柴油噴射壓力對多缸均質引燃影響的試驗研究

李思遠 孫柯 尹偉 楊濱 李國祥

（山東大學，濟南 250061）

1 前言

面對日益嚴苛的排放法規，排氣污染問題逐步成為制約內燃機行業發展的首要因素。傳統燃燒模式下，僅通過機內凈化技術已不能滿足法規要求，進而只能匹配復雜的后處理裝置[1-2]。但冗雜的后處理裝置不僅導致企業生產成本增加，還會帶來用戶使用維護成本提升，此外還有附加的能源、物質消耗等。

均質引燃作為一種新型燃燒技術，其高效、清潔、可控的特點[3]引起了各國學者的廣泛關注。均質引燃技術同時使用兩種特性完全不同的燃料[4]，通過控制燃料比例及高十六烷值燃料噴射時刻，可以靈活調節缸內燃油活性及分層，實現對燃燒相位的有效控制[5-6]，而多點起燃[7]的特性使得燃燒快速均勻，保證了良好的燃油經濟性。此外，由于使用均質稀混合氣，可以拓寬燃燒界限，實現低溫燃燒，降低了NOx與Soot排放[8]。

以往針對均質引燃技術的研究，試驗樣機均單缸運行，在進排氣狀況、EGR-增壓器耦合效應、機械損失等方面與發動機的真實工作狀況差距較大。為探討均質引燃技術多缸運行的真實特性，在一臺六缸柴油機上實現了均質引燃模式在所有氣缸內的同時運行，通過分析不同柴油噴射壓力下整機燃燒與排放性能的變化，得到了柴油噴射壓力對多缸均質引燃的影響規律。

2 試驗裝置及條件

2.1 試驗裝置

試驗在一臺六缸柴油機上進行，原機主要參數如表1所列。

表1 原機主要參數

為滿足試驗要求，對原機的燃油噴射與控制系統進行改造。在1～6缸進氣道處分別加裝汽油噴嘴，供給形式為燃油分配管，噴射壓力控制在0.4 MPa；柴油噴射使用原機的高壓共軌系統；控制系統為ECKA公司的雙燃料開放式ECU，可實現對汽油噴射時刻、噴射脈寬、柴油噴射時刻、噴射脈寬、噴射壓力、噴射次數、EGR閥開度及增壓器渦輪流通截面的靈活控制。試驗所用燃油為93號汽油與0號輕柴油。

試驗系統如圖1所示。利用HORIBA MEXA-1600DEGR型排放分析儀測量NOx、THC、CO等排放及EGR率；利用AVL 439型不透光式煙度計測量Soot排放；利用AVL INDICOM621型燃燒分析儀進行燃燒特性分析。

圖1 試驗系統結構

2.2 試驗條件

試驗過程中所用主要參數定義如下：汽油比例為循環供油量中汽油熱量與總燃油熱量的比值；DIP（Diesel Injection Pressure）為柴油噴射壓力；CA（Crank Angle）為曲軸轉角；ATDC（After Top Dead Center）為上止點后；IMEP（Indicated Mean EPffective Pressure）為平均指示壓力；SDMI（Start of Diesel Main Injection）為柴油主噴時刻；CA10、CA50、CA90分別為10%、50%、90%累積放熱量時刻所對應的曲軸轉角。將CA10視為燃燒始點，CA90視為燃燒終點，進而滯燃期定義為從SDMI至CA10所經歷的曲軸轉角，燃燒持續期定義為從CA10至CA90所經歷的曲軸轉角。

試驗在n=1 438 r/min、IMEP=0.7 MPa工況下進行，此試驗工況下發動機參數設置如表2所列。由于CA50在燃燒相位中具有典型意義，試驗過程將保持CA50一定。

