 °CA、15 °CA、20 °CA、25 °CA，待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，通過采集缸內(nèi)壓力信號與尾氣排放數(shù)據(jù)，來探究預(yù)噴正時對柴油機燃燒與排放特性的影響。

表1 試驗柴油機主要參數(shù)

2 預(yù)噴正時對燃燒特性的影響

2.1 壓力升高率（dp/dφ）

不同預(yù)噴正時下，發(fā)動機壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況，如圖1所示。

圖1 預(yù)噴正時對壓力升高率的影響

由圖1可知，對比單次噴射和不同主預(yù)噴時刻間隔，發(fā)動機缸內(nèi)壓力升高率曲線與曲軸轉(zhuǎn)角變化的趨勢基本一致；和單次噴射相比，引入預(yù)噴射策略后，峰值壓力升高率有所降低，有助于改善缸內(nèi)燃燒噪聲水平；壓力升高率的峰值相位角隨著主預(yù)噴間隔的增大而不斷提前，當(dāng)主預(yù)噴時刻間隔大于10°CA時，壓力升高率也隨著預(yù)噴正時的提前而不斷降低。

2.2 瞬時放熱率（dQ/dφ）

不同預(yù)噴正時下，瞬時放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化趨勢如圖2所示。

圖2 預(yù)噴正時對瞬時放熱率的影響

由圖2可知，預(yù)噴射階段的燃燒相位角隨著主預(yù)噴間隔時刻的增大而提前，但當(dāng)主預(yù)噴間隔大于10 °CA時，預(yù)噴燃燒階段和主燃燒階段的瞬時放熱率峰值均不斷下降；相較于單噴，柴油預(yù)噴策略引入后，主噴射階段的劇烈預(yù)混燃燒消失，轉(zhuǎn)為較為緩和的擴散燃燒。

2.3 平均有效壓力循環(huán)變動系數(shù)

平均有效壓力循環(huán)變動系數(shù)（The Covariance of Indicated Mean Effective Pressure, COV）隨預(yù)噴正時的變化情況如圖3所示。

圖3 預(yù)噴正時對COVIMEP的影響

主噴對應(yīng)曲軸位置與預(yù)噴對應(yīng)曲軸位置間隔為10 °CA時COV最大，主要是預(yù)混合階段燃燒放熱太大，造成了較大的壓力波動。

2.4 缸內(nèi)平均溫度（T）

不同預(yù)噴正時下，缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)預(yù)噴正時提前10 °CA時，缸內(nèi)平均溫度最高，原因是發(fā)動機瞬時燃燒放熱率較大；隨著主預(yù)噴間隔時刻的增大，瞬時放熱率降低，缸內(nèi)平均溫度逐漸下降。

圖4 預(yù)噴正時對缸內(nèi)平均溫度的影響

3 預(yù)噴正時對排放特性的影響

對柴油機而言，污染物排放中最主要的是NOx和顆粒物，因此本文主要討論了預(yù)噴正時對柴油發(fā)動機NOx排放與顆粒物排放的影響。

3.1 超細顆粒物

超細顆粒物對人體危害更大，對超細顆粒物的研究，主要是分析超細顆粒物的數(shù)量濃度、粒子總數(shù)與平均粒徑。

SMPS-3938電遷移率顆粒物粒徑譜儀對排放污染物中顆粒物粒徑的測量范圍為5 nm～ 1 000 nm，根據(jù)顆粒物粒徑和生成機理的不同，將顆粒物微粒劃分為核模態(tài)、積聚態(tài)和粗粒子。碳核直徑約為5 nm～50 nm是核模態(tài)微粒；直徑為50 nm～1 000 nm的是積聚態(tài)微粒；直徑大于 50 nm～1 000 nm的微粒稱為粗粒子。

圖5是超細顆粒物排放粒徑譜圖。由圖可以看出，核膜態(tài)顆粒物和100 nm以下的積聚態(tài)顆粒物隨著主預(yù)噴間隔的擴大，濃度下降明顯。

圖5 超細顆粒物粒徑譜圖

圖6是超細顆粒物濃度及平均粒徑隨預(yù)噴正時的變化情況。從粒子總數(shù)變化曲線中可以看出，超細顆粒物濃度在單噴模式下最大，隨著主預(yù)噴間隔時刻的增大，超細顆粒物濃度持續(xù)降低；從顆粒物平均粒徑變化曲線可知，當(dāng)主預(yù)噴間隔時刻小于10 °CA時，超細顆粒物平均粒徑隨主預(yù)噴間隔時刻的增大而不斷上升，之后，隨著主預(yù)噴間隔的持續(xù)擴大，平均粒徑有所下降。主要原因是在引入預(yù)噴策略后，第一階段的燃料燃燒并不完全，形成了較多的碳煙晶核，易凝聚成顆粒物，增加了微粒直徑，隨著主預(yù)噴間隔時刻的增大，預(yù)混合燃燒階段燃燒規(guī)模減少，未被燃燒的燃料有充足時間汽化，以均質(zhì)氣體的形式在主噴射階段充分燃燒，形成了較小的核膜態(tài)顆粒物，使得平均粒徑下降。

圖6 預(yù)噴正時對超細顆粒物濃度及平均粒徑的影響

3.2 比排放

大顆粒物是指粒徑為0.3 μm以上的顆粒物，大顆粒物數(shù)目的比排放（Brake Specific Particle Number, BSPN）是通過粒子計數(shù)器測得的每2.83 L中大顆粒物的個數(shù)，經(jīng)顆粒物比排放計算公式換算后得出。NOx比排放（Brake Specific Nitrogen Oxides, BSNOx）根據(jù)試驗儀器測得的NOx濃度經(jīng)NOx比排放計算公式換算后得出。

圖7 預(yù)噴正時對BSPN 和BSNOx的影響

圖7是BSPN 和BSNO隨柴油預(yù)噴正時的變 化情況。

在柴油預(yù)噴策略引入后，會降低BSPN，并隨著預(yù)噴正時的提前，BSPN不斷降低；NO比排放的變化情況不明顯。

4 結(jié)論

通過改變一臺高壓共軌柴油機的預(yù)噴提前角，可以總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）相比單次噴射，在預(yù)噴策略引入后，峰值壓力升高率均有所降低，有助于改善缸內(nèi)燃燒噪聲水平；主噴射預(yù)混階段的劇烈燃燒消失，轉(zhuǎn)為較為緩和的擴散燃燒。

（2）隨著主預(yù)噴間隔時刻的增大，超細顆粒物濃度呈下降趨勢，平均粒徑先增大后減小；BSPN持續(xù)降低，NO比排放在主預(yù)噴間隔較小時變化不明顯，間隔較大時略有下降。