預噴對柴油機燃燒與排放的影響

王輝，黃榮，郭曉宇，黃豪中

(1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004)

柴油機作為一種重要的動力裝置，由于其較高的熱效率、較大的輸出扭矩以及優越的穩定性，在工業生產和交通運輸等領域得到廣泛應用[1-2]。然而，柴油機在運行過程中排出的廢氣對環境和人類健康有著極大危害，尤其是氮氧化物(NOx)和顆粒物。因此，為了減少柴油機的污染物排放以滿足嚴格的排放法規，許多學者開展了相關技術的研究，這其中包括低溫燃燒技術[3-4]、排氣后處理系統[5-6]以及多次噴射策略[7-8]等。

多次噴射策略包括預噴、主噴和后噴，其中，預噴策略(預噴率和預噴間隔)在優化發動機燃燒過程、降低NOx排放和發動機噪聲等方面具有顯著優勢[9-10]。Fang等[11]通過研究發現NOx排放隨著預噴率增大而減少。Wei等[12]在一臺6缸柴油機上研究柴油-甲醇混合燃料耦合預噴策略對排放特性的影響，結果顯示隨著預噴率增大，HC和CO排放降低。Yun等[13]的研究結果表明，隨著預噴間隔增大，soot和NOx排放減少。Jeon和Park[14]在一臺可視化柴油機上研究了預噴策略對發動機燃用柴油-生物柴油混合燃料排放的影響，研究發現，與單次噴射相比，使用預噴策略能降低NOx排放和最大壓力升高率，但是soot排放升高。d’Ambrosio等[15]發現預噴策略在降低NOx排放方面具有顯著效果。

柴油機使用預噴策略能降低NOx排放，但會導致soot排放升高。為了保證在降低NOx排放的同時能實現柴油機的較低soot排放目標，本研究在一臺4缸增壓柴油機上研究了預噴率和預噴間隔對柴油機燃燒和排放特性的影響。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗在一臺排量2.0 L的4缸增壓高速柴油機上進行，發動機的主要參數見表1。通過INCA軟件和開放式ECU對Bosch電控單元控制的高壓共軌燃油噴射系統的噴油量、噴油正時、軌壓等噴油參數進行調整。

表1 試驗發動機技術參數

發動機試驗臺架的主要測控系統包括湘儀電渦流測功機、德維創燃燒分析儀、AVL415SE煙度計、MEXA-7100DEGR排放分析儀以及發動機顆粒排放分析儀Combustion DMS500MkⅡ。發動機試驗臺架見圖1。

1—油箱；2—燃油濾清器；3—油耗儀；4—高壓油泵；5—空氣流量計；6—渦輪增壓器；7—熱交換器；8—EGR閥；9—熱交換器；10—高壓共軌；11—開放式ECU；12—ECU控制器；13—電渦流測功機；14—控制柜；15—柴油機；16—角標儀；17—數據采集系統；18—Horiba MEXA-7100DEGR；19—DMS500Mk Ⅱ；20—AVL 415SE煙度計；21—背壓閥。圖1 發動機試驗臺架示意

1.2 試驗方法

為了保證試驗數據的可重復性和可對比性，試驗過程中，冷卻水溫度控制在(85±3) ℃，進氣溫度控制在(30±2) ℃，噴油時刻固定在-7°ATDC，噴射壓力為100 MPa。對于每次測試，發動機轉速為1 600 r/min，EGR率為24.7%，發動機負荷為0.6 MPa(35%負荷)。為了更好地研究預噴策略對柴油機燃燒與排放的影響，采用單次噴射作為對比。預噴間隔在15°～45°范圍內變化，預噴率在5%～20%之間變化。

2 結果與分析

2.1 預噴率和預噴間隔對燃燒特性的影響

圖2示出在不同預噴率和預噴間隔下缸內壓力和放熱率曲線。從圖2可以看出，與單次噴射相比，采用預噴策略后，柴油的放熱可分為兩個階段，即預噴放熱和主噴放熱。隨著預噴率增加(如圖2a)，預噴放熱率峰值升高，主噴放熱率峰值降低。這主要是因為隨著預噴率的增加，預噴階段放熱量增加，導致預噴放熱率峰值升高。在保持總噴油量不變的前提下，預噴率的增加致使主噴階段燃油量減少，主噴放熱率峰值降低。

從圖2b可以看出，隨著預噴間隔增大，預噴放熱率峰值下降。這是因為隨著預噴間隔增大，預噴時活塞遠離上止點，缸內溫度和壓力較低，預噴燃油的滯燃期延長，導致油氣混合過稀，預噴燃油燃燒速度減慢，因此預噴放熱率峰值下降。過稀的混合氣在預噴階段未能完全燃燒，推遲到主噴階段，增加了主噴階段的燃油量，使得主噴放熱率峰值升高。

