低溫環境下噴油參數對柴油機燃燒和排放的影響

中圖分類號：TK421 文獻標識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx04001

Influence of fuel injection parameters on combustion and emissions of diesel engine under low temperature environment

ZHU Hairong1，GUO Xuefang1，DI Zhipeng1，WANG Zhao （1.Schoolof Mechanical Engineering，Hebei Universityof Scienceand Technology，Shjiazhuang，Hebei O5oo18，China; 2.Hebei Tuopu Machinery Electric Company Limited，Shijiazhuang，Hebei O5ool8，China）

Abstract：Inordertostudytheimpactof diferentinjection parameters （numberof injectionholes，injectionangle，injection advanceangle）onthe in-cylindercombustionandemision performanceof diesel engineunderlow temperature environment，a thre-dimensional modelofacertaintypeof direct-injection diesel enginewas established，andcombustionsimulation was carriedoutfordiferentinjectionparametersofdieselengineunderlowtemperatureenvironment.Theresultsshowthatthe fuelinjectionparameters influencethefuelinjectionduration，thefuelspatialdistribution，theswirlinthepitatthebottomof the combustion chamber，the penetration distance and difusionangleof the fuel spray，the fuel-air mixing timeand mixing efect，whichwillafectthecombustionandemisionperformanceof thedieselengine；Thedieselenginecanobtainthebest power performance under low temperature environment when the numberof injection holes is 8，theinjection angle is 150^° ，and the injection advance angle is 18°CA BTDC（before top dead center）. The mechanism of the influence of injection parameters ondieselenginecombustionandemission underlowtemperatureenvironmenthasbeenobtained，which providessome reference for the optimization of diesel engine injection parameters under low temperature environment.

Keywords：internal combustion engineengineering；diesel engine；fuel injectionparameters；combustion simulation；low temperatureenvironment

柴油發動機具有扭矩大、熱效率高、輸出功率大、運行可靠性高和燃料安全性好等優勢，廣泛應用于車輛、船舶動力、航空航天、農業機械、國防裝備等諸多領域[1]。目前，國內外要求柴油機輸出功率保持在原有基礎甚至獲得更高水平，通過優化柴油機機械結構設計或進、排氣系統等方法，減少其體積和質量并保證其具有足夠的強度和可靠性，提高其功率密度。高功率密度柴油機已經成為各國柴油機技術發展的必然趨勢。中國幅員遼闊，南北地理緯度跨度大，多地冬季平均氣溫都在 -10°C 以下，新疆、內蒙古、西藏以及東北地區最低月平均溫度在 -41～-25Ω^°C 之間，黑龍江漠河的最低溫度甚至可達到 -53^°C^[2] 。因此，受中國部分地理條件和氣候特征雙重制約，要求柴油機在低溫環境下具有良好的燃燒和排放性能，改善高功率密度柴油機低溫環境下的機動性和可靠性，對中國北方地區冬季柴油機工作效率的提高具有一定的現實意義。

極端高低溫環境會對柴油機的燃油系統、進氣系統、潤滑系統和冷卻系統等關鍵系統造成一定影響，從而導致柴油機燃燒和排放性能發生顯著變化。豐雷等[3]通過定容燃燒彈研究了環境溫度對燃油噴霧油束的影響，得出環境溫度對自由噴霧貫穿距的影響大于撞壁噴霧的結論。LIU等[4]采用高速攝影、Mie 散射和Schlieren方法研究了不同壁況下撞擊壁柴油噴霧的點火和燃燒特性，得出小壁距、高壁溫可加速噴霧的汽化和混合過程，壁面對燃燒過程的推動主要取決于垂直于壁面的速度分量。ARUMUGAMSAKUNTHALAI等[5]研究發現環境溫度降低會使發動機不同形態的顆粒濃度發生變化，常溫環境下柴油機顆粒排放以核態顆粒為主，而在低溫環境下顆粒排放以聚集態顆粒為主。曹智焜等通過試驗得出環境溫度會對柴油機燃燒室熱氛圍產生一定的影響，低溫環境會增加燃油的附壁燃燒，不利于促進缸內的燃燒過程，并增加Soot（碳煙）等污染物的排放。

