潘锁柱，张　洵，韩伟强，田　维

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)



喷射定时对柴油机排放和燃烧过程的影响

潘锁柱，张洵，韩伟强，田维

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

摘要：以一台重型柴油机为研究对象，在低速低负荷工况下，分析预喷定时和主喷定时对排放及燃烧过程的影响规律。结果表明：在主喷定时、预喷与主喷油量比例一定以及EGR率一定的情况下，随着预喷定时往压缩上止点推迟，NOspan和Soot逐渐上升，HC和CO排放逐渐下降，有效热效率逐渐上升；在预喷定时、预喷与主喷油量比例一定以及EGR率一定的情况下，随着主喷定时推迟，NOspan逐渐下降，Soot排放呈现先上升后下降的趋势， HC和CO排放逐渐上升，有效热效率逐渐下降。

关键词：预喷定时；主喷定时；放热率；排放；有效热效率

随着排放法规的日益严格以及石油能源的逐渐短缺，实现柴油机高效、低污染燃烧已成为内燃机领域广泛关注的焦点。近年来，国内外学者的研究表明，多次喷射是实现柴油机缸内混合状态及燃烧过程全历程控制的一种有效手段，可有效降低污染物排放，提高热效率[1-2]。

在传统扩散燃烧模式下，由于在压缩上止点附近喷入大量燃油，将导致部分缸内混合气来不及实现燃空当量比ø<2的混合状态，燃烧后将产生大量的NOx和Soot排放[3-4]；因此，采用预喷射的方式来分担主喷油量混合时间不足的劣势，能有效改善缸内混合状态，降低污染物排放[5-6]。然而，预喷定时过早，由于此时缸内压力较低，喷射的燃油贯穿距离较大，容易使燃油喷射到气缸壁，产生局部浓区，燃烧早期将生成大量Soot，后期生成大量NOx[7-8]；预喷定时过晚(靠近压缩上止点)，则会使着火相位提前，压缩负功增加，柴油机热效率下降[9]。进一步的研究表明，预喷定时和预喷油量比例能有效控制燃烧着火时刻、冷焰及热焰反应过程，如果能有效控制预喷油量仅进行冷焰反应过程，同时控制压缩过程的缸内温度，使其生成大量的中间产物，而不进行下一步热焰反应[10]。此时，在上止点前开始主喷射，使主喷着火时刻控制在上止点附近，这样既能快速氧化预喷燃料生成的中间产物，有效控制缸内温度，实现低污染燃烧[11]，同时也可降低压缩负功，提高热效率。

鉴于此，本文以一台WP12型电控高压共轨重型柴油机为研究对象，在低速、低负荷运行条件下，针对多次喷射定时(预喷定时、主喷定时)对柴油机燃烧过程及污染物排放的影响规律进行试验研究。

1试验装置及设备

试验在一台六缸、四冲程、高压共轨、重型柴油机上进行。该柴油机喷油系统由一套电控单元进行控制，可实现喷射油量、喷油定时以及轨压等的灵活调节，其结构参数如表1所示。试验过程中，采用自行研制的缸内燃烧参数采集系统对柴油机燃烧过程进行测试。该系统所用主要设备有KISTLER 6125B型缸压传感器、KISTLER5018 型电荷放大器和NI 公司M 系列USB-6259 型高性能数据采卡；采用HORIBA MEXA-7100DEGR 型气体分析仪对柴油机排气中的CO、HC和NOx等气体排放进行测量；采用AVL 415烟度计对柴油机排气中的碳烟(soot)进行测量。试验装置如图1所示。

表1　柴油机主要结构参数

图1　试验装置示意图

试验过程中，柴油机转速固定于1 300 r/min，总喷油量(预喷+主喷)恒定为每循环59.2 mg(25%负荷)，进气温度为20 ℃，冷却水温控制在(85±1) ℃之间，机油温度控制在(80±1) ℃之间。

