預噴與后噴參數對柴油機排放影響的試驗研究

尹來承，邱爽，馬寧，于澤浩

(1.東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.北油電控燃油噴射系統(天津)有限公司，天津 301701)

柴油機燃料的燃燒效果直接影響其工作性能及尾氣中污染物的排放。為了使柴油機排出的氣體滿足日益嚴格的排放法規，達到減小環境污染的目的，一般首先針對柴油機內部的燃燒過程進行優化，使燃料的燃燒更加充分，以減少有害物質的排放，再使用適當的外凈化設備對其進行輔助處理，通過催化反應降低燃料燃燒后氣體中的有毒有害物質的排放[1-2]。高壓燃油多次噴射是目前主流的內凈化技術，為了能夠使柴油機燃料燃燒更加充分、尾氣中有害物質的排放處于較低水平，往往會在每一個噴油階段進行5～6次燃油噴射，即在主噴前增加2～3次預噴，在主噴后增加1～2次后噴[3-4]。

預噴射是指在主噴射之前進行油量較少的噴射，使活塞在到達上止點之前缸內壓力有所升高，從而減少主噴射燃油燃燒的滯后期，這一方式可以有效提高燃燒室的溫度，因此對尾氣中HC與CO的排放有明顯的抑制效果[5]，但預噴油量高達一定程度時，將會表現為較早的主燃燒，使尾氣中NOx排放有所增加，因此一般把預噴分為兩次進行，避免產生高溫高壓富氧環境而促進NOx的產生。

后噴射主要分為兩種，較早的后噴射與較晚的后噴射，不同時間的后噴所產生的作用不同。在高壓共軌燃油噴射系統中[6]，較早的后噴射是指在主噴射之后，主噴射所噴射出的燃油正在燃燒時加入后噴射，噴射少量的燃油，使后噴射所噴射的燃料在主噴射燃燒接近結束時再進行一次燃燒，使其能夠將主噴射時燃油燃燒后產生的微粒以及其他有害氣體消耗掉，從而降低尾氣中微粒、CO及NOx等物質的排放，屬柴油機的內凈化[7]。

較晚的后噴射是指在主噴射之后，主噴射所噴出的燃油燃燒完畢之后再進行少量燃油的噴射[8]。較晚的后噴射目的是將精確計量的燃料噴入氣缸中，與之前所有燃油燃燒產生的廢氣混合在一起，使其不進行燃燒，通過柴油機的排氣行程進入排氣系統，被尾氣中的余熱蒸發。這種較晚的后噴射主要用來提供碳氫化合物，這些碳氫化合物在氧化催化轉化器中被氧化[9]，使排氣溫度升高，從而促進廢氣的后期處理，如微粒捕捉器或NOx儲存式催化轉化器等都是采用加入較晚后噴射的方法減小尾氣中有害氣體的排放。這種在柴油機工作過程中加入較晚的后噴射，用于促進后期尾氣處理的方式屬柴油機的外凈化。本次試驗主要對較早的后噴射進行研究。

預噴射與后噴射的角度和油量對柴油機燃料燃燒所產生的有害氣體排放有著十分重要的影響，因此針對不同的后噴時刻與后噴油量對柴油機尾氣中有害氣體排放的影響進行試驗探究十分必要，并且具有很高的應用價值。

1 試驗設備與試驗方案

1.1 試驗設備

試驗樣機為1臺YN33四缸高壓共軌柴油機，發動機的基本參數如表1所示。噴油器型號為LT-Z4468(孔徑0.151 mm，孔數7)，ECU為P175，使用AVL發動機臺架試驗控制系統對其進行試驗。使用該試驗控制系統中的電力測功機對柴油機的轉速與扭矩進行控制，使用濾紙式煙度計和排放分析儀分別對尾氣的煙度與其他物質的排放進行測量。

表1 發動機基本參數

1.2 試驗方法

首先對YN33發動機進行預噴試驗，選取不同轉速和不同負荷的8種工況(800 r/min、0%負荷；1 800 r/min、50%負荷；1 800 r/min、75%負荷；1 800 r/min、100%負荷；2 600 r/min、10%負荷；2 600 r/min、50%負荷；2 600 r/min、75%負荷；2 600 r/min、100%負荷)進行試驗。預噴油量為1.5 mg和2.0 mg兩級，每一工況都調整預噴提前角(10°～18°曲軸轉角)，綜合考慮油耗率、NOx排放和煙度值，確定各個工況下預噴1的最優預噴提前角與預噴油量[10]。

