后噴策略下多次主噴對重型柴油發動機性能的影響*

昂飛 鹿盈盈 范超

（南京工業大學，南京 211816）

主題詞：重型柴油發動機 后噴 多次主噴 排放

1 前言

國內外學者對運用后噴技術降低柴油發動機污染物排放量進行了大量的研究。Kitamura等利用耦合詳細化學動力學機理繪制當量比與溫度的分布圖，以尋找避開NO和碳煙生成區域的方法。為了解決柴油發動機在高負荷下的碳煙生成問題，Farhan 等研究了重型柴油發動機的燃燒和排放特性，認為后噴射策略可以減少柴油機的污染物排放量。Arrègle 等認為，主后噴間隔過大時，由于缸內溫度較低，后噴燃油無法完全氧化，產生碳煙，主后噴間隔小時，燃燒相位接近上止點，NO生成較多。Tow 等通過試驗研究發現，主后噴模式可明顯降低碳煙排放量。Ojeda等研究發現，主后噴間隔較短時碳煙排放量降低不明顯，只有當主后噴間隔大于30°CA時碳煙排放量降低效果明顯。Payri等發現，部分負荷下后噴比例在15%～20%范圍內時，碳煙排放量降低效果最明顯。Mohan 等發現，中等負荷工況下主后噴間隔40°CA、后噴比例為14.5%時可得到最低碳煙排放量。Garcia等發現過量的后噴燃油比例會促使較多的燃油噴霧之間相互作用而導致燃燒發展的惡化。王攀等研究發現，后噴的加入可以顯著降低NO排放量，最大降幅為26.7%。運用后噴技術改善燃燒排放問題主要有2種途徑：促進燃燒室中燃油與空氣的混合形成良好均質混合氣；分次噴射柴油降低缸內燃燒溫度抑制NO生成，同時也不會產生大量碳煙。

柴油發動機在低速高負荷工況下，由于噴油量多、噴油持續時間縮短和著火滯燃期短暫，噴油終點出現在燃燒始點之后，NO排放情況惡化，著火前形成的預混合氣量較少，擴散燃燒占據主導地位，對最終排放量起決定性作用。本文在前人優化主噴和后噴工作的基礎上，在論證模型可靠后，將主噴末端部分油量作為后噴，依據熱效率和排放物折中效果，優化2次噴射主后噴比例、間隔和定時，然后將主噴分為多個脈沖，優化各主噴脈沖比例、間隔和定時，以期優化各脈沖的混合時間和混合空間，分段噴油來增加混合氣量，形成適當的混合氣當量比，降低NO排放量，并減少燃燒室壁面處的燃油和碳煙濃區，進一步降低各污染物排放量和提高燃燒效率。

2 試驗裝置和數值仿真模型

2.1 試驗系統

表1所示為某品牌WP10H型六缸重型柴油發動機主要技術參數。該系統以原機第1缸作為試驗缸，其他缸對第1缸起拖動作用。改造后的單缸試驗系統布置如圖1所示。

圖1 單缸試驗系統示意

表1 重型柴油機主要技術參數

該試驗系統由單獨的電控高壓共軌燃油供給系統、外源模擬增壓進氣系統、可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）系統、廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系統、數據采集監控系統、多功能燃燒參數采集分析系統以及尾氣排放測試系統等組成。噴油控制采用原機電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的控制策略，并對非試驗缸進氣溫度、進氣壓力、排氣壓力、水溫、機油溫度等進行簡單的數據采集監控。

2.2 數值仿真模擬及合理性驗證

由于所用ω型燃燒室完全居中，所選用柴油發動機采用8 孔噴油器，系統的幾何形狀是對稱的，為減少計算耗時，取燃燒室的1/8，即45°扇形區域為計算域，圖2所示為上止點時刻燃燒室的計算網格。數值模擬中湍流模型選用k-zeta-f模型，燃燒模型選用ECFM-3Z模型，NO排放模型選擇Extended Zeldovich 模型，碳煙模型選擇Kinetic 模型，由于采用進氣門晚關技術，計算始點為-90°CA ATDC（進氣門關閉時刻），計算終點為126°CA ATDC（排氣門開啟時刻），此時缸內溫度和壓力隨曲軸轉角變化小且缸內產生排放物的量趨于穩定。缸內初始溫度為380 K，主噴噴油定時為3°CA ATDC，總噴油量為150 mg，轉速為1 296 r/min。