燃油噴射系統是柴油機的核心系統之一，對柴油機的燃燒和排放都有重要的影響[7-9]。預燃室噴孔結構對柴油機缸內的氣體流動和火焰傳播有重要作用，噴油孔形狀的改變可能會使發動機性能發生顯著變化[10]。SARVI等[1]研究發現孔徑會影響缸內油氣混合質量和燃燒質量，噴油壓力不變時，燃油噴射面積會影響噴霧液滴的尺寸，小孔徑時 NO_x （氮氧化物）排放增加，Soot、CO（一氧化碳）和HC（碳氫化合物）排放降低，油耗降低。祖炳鋒等[12]研究了不同噴油夾角耦合燃燒室形狀對柴油機燃燒性能的影響，結果表明，合適的噴油夾角可以使燃油上下分流，促進缸內油氣混合過程，實現快速燃燒。黎一鍇等[13]研究了低溫環境下噴油壓力對柴油機冷焰向熱焰轉變過程的影響，得出控制噴射壓力可以有效提高柴油機冷啟動性能。

噴油提前角是柴油機的重要參數之一，噴油提前角的大小會影響噴入氣缸內的燃油霧化、蒸發、擴散以及在空氣混合時氧化放熱等物理化學準備過程[14-15]。KIM等[16]通過減小噴霧錐角和降低壓縮比，分析了發動機在各種燃料噴射參數下的廢氣排放和燃燒特性，得出窄燃油噴霧角可以控制污染物排放的結論。XU 等[17研究發現噴油時刻的提前會使 Soot排放和火焰溫度分布的范圍減小，同時造成 NO_x 排放濃度的增加。楊朗建等[18]通過試驗方法研究了噴油策略對高寒地區柴油機冷啟動的影響，結果表明適當增大噴油提前角可以增加柴油機初始運行時的預混燃燒比例，促進缸內的燃燒過程并增加擴散燃燒的反應速率。KIM等[19]研究了噴油角度和噴油提前角對柴油機燃燒和排放的影響，得到在相同條件下較小噴油夾角的混合氣形成時間更長，較大噴油提前角下小噴油夾角會獲得更高的燃燒壓力峰值以及小噴油夾角更適合增大噴油提前角的結論。增大噴油提前角能夠有效控制顆粒物的排放，同時也會使缸內壓力峰值以及溫度峰值升高，NO排放增大[20-22]。

目前對柴油機噴油參數的研究一般都是基于常溫環境，未考慮到低溫會對柴油的物性參數產生較大的影響。本文以某四沖程直噴式柴油機為研究對象，通過控制柴油機多組不同的噴油參數進行低溫環境工況下的燃燒模擬，并對其結果進行對比分析，得出不同控制參數對柴油機燃燒和排放性能的影響機制。

1模型設置及驗證

表1柴油機主要技術參數

1. 1 柴油機參數

本研究基于某490型直噴式柴油機建立三維模型開展仿真計算，其主要技術參數如表1所示。在本文中，曲軸轉角為 0°CA 時表示上止點，負值時表示上止點前，正值時表示上止點后。

1.2 模型設置

圖1為柴油機三維計算幾何模型。該柴油機模型

燃油噴射系統采用6孔噴油器，其布置于氣缸頂部的中心位置，油束在缸內對稱分布，計算區間設置為進氣門打開持續到排氣門打開。對模型進行網格敏感性分析后將基礎網格大小設置為 4.0mm ，對氣缸套壁面進行2級局部固定加密，對噴霧油束進行3級局部固定加密，經過固定加密和自適應加密后模型的最大網格數約為 2×10⁶ ，模型處于上止點時網格分布如圖2所示。模擬計算過程中燃燒模型采用SAGE化學反應求解器，傳熱模型采用O'Rourke and Amsden模型，噴霧破碎模型采用KH-RT長度破碎模型，液滴蒸發模型采用Frossing模型，Soot排放模型采用Hiroyasu-NSC碳煙模型， NO_x 排放模型采用ExtendedZeldovich氮氧化物模型，選用正庚烷 C₇H₁₆ 作為燃料模擬柴油在缸內燃燒。