在一次預噴的基礎上，加入二次預噴，預噴油量為1.5 mg，并在上述的8種工況下進行試驗。在試驗過程中改變預噴2的預噴提前角(范圍10°～45°曲軸轉角，角度間隔為5°曲軸轉角)，分別進行試驗，記錄尾氣中煙度與NOx等數值[11]；觀察尾氣中有害物質排放與預噴參數之間的關系和變化規律，根據試驗數據選取最有利于排放的預噴參數，并與未加入預噴時尾氣中的有害物質數據進行對比[12-13]。

在兩次預噴基礎上加入一次后噴，在8種工況下進行試驗(后噴油量1.5 mg)。試驗時不斷改變后噴角(范圍在15°～43°曲軸轉角，角度間隔為2°曲軸轉角),對不同的工況分別進行單因素試驗[14]，觀察后噴角與尾氣中有害物質排放的關系，依據NOx值，并參考其他參數數值，選定最佳后噴角，并將最佳后噴角時的煙度值和NOx的排放與不進行后噴時進行對比；再以該后噴角為基準，改變后噴油量(范圍為2～10 mg，間隔增量為1 mg)，試驗測量該柴油機在不同工況、不同后噴油量下的有害物質排放，并探究后噴油量與尾氣中煙度的關系。

2 結果與分析

2.1 預噴對尾氣中NOx排放和煙度的影響

此次試驗中共進行三次噴射，兩次預噴與一次主噴[15]，預噴1最優排放數據如表2所示。預噴2提前角與尾氣中NOx排放及煙度的關系見圖1。

表2 預噴1最優噴射參數與尾氣中有害物質排放值

圖1 預噴2提前角與尾氣中有害物質的關系

由圖1可以看出，除大負荷工況外，尾氣中NOx排放與煙度均在一定范圍內波動。在中小負荷下，NOx排放大多隨著預噴時間的提前而逐漸減小；而在較大負荷下，NOx排放始終在較高水平不規律波動，主要是由于氣缸內處于高溫高壓狀態，而高溫是NOx產生的必要條件[16]；各個工況下NOx排放均在35°～40°曲軸轉角的區間內達到最低值；除了大負荷工況之外，煙度均處于較為穩定的狀態，在2 600 r/min，275 N·m工況下(即100%負荷)煙度隨預噴提前角增大而增大，其余大多數工況下在預噴提前角為40°曲軸轉角時NOx排放與煙度達到最低。綜合考慮尾氣中各類有害氣體排放，最終確定的各工況下預噴2最優噴射參數如表3所示。

加入二次預噴與未加入二次預噴的NOx排放與煙度對比如圖2所示。

表3 預噴2參數與尾氣中有害物質排放

圖2 有無二次預噴的排放對比

由圖2可以看出，加入二次預噴后，尾氣中NOx排放在各個工況下均有所下降，變化趨勢與未加入二次預噴時的趨勢一致。產生這一現象的原因主要是由于加入二次預噴后，主噴油量相對變小，主噴射燃燒時的放熱率降低，間接實現了氣缸內溫度的降低，使NOx的產生缺少條件，從而降低尾氣中NOx的排放。加入二次預噴后尾氣中的煙度值在各個工況下均略有增高，原因是預噴油量增加后，氣缸內燃燒前燃油量增加，滯燃期隨之縮短，燃燒前噴入氣缸內的燃油混合不充分，從而導致煙度值的小幅度升高。