表2 試驗工況下發動機參數設置

3 試驗結果及分析

3.1 柴油噴射壓力對燃燒特性的影響

柴油噴射壓力對缸壓與放熱率的影響如圖2所示。由圖2b可看出，在純柴油模式下，放熱率曲線呈典型的兩階段燃燒特點，分別由預混燃燒、擴散燃燒形成第1、第2階段放熱率峰值。因為隨DIP增大，燃油霧化質量提高，與空氣的混合速率加快，一方面，滯燃期內形成的可燃混合氣增多，預混燃燒占比增大，另一方面，擴散燃燒受制于燃油-空氣混合速率的條件改善，二者均導致燃燒加速，因此，兩階段放熱率峰值增大且持續時間縮短。隨DIP的增大，缸壓峰值小幅上升，這與放熱率峰值增大一致。由圖2d可看出，在均質引燃模式下，汽油比例達80%，預混燃燒占據主體地位，放熱率曲線呈快速均勻的單階段燃燒特點，因此，放熱率峰值持續時間大幅縮短且峰值超越純柴油模式水平。隨DIP增大，放熱率峰值上升，但與純柴油模式不同的是峰值位置前移，這是由于燃燒始點位置基本不變而柴油射程增加導致汽油引燃面積擴大、初期放熱速率加快所致。隨DIP的增大，缸壓曲線展現出與放熱率曲線一致的規律，缸壓峰值上升、峰值位置前移，且缸壓峰值整體高于純柴油模式。

圖2 柴油噴射壓力對缸壓與放熱率的影響

柴油噴射壓力對燃燒相位的影響如圖3所示。由圖3a可看出，在純柴油模式下，隨DIP增大，為控制CA50，SDMI推遲導致燃燒始點略有推后，與此同時，滯燃期與燃燒持續期均大幅縮短。一方面，DIP增大有利于加速可燃混合氣形成，另一方面，SDMI推遲導致主噴柴油噴入時缸內的溫度、壓力較高，故滯燃期縮短。而燃燒持續期縮短主要得益于柴油霧化質量提高所引起的放熱速率加快。若以CA50為界，將燃燒劃分為兩部分，可以看出CA10～CA50、CA50～CA90均呈減小趨勢，這也是圖2b中兩階段放熱率峰值持續時間縮短的證明。由圖3b可看出，在均質引燃模式下，為保證CA50，柴油主噴提前角大幅縮小，因而滯燃期遠小于純柴油模式。當DIP=140 MPa時，滯燃期縮短至1.9°CA，小于該試驗點柴油主噴持續期2.6°CA，約有27%的柴油還未噴入時燃燒即已開始，此部分柴油與空氣的混合質量較差，對燃燒及排放產生了不利影響，也就是說圖2d中DIP=140 MPa時的放熱率峰值反而低于120 MPa時的現象即是由上述原因引起的。均質引燃模式燃燒快速均勻的特點決定了燃燒持續期較短，其中以CA50～CA90時減小最明顯，這是擴散燃燒占比較少的直接表現。同時，燃燒持續期也隨DIP增大而逐步縮短，這是由引燃面積擴大導致。

圖3 柴油噴射壓力對燃燒相位的影響

柴油噴射壓力對最大壓升率的影響如圖4所示。由圖4可看出，在純柴油模式下，隨DIP增大擴散燃燒加速，因此最大壓升率上升。在均質引燃模式下，隨DIP增大引燃面積擴大，故最大壓升率也呈上升趨勢。但當DIP=140 MPa時，最大壓升率并未如期上升，而是與DIP=120 MPa時基本持平，這是前文所述部分柴油燃燒惡化的緣故。總體來看，均質引燃模式的最大壓升率水平高于純柴油模式，這是快速燃燒所產生的必然代價，但最大壓升率幅值均未超過0.7 MPa/°CA，仍處于可接受水平。

圖4 柴油噴射壓力對最大壓升率的影響

柴油噴射壓力對有效熱效率的影響如圖5所示。在兩種模式下，隨DIP增大，有效熱效率均呈上升趨勢。這主要由于放熱率峰值增大、燃燒持續期縮短，一方面燃燒等容度提高，另一方面因高溫氣體與缸壁接觸而導致的傳熱損失減少。對于均質引燃模式下DIP=140 MPa的試驗點需特別說明，雖然該點部分柴油燃燒惡化，但該部分柴油熱量僅占總燃油熱量的5%，比例較低，因此放熱率峰值降低幅度微小，有效熱效率與DIP=120 MPa時基本持平。而兩種模式不同的是，均質引燃模式的有效熱效率對DIP的變化并不敏感，在整個DIP范圍內，有效熱效率變化幅度不超過0.45%，始終處于40%以上的高效41工作區。