1.3 網格無關性驗證

本文選取3種基礎網格尺寸，分別為2.8、4.0和 8.0mm 。設置發動機轉速為 2000r/min ，進氣壓力為0.6MPa ，循環噴油量為 120mg ，噴油正時為 0^°CA 以及噴油持續期為 24°CA 。分別采用這3種網格尺寸進行仿真計算，得到缸內壓力和缸內溫度曲線，網格無關性驗證結果如圖3所示。由圖可知，基礎網格尺寸為2.8mm 和 4.0mm 的計算結果十分接近。而對于基礎網格尺寸為 8.0mm 的計算結果，在活塞上止點之前，缸內壓力和缸內溫度基本重合;在活塞上止點之后，所得的計算結果略大于另外2組。因此，綜合考慮計算結果的準確性以及計算時長，最終選擇 4.0mm 的基礎網格尺寸。

1.4模型有效性驗證

為了保證模擬計算結果的準確性，對本研究中建立的模型與文獻[23]中方案3所得的結果進行有效性驗證。圖4所示為本研究所用模型與文獻[23]中方案3在相同標定工況下缸內壓力結果對比。結果表明，本研究所構建的模型能夠較為準確地反映柴油機缸內燃燒過程，可用于模擬計算。

2計算結果及討論

2.1 噴孔個數對燃燒及排放的影響

將環境溫度和燃油溫度固定為 0°C 、噴油夾角為 125^° 、噴油提前角為 6^°CA BTDC（上止點前），循環噴油量為 120mg ，噴油壓力保持不變，研究不同噴孔個數對缸內燃燒和排放的影響。

不同噴孔個數下的缸內參數曲線如圖5所示。由圖可知，噴孔個數由4孔逐漸增加至8孔時，缸內峰值壓力和峰值溫度都呈現出逐漸增大的趨勢，峰值壓力變化過程為8.00、8.61、8.97、9.51和 10.16MPa ，峰值溫度變化過程為 和1157.28K；累積放熱量隨著噴孔個數的增多，曲線升高率逐漸增大，總累積放熱量差異在 2% 以內。

噴油壓力不變，隨著噴孔個數的增加，噴孔在空間上分布更廣泛，燃油在缸內分布更加均勻，這將使得燃油霧化效果得到一定程度的改善。噴孔個數的增多也會縮短噴油持續期，使滯燃期變短，燃燒相位CA50 更加靠近上止點，進而使柴油機指示熱效率較高，燃油消耗率較低，即有良好的經濟性[24]。當噴孔個數為4和5時，由于在著火點 0.03°CA 前缸內已經有一定的油氣混合物，故而在著火后迅速燃燒形成較高的缸壓，后續供油量少而緩慢且氣缸體積增大，使得壓力持續下降。隨著噴孔個數的增加，相同時間噴油器供給燃油量增大，所以在 6～8 孔時，缸內峰值壓力逐漸提前。噴孔個數的增多使噴油持續期縮短，燃油總量不變，噴孔數較多的噴油器短時間內會噴射更多燃油，釋放出更多的熱量，從而使得缸內峰值溫度變大，峰值溫度所對應相位前移，放熱速率增大。

不同噴孔個數下的缸內污染物的生成規律如圖6所示。隨著噴孔個數逐漸增多，Soot的生成規律呈現先增大后減小的趨勢，在該過程中Soot生成速率與噴孔個數的增多成正比，而 Soot的生成峰值則與之成反比。隨著曲軸轉角的增大， NO_x 呈現逐漸增大后總量基本不變的生成規律，且隨著噴孔個數的增多， NO_x 排放逐漸增大。

在燃燒初期，較多噴孔數的缸內燃油總量較大，從而會產生缺氧的現象，這將使得缸內局部當量比較大，造成 Soot快速生成;噴孔個數較少時，噴油持續期較長，缸內較大當量比區域持續時間較長，生成的 Soot 總量較多;生成的 Soot 中一部分會在后續燃燒過程中被氧化，但是隨著缸內溫度的持續降低，剩余的部分 Soot難以得到氧化，最終跟隨尾氣排出。噴孔個數的增多會使燃油霧化得到一定程度的改善，同時噴油總量不變，而噴油持續期縮短，短時間內噴油器噴出更多燃油，在2種因素的共同作用下，缸內油氣混合物迅速燃燒，使缸內產生較高的溫度，從而促進了 NO_x 的生成。

