噴油正時對柴油機燃燒和排放性能影響的試驗分析

李 琦，薛 陽，史德寶，尹自斌

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

發動機排放要求日益嚴格，燃油噴射系統電控化是發動機滿足日趨嚴格排放標準的有效途徑。電控燃油噴射系統的噴射參數可根據發動機運轉工況的不同靈活調整，全面研究和理解柴油機的噴射參數對燃燒和排放的影響，對于制定科學合理的控制策略至關重要。某柴油機采用電控組合泵燃油噴射系統后，進行噴油正時標定試驗。本文通過試驗數據分析噴油正時對燃燒和排放性能的影響。

1 實驗裝置

1.1 實驗用柴油機及測試設備

實驗在1臺廢氣渦輪增壓、不可逆轉的四沖程直噴式柴油機上進行，柴油機基本參數如表1所示。

表1 柴油機基本參數Tab.1 Basic parameter of the diesel engine

該柴油機燃油噴射系統采用成都威特EP1000型電控組合泵。系統參數為:柱塞直徑12.5 mm，凸輪型線加速度0.46 mm/(°)，高壓油管長度900 mm、噴油器孔數8，噴霧夾角150°，噴油器孔徑為0.30 mm，最高噴射壓力為110 MPa。各主要參數采用的測試設備有:FC2210型智能油耗儀、Horiba MEXA－1600DSEGR型氣體分析儀、SG880型水渦流測功機、FC2000發動機測控儀和 DEWE－2010CA型燃燒分析儀。

2 噴油正時對燃燒性能的影響

某船用柴油機電控化改造后，在D2工況模式下進行噴油正時標定試驗。噴油正時的變化會影響到柴油機燃燒的全過程，為研究噴油正時對燃燒性能的影響，將采集的缸內壓力信號進行均化處理、上止點修正、壓力修正等獲得示功圖，再通過AVL BOOST軟件中的BURN程序計算得到缸內壓力升高率、燃燒放熱率和燃燒溫度。

2.1 噴油正時對缸內壓力及壓力升高率的影響

圖1為標定工況下不同噴油正時的缸內壓力曲線和壓力升高率曲線，圖中橫坐標中(°CA)表示上止點前的曲軸轉角。如圖1(a)和圖1(b)所示，隨著供油提前角的增大，最高燃燒壓力有所增加，示功圖面積變大，壓力升高率峰值愈靠近上止點，峰值愈高。

在同一工況下，供油提前角較大時，噴油時氣缸內的溫度和壓力較低，滯燃期內的平均壓力和平均溫度降低，使滯燃期延長［1］。滯燃期愈長，則在滯燃期內積累的可燃混合氣量和參加預混燃燒的燃料量愈多，燃燒初期愈強烈，從而使速燃期內的燃燒加速度和放熱加速度變大，導致缸內最高燃燒壓力增大，壓力升高率峰值升高［2］。

2.2 噴油正時對燃燒放熱率及燃燒溫度的影響

圖2為標定工況下不同噴油正時的燃燒放熱率曲線和燃燒溫度曲線。如圖2(a)所示，隨著噴油正時的增加，燃燒始點前移，放熱率曲線往前推移，燃燒放熱率第一峰值變大。如圖2(b)所示，缸內最高燃燒溫度隨著噴油正時的增大而增大，相位前移［3］。

圖1 不同噴油正下的缸內壓力曲線和壓力升高率曲線Fig.1 Pressure and pressure rise rate curve of different injection timing

燃燒放熱率曲線的第一峰值由滯燃期決定。隨著噴油正時的增大，供油提前角愈大，滯燃期愈長，滯燃期內燃油蒸發量增加，形成的可燃混合氣也越多，這些可燃混合氣在急燃期內幾乎一起燃燒，上止點附近的放熱量增大，使得放熱率更高，曲線的第一峰值越大，缸內最高燃燒溫度相應升高，且相位前移。

3 噴油正時對經濟性能和排放性能的影響

3.1 噴油正時對經濟性能的影響

圖3(a)為標定工況下油耗率隨噴油正時的變化曲線［4］，圖3(b)為D2試驗循環各工況點最低油耗率所對應的噴油正時。

圖2 不同噴油正下的燃燒分析曲線Fig 2 Combustion analysis curves under different injection timing

