欒興存， 成曉北， 殷勇， 劉貝， 董世軍， 劉寰， 汪鑫

(1. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 東風(fēng)商用車(chē)有限公司， 湖北 武漢 442001)

?

·性能研究·

多次噴射對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放影響的試驗(yàn)研究

欒興存1， 成曉北1， 殷勇2， 劉貝1， 董世軍1， 劉寰2， 汪鑫1

(1. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 東風(fēng)商用車(chē)有限公司， 湖北 武漢 442001)

基于1臺(tái)高壓共軌渦輪增壓柴油機(jī)，采用不同的預(yù)噴正時(shí)、預(yù)噴油量與后噴正時(shí)等，研究了多次噴射對(duì)燃燒放熱、排放生成與燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)壓燃和低溫燃燒過(guò)程。研究結(jié)果表明：隨預(yù)噴正時(shí)提前，缸內(nèi)峰值壓力降低，主燃階段的滯燃期縮短，NOx和炭煙排放均降低；隨預(yù)噴油量增加，預(yù)噴階段燃燒的放熱率和最大壓力升高率增大，NOx和HC排放增大，而PM和CO排放降低；隨后噴始點(diǎn)推遲，缸內(nèi)壓力與主放熱率峰值差異變小，NOx排放降低，但炭煙排放先增大后逐漸降低。

直噴式柴油機(jī)； 多次噴射； 預(yù)噴正時(shí)； 放熱率； 排放

傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒由燃油噴射和油氣混合控制，是典型的擴(kuò)散燃燒，因此NOx和炭煙排放之間存在一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。NOx生成受缸內(nèi)燃空當(dāng)量比分布的影響，過(guò)濃或稀薄燃燒都會(huì)降低NOx排放，為此需要實(shí)現(xiàn)著火前混合氣的均質(zhì)和相對(duì)稀薄的分布，從而形成預(yù)混燃燒的條件。國(guó)內(nèi)外許多研究者廣泛開(kāi)展了新型燃燒方式的研究，包括均質(zhì)混合壓縮點(diǎn)燃(HCCI)和預(yù)混合壓縮點(diǎn)燃(PCCI)等[1-6]。T. FANG等研究發(fā)現(xiàn)，采用較早的第一次噴油和較小的噴油量，混合氣的燃燒屬于預(yù)混合燃燒模式；但是增加第一次噴油的噴油量和推遲第一次噴油，燃燒模式由PCCI燃燒轉(zhuǎn)換成擴(kuò)散火焰燃燒[7]。N. Horibe等的研究表明，選取合適的噴射和EGR條件，兩階段燃燒能顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，同時(shí)保持較小的壓力升高率[8]。Kyusoo Jeong等研究發(fā)現(xiàn)，與單次噴射相比，多次噴射燃燒能顯著降低NOx的排放[9]。Youngsoo等采用一次和兩次后噴策略來(lái)降低單缸柴油機(jī)PCCI模式下的HC和CO排放，與單次噴射相比，一次和兩次后噴射策略的使用明顯降低了HC和CO排放，且兩次后噴射的效果更好，但NOx排放上升[10]。盡管HCCI和PCCI等新型燃燒方式能夠同時(shí)降低NOx和炭煙的排放，但這些燃燒方式還存在很多沒(méi)有解決的問(wèn)題，如燃燒室內(nèi)預(yù)混合氣的控制、CO和HC排放高以及運(yùn)行負(fù)荷范圍有限等問(wèn)題。

采用預(yù)先噴油策略同時(shí)降低柴油機(jī)的NOx和炭煙排放是可以實(shí)現(xiàn)的，這需要對(duì)噴油正時(shí)和各噴射階段燃油質(zhì)量的分配比例以及EGR率進(jìn)行優(yōu)化。本研究分析了分段噴射對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒和排放物生成的影響作用，內(nèi)容包括預(yù)噴油正時(shí)、預(yù)噴油量比例和后噴油量比例對(duì)燃燒、排放和經(jīng)濟(jì)性能的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在1臺(tái)渦輪增壓柴油機(jī)上進(jìn)行，表1 列出了該型柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格，試驗(yàn)系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖1。采用BOSCH 電控高壓共軌噴射系統(tǒng)，可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)噴油始點(diǎn)、噴射壓力和噴油持續(xù)期等，匹配HONEYWELL可變幾何截面渦輪增壓器。氣態(tài)排放物測(cè)量采用AVL-AMA160氣體分析儀，炭煙顆粒物測(cè)量采用AVL439不透光煙度計(jì)。試驗(yàn)中負(fù)荷工況為25%和50%標(biāo)定負(fù)荷，轉(zhuǎn)速為1 270 r/min，主噴正時(shí)為上止點(diǎn)前5°曲軸轉(zhuǎn)角，循環(huán)噴油量隨負(fù)荷而調(diào)節(jié)，例如在25%負(fù)荷、1 270 r/min工況時(shí)，循環(huán)噴油量為60.5 mg。在試驗(yàn)中同一運(yùn)行工況時(shí)采用轉(zhuǎn)速-油門(mén)控制模式，噴油持續(xù)期和噴射壓力保持不變，從而保持轉(zhuǎn)速和循環(huán)噴油量基本不變，使噴油正時(shí)成為參數(shù)研究中唯一可變的噴油參數(shù)。各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下以獲得最佳燃油經(jīng)濟(jì)性為調(diào)整策略，同時(shí)所有運(yùn)行工況保證冷卻水溫、進(jìn)氣溫度一致。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 預(yù)噴正時(shí)的影響