不同噴孔個數的燃燒性能和排放特性曲線如圖7所示。由圖7a）可知，隨著噴孔個數的增多，扭矩呈現持續增大的趨勢，而燃燒持續期則呈現持續縮短的趨勢；由圖7b）可知，Soot排放呈現持續降低的趨勢，而NO_x 呈現持續增高的趨勢；由圖7c）可知，隨著噴孔個數的增多，循環指示功由1334J逐漸增加至 1448J .且在噴孔個數為8時，柴油機的循環指示功最大。

噴油壓力不變時，噴孔個數的增多使得噴油持續期縮短，同時噴孔個數的增多使噴油霧化在空間上的分布更加均勻，2種因素的共同影響使燃燒過程更為迅速和集中，這樣會減少燃燒損失，提高柴油機的輸出扭矩和循環指示功，并縮短燃燒持續期；而較少的噴孔個數可能會使得燃燒過程變得更加分散和緩慢，不利于提高柴油機的經濟性和動力性。噴孔個數的增多會使燃燒持續期縮短，從而使高當量比區域持續時間減少，這在一定程度上減少了 Soot的生成，所以Soot排放呈現逐漸降低的趨勢;較多的噴孔個數使得燃燒過程更為集中，缸內峰值溫度會更高，且峰值溫度所對應的曲軸轉角會更加靠近上止點，高溫環境促進了 NO_x 的生成，所以 NO_x 呈現逐漸增大的趨勢。

改變噴孔個數可以影響缸內燃油霧化效果和噴油持續期，理論上可以降低燃油損失。在噴油壓力不變的情況下，隨著噴孔個數的增多，缸內燃油擴散更加均勻，同時噴油持續期縮短，柴油機的燃燒性能和排放特性均會受到一定的影響。

2.2噴油夾角對燃燒及排放的影響

將環境溫度和燃油溫度固定為 0^°C 、噴孔個數為6、噴油提前角為 6^°CA BTDC，循環噴油量為 120mg 噴油夾角由 140^° 逐漸增加至 160^° ，研究不同噴油夾角對缸內燃燒和排放的影響規律。

不同噴油夾角下的缸內壓力、缸內溫度和累積放熱量曲線如圖8所示。由圖可知，隨著噴油夾角的增大，缸內峰值壓力和峰值溫度都呈現先增大后減小的趨勢，峰值壓力變化過程為9.19、9.22、9.32、9.26、9.14MPa ，峰值溫度變化過程為1105.55、1116.94、1136.35、1129.74、1105.11K；放熱速率隨著噴油夾角的增大呈現先增大后減小的趨勢，總累積放熱量差異在 2% 以內。

低溫環境下的柴油黏度較大，流動性較差，合適的噴油夾角可以增加“型燃燒室凹坑內渦旋的流速和持續時間。當噴油夾角過小時，大量燃油可能會聚集在凹坑底部，無法擴散到燃燒室，造成凹坑底部當量比過大，氧氣利用率低，從而使柴油機的經濟性和動力性都較差。當噴油夾角由 140^° 增加到 150^° 時，在噴油射流動能的影響下，凹坑內的渦旋流動速度加快，渦旋的保持時間增長，同時凹坑附近剩余氧氣得以充分利用，這促進了燃油和空氣的混合程度和均勻程度，油氣混合程度得到改善，因此柴油機的燃燒性能得到提高。當噴油夾角由 150^° 增加到 160^° 時，噴油夾角變大，噴油射流噴射到燃燒室凸臺壁面，部分燃油可能會分散到氣缸壁或活塞的上壁面，這導致燃油無法充分燃燒，同時會使凹坑底部溫度較低，產生燃燒惡化的現象，降低了柴油機的燃燒效率。

不同噴油夾角下上止點靠后時刻混合氣當量比和溫度分布如圖9所示。由圖9a）可知，當噴油夾角為140^° 和 145^° 時，曲軸轉角在 時刻，大量燃油集中在凹坑上側位置，隨著噴油夾角的增大，燃油霧化得到改善；曲軸轉角為 10^°CA 時，高當量比區域逐漸上移，在噴油夾角超過 150^° 后，部分燃油分散到活塞上壁面，燃燒室凹坑內產生的渦旋區域減少。由圖9 b）可知，缸內高溫區域呈現逐漸上移的趨勢;當曲軸轉角為 5°CA 時，隨著噴油夾角的增大，缸內高溫區域先逐漸增大，后基本不變；曲軸轉角為 10^°CA 時，隨著噴油夾角的增自日日a）當量比分布 b）溫度分布/K

