昂飛 鹿盈盈 范超

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816）

主題詞：重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 后噴 多次主噴 排放

1 前言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)運(yùn)用后噴技術(shù)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放量進(jìn)行了大量的研究。Kitamura等利用耦合詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理繪制當(dāng)量比與溫度的分布圖，以尋找避開(kāi)NO和碳煙生成區(qū)域的方法。為了解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下的碳煙生成問(wèn)題，F(xiàn)arhan 等研究了重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，認(rèn)為后噴射策略可以減少柴油機(jī)的污染物排放量。Arrègle 等認(rèn)為，主后噴間隔過(guò)大時(shí)，由于缸內(nèi)溫度較低，后噴燃油無(wú)法完全氧化，產(chǎn)生碳煙，主后噴間隔小時(shí)，燃燒相位接近上止點(diǎn)，NO生成較多。Tow 等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，主后噴模式可明顯降低碳煙排放量。Ojeda等研究發(fā)現(xiàn)，主后噴間隔較短時(shí)碳煙排放量降低不明顯，只有當(dāng)主后噴間隔大于30°CA時(shí)碳煙排放量降低效果明顯。Payri等發(fā)現(xiàn)，部分負(fù)荷下后噴比例在15%～20%范圍內(nèi)時(shí)，碳煙排放量降低效果最明顯。Mohan 等發(fā)現(xiàn)，中等負(fù)荷工況下主后噴間隔40°CA、后噴比例為14.5%時(shí)可得到最低碳煙排放量。Garcia等發(fā)現(xiàn)過(guò)量的后噴燃油比例會(huì)促使較多的燃油噴霧之間相互作用而導(dǎo)致燃燒發(fā)展的惡化。王攀等研究發(fā)現(xiàn)，后噴的加入可以顯著降低NO排放量，最大降幅為26.7%。運(yùn)用后噴技術(shù)改善燃燒排放問(wèn)題主要有2種途徑：促進(jìn)燃燒室中燃油與空氣的混合形成良好均質(zhì)混合氣；分次噴射柴油降低缸內(nèi)燃燒溫度抑制NO生成，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大量碳煙。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在低速高負(fù)荷工況下，由于噴油量多、噴油持續(xù)時(shí)間縮短和著火滯燃期短暫，噴油終點(diǎn)出現(xiàn)在燃燒始點(diǎn)之后，NO排放情況惡化，著火前形成的預(yù)混合氣量較少，擴(kuò)散燃燒占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)最終排放量起決定性作用。本文在前人優(yōu)化主噴和后噴工作的基礎(chǔ)上，在論證模型可靠后，將主噴末端部分油量作為后噴，依據(jù)熱效率和排放物折中效果，優(yōu)化2次噴射主后噴比例、間隔和定時(shí)，然后將主噴分為多個(gè)脈沖，優(yōu)化各主噴脈沖比例、間隔和定時(shí)，以期優(yōu)化各脈沖的混合時(shí)間和混合空間，分段噴油來(lái)增加混合氣量，形成適當(dāng)?shù)幕旌蠚猱?dāng)量比，降低NO排放量，并減少燃燒室壁面處的燃油和碳煙濃區(qū)，進(jìn)一步降低各污染物排放量和提高燃燒效率。

2 試驗(yàn)裝置和數(shù)值仿真模型

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

表1所示為某品牌WP10H型六缸重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。該系統(tǒng)以原機(jī)第1缸作為試驗(yàn)缸，其他缸對(duì)第1缸起拖動(dòng)作用。改造后的單缸試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 單缸試驗(yàn)系統(tǒng)示意

表1 重型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該試驗(yàn)系統(tǒng)由單獨(dú)的電控高壓共軌燃油供給系統(tǒng)、外源模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)、可變氣門正時(shí)（Variable Valve Timing，VVT）系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、多功能燃燒參數(shù)采集分析系統(tǒng)以及尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)等組成。噴油控制采用原機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的控制策略，并對(duì)非試驗(yàn)缸進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、排氣壓力、水溫、機(jī)油溫度等進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控。