圖2 上止點計算網格

圖3 所示為在20%EGR 率下的基準工況缸內壓力和放熱率仿真與測量對比結果。由圖3可知：仿真缸壓曲線和瞬時放熱率與試驗數據基本吻合，這表明壓力對污染物排放量評估的影響較小；仿真與試驗結果著火時刻和燃燒持續期基本吻合，證明了數值模擬模型的準確性。

圖3 模擬與試驗對比

2.3 主后噴間隔角的影響

試驗測得單次噴射（無后噴）產生的NO和碳煙排放量分別為5.052 g/(kW·h)和0.003 7 g/(kW·h)。仿真測得NO和碳煙排放量隨后噴定時的波動趨勢與試驗測得的趨勢一致。將主后噴的比例固定，后噴定時從30°CA ATDC 依次間隔5°CA 逐漸增加到50°CA ATDC。由于后噴導致在燃燒后期缸壓、溫度和放熱率再次升高，隨著后噴時刻的逐漸推后，后噴燃油燃燒放熱推遲。

圖4 所示為20%EGR 率條件下后噴油量比例分別為10%、15%和20%時NO和碳煙的排放率受后噴定時的影響規律。后噴使得缸內的溫度和壓力再次提升，但缸內的平均溫度峰值比單次噴射平均溫度峰值低，伴隨著間隔角度增大，溫度再次升高的時刻也推遲，可以看出單次噴射加后噴策略產生的NO排放量比單次噴射低?；钊滦?，氣缸容積增大，缸內的溫度大幅降低，抑制了NO的生成，NO排放量降低，但NO隨主后噴定時的推遲波動變化不大。當主后噴間隔較小時，短時間內噴射的燃油較多，燃油與空氣混合不均勻且局部溫度高、氧氣不充分導致了碳煙排放量增加，后噴的燃油增大了缸內的湍流強度，有利于促進缸內中間產物的二次氧化，隨著后噴定時的不斷推后，后噴的時刻過于靠后，活塞下行過多，燃燒區溫度低，抑制了碳煙的后氧化過程，使得碳煙排放量再次升高。3種不同的后噴比例均存在最佳的后噴定時（45°CA ATDC）使得NO和碳煙排放量最低。

圖4 20%EGR率條件下后噴定時對污染物排放量的影響

2.4 后噴比例的影響

通過對各后噴定時的分析可得，45°CA ATDC的后噴定時對降低污染物排放量效果最為顯著，因此在固定后噴定時的基礎上探究不同后噴比例對NO和碳煙排放量的影響。固定后噴定時為45°CA ATDC，后噴油量從占總噴油量的10%逐漸增加到20%，主噴燃油量減小，會導致溫度和放熱率的峰值逐漸降低，致使有后噴時所產生的NO排放量比無后噴時產生的NO排放量低，且后噴油量的增加也會導致燃燒后期的缸壓、溫度逐漸升高。

圖5所示為20%EGR率條件下后噴比例對NO和碳煙排放量的影響規律。與單次噴射比，后噴比例對NO排放量的影響不明顯。后噴比例為15%時碳煙排放量最低，增加后噴比例，排放碳煙量再次升高，這是因為后噴油量的增加會提高缸內的湍流強度，加速了燃燒產物與空氣的混合，促進了主噴燃燒末期的未燃碳氫的氧化，同時后噴燃油使得缸內溫度再次升高，兩者共同降低了碳煙排放量。但隨著后噴油量的增多，后噴燃油與主噴燃燒剩余的空氣混合不均勻，致使碳煙的排放量又顯著提高，因此針對污染物排放量，存在最佳后噴比例。

