預噴正時對柴油發動機燃燒和排放特性的影響

程志騰，李俊民

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.杭州錢塘交通運輸局（籌），浙江 杭州 310000）

隨著化石能源消耗的增加，排放法規日益嚴格，尋找新的策略，提高內燃機效率，減少排放物的污染是必然趨勢。柴油機因其熱效率高、功率范圍廣、可靠性高，占據內燃機市場份額持續上升。改變噴油規律，是降低柴油機排放的重要技術措施，目前主要集中在對噴油規律曲線形狀，預噴射，多段噴射的研究上。噴油正時對發動機性能有明顯的影響，同時也是柴油機在應用過程中相對容易改變的一個參數。

欒興存等人在探究多次噴射對柴油機性能的影響中得出如下結論，隨著預噴正時的提前，缸內壓力峰值降低，主燃燒階段的滯燃期縮短，碳煙和NOx排放均降低；LI等在一臺六缸共軌柴油機中研究了預噴正時對甲醇-柴油雙燃料的影響，結果表明隨著預噴的提前，最大壓升率、氣缸溫度降低，循環波動變大，HC化合物排放減少，CO、NOx和細顆粒物排放增加。本文研究基于發動機臺架試驗，調整柴油機預噴時刻，對其燃燒特性和排放特性進行試驗研究。

1 試驗裝置和內容

本次試驗使用的柴油發動機是濰柴的WP4G 154E330直列六缸增壓中冷發動機，主要參數如表1所示。加裝了柴油噴射控制板，與原機電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）協同控制柴油噴射時刻；在柴油機第1缸上安裝火花塞式缸壓傳感器，通過采集缸壓信號等參數對柴油機進行燃燒分析。

試驗所用的主要設備有：CW150電渦流測功機，用于控制發動機的轉速和扭矩；柴油消耗量用質量流量計測量；瑞士Kistler公司生產的KiBox燃燒分析儀，測量缸壓信號，用來分析發動機的燃燒特性；粒子計數器、五氣分析儀、SMPS-3938掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀等設備，用于測量尾氣排放，分析發動機的排放特性。

試驗發動機以轉速1 800 r/min，低負荷（30%）作為試驗工況點，以單噴射模式在該工況下運行作為對照試驗，然后保持主噴射時刻不變，引入預噴射策略。預噴時刻與主噴時刻分別間隔5 °CA、10 °CA、15 °CA、20 °CA、25 °CA，待發動機運行穩定后，通過采集缸內壓力信號與尾氣排放數據，來探究預噴正時對柴油機燃燒與排放特性的影響。

表1 試驗柴油機主要參數

2 預噴正時對燃燒特性的影響

2.1 壓力升高率（dp/dφ）

不同預噴正時下，發動機壓力升高率隨曲軸轉角變化情況，如圖1所示。

圖1 預噴正時對壓力升高率的影響

由圖1可知，對比單次噴射和不同主預噴時刻間隔，發動機缸內壓力升高率曲線與曲軸轉角變化的趨勢基本一致；和單次噴射相比，引入預噴射策略后，峰值壓力升高率有所降低，有助于改善缸內燃燒噪聲水平；壓力升高率的峰值相位角隨著主預噴間隔的增大而不斷提前，當主預噴時刻間隔大于10°CA時，壓力升高率也隨著預噴正時的提前而不斷降低。

2.2 瞬時放熱率（dQ/dφ）

不同預噴正時下，瞬時放熱率隨曲軸轉角變化趨勢如圖2所示。

圖2 預噴正時對瞬時放熱率的影響

由圖2可知，預噴射階段的燃燒相位角隨著主預噴間隔時刻的增大而提前，但當主預噴間隔大于10 °CA時，預噴燃燒階段和主燃燒階段的瞬時放熱率峰值均不斷下降；相較于單噴，柴油預噴策略引入后，主噴射階段的劇烈預混燃燒消失，轉為較為緩和的擴散燃燒。

2.3 平均有效壓力循環變動系數

平均有效壓力循環變動系數（The Covariance of Indicated Mean Effective Pressure, COV）隨預噴正時的變化情況如圖3所示。