2.2 數(shù)值仿真模擬及合理性驗(yàn)證

由于所用ω型燃燒室完全居中，所選用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用8 孔噴油器，系統(tǒng)的幾何形狀是對(duì)稱的，為減少計(jì)算耗時(shí)，取燃燒室的1/8，即45°扇形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，圖2所示為上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格。數(shù)值模擬中湍流模型選用k-zeta-f模型，燃燒模型選用ECFM-3Z模型，NO排放模型選擇Extended Zeldovich 模型，碳煙模型選擇Kinetic 模型，由于采用進(jìn)氣門晚關(guān)技術(shù)，計(jì)算始點(diǎn)為-90°CA ATDC（進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻），計(jì)算終點(diǎn)為126°CA ATDC（排氣門開(kāi)啟時(shí)刻），此時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化小且缸內(nèi)產(chǎn)生排放物的量趨于穩(wěn)定。缸內(nèi)初始溫度為380 K，主噴噴油定時(shí)為3°CA ATDC，總噴油量為150 mg，轉(zhuǎn)速為1 296 r/min。

圖2 上止點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)格

圖3 所示為在20%EGR 率下的基準(zhǔn)工況缸內(nèi)壓力和放熱率仿真與測(cè)量對(duì)比結(jié)果。由圖3可知：仿真缸壓曲線和瞬時(shí)放熱率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這表明壓力對(duì)污染物排放量評(píng)估的影響較小；仿真與試驗(yàn)結(jié)果著火時(shí)刻和燃燒持續(xù)期基本吻合，證明了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。

圖3 模擬與試驗(yàn)對(duì)比

2.3 主后噴間隔角的影響

試驗(yàn)測(cè)得單次噴射（無(wú)后噴）產(chǎn)生的NO和碳煙排放量分別為5.052 g/(kW·h)和0.003 7 g/(kW·h)。仿真測(cè)得NO和碳煙排放量隨后噴定時(shí)的波動(dòng)趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)得的趨勢(shì)一致。將主后噴的比例固定，后噴定時(shí)從30°CA ATDC 依次間隔5°CA 逐漸增加到50°CA ATDC。由于后噴導(dǎo)致在燃燒后期缸壓、溫度和放熱率再次升高，隨著后噴時(shí)刻的逐漸推后，后噴燃油燃燒放熱推遲。

圖4 所示為20%EGR 率條件下后噴油量比例分別為10%、15%和20%時(shí)NO和碳煙的排放率受后噴定時(shí)的影響規(guī)律。后噴使得缸內(nèi)的溫度和壓力再次提升，但缸內(nèi)的平均溫度峰值比單次噴射平均溫度峰值低，伴隨著間隔角度增大，溫度再次升高的時(shí)刻也推遲，可以看出單次噴射加后噴策略產(chǎn)生的NO排放量比單次噴射低。活塞下行，氣缸容積增大，缸內(nèi)的溫度大幅降低，抑制了NO的生成，NO排放量降低，但NO隨主后噴定時(shí)的推遲波動(dòng)變化不大。當(dāng)主后噴間隔較小時(shí)，短時(shí)間內(nèi)噴射的燃油較多，燃油與空氣混合不均勻且局部溫度高、氧氣不充分導(dǎo)致了碳煙排放量增加，后噴的燃油增大了缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，有利于促進(jìn)缸內(nèi)中間產(chǎn)物的二次氧化，隨著后噴定時(shí)的不斷推后，后噴的時(shí)刻過(guò)于靠后，活塞下行過(guò)多，燃燒區(qū)溫度低，抑制了碳煙的后氧化過(guò)程，使得碳煙排放量再次升高。3種不同的后噴比例均存在最佳的后噴定時(shí)（45°CA ATDC）使得NO和碳煙排放量最低。