圖2 預噴率和預噴間隔對缸內壓力和放熱率的影響

圖3示出在不同預噴率和預噴間隔下的最大壓力升高率曲線。從圖3可以看到，與單次噴射相比，采用預噴策略后，最大壓力升高率降低。這是因為采用預噴策略后，預混燃燒放熱量對后噴入缸內的主噴柴油起到引燃作用，縮短了主噴滯燃期，降低放熱率峰值，使得最大壓力升高率降低。

圖3 預噴率和預噴間隔對最大壓力升高率的影響

進一步觀察發現，隨著預噴間隔減小和預噴率增加，最大壓力升高率降低。這是因為隨著預噴間隔減小，缸內壓力和溫度升高，有利于預噴階段混合氣著火，燃燒產生的熱量對主噴階段燃油起到引燃作用，導致最大壓力升高率降低。隨著預噴率增大，預噴階段放熱量增加，缸內溫度升高，主噴滯燃期縮短，預混燃燒比例減小，最大壓力升高率降低。因此，使用小預噴間隔耦合大預噴率策略能顯著降低最大壓力升高率。

圖4示出預噴率和預噴間隔對柴油機熱效率的影響。從圖4可以看到，與單次噴射相比，采用預噴策略后，熱效率提高。其中，在預噴間隔15°、預噴率15%的工況下，柴油機的熱效率最高，比單次噴射的熱效率提高1.8%。隨著預噴間隔增大，熱效率降低，而改變預噴率對熱效率的影響較小。主要原因是增大預噴間隔，預噴階段缸內溫度和壓力低，燃油濕壁量增加[16]，燃燒效率降低導致熱效率減小。為實現柴油機的高熱效率，應采用小預噴間隔策略。

圖4 預噴率和預噴間隔對熱效率的影響

2.2 預噴率和預噴間隔對排放特性的影響

圖5示出soot排放隨著預噴率和預噴間隔的變化。從圖5可以看出，與單次噴射相比，采用預噴策略后，soot排放升高。這是因為預噴階段燃油燃燒產生的熱量對主噴階段燃油起到引燃作用，主噴滯燃期縮短，導致預混燃燒比例減小，擴散燃燒比例增加， soot排放升高。

從圖5a可以看出，隨著預噴間隔增大， soot排放降低。這是因為，隨著預噴間隔增大，預噴階段燃油與空氣混合更充分，形成更多均質的混合氣，燃料燃燒更充分，導致soot排放降低。

從圖5b可以看出，隨著預噴率增大，soot排放升高。這可能是因為預噴率增大會出現預噴燃油碰壁現象，不利于燃油蒸發和進一步與空氣混合，缸內出現局部混合氣過濃區域，導致soot排放升高。

圖6示出不同預噴率和預噴間隔條件下的NOx排放情況。從圖6可以看出，與單次噴射相比，采用預噴策略后， NOx排放降低； NOx排放隨著預噴間隔的增大無明顯變化，但隨著預噴率增加，NOx排放降低。這是因為NOx生成主要取決于缸內燃燒溫度、氧濃度和高溫持續時間，隨著預噴率增加，主噴滯燃期縮短，預混燃燒比例減少，缸內燃燒溫度降低，NOx排放降低。為實現低NOx排放，應采用大預噴率策略。

圖5 預噴率和預噴間隔對soot排放的影響

圖6 預噴率和預噴間隔對NOx排放的影響

圖7示出CO排放隨預噴率和預噴間隔的變化。從圖7可以看出，與單次噴射相比，采用預噴策略發動機的CO排放升高，且隨著預噴間隔和預噴率的增大，CO排放升高。這是因為隨著預噴間隔增大，滯燃期延長，部分混合氣竄入氣缸與活塞之間的狹隙，狹隙內溫度較低，抑制了CO氧化成CO2。另外，預噴燃油由于缸內壓力低發生濕壁現象而不能完全燃燒，導致CO排放升高。隨著預噴率增大，狹隙效應和濕壁程度增強[16]，因此CO排放進一步升高。

圖7 預噴率和預噴間隔對CO排放的影響

圖8示出預噴率和預噴間隔對THC排放的影響。從圖8可以看出，THC排放趨勢與CO排放相似。隨著預噴間隔和預噴率的增大，竄入狹隙和氣缸邊界層的燃油量增加，此時缸內燃燒溫度較低，淬火效應導致部分燃料燃燒不完全，使得THC排放升高。

圖8 預噴率和預噴間隔對THC排放的影響

3 結論

a) 采用預噴策略后，放熱分為預噴放熱和主噴放熱兩階段，隨著預噴率增加，主噴放熱率峰值降低，隨著預噴間隔增大，主噴放熱率峰值升高；

b) 采用預噴策略能顯著降低最大壓力升高率，在大預噴率和小預噴間隔工況下，最大壓力升高率較??；

c) 增加預噴率，NOx排放降低，soot、CO和THC排放升高；增大預噴間隔，NOx排放無明顯變化，soot排放顯著降低，CO和THC排放升高；采取大預噴間隔策略可以同時降低NOx和soot排放；

d) 在小負荷下，采用大預噴率和小預噴間隔策略可以同時實現較高的熱效率和較低的NOx排放。