后喷参数对柴油机燃烧与排放特性的影响

2014-10-11陈光利李子非

汽车工程 2014年10期

甘波，陈光利，王鹏，李子非，丁波

(中国一汽无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063)

前言

电控高压共轨燃油系统由于能够进行多次燃油喷射，可实现灵活可控的喷油规律，已在直喷柴油机上得到广泛应用。研究表明，燃料的雾化、蒸发混合和随后的燃烧都与喷油规律有着密切关系［1］，多次喷射是改善发动机缸内燃烧的较好方法，灵活运用可以达到改善NOx和Soot排放的效果。后喷是指在主喷结束后迅速向缸内喷入少量燃油，产生二次燃烧，后喷能够将主喷燃烧产生的Soot带入到燃烧室挤流区，提高燃烧后期缸内的温度，加强燃油与新鲜空气的混合，从而促进Soot和HC的氧化［2］。

本文中通过在某电控共轨柴油机上进行试验，并结合后喷改善燃烧过程的理论，研究后喷参数对发动机燃烧过程、排放特性及油耗的影响规律。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

试验样机为某重型柴油机，采用电控高压共轨系统、四气门、顶置凸轮轴，其主要技术参数见表1。试验主要设备:AVL公司ALPHA500电涡流测功机、PUMA台架测控仪、AVL735S油耗仪、HORIBA MEXA-7500-DEGR气体分析仪和AVL415 S烟度计。

表1 发动机主要技术参数

1.2 试验方案

由于发动机在小负荷时，空燃比较大，气缸内氧气充足，燃烧过程中产生的碳烟很快被氧化燃烧，此时采用后喷的效果不明显，本文中选取柴油机两个中等负荷工况进行测试。工况1:转速1 470r/min、负荷率50%、轨压135MPa;工况2:转速1 743r/min、负荷率50%、轨压152.5MPa。试验中保持每个工况下柴油机动力性基本不变，通过选取不同后喷油量和喷油间隔(后喷始点与主喷终点之间的曲轴转角)来研究它们对发动机燃烧和排放特性的影响，并进行测试结果分析。

2 试验结果与分析

2.1 后喷对柴油机燃烧的影响

2.1.1 喷油间隔对柴油机燃烧的影响

发动机在工况2，后喷油量Q=4mm3情况下，不同喷油间隔对缸内压力、放热率和温度的影响如图1所示。从图可以看出，不同喷油间隔所对应的压缩段曲线基本不变，引入后喷后，放热率曲线上出现了放热小尖峰，随着喷油间隔的增大，放热小尖峰逐步后移，缸内燃烧放热率峰值有所降低，燃烧重心推迟，导致发动机热效率下降。由温度曲线图可以看出，引入后喷后，缸内温度峰值开始下降，喷油间隔为20°CA时，主燃烧区域温度最低。总之，随着喷油间隔的增大，主燃烧区域平均温度呈下降趋势。

2.1.2 后喷油量对柴油机燃烧的影响

发动机在工况2，喷油间隔为20°CA时，不同后喷油量对缸内压力、放热率和温度的影响如图2所示。从曲线图看出，引入后喷会使主燃烧段压力有所升高。随着后喷油量增加，主燃烧区域放热率峰值开始下降，主燃烧持续期缩短，缸内温度不断降低，这是因为后喷油量的增加在一定程度上减少了主喷油量，导致放热率峰值和主燃烧最高温度都下降。放热率第二峰值随后喷油量增加而明显上升，后燃期逐渐增大。

2.2 后喷对排放特性的影响

2.2.1 后喷油量对NOx、Soot和油耗的影响

发动机在工况1，喷油间隔为15°CA情况下，保持其他参数不变，不同后喷油量 Q为2、4、6、10、14和18mm3对 NOx、Soot和油耗的影响如图3所示。随着后喷油量的增大，NOx排放呈略微下降趋势，这是因为引入后喷后，主喷阶段喷入的燃料相对较少，从而使预混合燃烧阶段混合气量减少，导致缸内温度降低，NOx生成量减少。引入后喷后，Soot排放降低了45%左右。碳烟主要在柴油机扩散燃烧刚开始时生成，此时燃料与空气并未良好混合，油滴四周被预混合燃烧的高温产物包围，形成局部浓度极不均匀的富油区和贫油区，缺氧的富油区是形成碳烟的主要区域［3］。随着后喷油量增加，后喷燃油对缸内扰动效果增强，会使更多的氧气进入到燃烧产物区域，从而加速了Soot氧化。由图3可以看出，后喷会使燃油消耗率略微增加，后喷油量变化对油耗的恶化不太明显。

发动机在工况2，喷油间隔为20°CA情况下，保持其他参数不变，不同后喷油量 Q 为2、4、6、8、10、12、14、16 和 18mm3对 NOx、Soot和油耗的影响如图4所示。由图可见，NOx排放随着后喷油量的增加而逐渐减少，这与工况1的变化趋势相同，由2.1.2节中燃烧过程分析可以看出，后喷油量的增加使得缸内平均温度降低，因而减少了NOx的生成。Soot排放随后喷油量增大而先减小后增加，当后喷油量为Q=14mm3时，Soot排放降到最低，降幅约为35%。随着后喷油量继续增大，Soot值不再降低，反而出现上升趋势，这是因为当油量继续增加，会使后喷燃烧持续期变长，后喷燃油在壁面附近的高温缺氧区域内形成较多的混合蒸气，从而导致碳烟生成量升高。随着后喷油量增加，油耗逐渐开始增大，在后喷油量Q=14 mm3左右时，能使Soot排放和油耗达到平衡。

2.2.2 喷油间隔对NOx、Soot和油耗的影响

从图5可以看出在工况1，保持后喷油量Q=4mm3的情况下，随着喷油间隔增大，NOx排放和油耗基本不变。Soot随喷油间隔增大而呈现先降后升的趋势，在15°CA附近达到最低。喷油间隔过小，后喷与主喷较为靠近，此时后喷入缸内的燃油由于混合时间太短，无法与氧气充分混合燃烧而导致更多碳烟的生成。喷油间隔再增大时，后喷燃料燃烧推迟，燃烧效率下降，燃烧产物区域内温度降低，此时生成的碳烟无法再次氧化［4］，碳烟排放增加。

发动机在工况2，保持后喷油量 Q=4mm3，NOx、Soot和油耗随喷油间隔变化关系如图6所示。由图可见，它与工况1变化趋势基本一致。喷油间隔增大对NOx排放和油耗基本无影响，Soot排放先降低后升高，在喷油间隔为20°CA时最小，达到最佳效果。