续彦芳 桂文龙 刘汉涛 郑 海

（中北大学能源动力工程学院）

随着发动机排放法规的越加严格，针对缸内燃烧过程优化的研究也更加深入。 防爆柴油机作为防爆胶轮车的主要动力源， 保障着煤矿井下生产的安全、有效进行。 由于井下通风较差，且运载负担较重， 所以防爆柴油机较常规柴油机排放性能有所降低， 对井下工作环境和安全生产造成了消极影响［1，2］。因此，解决防爆柴油机的经济性和排放超标问题，对井下运输、作业有着重要意义。

现有的研究显示，减小喷油提前角，可以降低缸内燃烧的温度，达到降低NO 排放的目的，但是soot 的排放仍会升高，可知NO 和soot 的排放是此消彼长的关系。 燃油预喷射策略有利于缸内混合气的形成，减少热量扩散，降低油耗和尾气排放，可以在有效降低NO 排放的前提下，使soot排放达到预期目标［3］。 鉴于矿井下的特殊工作环境，NO 成为了危害人体的首要污染物。 因此，在保证安全生产且不影响防爆柴油机动力性能的前提下，改善防爆柴油机的排放性能，减少NO 并控制soot 等有害物质的排放，是优化矿井防爆柴油机的重要目标。

1 仿真模型的建立及可靠性验证

1.1 模型的建立

建立实体模型并在仿真软件中进行网格划分、数理模型设置和初始化条件设置。 原模型共有10 个喷油孔，为减少计算时间，简化模型只选择计算域的1/10，得到实体模型和网格模型［4］如图1 所示。

图1 实体模型和网格模型

防爆柴油机的基本结构参数如下：

型式 直列、四冲程、自然吸气

缸径×行程 110mm×110mm

孔径 0.22mm

压缩比 14.5

孔数 10

喷雾夹角 155°CA

1.2 可靠性验证

模型的可靠性通过示功图进行验证。 验证时的工况是单缸扭矩250N·m 和3 600r/min 的单次喷射条件。 试验采用灵敏度为-2 600pC/bar（1bar=100kPa） 的SYC04A 石英晶体压力传感器和DF3 电荷放大器来采集缸内压力。图2 为模拟结果与试验结果的示功图对比，可以看出模拟曲线与试验曲线吻合较好， 可以保证计算的可靠性。

图2 模拟结果与试验结果的示功图对比（1bar=100kPa）

2 预喷射对排放的影响分析

结合井下的实际情况，设定防爆柴油机在满载单缸扭矩为250N·m 和3 600r/min 的工况条件下。 分别考虑在不同方案下，防爆柴油机尾气排放 变 化 情 况 。 依 据 现 有 文 献 和 经验［5～7］，设定了5 种方案（表1）。 这5 种方案的主喷射定时均为340°CA， 供油压力均为1 300bar，单次循环总喷油量不变，采用正交法对预喷射方案进行仿真分析。

表1 预喷射方案

2.1 预喷射间隔对排放的影响

图3～6 为预喷射油量2%、12%、22%、32%时，不同预喷射间隔下NO 和soot 的排放曲线。其中，标定的预喷射方案形式是FP-A-B，FP 是预喷射，A是预喷射间隔，B是预喷射油量，single 是单次喷射。