在转速、总喷油量、预喷和主喷油量比例固定的条件下，分别在不同的EGR率下测量分析预喷定时和主喷定时对柴油机排放及燃烧过程的影响规律。

2试验结果及分析

2.1　预喷定时对排放及热效率的影响

图2—7为转速1 300 r/min、总喷油量每循环59.2 mg(25%负荷)、预喷/主喷油量比例10.8∶48.4、主喷定时4°CA ATDC、EGR率分别为7%和20%的条件下，预喷定时对柴油机排放及燃烧过程的影响情况。

图2　预喷定时对排放的影响

如图2所示，随着预喷定时往上止点靠近，NOx逐渐上升。这是因为随着预喷定时往上止点靠近，冷焰反应推迟，但放热幅值逐渐增加，甚至形成热焰反应，缸内平均温度逐渐上升，主喷阶段着火逐渐提前，主喷持续期增加(如图3、4、5所示)；因此，在预喷和主喷燃烧两阶段的高温持续时间逐渐增加，故随着预喷定时往上止点靠近，NOx逐渐上升，并且由图2可知，EGR率越大，预喷定时对NOx的幅值影响越小。

如图2所示，随着预喷定时往上止点靠近，Soot逐渐上升。这是因为， 随着预喷定时往上止点靠近，冷焰反应开始时刻推迟，且放热量逐渐增加，这会导致缸内平均温度增加，使主喷易于着火，导致主喷混合时间减少，如图3所示。同时使主喷燃烧持续期增加，即相对增加高温燃烧持续期(如图5所示)，这都会导致Soot排放量增加。另一方面，如图6所示，随着预喷定时往上止点靠近，缸内平均燃空当量比虽然逐渐减小，但依然处于较稀的状态，此时缸内平均燃空当量比对Soot排放的影响，不及主喷混合时间对Soot排放的影响。

图3　预喷定时对瞬时放热率的影响

图4　预喷定时对缸内平均温度的影响

如图2所示，随着预喷定时往上止点靠近，HC和CO排放逐渐减小。这是因为在缸内燃空当量比较小的情况下，缸内氧气充足，缸内温度和高温持续期将决定HC和CO的排放量。如图3、4、5所示，随着预喷定时往上止点靠近，预喷阶段缸内平均温度逐渐上升，主喷阶段略微下降，两阶段高温持续期增加，故HC和CO排放逐渐下降。

图5　预喷定时对主喷燃烧持续期和CA50的影响

图6　预喷定时对有效热效率和缸内平均当量比的影响

图7　预喷定时对缸内压力的影响

如图6所示，随着预喷定时往上止点靠近，柴油机有效热效率上升。这是因为，如图3和图7所示，随着预喷定时往上止点靠近，预喷放热逐渐增大，主喷放热逐渐较小。其中，预喷放热对柴油机做压缩负功，而主喷放热对柴油机做膨胀正功。由图3和图5可知，随着预喷定时往上止点靠近，预喷部分放热量对整个燃烧过程的CA50影响越来越明显，使两阶段放热量的重心( CA50)逐渐靠近上止点，故随着预喷定时往上止点靠近，柴油机有效热效率上升。

2.2　主喷定时对排放及热效率的影响

图8—13为转速1 300 r/min、总喷油量为每循环59.2 mg(25%负荷)、预喷/主喷油量比例为10.8∶48.4、预喷定时为-50 °CA ATDC、EGR率分别为0、10%、20%和30%条件下，主喷定时对柴油机排放及燃烧过程的影响情况。

图8　主喷定时对排放性能的影响

如图8所示，随着主喷定时推迟，NOx逐渐下降。这是因为随着主喷定时推迟，冷焰反应变化不大，主喷阶段着火推迟，缸内平均温度下降(如图9、10所示)；所示，随着主喷定时的推迟，NOx逐渐下降。由图8可知，EGR率越大，主喷定时对NOx的幅值影响越小。

