預噴射相位對柴油發動機燃燒及碳煙排放的影響

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預噴射相位對柴油發動機燃燒及碳煙排放的影響

近年來，高壓共軌系統以其在一個工作循環內實現預噴射及閉環控制等優點而得到廣泛關注。高壓共軌式燃油噴射裝置可以不受發動機負荷和轉速的影響，自由地控制燃油噴射時間和壓力，對現代發動機的高動力性和低排放性能作出了巨大的貢獻[1-6]。

國內外學者在預噴射對發動機動力性能和排放性能影響方面做了大量研究，不同預噴參數對于發動機燃燒過程和有害物質的排放影響各不相同。鑒于預噴相位對發動機的燃燒滯燃期和缸內溫度的影響[7-8]，本文借助于相應設備的測試，研究預噴相位對發動機整體動力性能和排放中煙度含量的影響。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗燃料的主要理化特性以及試驗用發動機參數見表1。發動機為直列四缸、四沖程、水冷和高壓共軌柴油機。噴油參數的具體調整采用INCA軟件進行標定。

表1 發動機主要參數

1.2 試驗方案

選擇發動機運轉在最大轉矩轉速2 200 r/min，負荷分別選取25%、50%、75%和100%，在各負荷特性工況點設定主噴相位角為7°CA，并保持每一個循環的總噴油量不變。現將預噴油相位變化分別選取10、15、17和20°CA進行試驗。

2 結果分析

2.1 預噴相位對發動機冷起動性能的影響

當柴油機在冷起動時，由于柴油的物理特性，過長的滯燃期導致發生缸內失火，大量未燃燒的燃油會形成白煙隨著廢氣排出。在溫度較低的情況下，開始著火到完全著火的過程中，由于預噴射導致先發生著火現象的氣缸滯燃期明顯縮短并且燃燒迅速。比較此時的缸內壓力，發現有預噴射循環的缸內壓力會高于失火循環。原因在于主噴射前用預噴射去誘發缸內的冷焰效應，使冷焰效應在發動機燃燒的每一個循環中都能及時發生，將極大地改善冷起動性能，尤其對改善低溫時的冷起動性能將非常有效。而改變預噴射相位能夠加速發動機缸內的燃燒，所以預噴相位直接影響到發動機的工作粗暴程度。

2.2 預噴相位對發動機動力性能的影響

在試驗過程中，預噴相位分別選取10、15、17和20 ℃A。

2.2.1 預噴相位對發動機轉矩的影響

由試驗結果(見圖1)可知，發動機轉矩隨著預噴相位和負荷的增加而增加，因為預噴相位對發動機燃燒性能有很大影響。隨著預噴相位的增加，燃燒始點和燃燒重心開始提前，缸內的燃燒滯燃期降低，導致缸內燃燒壓力升高，加速缸內燃燒，導致發動機轉矩得到相應的提升。在預噴相位從17°CA增加為20°CA時，出現隨預噴相位增加而轉矩下降的情況，這是由于燃油噴射過早，缸內溫度和壓力不足以觸發高溫反應，導致著火延遲。

圖1 發動機轉矩和預噴相位的關系

2.2.2 預噴相位對發動機燃油消耗率的影響

由試驗結果(見圖2)可知，通常，當采用過小的預噴相位時，預噴射和主噴射的間隔較小，噴入缸內的燃油由于來不及完全燃燒，對燃燒室的燃燒預熱作用不足；當采用過大的預噴相位時，缸內溫度較低，噴入的燃油由于溫度較低不易汽化燃燒。試驗結果顯示，隨著預噴相位的增加，燃油消耗率總體變化趨勢是先降低后增加。總的來說，燃油消耗率受預噴相位的影響是因為預噴相位是指第1次噴射與主噴射之間的相位，所以改變預噴相位對主燃燒階段的影響體現為油耗和排放。預噴相位變化范圍內燃油消耗率變化明顯，選擇較為合理的預噴相位需要綜合考慮油耗和炭煙的影響，取預噴相位為上止點前17°CA曲軸轉角。