圖2示出缸內(nèi)壓力、放熱率、累計(jì)放熱量、缸內(nèi)平均溫度和壓力升高率隨預(yù)噴間隔的變化，試驗(yàn)條件為噴油壓力100 MPa，EGR率36%，預(yù)噴油量比20%，主噴正時(shí)5°BTDC，循環(huán)噴油量60.5 mg。滯燃期的定義為5%累計(jì)放熱量時(shí)刻與噴油時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之差。從圖2a可以觀測(cè)到主燃燒前出現(xiàn)兩次放熱現(xiàn)象，這是預(yù)噴燃料的冷焰和熱焰反應(yīng)。隨著預(yù)噴始點(diǎn)的提前，缸內(nèi)溫度降低，著火延遲期增大，有助于形成稀薄且均勻的預(yù)混合氣，導(dǎo)致預(yù)噴熱焰反應(yīng)平和，反應(yīng)速率下降，缸內(nèi)峰值壓力隨預(yù)噴始點(diǎn)提前而減小。隨著預(yù)噴間隔的增大，預(yù)噴冷焰反應(yīng)的著火正時(shí)提前，表明預(yù)噴冷焰的著火正時(shí)受預(yù)噴正時(shí)的影響比較明顯。當(dāng)預(yù)噴射始點(diǎn)向上止點(diǎn)延遲時(shí)，由于接近上止點(diǎn)，缸內(nèi)溫度和壓力較高，冷焰反應(yīng)與預(yù)噴熱焰反應(yīng)間隔不明顯，且此時(shí)預(yù)噴熱焰反應(yīng)非常劇烈，形成高于100 J/(°)的放熱率峰值，接近主噴燃燒反應(yīng)的放熱峰值。由于預(yù)噴燃燒放熱提高了缸內(nèi)燃?xì)鉁囟?，形成較強(qiáng)的缸內(nèi)氣流擾動(dòng)，為主噴燃燒反應(yīng)提供了較好的熱氛圍，主燃燒的著火滯燃期隨預(yù)噴始點(diǎn)提前而縮短，但預(yù)噴正時(shí)對(duì)主燃燒速率和燃燒持續(xù)期影響較小。

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)預(yù)噴間隔為30°和50°時(shí)，預(yù)噴燃油會(huì)被噴入擠流區(qū)，在缸壁或活塞頂面形成壁面附膜，部分燃料不能完全燃燒，預(yù)噴燃燒反應(yīng)放熱量明顯減少，由于預(yù)噴燃燒反應(yīng)速率很低，持續(xù)期較長(zhǎng)，此時(shí)燃燒效率較低。而預(yù)噴間隔為10°時(shí)，預(yù)噴燃油幾乎都噴入活塞凹坑內(nèi)，混合氣分布相對(duì)較濃，預(yù)混燃燒速率高，放熱充分，主燃燒反應(yīng)主要在燃燒室凹坑內(nèi)進(jìn)行，提高了凹坑內(nèi)溫度，促進(jìn)了預(yù)噴燃燒未盡的產(chǎn)物繼續(xù)燃燒放熱，進(jìn)而提高了整體的燃燒效率，累計(jì)放熱量較多。因此，由圖2b可以看到，當(dāng)預(yù)噴間隔為30°和50°時(shí)，總的累計(jì)放熱量和缸內(nèi)溫度都比預(yù)噴間隔為10°時(shí)明顯減少。