圖5 后噴油量對污染物排放量的影響

3 主噴射策略方案

由以上研究結果可得，后噴定時45°CA ATDC和后噴比例15%的條件下NO和碳煙排放量較低。保持循環噴油量為150 mg、EGR 率為20%不變，原機噴油定時為3°CA ATDC，研究在固定后噴定時和后噴比例條件下，主噴參數改變對排放和熱效率的影響，將單次主噴分為不同間隔的多次主噴，并使多次主噴最后一個脈沖結束時刻在后噴開始之前，如圖6所示?！?次主噴-5”意義為第1 次主噴噴油定時為3° CA ATDC，采用2 次主噴，多次主噴脈沖間隔角度為5°CA。多次主噴間隔均為等曲軸轉角，質量比例均等。

圖6 噴射策略示意

4 結果與討論

4.1 多次主噴對指示熱效率和排放的影響

固定后噴比例與定時，按等質量比例和等時間間隔將主噴分為多次噴射，多種主噴射策略進行仿真計算。圖7所示為3次主噴條件下不同主噴間隔對缸內燃燒影響的對比，多次主噴相對于單次主噴，燃油未在短時間內全部噴射，有助于充分利用整個氣缸內的新鮮空氣，噴油定時不同，每次噴射燃油蒸氣分布的量也不同，改善了溫度在短時間內劇烈升高的情況，多次主噴使得缸內溫度多次升高，但每次的峰值均較單次主噴峰值低，同時后期后燃造成缸內平均溫度高于單次主噴后期缸內溫度。

圖7 多脈沖主噴射對燃燒的影響

圖8 所示為多次主噴對2 種污染物排放量的影響，NO生成量的主要影響因素是高溫、富氧和高溫持續時間。單次噴射時噴油時刻的壓力和溫度都超高，噴油持續期長，著火滯燃期極短，NO排放量會急劇增大。在大負荷下，較長的噴油持續期和較多的噴油量使得單次噴油模式混合時間縮短，缸內產生濃混合氣。相比之下，多次噴油模式優勢非常明顯，多個噴油脈沖可以保證各脈沖油量有足夠的混合時間，以此改善單次噴射造成的各種弊端。由圖8a、圖8b和圖8c可知，多次主噴策略相對于單次噴射，降低了缸內最高峰值溫度，使得NO排放量大幅改善，隨著多次主噴間隔增加，NO排放量呈現先降低再提高的趨勢，影響NO再度升高的原因是隨著間隔角度增大，最后一次主噴不斷向后推遲，與原先固定的后噴間隔較小，在短時間內，最后一次主噴與后噴的燃油共同燃燒促使缸內的局部位置瞬時溫度驟然升高，整體的NO排放量增加不明顯（圖7）。噴油的起始點在上止點后，多個脈沖噴油可以增加缸內氣流的擾動，使混合氣盡量均勻。峰值溫度低和高溫持續期的縮短抑制了NO生成。

圖8 多次主噴策略對污染物排放量的影響

但隨著多次主噴的間隔角度逐漸增大，活塞逐漸下行，燃油的輸出過于靠后，造成燃油燃燒不完全現象，產生了較多的碳煙。表2所示為2次主噴不同間隔角度對指示熱效率的影響，多次主噴間隔過大，促使更多柴油在活塞下行較遠后才噴出，此時缸內的壓力和溫度降低，缸內整體溫度低，后噴量大導致后噴燃油與空氣混合變差，抑制了未燃碳氫的后期氧化，碳煙排放量升高，過大的間隔角度促使熱效率降低。多次主噴均對應著一個最優的主噴間隔，圖8d 中散點表明了主噴次數與主噴間隔角度對排放的影響，根據排放和熱效率折中效果，各策略存在著一個最優的主噴間隔角度，在主噴次數為2次和3次時，10°CA為較好的主噴間隔角度。