噴油夾角會影響燃油在燃燒室內空間的分布，合適的噴油夾角可以促進燃料和空氣的混合程度，有利于提高柴油機的經濟性和動力性。由圖9可知，由于燃油溫度較低，黏性較大，當噴油夾角較小時，會導致燃油擴散不均勻，使缸內高溫區域較少，不利于柴油機的工作。隨著噴油夾角的增大，燃油擴散得到改善，缸內高溫區域增加，2種因素的相互影響促進了缸內的燃燒。同時，合適的噴油夾角會使燃燒室凹坑內產生渦旋，提高了氧氣的利用率，增加了油氣混合程度。但是過大的噴油夾角會導致燃油射流噴射到燃燒室凸臺壁面，使部分燃油擴散到活塞上壁面附近，造成燃油的分散，使得柴油機動力性能降低，污染物排放量增加。

不同噴油夾角下柴油機的燃燒性能和排放特性曲線如圖10所示。由圖10a）可知，隨著噴油夾角的增大，燃燒持續期呈現先減小后增大的趨勢，而扭矩呈現先增大后減小的趨勢;噴油夾角為 150^° 時燃燒持續期最短，扭矩最大；由圖 ^10b ）可知，隨著噴油夾角的增大，Soot排放呈現先減少后增加的趨勢，而 NO_x 排放呈現先增大后減小的趨勢，噴油夾角為 150^° 時Soot排放最小， NO_x 排放最大；由圖 10c） 可知，噴油夾角由140^° 增加至 150^° 時，循環指示功由1414J逐漸增加到1438J，隨后噴油夾角由 150^° 增加至 160^° 時，循環指示功逐漸由1438J降低到1395J，由此可知，該柴油機在 150^° 時獲得最佳循環指示功1438J。

噴油夾角的改變會影響燃油與空氣的混合程度，從而影響缸內燃燒特性，對柴油機的動力性產生一定的影響。結合圖9a）、b），當噴油夾角由 140^° 增加到 150^° 時，燃油霧化得到改善，缸內溫度增加，同時燃燒室凹坑底部產生渦旋，2種因素共同作用促進了缸內的燃燒，使得扭矩和循環指示功增加，燃燒持續期縮短，柴油機的動力性得到提高;缸內理想的燃燒位置應處于燃燒室中心區域，當噴油夾角由 150^° 增加到 160^° 時，高當量比區域上移，部分燃油噴射到活塞上壁面，燃油燃燒分散，這將對后續燃燒過程產生一定的不利影響，使得扭矩降低，燃燒持續期延長。

速燃期是柴油機燃燒過程中的一個重要階段，同時也是Soot和 NO_x 生成的重要時間。Soot的生成主要集中在燃燒初期，伴隨著燃燒的進行，Soot會逐漸被氧化燃燒，而隨著缸內溫度的降低，最終部分Soot無法被氧化，隨著尾氣一起排出。而 NO_x 的生成主要集中在開始燃燒后，在曲軸轉角約為 20^°CA ATDC（aftertopdead cenler）時達到最大，后續基本不變。結合圖8a）、b）可知，噴油夾角為 150^° 時在速燃期具有較高的缸壓和缸溫，高溫環境促進了油氣混合程度，使燃油燃燒得更加充分，從而降低了Soot的生成；高溫高壓環境會促進 NO_x 的生成，伴隨著溫度的持續升高， NO_x 的生成速度也會加快，所以在 150^° 時缸內會生成較高濃度的 NO_x 。

合適的噴油夾角可以促進油束和空氣的混合程度，這對燃燒有著積極的作用，可以使柴油機的動力性得到提升。合適的噴油夾角可能會使凹坑內渦旋保持時間增加或運動加速，增加膨脹過程中的逆擠流和壓縮過程的擠流，加大豎直面內滾流的強度和范圍，使凹坑內剩余燃油可以燃燒得更加充分，同時還能促使壓縮余隙等局部地區剩余氧氣的充分利用——這些因素均會對柴油機的燃燒性能和排放特性產生一定的影響。