從圖2c可以看到，最大壓力升高率峰值隨預(yù)噴間隔的增大而減小。主-預(yù)噴間隔為10°和30°時(shí)，預(yù)噴燃燒反應(yīng)較強(qiáng)，最大壓力升高率由預(yù)噴燃燒階段產(chǎn)生；預(yù)噴間隔為50°時(shí)，預(yù)混合氣過(guò)稀，預(yù)噴燃燒反應(yīng)較弱，此時(shí)預(yù)噴燃燒與主噴燃燒最大壓力升高率較為接近。主噴燃燒壓力升高率峰值隨預(yù)噴間隔的減小而減小，由于預(yù)噴始點(diǎn)提前，縮短了主噴燃燒滯燃期，對(duì)于較小預(yù)噴間隔情況可以降低主噴燃燒的最大壓力升高率。

圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率以及燃油消耗率隨預(yù)噴間隔的變化。如圖所示，預(yù)噴間隔為30°時(shí)，燃燒效率最高；預(yù)噴間隔從10°增大到30°和50°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性明顯惡化，燃油消耗率上升。主要是因?yàn)轭A(yù)噴間隔較大時(shí)，預(yù)噴燃燒反應(yīng)過(guò)于靠前，燃燒相位遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，壓縮行程中所做負(fù)功增加，指示熱效率下降；此外，隨預(yù)噴間隔增加，摩擦損失增大，機(jī)械損失隨之增加，導(dǎo)致燃油消耗率上升。

圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)排放隨預(yù)噴間隔的變化。隨預(yù)噴始點(diǎn)提前NOx排放逐漸降低，如前所述，預(yù)噴射提前，燃油會(huì)被噴入擠流區(qū)，在缸壁或活塞頂面形成壁面附膜，部分燃料不能完全燃燒，預(yù)噴燃燒放熱減少，計(jì)算的缸內(nèi)平均溫度約為1 000 K，抑制了預(yù)噴燃燒階段NOx排放生成，可以認(rèn)為NOx的排放主要由主燃燒反應(yīng)產(chǎn)生。盡管預(yù)噴間隔為30°和50°下的主燃燒反應(yīng)的平均溫度與預(yù)噴間隔為10°時(shí)的相差不大，但由于主噴燃燒與預(yù)噴燃燒間隔較大，使得最高溫度要低于10°時(shí)的最高溫度，從而導(dǎo)致NOx的排放隨預(yù)噴間隔增大而降低。

由圖5可見(jiàn)，隨預(yù)噴正時(shí)提前炭煙排放逐漸降低。如前所述，預(yù)噴間隔為10°時(shí)，預(yù)噴燃油基本都噴入活塞凹坑，同時(shí)預(yù)噴和主噴正時(shí)都靠近上止點(diǎn)，以擴(kuò)散燃燒方式為主，導(dǎo)致缸內(nèi)的混合氣濃區(qū)的當(dāng)量比更大，PM的排放從而明顯增多。預(yù)噴間隔為30°和50°時(shí)，長(zhǎng)預(yù)噴混合期有助于形成均勻分布且稀薄的可燃混合氣，抑制了炭煙顆粒生成。

由圖5可見(jiàn)，HC和CO的排放隨預(yù)噴間隔的增大而增多。如前所述，當(dāng)預(yù)噴間隔為30°和50°時(shí)在缸壁和活塞頂面形成壁面附膜，油膜的吸附及解析作用導(dǎo)致了HC的增加；另一方面，部分燃料會(huì)進(jìn)入濃度過(guò)稀區(qū)域或低溫區(qū)域，導(dǎo)致燃燒過(guò)程發(fā)生淬熄，這些因素均會(huì)使得HC和CO的排放增多。

2.2 預(yù)噴油量的影響

圖6示出缸內(nèi)壓力、放熱率、累計(jì)放熱量、缸內(nèi)平均溫度和壓力升高率等隨預(yù)噴油量比的變化，試驗(yàn)條件為噴油壓力100 MPa，EGR率36%，預(yù)噴間隔50°，主噴正時(shí)5°BTDC，循環(huán)噴油量60.5 mg。從圖6a中可以看到，缸內(nèi)壓力峰值隨預(yù)噴油量比的增大而增大。預(yù)噴冷焰反應(yīng)的著火點(diǎn)不隨預(yù)噴油量比的變化而變化，但反應(yīng)速率隨預(yù)噴油量比的增大而增大；預(yù)噴熱焰反應(yīng)的著火點(diǎn)隨預(yù)噴油量比的增大而提前，反應(yīng)速率隨預(yù)噴油量比的增大而增大；主燃燒反應(yīng)的著火時(shí)刻隨預(yù)噴油量比增大而略有提前。從圖6b可以看到，隨著預(yù)噴油量的增大，預(yù)噴燃燒階段的放熱量增大，缸內(nèi)平均溫度提高；當(dāng)預(yù)噴油量超過(guò)30%后，雖然預(yù)噴燃燒放熱量繼續(xù)增大，但總累計(jì)放熱量減小。在預(yù)噴正時(shí)提前較大的情況下，增大預(yù)噴油量時(shí)，油束的貫穿距增大，燃油的附壁油膜量增多，預(yù)噴燃燒效率下降，總放熱量降低。由圖6c可見(jiàn)，隨著預(yù)噴油量增加，預(yù)噴燃燒速率增大，最大壓力升高率隨預(yù)噴油量的增加而增加，且預(yù)噴燃燒階段處于壓縮沖程，故預(yù)噴燃燒階段的最大壓力升高率明顯高于主噴燃燒階段的最大壓力升高率，且最大壓升率的相位隨預(yù)噴油量比的增加而提前。主燃燒壓力升高率隨預(yù)噴油量的增加而減小。