2.2 后噴角對尾氣中NOx排放和煙度的影響

由圖3a可知，后噴角的改變對NOx排放的影響并不明顯，隨著后噴角的改變，NOx排放均在小范圍內波動，先隨著后噴角的增大而小范圍減小，然后隨著后噴角的增大而增大。產生這一現象的原因是由于后噴時刻與主噴時刻相近時，后噴燃油噴入后間接降低了缸內的氧氣濃度， 而NOx形成的主要條件是高溫富氧，與主噴相近的后噴射小幅度抑制了NOx的形成條件，因而NOx排放逐漸減少。由圖3b可知，后噴角對煙度有較大影響，大多工況下隨著后噴角的增大煙度呈現出先增大后減小再增大的趨勢。產生這一現象的主要原因是由于當主噴與后噴間隔較小時，氣缸內的氣體混合時間較短，未能充分混合，不利于燃油的氧化，因而煙度值較大。當后噴角大于25°曲軸轉角時，各工況下尾氣中煙度值均呈現下降的趨勢，此時氣缸內的混合氣混合較為充分，因而炭煙的產生逐漸減少。當主噴與后噴間隔過大時，后噴所噴入的燃油逐漸向后推遲燃燒，主噴與后噴所噴入的燃油燃燒持續時間較長，因而導致部分燃料燃燒不充分，燃燒效率下降，溫度也有所降低，尾氣中的煙度值有所上升[17]。

圖3 不同后噴角下排放對比

2.3 后噴油量對尾氣中NOx排放和煙度的影響

根據不同后噴角下的NOx排放與煙度值，選取各個工況下的最優后噴時刻，在最優后噴時刻改變后噴油量(2～10 mg)觀察其對尾氣中有害物質的影響。由圖4a可知，隨著后噴油量的改變，尾氣中NOx的排放在大多數工況下并未出現明顯波動，產生這一現象主要是由于后噴入的燃油燃燒時并未對缸內壓力及溫度產生過多影響，因此NOx排放趨于平穩。由圖4b可知，在大多數工況下，隨著后噴油量的增加，煙度呈現先減小后增大的趨勢。產生這一現象的原因主要是由于加入少量的后噴燃油可以使氣缸內的混合氣產生攪動，使燃油與空氣混合更充分，因而減少了炭煙的產生；隨著后噴油量的持續增大，后噴入的燃油與空氣之間的混合變差，油氣混合均勻度下降，因而尾氣中的煙度值有所上升，但除高轉速高負荷工況外其余工況下煙度值的上下浮動并不劇烈。

圖4 后噴油量與尾氣中有害物質的關系

根據尾氣中煙度值與NOx排放，最終確定各工況下最優后噴角與最優后噴油量以及相應的有害排放(見表4)。

表4 最優后噴點尾氣中有害物質排放

由圖5a可知，在最優后噴點加入后噴后，與未加入后噴相比，尾氣中NOx稍有減少，并無較大波動。由圖5b可以看出，加入后噴后各個工況下尾氣中炭煙的排放均大幅減少，后噴對尾氣中的煙度值影響較為明顯，可以很好地抑制炭煙產生[18]。在主噴射之后加入適量燃油進行后噴，使其在主噴燃油燃燒的末端參與燃燒，可以使主噴燃油燃燒產生的炭煙一同燃燒，以此降低炭煙的排放。由于后噴油

圖5 有無后噴時各工況下排放對比

量較小，且后噴燃油燃燒時活塞一般向下運動，并未產生高溫高壓的條件，因此加入后噴前后NOx排放沒有較大變化。

3 結論

a) 對于試驗樣機，除2 600 r/min，100%負荷工況外，其余工況預噴2最優提前角均為40°曲軸轉角，在該角度尾氣中NOx排放達到最低點；2 600 r/min，100%負荷工況時，預噴2最優提前角為35°曲軸轉角；在柴油機噴油過程中加入二次預噴，與只進行一次預噴相比，可以有效地抑制尾氣中NOx產生，但尾氣中的煙度值有所上升；

b) 在柴油機噴油過程中加入1.5 mg后噴燃油后，尾氣中的煙度值隨著后噴角的改變變化劇烈，各個工況下總體呈現先增大，后減小，再增大的趨勢；尾氣中NOx排放的變化趨勢與煙度值的變化趨勢相似，但變化幅度較小；

c) 選擇各工況下合適的后噴角，隨著后噴油量的增加，尾氣中的煙度呈現先減小后增大的趨勢，且在低轉速高負載工況下變化劇烈；尾氣中NOx排放無明顯變化規律；

d) 在最優后噴角與后噴油量工況點，與未增加后噴相比，尾氣中的煙度值大幅下降，NOx排放有少量減小，在柴油機主噴后增加合適的后噴可以極為有效地降低尾氣中的煙度值。