2.3噴油提前角對燃燒及排放的影響

將環境溫度和燃油溫度固定為 0^°C ，噴孔個數為6，噴油夾角為 125^° ，循環噴油量為 120mg ，噴油提前角由 6^°CA BTDC逐漸增加至 22°CA BTDC，研究不同噴油提前角對缸內燃燒和排放的影響規律。

不同噴油提前角下的缸內壓力、缸內溫度和累積放熱量曲線如圖11所示。由圖11可知，隨著噴油提前角的增大，缸內峰值壓力由 8.97MPa 逐漸增加到 12.80MPa ，且缸內峰值壓力所對應的曲軸轉角由16.12°CA 逐漸提前至 6.37^°CA ；缸內峰值溫度由 逐漸增加到1336.78K，且缸內峰值溫度所對應的曲軸轉角由 逐漸提前至 10. 13°CA ；累積放熱量放熱規律存在差異，總累積放熱量的差異小于 1% 。

噴油提前角變化會影響缸內壓力和缸內溫度的峰值，主要原因是噴油提前角會影響缸內燃燒性質和氧氣含量，從而對缸內壓力和缸內溫度峰值產生一定的影響。如圖11所示，噴油提前角由 6^°CA BTDC逐漸增加至 22°CA BTDC，缸內壓力和缸內溫度曲線呈現往前偏移的趨勢，累積放熱量達到最大值時間間隔逐漸縮短。這是因為隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，缸內的燃油量增加，同時燃油和空氣混合程度增加，可燃混合氣濃度增加，當缸內環境達到著火條件時，進人速燃期，同時速燃期縮短，可燃混合氣劇烈燃燒，使得缸內壓力和缸內溫度顯著升高，最高爆發壓力和缸內峰值溫度也隨之增加，累積放熱量達到最大時間間隔縮短。

不同噴油提前角下上止點附近時刻混合氣當量比分布如圖12所示。由圖可知，曲軸轉角在 -5^°CA 和0^°CA 時刻隨著噴油提前角的增大，缸內混合氣當量比呈現逐漸增大的趨勢，且高當量比區域主要集中在噴油束附近區域；當曲軸轉角在 5°CA 時，隨著噴油提前角的增大，缸內混合氣當量比呈現逐漸減小的趨勢，且噴油提前角在 22°CA BTDC時，缸內幾乎沒有高當量比區域。當噴油提前角為 6^°CA BTDC至 BTDC時，上止點附近混合氣當量比隨著曲軸轉角的增大而增大，而當噴油提前角為 22^°CA BTDC時，上止點附近混合氣當量比隨著曲軸轉角的增大而減小。

由圖13可知，不同的噴油提前角下，在上止點附近隨著曲軸轉角的增大，缸內溫度呈現逐漸增大的趨勢;在上止點附近同一曲軸轉角下，隨著噴油提前角的增大，缸內溫度同樣呈現逐漸增大的趨勢;缸內高溫分布由噴油束附近區域逐漸向燃燒室凹坑附近以及燃燒室底部缸壁偏移，同時燃燒室中心位置高溫區域逐漸增加。

合適的噴油提前角可以有效改善缸內油氣霧化質量，促進后續燃燒過程，提高柴油機的動力性。結合圖11來看，隨著噴油提前角的增加，缸內壓力和溫度升高率增加，在上止點及上止點靠前時刻缸內混合氣當量比和高溫區域逐漸增大，這將使得燃料在接近上止點附近燃燒，促使燃燒重心前移，同時在上止點附近時刻燃燒室容積較小而缸內溫度較高，又有利于促進油氣混合程度。理想的燃燒放熱規律要求燃料盡可能在接近上止點附近燃燒[23]。噴油提前角為 6^°CA BTDC至 14°CA BTDC時，噴油提前角過小，燃燒過程較為滯后；而當噴油提前角為 22°CA BTDC時，噴油提前角又過大，燃燒過程較為靠前，這均不利于提高柴油機的經濟性和動力性；當噴油提前角為 18°CA BTDC時，上止點附近時刻均有較高混合氣當量比和較大高溫區域，此時有效燃燒消耗率最低。

