預噴射對輕型柴油機燃燒與排放性能影響的可視化研究*

呂純昌　賈和坤（-杭州沃德認證技術服務有限公司浙江杭州3005 -江蘇大學汽車與交通工程學院）

預噴射對輕型柴油機燃燒與排放性能影響的可視化研究*

呂純昌1賈和坤2
（1-杭州沃德認證技術服務有限公司浙江杭州310015 2-江蘇大學汽車與交通工程學院）

以某輕型柴油機為樣機，搭建了缸內燃燒過程可視化試驗平臺，通過缸內燃燒過程高速攝影、缸內示功圖采集及放熱率計算分析了預混合低溫燃燒模式下預噴射對柴油機缸內燃燒的影響規律。通過所搭建的柴油機缸內工作過程可視化平臺可以直觀地分析柴油機缸內噴霧燃燒過程。25%負荷工況條件下，隨著預噴射油量的增加，擴散火焰出現時刻提前，火焰面積增大，滯燃期縮短，NOx排放量不斷下降，碳煙排放與有效燃油消耗率則呈現出先下降后上升的趨勢。隨著預噴射正時不斷提前，但是擴散火焰出現時刻提前，從-4.2°CA提前到-4.8°CA，且擴散火焰面積有增大趨勢。NOx排放量與有效燃油消耗率不斷上升，碳煙先下降后上升。

柴油機預噴射預混合低溫燃燒可視化

引言

隨著內燃機日益向高效節能與環保方向發展，突破柴油機傳統燃燒模式下有害排放物的生成極限，新一代內燃機燃燒理論與技術的創新研究成為國內外學者的關注熱點[1-3]。電控高壓共軌系統將燃油壓力產生和燃油噴射分離開來，由于具有噴油正時、噴油量與噴油規律的高精度、柔性控制等優點得到了廣泛應用[4-5]。基于電控高壓共軌系統控制的多次噴射耦合高比例冷卻EGR策略實現預混合低溫燃燒，可實現柴油機超低排放[6-7]。

柴油機中的噴霧、蒸發、混合與燃燒過程非常復雜，并在高溫高壓下瞬間完成[8]。為了對柴油機工作過程中噴霧、氣流運動、火焰擴散等物理過程進行直觀的研究分析，加強感性認識的同時探索實現預混合低溫燃燒模式的基本途徑，本文基于內窺鏡式可視化研究系統，直接拍攝缸內噴霧及燃燒火焰的高清晰彩色圖像，并利用數字圖像處理軟件進行圖片的采集和分析。通過對比分析預混合低溫燃燒條件及不同預噴參數下的缸內工作過程，探索預噴射的作用機理。

1　試驗設備與方案

1.1試驗設備

研究樣機為某四缸水冷輕型車用柴油機，裝有電控高壓共軌燃油噴射系統。實驗采用奧地利AVL公司的Visio scope內窺鏡系統，基于該系統搭建了缸內燃燒過程可視化試驗平臺。該系統由CCD彩色攝像機、圖像采集卡、照明光源、角標儀、接口卡和計算機組成。該系統體積小，具有多套組件可供選擇，通過將內窺鏡頭伸入燃燒室，采用CCD彩色相機直接拍攝缸內噴霧及燃燒火焰的高清晰彩色圖像，利用數字圖像處理軟件進行圖片的采集、重構、分析，最終得到擴散火焰的溫度和碳煙濃度的空間分布信息。

拍攝過程中，AVL 513D系統通過角標儀進行曲軸轉角信號同步，因此試驗前先用頻閃儀確定出發動機的上止點位置，試驗過程中的基本設置參數：曝光頻率為10Hz，圖像分辨率為640×480像素，曝光時間為80μs。試驗過程中采用氣體分析儀分別測試進氣和排氣中的CO2濃度，依照公式（1）計算得到EGR率，本文所有試驗工況下的EGR率均為65%。CA50的含義為缸內燃燒累計放熱量達總放熱量50%時對應的曲軸轉角。

1.2試驗方案

在進氣氧濃度、噴射壓力和進氣溫度參數的優化匹配基礎上，保持主噴射正時為-20°CA ATDC不變，引入預噴射，研究預噴油量和預噴正時對預混合低溫燃燒過程與排放的影響，各控制參數如表1所示。

表1　試驗控制參數

2　試驗結果與分析

2.1預噴油量對燃燒與排放的影響

圖1中給出了25%負荷工況，不同預噴油量下的缸內壓力和瞬時放熱率曲線，預噴正時與主噴正時分別是-40°CA和-20°CA。從圖中的缸內壓力變化曲線可以得知，相對于單次噴射下的缸內壓力曲線，引入預噴射后缸內壓力上升始點提前，且壓力峰值上升。瞬時放熱率曲線表明，主噴燃油放熱之前，預噴燃油有一個明顯的放熱過程。與單次噴射相比，采用預噴策略后主噴燃油的放熱始點提前，瞬時放熱率峰值降低。這是由于預噴射燃油的放熱導致缸內溫度壓力升高，主噴燃油的著火滯燃期縮短，減少了預混合燃燒，主噴油量的減少也是放熱率峰值降低的主要原因。