图3 预喷射油量2%时NO 和soot 排放曲线

图4 预喷射油量12%时NO 和soot 排放曲线

图5 预喷射油量22%时NO 和soot 排放曲线

图6 预喷射油量32%时NO 和soot 排放曲线

从图3～6 可以看出，在预喷射油量2%时，随着预喷射间隔的增加NO 排放呈现先增加后减小的趋势，在预喷射间隔2℃A 时为NO 排放的极大值。 在预喷射油量12%时NO 排放均低于单次喷射， 且随着预喷射间隔的增大NO 排放呈现先减小后增大的趋势，预喷射间隔2℃A 时为NO 排放的极小值。 在预喷射油量22%时，随着预喷射间隔的增加NO 排放呈现先增加后减小的趋势，在预喷射间隔2℃A 时为NO 排放的极大值。在预喷射油量32%时，随着预喷射间隔的增加NO 排放呈现先增加后减小再增加的趋势，在预喷射间隔2℃A 时为NO 排放的极大值，12℃A 时为NO 排放的极小值。 从总体上看，随着预喷射间隔的增加，NO 排放基本呈现先增加后减小的趋势，原因是预喷射间隔增大， 使得温度上升的时间滞后，抑制了NO 的生成， 随着预喷射间隔的进一步增大，对主燃烧期的燃烧效果有着明显的帮助。 预喷射间隔2℃A 时是NO 排放的重要转折点。不论预喷射油量在何种情况下，soot 排放均高于单次喷射，且在一定的预喷射油量下随着预喷射间隔的增加，总体基本呈现先增加后减小再增加的趋势。 原因是采用预喷射后，一方面降低了缸内氧气的浓度；另一方面，预喷射在主喷射之前未能及时燃烧，造成“火包油”的现象，导致soot 氧化速率减慢、soot 大量生成。

2.2 预喷射油量对排放的影响

图7～9 为预喷射间隔2、12、22°CA 时， 不同预喷射油量下的NO 和soot 排放曲线。

图7 预喷射间隔2°CA 时NO 和soot 排放曲线

图8 预喷射间隔12°CA 时NO 和soot 排放曲线

图9 预喷射间隔22°CA 时NO 和soot 排放曲线

从图8、9 可看出，在预喷射间隔为2℃A 时，随着预喷射油量的增加NO 排放呈现先增加后减小再增加的趋势；在预喷射间隔12、22℃A 时NO排放均有降低。 原因是预喷射油量增加，预燃烧阶段消耗的氧浓度增大，喷雾贯穿距离变长，增大了预混燃烧的油气接触面积，初期燃烧温度升高较快，在主燃烧阶段，氧浓度相对较少，反应速率变缓，缸内最高峰值温度较低，抑制了NO 的生成。

在预喷射间隔2、22℃A 时，随着预喷射油量的逐渐增加，soot 排放呈现先增加后减小的趋势。在预喷射间隔一定、预喷射油量不同时，虽然soot排放均高于单次喷射状态，但是soot 的峰值呈现依次增高的趋势。 原因是预喷射降低了氧气浓度， 主喷射阶段不断卷吸预喷射燃烧的产物，使得soot 增加。

当预喷射间隔为定值时，NO 和soot 排放对预喷射油量的变化较为灵敏。

由上述分析可知， 存在一种使NO 最大限度减少的同时使soot 最小限度增加的预喷间隔与预喷射油量组合。

3 最佳匹配方案的确定（比例相对指标的优化）

为了更加直观地选取最佳匹配方案，现引入统计学中比例相对指标的概念，并定义如下：

通过拾取NO 质量分数稳定值与soot 质量分数最大值，代入公式计算得到结果见表2，可以看出， 比例相对指标能客观反映NO 排放和soot 排放的相对变化。

表2 预喷射优化分析 %

由表2 中的预喷射优化数据分析可知，FP-12-32%方案的比例相对指标的绝对值为38.1，能最大程度地减少NO 排放的同时控制soot 排放的增加，但鉴于soot 排放成倍数的增加会影响防爆柴油机的动力性能，因此选取FP-22-2%方案（比例相对指标的绝对值为31.1）作为预喷射最佳匹配方案。

4 结论

4.1 当预喷射油量一定时，随着预喷射间隔的增大，NO 排放呈先升高后降低的趋势，soot 的排放总体呈现先增加后减小再增加的趋势，且始终高于单次喷射状态。

4.2 当预喷射间隔为2℃A 时，随着预喷射油量的增加NO 排放呈现先增加后减小再增加的趋势； 在预喷射间隔12、22°CA 时，NO 排放均有降低。 在预喷射间隔2、22°CA 时，随着须喷射油量的增加，soot 排放先增加后减小。

4.3 防爆柴油机工作在3 600r/min 和满载的工况下， 预喷射间隔22°CA、 预喷射油量2%的方案， 能够在最大程度减小NO 排放的同时使soot排放最小程度地增加，因此可作为减少矿井首要污染物NO 排放的预喷射最佳匹配方案。