不同噴油提前角下的燃燒性能和排放特性曲線如圖14所示。由圖14a）可知，隨著噴油提前角的增大，燃燒持續期呈現逐漸縮短的趨勢，且縮短速率變慢;而扭矩呈現先增大后減小的趨勢，且在扭矩增大過程中增大速率逐漸變緩。由圖 14b 可知，在噴油提前角增大的過程中Soot排放呈現持續降低的趨勢，而 NO_x 排放呈現持續增大的趨勢。由圖 14c） 可知，噴油提前角由 6^°CA BTDC增加至 18°CA BTDC的過程中，循環指示功由1386J逐漸增大到1473J。隨后，隨著噴油提前角增大至 22°CA BTDC，循環指示功降低為1 458J。由此可知，當噴油提前角為 18°CA BTDC時，該柴油機可獲最佳循環指示功 1 473J 。

結合圖12、13可知，當噴油提前角為 18°CA BTDC時，燃燒過程主要發生在上止點附近時刻，此時柴油機具有較好的經濟性和動力性，故扭矩較大；當噴油提前角位于 6^°CA BTDC至 14^°CA BTDC時，燃燒較為滯后，而當噴油提前角為 22°CA BTDC時，燃燒又過于靠前，扭矩較小，這均不利于提高柴油機的經濟性和動力性。隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，缸內環境達到著火條件時，大量燃油混合氣被壓燃燃燒，燃燒持續期縮短;同時缸內壓力和缸內溫度升高率增加，此時可能會增加壓縮負效應，使柴油機粗暴運行，對柴油機各零部件產生沖擊，嚴重時可能會引起爆震現象。

由于柴油機是燃油噴射、燃油與空氣混合以及燃燒同時進行，當噴油提前角過小時，燃油與空氣接觸時間過短，油氣混合程度較低，部分燃油由于缺氧狀態在高溫環境下裂解，形成較多的 Soot顆粒;隨著噴油提前角的增大，預混合燃燒階段燃油與空氣混合時間更長，混合程度更加均勻，此時高當量比區域較少，因而Soot的生成量減少。結合圖11a）、b）可知，隨著噴油提前角的增大，缸內爆發壓力和溫度均增大，高溫高壓的環境會促進 NO_x 的生成;噴油提前角過小時會使燃油與空氣的混合程度降低，燃燒區域氧氣含量較少，燃燒惡化，此時會抑制 NO_x 的生成。

噴油提前角是影響低溫環境下柴油機燃燒和排放性能的一個重要參數，合適的噴油提前角能夠提高柴油機的動力性。過大的噴油提前角會導致柴油機滯燃期延長，在燃油壓燃時刻柴油機粗暴運行，而過小的噴油提前角則會導致燃燒過程延遲，燃燒重心遠離上止點，缸內峰值壓力降低，柴油機熱效率降低。

3結語

在低溫環境下，噴油參數（噴孔個數、噴油夾角、噴油提前角）對柴油機的燃燒和排放性能均有一定的影響，合適的噴油夾角或噴油提前角可以提高柴油機的動力性，主要結論如下。

1）增加噴孔個數可以通過影響噴油持續期以及改善燃油霧化提高柴油機的動力性能。隨著噴孔個數的增加，Soot排放量逐漸減少， NO_x 排放量逐漸增加。本研究中，噴孔個數為8時，柴油機可獲得較好的動力性。

2）噴油夾角會影響燃油在燃燒室內的空間分布，隨著噴油夾角從 140^° 增加到 160^° ，缸內峰值壓力和循環指示功都呈現先增大后減小的趨勢。噴油夾角為 150^° 時，油氣混合程度較好，高溫區域較多，柴油機動力性得到提高，此時Soot排放量最高， NO_x 排放量最低。

3）噴油提前角對燃油霧化的質量有著重要作用，噴油提前角由 6^°CA BTDC增大到 22°CA BTDC時，缸內峰值壓力和峰值溫度都逐漸增大，所對應的曲軸轉角也相應前移。噴油提前角為 18°CA BTDC時，高當量比區域及燃燒過程集中在上正點附近，此時油氣混合程度較好，柴油機的動力性能得到提高。從排放特性分析來看，隨著噴油提前角的增大，Soot排放量逐漸減少， NO_x 排放量逐漸增加。

本文僅進行了單個噴油參數對低溫環境下柴油機燃燒和排放的影響研究，未來需進一步研究噴油參數耦合不同噴射策略對柴油機燃燒和排放的影響。

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