圖3 經濟性能曲線Fig.3 Economic performance curve

從圖3(a)中可看出，對于柴油機在確定工況下存在油耗率最低的最優噴油正時［5］。在標定工況下，噴油正時為30°CA時，柴油機的燃油消耗率達210.9 g/kW·h的最低值。從圖3(b)可以看出，在D2試驗循環下，隨著負荷的升高，油耗率最低的最優噴油正時存在隨負荷升高而增大的趨勢。

3.2 噴油正時對NOx排放性能的影響

為減少船舶廢氣排放污染， 《MARPOL公約》附則VI— “防止船舶造成空氣污染規則”制定了船用柴油機NOx排放控制標準。下面分析噴油正時對該機NOx排放濃度及NOx比排放的影響。

圖4(a)和圖4(b)分別為標定工況不同噴油正時下的NOx排放濃度和NOx比排放。

圖4 NOx排放性能曲線Fig.4 NOx emissions performance curve

由圖4(a)可看出，在標定工況下，隨著噴油正時的提前，NOx排放濃度明顯降低。NOx生成的主要因素是:高溫、富氧、高溫持續時間。同一工況下，燃燒過程中富氧和高溫持續時間變化較小，而受最高燃燒溫度的影響較大。在上止點以前，當噴油正時減小，即噴射推遲，滯燃期縮短，預混燃燒峰值降低，上止點附近的放熱量減少，因而缸內壓力峰值下降，最高平均燃燒溫度下降并相位后移，從而導致NOx排放濃度降低［6］。

圖4(b)表明在標定工況下，柴油機NOx比排放隨噴油正時的提前而增大。NOx比排放是柴油機環保性和經濟性的綜合反映。NOx排放濃度和油耗率等參數是影響NOx比排放的主要參數。如前所述，同一工況下，存在油耗率最低的最優噴油正時，但NOx比排放主要受NOx排放濃度趨勢的影響，呈現出隨噴油正時的提前而增大的趨勢。這說明噴油正時滯后是降低柴油機NOx排放的有效措施，滯后噴射主要是通過控制最高燃燒溫度來降低NOx排放。經濟性與排放性二者難于完全兼顧，電控噴油正時的標定通常要在滿足排放法規要求的基礎上來進行供油定時優化。

4 結語

試驗結果分析表明:該柴油機在標定工況下隨著噴油正時提前，①呈現缸內燃燒壓力升高，壓力升高率峰值增大，燃燒放熱率峰值增大、燃燒始點提前，缸內燃燒溫度升高的趨勢;②呈現NOx濃度排放和NOx比排放明顯升高，說明噴油正時滯后是降低柴油機NOx排放的有效措施;③存在油耗率最低的最優噴油正時，經濟性與排放性二者難于完全兼顧。

［1］周苗.直噴式柴油機噴油器參數對燃燒和排放影響的數值模擬［D］.大連:大連理工大學，2007.

［2］白向東，劉福水，李向榮，等.基于噴射正時的柴油機燃燒和排放研究［J］.車用發動機，2008(4):12－13.

［3］王建偉.6102增壓柴油機燃燒過程與排放特性試驗研究［D］.天津:天津大學，2003.

［4］鄒強，李旭聰，姚春德.噴油提前角對非道路移動機械用柴油機性能的影響［J］.柴油機，2012(3):16－17.ZOU Qiang，LI Xu-cong，YAO Chun-de.Effect of fuel injection timing on the performance of diesel engines used by off－ road mobile machinery［J］.Diesel Engine，2012(3):16－17.

［5］胡亞楠.發動機燃油經濟性影響因素分析［J］.沈陽理工大學學報，2011(1):67－68.HU Ya-nan.Analysis on the Factors Affecting Engine Fuel Economy［J］.Journal of Shenyang Ligong University ，2011(1):67－68.

［6］BAK F.The influence of adjustments and external conditions on emissions from medium speed engines［C］.CIMAC，1998:791－803.