圖5 柴油噴射壓力對有效熱效率的影響

3.2 柴油噴射壓力對排放特性的影響

柴油噴射壓力對NOx排放的影響如圖6所示。由圖6可看出，在兩種模式下，隨DIP增大，NOx排放均顯著上升。因為隨DIP增大，燃燒放熱更為快速集中且傳熱損失減少，缸內最高燃燒溫度提高，因而NOx排放上升。但均質引燃模式下的NOx排放水平遠低于純柴油模式。當DIP=60 MPa時，均質引燃模式下的NOx排放量低至0.76 g/(kW·h)，為同期純柴油模式的24%；當DIP=140 MPa時，均質引燃模式下的NOx排放量達到最大值1.45 g/(kW·h)，也僅為同期純柴油模式的35%。均質引燃模式具備均質混合氣稀薄燃燒[9]的特點，基本不存在純柴油模式局部燃油富集導致的高溫區域，因而NOx排放水平整體較低。

圖6 柴油噴射壓力對NOx排放的影響

柴油噴射壓力對Soot排放的影響如圖7所示。由圖7可看出，在純柴油模式下，隨DIP增大Soot排放大幅降低，最大降幅達66%。在均質引燃模式下，隨DIP增大，除140 MPa試驗點外Soot排放呈降低趨勢，但變化幅度較小。兩種模式下，DIP的增大均有利于改善擴散燃燒階段因油氣混合不均而產生的局部缺氧，因此Soot排放降低。而對于均質引燃模式下DIP=140 MPa的試驗點，由于部分柴油燃燒惡化，Soot排放轉而上升。均質引燃模式下DIP=60 MPa時的Soot排放水平為0.034 m-1，低于純柴油模式下DIP=140 MPa時的Soot排放水平0.044 m-1，在整個DIP范圍內均質引燃模式的Soot排放水平均遠低于純柴油模式，這是由于Soot的生成集中在柴油的擴散燃燒階段，而均質引燃模式以預混燃燒為主導致，因此均質引燃模式對高柴油噴射壓力的依賴較小。

圖7 柴油噴射壓力對Soot排放的影響

柴油噴射壓力對CO排放的影響如圖8所示。由圖8可看出，在純柴油模式下，隨DIP增大，CO排放基本不變，始終穩定在2.0 g/（kW·h）的較低水平，這是傳統柴油機燃燒效率較高的表現。在均質引燃模式下，隨DIP增大，除140 MPa試驗點外，CO排放呈降低趨勢。同NOx的分析類似，隨DIP增大，最高燃燒溫度上升，CO的氧化作用增強、排放降低。對于DIP=140 MPa的試驗點，由于滯燃期小于柴油主噴持續期，部分柴油直接噴入缸內燃燒區域，該部分柴油與空氣的混合質量極差，導致CO排放轉而略有上升。但均質引燃模式下的CO排放水平顯著高于純柴油模式，這主要由于均質引燃采用稀薄燃燒的策略，缸內燃燒溫度較低導致CO生成后期的氧化作用減弱。

圖8 柴油噴射壓力對CO排放的影響

柴油噴射壓力對THC排放的影響如圖9所示。由圖9可看出，在兩種模式下，隨DIP增大，THC排放均未發生明顯變化，但均質引燃模式下的排放水平遠高于純柴油模式。這主要因為，在均質引燃模式下，同汽油機類似，汽油均質混合氣形成于進氣沖程，而在壓縮沖程中隨缸內壓力增大，被擠入燃燒室縫隙的實質為汽油混合氣，由于狹隙效應的存在[10-11]，此部分氣體成為THC排放的主要來源，這也是均質引燃模式THC排放較高的原因。而隨DIP繼續增大，狹隙效應始終無法改善，因此THC排放基本不變。

圖9 柴油噴射壓力對THC排放的影響

4 結束語

在一臺六缸柴油機上實現了均質引燃模式的多缸運行，通過試驗研究了柴油噴射壓力對多缸均質引燃的影響規律，結果如下：

a.增大DIP可以提升均質引燃模式的有效熱效率，但DIP過大會導致滯燃期小于柴油主噴持續期，引起燃燒惡化、Soot排放上升等問題，因此DIP應控制在合適的范圍內。

b.均質引燃模式下，在整個DIP范圍內，有效熱效率變化幅度不超過0.45%，始終保持在40%以上，均質引燃模式對DIP的變化并不敏感。

c.在DIP為60～140 MPa范圍內，均質引燃模式的Soot排放始終低于純柴油模式，使用較小的DIP即可滿足排放要求，均質引燃模式對燃油噴射系統的要求較低。

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