圖7示出燃燒效率和燃油消耗率隨預(yù)噴油量的變化。如前所述，預(yù)噴油量比從20%增大到30%時(shí)，燃燒效率增大；繼續(xù)增大預(yù)噴油量時(shí)，燃燒效率下降。但發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨預(yù)噴油量的增大而增大，因?yàn)槿加拖穆什粌H與燃燒效率有關(guān)，還與指示熱效率和機(jī)械效率有關(guān)，當(dāng)預(yù)噴油量比增大到30%及以上時(shí)，雖然預(yù)噴燃燒反應(yīng)劇烈，放熱較多，但由于預(yù)噴燃燒放熱處于壓縮沖程，所以指示熱效率較低，在燃燒效率和指示熱效率的綜合作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨預(yù)噴油量的增大而增大。

圖8示出排放隨預(yù)噴油量比的變化?？梢钥吹剑琋Ox的排放隨預(yù)噴油量的增大而增大，由于預(yù)噴射產(chǎn)生的放熱使缸內(nèi)燃?xì)鉁囟壬撸涌炝薔Ox的生成速率。炭煙排放隨預(yù)噴油量的增加而減小，當(dāng)預(yù)噴油量增加時(shí)，缸內(nèi)形成的充量分布均勻的預(yù)混合氣量增大，預(yù)混合燃燒的比例增大，炭煙的排放減少。HC和CO的排放隨預(yù)噴油量的增加出現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。從圖8可見(jiàn)，由于預(yù)噴正時(shí)較早，當(dāng)預(yù)噴油量比增加時(shí)，進(jìn)入濃度過(guò)稀或溫度過(guò)低區(qū)域(如狹縫和擠流區(qū))的燃料量也增多；此外，隨預(yù)噴油量增加，在缸壁或活塞頂面形成的壁面附膜也隨之增加，使得HC的排放增多。CO的排放隨預(yù)噴油量比的增加而減少，CO是化學(xué)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物，與缸內(nèi)溫度有較好的一致性，預(yù)噴油量增加時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度增加，主噴燃燒階段會(huì)促進(jìn)CO氧化反應(yīng)，使得CO排放降低。

2.3 后噴正時(shí)的影響

同時(shí)采用預(yù)噴射、主噴射和后噴射相結(jié)合的3次噴射，研究多次噴射對(duì)燃燒放熱與排放的影響。預(yù)-主-后噴射定時(shí)的設(shè)置是以保證燃油經(jīng)濟(jì)性不惡化為策略，因此，主要研究了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 270 r/min，25%負(fù)荷工況下，3種后噴射正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，此時(shí)主噴正時(shí)上止點(diǎn)后4°，預(yù)噴正時(shí)上止點(diǎn)前38°，燃油噴射壓力140 MPa， EGR率為35%，后噴的燃油質(zhì)量為循環(huán)噴油量的12%。

圖9示出在不同后噴正時(shí)工況下，缸內(nèi)壓力和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。從圖中可以看出，主燃燒放熱后出現(xiàn)了后噴燃料燃燒放熱峰值，后噴放熱峰值的出現(xiàn)時(shí)刻隨后噴正時(shí)的延遲而逐漸延遲。由于后噴燃油是在膨脹過(guò)程噴入，缸內(nèi)溫度已有下降趨勢(shì)，3種后噴正時(shí)均有7°～8°的滯燃期。由于后噴油量較少，缸內(nèi)壓力和主放熱峰值在不同后噴正時(shí)工況下變化都較小。