比較不同預噴油量對缸內燃燒過程的影響可以看出，隨著預噴油量的不斷增加，預噴燃油的放熱率峰值有所上升；同時，預噴油量的增加導致主噴燃油放熱始點提前，瞬時放熱率峰值下降。主噴燃油放熱始點提前的主要原因是隨著預噴射油量的增加，預噴射放出更多的熱量，導致了缸內壓力和溫度上升；而隨著預噴油量的增大，主噴燃油的不斷減少則是主噴燃油瞬時放熱率下降的主要原因。

25%負荷工況下，隨著預噴射油量的增加，燃油消耗率呈現先減小后上升的趨勢，如圖2所示。從前面燃燒過程分析可知，該工況下引入預噴射后，燃燒相位明顯提前，更靠近上止點，這是燃油消耗率略有降低的主要原因，由于預噴射正時為-40°CA，隨著預噴射油量的增加，會有更多的燃油發生著壁現象，因此燃油消耗率又出現上升的趨勢。引入預噴射后，各個預噴油量下，NOx排放均低于單次噴射，且隨著預噴射油量的增加，主噴射燃油量進一步減少，NOx排放改善效果更佳，預噴油量為7.5mg工況下NOx排放比單次噴射工況降低了53.7%。預噴射是影響油氣混合碳煙排放的關鍵因素。25%負荷工況中，在所采用的預噴射參數下，預噴燃油在很早的時刻（-40° CA）噴入燃燒室，有充分的時間與空氣進行混合，當預噴油量逐漸增加，預噴燃油形成的均質混合氣數量增加，碳煙進一步下降，當預噴油量超過一定值以后，更多的燃油著壁以及主噴射滯燃期縮短產生的影響開始逐漸占據主導地位，因此隨著預噴油量的增加，碳煙的排放出現了先降低后增加的趨勢。

圖2　不同預噴油量下的有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放

2.2預噴油量對火焰特征的影響

圖3示出了1600r/min，25%負荷下，EGR閥全開時不同預噴油量條件下，從主噴燃油噴射開始(-20°CA)到CA5對應的曲軸轉角之間的缸內實拍圖片。從圖中可以看出在各工況下，燃油在-12°CA已經基本霧化完畢。預噴油量為2.5mg和5mg的工況下，在CA5對應的曲軸轉角下并未出現擴散火焰。而預噴油量為7.5mg，工況在-5.2°CA時出現少量擴散火焰，這是由于預噴油量較大，其燃燒產生的溫度較高，因此主噴燃油噴入氣缸時的溫度較高，主燃燒滯燃期縮短，預混合時間縮短。可見預混合時間充分是沒有出現擴散火焰的根本原因。

圖3　不同噴射正時下的燃油噴射及著火過程

圖4給出不同預噴油量下的擴散火焰發展過程圖片。由圖4中可以看出，隨著預噴油量的增大，著火時刻逐漸提前，當預噴油量為7.5mg時，在CA5之前已經出現擴散火焰。此外，從圖4中還可以觀察到，對應CA10、CA50和CA90的曲軸轉角下的圖片中，隨著預噴油量的增大，缸內火焰面積也呈逐漸增大的趨勢。這是由于預噴油量增大，預噴放熱量增多，導致主噴燃油的滯燃期縮短，預混合氣減少，擴散燃燒比例增加。因此，預噴油量的增大，滯燃期縮短，擴散火焰出現時刻提前，火焰面積增大，這也是造成大預噴油量下碳煙升高的原因之一。

圖4　不同預噴油量下的擴散火焰發展過程

2.3預噴正時的影響

圖5給出了25%負荷工況，預噴油量為5mg時，不同預噴正時下的缸內壓力和瞬時放熱率曲線。與單次噴射相比，缸內壓力和瞬時放熱率的改變與前面分析預噴射油量的影響基本一致。引入預噴射后，缸內壓力峰值上升，瞬時放熱率峰值下降，壓力上升始點和主噴燃油放熱始點提前。隨著預噴正時從-40°CA提前到-70°CA，缸內壓力峰值是不斷上升的，其上升始點也有所提前。對于預噴燃油的放熱而言，隨著預噴正時的提前，預噴燃油放熱過程也略有提前，而其放熱率峰值幾乎沒有發生變化。隨著預噴正時從-40°CA提前到-70°CA，從對應的瞬時放熱率曲線中可以看出，預噴正時的提前，主噴射放熱始點提前，滯燃期縮短，放熱率峰值下降。

圖5　不同預噴正時下的缸內壓力和瞬時放熱率曲線

圖6給出在預噴油量為5mg時，柴油機有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放隨著預噴正時的變化關系。隨著預噴正時的不斷提前，有效燃油消耗率有所上升，因為該工況下，主噴正時處于預噴燃油的放熱過程中，滯燃期縮短，放熱相位提前，出現遠離上止點的趨勢，燃燒效率下降。引入預噴射后NOx排放均低于單次噴射，隨著預噴正時的提前，NOx排放均出現了逐漸上升的現象，碳煙排放呈現出先減少后增加的趨勢。預噴正時的提前，使得預噴燃油的混合時間和混合質量有所提高，因此碳煙降低。隨著預噴正時的繼續提前，預噴燃油霧化不良以及主噴燃油滯燃期縮短是碳煙排放上升的主要原因。