如图8所示，随着主喷定时的推迟，Soot呈现先上升后降低的趋势。Soot主要是在高温、缺氧条件下生成，出现如上的变化规律主要是由于：主喷定时在-4°CA(ATDC)到4°CA(ATDC)时，随着主喷定时的推迟，缸内平均温度虽然逐渐降低(如图10所示)，对Soot的生成有一定的抑制作用，但此时主喷混合时间的逐渐减少(如图11所示)将起主导作用，导致缸内工质混合不均，局部过浓区域增多，燃烧恶化，Soot的生成量逐渐增加；主喷定时在4°CA(ATDC)到8°CA(ATDC)时，随着主喷定时的推迟，主喷混合时间逐渐增加(如图11所示)，局部过浓区域减少，燃烧品质得到提升，并且此时缸内平均温度也呈下降趋势(如图10所示)，两者均有利于Soot生成量的降低。

如图8所示，随着主喷定时推迟，HC和CO排放逐渐增加。这是因为在缸内燃空当量比较小的情况下，缸内氧气充足，缸内温度将决定HC和CO排放量。如图10所示，随着主喷定时推迟，主喷阶段缸内平均温度降低，HC和CO排放增加。

图9　主喷定时对瞬时放热率的影响

图10　主喷定时对缸内平均温度的影响

图11　主喷定时对主喷混合时间的影响

图12　主喷定时对有效热效率和缸内平均当量比的影响

如图12所示，随着主喷定时的推迟，柴油机有效热效率下降。这是因为，如图9和图13所示，随着主喷定时推迟，预喷燃烧重心变化不大，主喷燃烧重心逐渐远离上止点，此时柴油机所做膨胀正功逐渐减少,故随着主喷定时推迟，柴油机有效热效率下降。

图13　主喷定时对预喷CA50、主喷CA50的影响

3结论

本文在重型柴油机低速低负荷工况展开试验研究，通过优化预喷与主喷的匹配关系，优化燃烧过程，具体得出以下主要结论。

1)在主喷定时、预喷与主喷油量比例、EGR率一定的情况下，随着预喷定时往压缩上止点推迟，NOx和Soot逐渐上升，HC和CO排放逐渐下降，有效热效率逐渐上升。

2)在预喷定时、预喷与主喷油量比例、EGR率一定的情况下，随着主喷定时推迟，NOx逐渐下降， HC和CO排放逐渐上升，有效热效率逐渐下降。

3)在预喷定时、预喷与主喷油量比例、EGR率一定的情况下，随着主喷定时推迟，Soot排放呈现先上升后下降的趋势。

参考文献

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(编校：夏书林)

Effect of Injection Timing on Emissions and Combustion Process of Diesel Engine

PAN Suozhu, ZHANG Xun , HAN Weiqiang, TIAN Wei

(SchoolofAutomobileandTransportation，XihuaUniversity，Chengdu610039China)

Abstract:Experimental study on the effects of injection timing, like pre-injection timing and main injection timing, on emissions and combustion process was carried out in low speed and low load conditions of a heavy-duty diesel engine. The results show that the NOspanand Soot emissions gradually increased, HC and CO emissions decreased and the thermal efficiency gradually increased as the pre-injection timing postponed to the TDC while the main injection timing ,the fuel ratio of the pre-injection and the main injection and the EGR rate were under the same conditions. And when the pre-injection timing, the fuel ratio of the pre-injection and the main injection and the EGR rate were under the same conditions, the NOspanemissions would decrease, Soot emissions would first increase and then decrease, HC and CO emissions would increase and the effective thermal efficiency would decrease gradually as the main injection timing was postponed.

Keywords:pre-injection timing；main injection timing；heat release rate；emissions；the effective thermal efficiency

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.010

中图分类号：TK421.5

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)01-0048-05

基金项目：四川省教育厅青年基金项目(14ZB0128)；流体及动力机械省部共建教育部重点实验室学术成果培育项目(SBZDPY-11-19)；西华大学校重点项目(z1320315)。

收稿日期：2015-05-11

第一作者：潘锁柱(1980—)，男，讲师，博士，主要研究方向为内燃机排放及控制技术。

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