圖10示出在不同后噴正時(shí)工況下的排放量對(duì)比情況。由于后噴燃料燃燒放熱可以提高對(duì)主燃燒期間生成炭煙的進(jìn)一步氧化，提高了炭煙氧化速率，后噴燃油噴入缸內(nèi)加劇了缸內(nèi)氣流擾動(dòng)，空氣利用率提高，改善了油氣混合，從圖10中可以看出，在相對(duì)較小的主-后噴間隔，炭煙排放降低。當(dāng)后噴射間隔繼續(xù)增大時(shí)，由于后噴燃燒的大大推遲，特別是后噴延遲至上止點(diǎn)后15°以后，后噴燃油噴入到缸內(nèi)時(shí)大多數(shù)區(qū)域均已處于缺氧狀態(tài)，對(duì)炭煙的繼續(xù)氧化作用減弱，炭煙排放惡化更為顯著，甚至后噴射自身也無(wú)法燃燒完全而導(dǎo)致炭煙的生成。如前所述，由于后噴燃油是在膨脹過(guò)程噴入，隨著后噴正時(shí)延遲，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸降低，抑制了NOx的生成，NOx排放隨后噴正時(shí)的延遲而降低。隨著后噴正時(shí)的延遲，CO和HC排放的變化趨勢(shì)都是先上升而后再下降，總體而言，在不同的后噴正時(shí)工況下，CO和HC排放變化均較小。

3 結(jié)論

a) 缸內(nèi)峰值壓力隨預(yù)噴始點(diǎn)的提前而減小，隨著預(yù)噴間隔的增大，預(yù)噴冷焰反應(yīng)的著火正時(shí)提前，主燃燒的著火滯燃期隨預(yù)噴始點(diǎn)提前而縮短，但預(yù)噴正時(shí)對(duì)主燃燒速率和燃燒持續(xù)期的影響較??；預(yù)噴間隔較大時(shí)，總的累計(jì)放熱量和缸內(nèi)溫度明顯減少，燃油消耗率上升，指示熱效率下降；較小的預(yù)噴間隔提高了整體的燃燒效率，累計(jì)放熱量較多；隨預(yù)噴正時(shí)提前炭煙和NOx的排放逐漸降低，而HC和CO的排放增多；

b) 隨預(yù)噴油量的增大缸內(nèi)壓力峰值增大，預(yù)噴燃燒階段的放熱量增大，缸內(nèi)平均溫度提高；繼續(xù)增大預(yù)噴油量時(shí)，雖然預(yù)噴燃燒放熱量繼續(xù)增大，但總累計(jì)放熱量減?。浑S預(yù)噴油量的增加，最大壓力升高率增加，而主噴燃燒壓力升高率和發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率減??；隨預(yù)噴油量的增加，燃燒效率呈先增加后下降的趨勢(shì)；NOx和HC的排放隨預(yù)噴油量的增大而增大，炭煙和CO的排放隨預(yù)噴油量的增加而減??；

c) 后噴放熱峰值的出現(xiàn)時(shí)刻隨后噴正時(shí)的延遲而逐漸延遲，缸內(nèi)壓力和主放熱峰值在不同后噴正時(shí)工況下變化都較?。辉谙鄬?duì)較小的主-后噴間隔，炭煙排放降低，NOx排放隨后噴正時(shí)的延遲而降低，CO和HC排放量的變化趨勢(shì)是先上升而后再下降，但總體而言，CO和HC排放變化均較小。

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[編輯： 潘麗麗]

Influence of Multi-Injection on Combustion and Emission of Diesel Engine

LUAN Xingcun1， CHENG Xiaobei1， YIN Yong2, LIU Bei1，DONG Shijun1， LIU Huan2, WANG Xin1

(1. School of Energy and Power Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China；2. Dongfeng Vehicle Company Limited， Wuhan 442001， China)

On a 6-cylinder, turbocharged, high-pressure common rail diesel engine, the influence of multi-injection on combustion process, heat release rate, emission and fuel economy was studied to realize the homogenous compression ignition and low-temperature combustion based on the pilot injection timing, pilot injection mass and post injection timing. The results show that the peak in-cylinder pressure decreases, the ignition delay of main combustion shortens, the NOxand soot emissions reduce with the advance of pilot injection timing. With the increase of pilot injection fuel mass, the heat release rate and maximum pressure rise of pilot injection combustion increase and the NOxand HC emissions and the PM and CO emissions increase and decrease respectively. As the retarding of post injection timing, the difference of in-cylinder pressure and peak heat release rate decreases, the NOxemission reduces, but the soot emission first increases and then decreases gradually.

direct injection diesel engine； multi-injection； pilot injection timing； heat release rate； emission

2014-10-14；

2015-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176056)；華中科技大學(xué)國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2013ZZGH013)

欒興存(1989—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的燃燒與排放控制；luanbingmiao@163.com 。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.003

TK421.2, 421.5

B

1001-2222(2015)03-0011-06