圖6　不同預噴正時下的有效燃油消耗率、NO x和碳煙排放

2.4預噴正時對火焰特征的影響

圖7給出了預噴油量為5mg，不同預噴正時下擴散火焰發展過程圖片。由圖可知，隨著預噴正時的提前，在CA5時刻仍都未出現擴散火焰，但是擴散火焰出現時刻稍有提前，從-4.2°CA提前到-4.8°CA，且擴散火焰面積不斷增加。對應CA10、CA50和CA90的曲軸轉角下的圖片中，隨著預噴正時的提前，使得燃燒持續期有增大的趨勢。預噴正時提前，預噴燃油放熱提前，主噴燃油噴入氣缸時的缸內壓力和溫度都有所升高，因此，緊跟著預噴燃油放熱后的主噴燃油放熱始點提前，滯燃期縮短。

圖7　不同預噴正時下的擴散火焰發展過程

3　結論

1）搭建的柴油機缸內工作過程可視化平臺在不干擾噴霧燃燒場情況下能方便得到直觀的柴油機缸內噴霧燃燒照片，為進一步研究柴油機缸內噴霧燃燒過程提供了條件。

2）預噴射的引入，減小了主噴油量的同時縮短了主噴燃油的著火滯燃期，放熱相位提前，放熱率峰值下降，能夠有效抑制NOx的生成。

3）隨著預噴射油量的增加，滯燃期縮短，NOx排放量不斷下降，碳煙排放與有效燃油消耗率則呈現出先下降后上升的趨勢。

4）隨著預噴射正時不斷提前，NOx排放量與有效燃油消耗率不斷上升，碳煙先下降后上升。

1 Suyin Gan，Hoon Kiat Ng，Kar Mun Pang.Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI)combustion: Implementation and effects on pollutants in direct injection diesel engines[J].Applied Energy,2011,88:559-567

2 A.J.Torregrosa，A.Broatch，A.García，et al.Sensitivity of com

bustion noise and NOxand soot em issions to pilot injection in PCCI diesel engines[J].Applied Energy,2013,104: 149-157

3 Battin-Leclerc.F.Detailed chemical kinetic models for the low-temperature combustion of hydrocarbons with application to gasoline and diesel fuel surrogates[J].Progress in Engine and Combustion Science,2008,34(4):440-498

4王本亮，裴海靈，唐維新，等.高壓共軌燃油噴射系統多次噴射協調控制策略研究[J].內燃機工程，2013，34(4):18-31

5 Katsuya Matsuura，Osamu Suzuki，Akira Kato.In-cylinder optical investigation of combustion behavior on a fast injection rate diesel common rail injector[C].SAE Paper 2011-01-1821

6 Andrea Em ilio Catania，Stefano d'Ambrosio，Roberto Finesso，et al.Effects of rail pressure,pilot scheduling and EGR rate on combustion and emissions in conventional and PCCI diesel engines[R].SAEPaper 2010-01-1109

7王滸,堯命發,鄭尊清，等.多次噴射與EGR耦合控制對柴油機性能和排放影響的試驗研究[J].內燃機學報，2010,28(1): 26-32

8賈和坤,劉勝吉,尹必峰，等.EGR對高壓共軌柴油機燃燒過程影響的可視化研究[J].工程熱物理學報,2012,33(7): 1263-1266

Visualization Study of the Influence of Pilot-Injection on Combustion and Em ission for Light-Duty Diesel

Lv Chunchang1,Jia Hekun2
1-Hangzhou ORDCertification Technology Service Co.,Ltd.(Hangzhou,Zhejiang,310015,China) 2-Schoolof Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University

Taking one high pressure common rail light-duty diesel engine as the research object,a visualization platform for cylinderworking process of a diesel enginewas built.Influence of pilot injection under low-temperature premixed combustion on combustion process and emission characteristics was studied through cylinder combustion process high-speed photography,cylinder pressure and heat release rate.The study illustrated that spray and combustion processwas analyzed directly through visualization platform.At 25%load,with the pilot injection quantity increased,the timing of diffusion flame occurring advanced and the flame area expanded,the ignition delay shortened,and the NOxemission reduced constantly while Soot emission and BSFC decreased firstly and then increased.With the pilot injection timing advanced,the timing of diffusion flame occurring advanced from-4.2°CA to-4.8°CA and the flame area had a tendency to expand,then the NOxand BSFC emission increased constantly while Sootemission decreased firstly and then increased.

Diesel engine,Pilot injection,Low-temperature premixed combustion,Visualization

TK421.5

A

2095-8234（2016）02-0017-05

2016-01-07）

中國博士后科學基金面上項目（2014M560400），江蘇大學高級專業人才科研啟動基金項目（13JDG075）。

呂純昌(1975-)，男，工程師，主要研究方向為內燃機排放控制。