圖3 預噴正時對COVIMEP的影響

主噴對應曲軸位置與預噴對應曲軸位置間隔為10 °CA時COV最大，主要是預混合階段燃燒放熱太大，造成了較大的壓力波動。

2.4 缸內平均溫度（T）

不同預噴正時下，缸內平均溫度隨曲軸轉角變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知，當預噴正時提前10 °CA時，缸內平均溫度最高，原因是發動機瞬時燃燒放熱率較大；隨著主預噴間隔時刻的增大，瞬時放熱率降低，缸內平均溫度逐漸下降。

圖4 預噴正時對缸內平均溫度的影響

3 預噴正時對排放特性的影響

對柴油機而言，污染物排放中最主要的是NOx和顆粒物，因此本文主要討論了預噴正時對柴油發動機NOx排放與顆粒物排放的影響。

3.1 超細顆粒物

超細顆粒物對人體危害更大，對超細顆粒物的研究，主要是分析超細顆粒物的數量濃度、粒子總數與平均粒徑。

SMPS-3938電遷移率顆粒物粒徑譜儀對排放污染物中顆粒物粒徑的測量范圍為5 nm～ 1 000 nm，根據顆粒物粒徑和生成機理的不同，將顆粒物微粒劃分為核模態、積聚態和粗粒子。碳核直徑約為5 nm～50 nm是核模態微粒；直徑為50 nm～1 000 nm的是積聚態微粒；直徑大于 50 nm～1 000 nm的微粒稱為粗粒子。

圖5是超細顆粒物排放粒徑譜圖。由圖可以看出，核膜態顆粒物和100 nm以下的積聚態顆粒物隨著主預噴間隔的擴大，濃度下降明顯。

圖5 超細顆粒物粒徑譜圖

圖6是超細顆粒物濃度及平均粒徑隨預噴正時的變化情況。從粒子總數變化曲線中可以看出，超細顆粒物濃度在單噴模式下最大，隨著主預噴間隔時刻的增大，超細顆粒物濃度持續降低；從顆粒物平均粒徑變化曲線可知，當主預噴間隔時刻小于10 °CA時，超細顆粒物平均粒徑隨主預噴間隔時刻的增大而不斷上升，之后，隨著主預噴間隔的持續擴大，平均粒徑有所下降。主要原因是在引入預噴策略后，第一階段的燃料燃燒并不完全，形成了較多的碳煙晶核，易凝聚成顆粒物，增加了微粒直徑，隨著主預噴間隔時刻的增大，預混合燃燒階段燃燒規模減少，未被燃燒的燃料有充足時間汽化，以均質氣體的形式在主噴射階段充分燃燒，形成了較小的核膜態顆粒物，使得平均粒徑下降。

圖6 預噴正時對超細顆粒物濃度及平均粒徑的影響

3.2 比排放

大顆粒物是指粒徑為0.3 μm以上的顆粒物，大顆粒物數目的比排放（Brake Specific Particle Number, BSPN）是通過粒子計數器測得的每2.83 L中大顆粒物的個數，經顆粒物比排放計算公式換算后得出。NOx比排放（Brake Specific Nitrogen Oxides, BSNOx）根據試驗儀器測得的NOx濃度經NOx比排放計算公式換算后得出。

圖7 預噴正時對BSPN 和BSNOx的影響

圖7是BSPN 和BSNO隨柴油預噴正時的變 化情況。

在柴油預噴策略引入后，會降低BSPN，并隨著預噴正時的提前，BSPN不斷降低；NO比排放的變化情況不明顯。

4 結論

通過改變一臺高壓共軌柴油機的預噴提前角，可以總結出如下結論：

（1）相比單次噴射，在預噴策略引入后，峰值壓力升高率均有所降低，有助于改善缸內燃燒噪聲水平；主噴射預混階段的劇烈燃燒消失，轉為較為緩和的擴散燃燒。

（2）隨著主預噴間隔時刻的增大，超細顆粒物濃度呈下降趨勢，平均粒徑先增大后減小；BSPN持續降低，NO比排放在主預噴間隔較小時變化不明顯，間隔較大時略有下降。