表2 2次主噴不同間隔角度的指示熱效率

4.2 多次主噴策略對污染物排放的影響分析

對比單次主噴、2次主噴和3次主噴，隨著主噴次數的增加，2 次主噴-10 與單次主噴相比，NO排放量降低0.77 g/(kW·h)，由于單次主噴噴油持續期短，使得缸內溫度驟然升高（見圖9）導致了NO的生成。當主噴被拆分為多次，活塞下行，每次脈沖噴到氣缸的不同位置，且噴入時的氣缸容積比單次主噴時的大，平均溫度降低，但充分利用了整個氣缸內的空氣，有利于卷吸到新鮮空氣、增強燃空混合速率，又避免了持續噴入的燃油進入高溫缺氧的區域，多個脈沖噴油使得燃燒區域的溫度適當。從圖9可以看出，在55CA ATDC之前，單次主噴缸內平均溫度較多次主噴高，溫度低和缸內空氣的充分利用的綜合作用抑制了NO生成。隨著主噴次數的增多，前期缸內溫度越來越低，但最后一次主噴結束定時過度靠后，與后噴定時間隔小，短時間內噴射出較多燃油燃燒使得后期的缸內溫度升高。

圖9 缸內溫度對比

隨著主噴間隔增加，碳煙排放量整體呈現增加的趨勢，但過大的主噴間隔使得碳煙排放量急劇增加，且熱效率開始顯著下降（見表2）。4次主噴-5、3次主噴-10和2次主噴-10相比較，由圖6可以看出，4次主噴-5主噴結束定時先于3 次主噴-10 主噴結束定時，隨著完成主噴時刻的延后，碳煙的排放量逐漸增加。將主噴射進一步分成幾個脈沖，以降低火焰溫度，允許空氣和燃料充分混合，限制擴散燃燒的影響，導致發動機的效率降低，3次主噴雖然可以得到較低的NO排放量，但相對于單次主噴和2次主噴，碳煙的排放量較高。碳煙的生成條件是高溫缺氧，前一次的主噴產生的局部高溫是后一次噴射燃油的點火源，后一次噴射的柴油被噴射到了前一次燃燒余留下的高溫區域，且氧氣量不足，導致碳煙排放量急劇增加。過度考慮污染物排放會導致熱效率的降低。表3所示為不同主噴次數的指示熱效率，多次主噴的熱效率相對于單次主噴低，燃油噴射結束定時越靠后，熱效率越低。

表3 不同主噴次數的指示熱效率 %

圖10 所示為缸內溫度變化云圖和NO 生成穩定時的分布云圖。從圖10 可以看出，噴射總質量相同的柴油，多次主噴可以很好地降低缸內峰值溫度，2 次主噴-10和3次主噴-10燃油燃燒產生的溫度低均較單次主噴低，因而降低了NO的生成量。

圖10 缸內溫度和NO的分布對比

圖11 所示為缸內湍動能變化和碳煙生成氧化曲線。由圖11a 可知，多次主噴雖然可以改善NO排放問題，但過多次數的主噴導致碳煙排放量增加。從圖11b中可以看出，主噴被分成多個脈沖，一方面可以使缸內的湍流強度增強，另一方面，過多的主噴次數導致燃油噴射過于靠后，對燃油的氧化過程不利，導致碳煙后氧化不充分，碳煙的凈生成量增加。多次主噴時應考慮到燃油與空氣混合程度和燃燒區域的溫度。為折衷考慮排放和效率，合理的主噴定時才能保證碳煙排放量達標，同時也可以降低NO排放量，如4次主噴-5。

圖11 湍動能和碳煙對比

5 結束語

本文通過試驗和數值模擬研究了在大負荷低轉速下后噴和多次主噴對柴油發動機缸內燃燒過程和排放的影響，得出以下結論：

a.單次主噴加后噴模式可以得到較低的NO和碳煙排放量，較單次噴射無EGR的NO和碳煙排放量降低顯著，較單次噴射+20%EGR方案的NO排放略有降低，碳煙排放量降低顯著。

b.多次主噴加后噴策略在保證指示熱效率沒有過度惡化前提下可顯著降低NO排放量，NO排放量隨主噴次數和主噴間隔增加，缸內溫度的降低呈下降趨勢。隨著各主噴脈沖間隔增大和主噴次數的增多，著火條件不良，燃料與空氣混合不佳，碳煙的生成量增加，指示熱效率隨脈沖次數和間隔角度的增加而略有下降。

c.過大的主噴間隔會使最后一次主噴脈沖和后噴相互干擾，導致燃燒過程極度惡化，抑制碳煙的后氧化過程，碳煙排放量急劇增加。