圖2 發動機燃油消耗率和預噴相位的關系

2.3 預噴相位對煙度的影響

由試驗結果(見圖3)可知，當發動機在負荷25%和50%時，發動機排放中的煙度隨著預噴相位的增大呈現出先增大后減小的趨勢。其原因為發動機在低負荷運轉時，缸內活塞的壓縮行程還不充足，而過早的噴油會導致燃油過剩，致使燃燒初期的燃油混合氣過濃，燃燒后期混合氣過剩，發動機排放的煙度增大，雖然煙度在預噴相位持續增大之后有一定的減小，但綜合考慮低負荷下的轉矩和油耗的變化趨勢，應當選擇較小的預噴相位。當發動機在負荷為75%和100%時，發動機排放中煙度隨著預噴相位的增加而逐漸減少，這是由于發動機在高負荷工況下工作時，活塞壓縮速度加快，此時較大的預噴相位能使混合氣更加充分燃燒，使排放中的煙度減少，所以發動機在高負荷運轉時，應選擇較小的預噴相位，以降低排放中的煙度。

圖3 發動機排放中煙度和預噴相位的關系

3 結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)增加預噴相位能改善發動機的低溫冷起動性能，預噴相位將直接影響到發動機的工作粗暴程度。

2)發動機轉矩隨著預噴相位和負荷的增加而增加，過大的預噴相位會使轉矩下降；隨著預噴相位的增加，燃油消耗率先降低后增加。

3)為了達到優化排放的標準，當發動機在中低負荷條件下工作時，應適當減小預噴相位；當發動機在高負荷條件下工作時，應選擇較大的預噴相位。

[1] Shin B S, Lyu M S, Kim C H, et al. Combustion system development in a small bore HSDI diesel engine for low fuel consuming car[C]. SAE Paper, 2001.

[2] Osuka I, et al. Benefits of new fuel injection system technology on cold startability of diesel engines[C]. SAE Paper, 1994.[3] Masahiko M, Hideya F. Development of new electronically controlled fuel injection system ECD2U2 for diesel engines[C]. SAE Paper, 1991.

[4] 楊林,冒曉建，郭海濤，等.柴油機噴油壓力的智能開關型模糊PID復合控制[J].車用發動機,2002(4):12-15.

[5] 孔令龍,申立中,徐勁松.高壓共軌柴油機預噴射標定試驗研究[J]. 新技術新工藝,2014(4):58-61.

[6] 冒曉建,肖文雍，楊林，等.GD—1高壓共軌式電控柴油機的怠速控制策略研究[J].內燃機學報,2002(4):324-328.

[7] 劉雄,張惠明,紀利偉.利用預噴射降低柴油機低速全負荷黑煙排放[J].內燃機學報,2006,24(4):326-330.

[8] 騰超,盧德華.16V280ZC行柴油機NOx排放性能的優化[J].內燃機車,2012(4):5-8.

責任編輯 鄭練

蔣超宇，周 明，楊學平

(云南機電職業技術學院 汽車技術工程系，云南 昆明 650203)

以某高壓共軌柴油發動機為樣機，研究了改變預噴射相位對柴油發動機在特定轉速下的燃燒性能影響。研究表明，增加預噴相位能改善發動機的低溫冷起動性能，預噴相位直接影響到發動機的工作粗暴程度；發動機轉矩隨著預噴相位和負荷的增加而增加，過大的預噴相位會讓轉矩下降；隨著預噴相位的增加，燃油消耗率先降低后增加；發動機在中低負荷時，排放中的煙度隨著預噴相位的增大呈現先增大后減小的趨勢，在高負荷時，排放中的煙度隨著預噴相位的增加而逐漸減少。

高壓共軌；柴油機；預噴射相位；燃燒

Effect of Pilot Injections on Combustion and Smoke Emission of Diesel Engine

JIANG Chaoyu, ZHOU Ming, YANG Xueping

(Automotive Technical Engineering Department, Yunnan Mechanical and Electrical Professional Technology

Institute, Kunming 650203, China)

With a high pressure common rail diesel engine as the prototype, study the change in diesel engine under the specific speed of the jet phase on the combustion performance of impact studies. The research showes that increasing pre-injection phase can improve the low temperature cold start of engine performance, pre-injection phase directly affects the degree of engine rough work. Engine torque is as the pre-injection phase and load increase, excessive pre-injection phase will make torque decline. With the increase of pre-injection phase, specific fuel consumption is reduced to increase first. Engine is in low and middle load, the emission of smoke with the increase of pre spray phase presents the first increase and then decreases trend. When in the high load, the emission of smoke gradually reduces along with the increase of pre-injection phase.

high pressure common rail, diesel engine, pre-injection phase, burning

蔣超宇(1989-)，男，碩士研究生，主要從事內燃機設計與優化等方面的研究。

2016-04-08

TK 421

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