圖4 20%EGR率條件下后噴定時(shí)對(duì)污染物排放量的影響

2.4 后噴比例的影響

通過(guò)對(duì)各后噴定時(shí)的分析可得，45°CA ATDC的后噴定時(shí)對(duì)降低污染物排放量效果最為顯著，因此在固定后噴定時(shí)的基礎(chǔ)上探究不同后噴比例對(duì)NO和碳煙排放量的影響。固定后噴定時(shí)為45°CA ATDC，后噴油量從占總噴油量的10%逐漸增加到20%，主噴燃油量減小，會(huì)導(dǎo)致溫度和放熱率的峰值逐漸降低，致使有后噴時(shí)所產(chǎn)生的NO排放量比無(wú)后噴時(shí)產(chǎn)生的NO排放量低，且后噴油量的增加也會(huì)導(dǎo)致燃燒后期的缸壓、溫度逐漸升高。

圖5所示為20%EGR率條件下后噴比例對(duì)NO和碳煙排放量的影響規(guī)律。與單次噴射比，后噴比例對(duì)NO排放量的影響不明顯。后噴比例為15%時(shí)碳煙排放量最低，增加后噴比例，排放碳煙量再次升高，這是因?yàn)楹髧娪土康脑黾訒?huì)提高缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，加速了燃燒產(chǎn)物與空氣的混合，促進(jìn)了主噴燃燒末期的未燃碳?xì)涞难趸瑫r(shí)后噴燃油使得缸內(nèi)溫度再次升高，兩者共同降低了碳煙排放量。但隨著后噴油量的增多，后噴燃油與主噴燃燒剩余的空氣混合不均勻，致使碳煙的排放量又顯著提高，因此針對(duì)污染物排放量，存在最佳后噴比例。

圖5 后噴油量對(duì)污染物排放量的影響

3 主噴射策略方案

由以上研究結(jié)果可得，后噴定時(shí)45°CA ATDC和后噴比例15%的條件下NO和碳煙排放量較低。保持循環(huán)噴油量為150 mg、EGR 率為20%不變，原機(jī)噴油定時(shí)為3°CA ATDC，研究在固定后噴定時(shí)和后噴比例條件下，主噴參數(shù)改變對(duì)排放和熱效率的影響，將單次主噴分為不同間隔的多次主噴，并使多次主噴最后一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)刻在后噴開(kāi)始之前，如圖6所示?！?次主噴-5”意義為第1 次主噴噴油定時(shí)為3° CA ATDC，采用2 次主噴，多次主噴脈沖間隔角度為5°CA。多次主噴間隔均為等曲軸轉(zhuǎn)角，質(zhì)量比例均等。

圖6 噴射策略示意

4 結(jié)果與討論

4.1 多次主噴對(duì)指示熱效率和排放的影響

固定后噴比例與定時(shí)，按等質(zhì)量比例和等時(shí)間間隔將主噴分為多次噴射，多種主噴射策略進(jìn)行仿真計(jì)算。圖7所示為3次主噴條件下不同主噴間隔對(duì)缸內(nèi)燃燒影響的對(duì)比，多次主噴相對(duì)于單次主噴，燃油未在短時(shí)間內(nèi)全部噴射，有助于充分利用整個(gè)氣缸內(nèi)的新鮮空氣，噴油定時(shí)不同，每次噴射燃油蒸氣分布的量也不同，改善了溫度在短時(shí)間內(nèi)劇烈升高的情況，多次主噴使得缸內(nèi)溫度多次升高，但每次的峰值均較單次主噴峰值低，同時(shí)后期后燃造成缸內(nèi)平均溫度高于單次主噴后期缸內(nèi)溫度。

圖7 多脈沖主噴射對(duì)燃燒的影響

圖8 所示為多次主噴對(duì)2 種污染物排放量的影響，NO生成量的主要影響因素是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。單次噴射時(shí)噴油時(shí)刻的壓力和溫度都超高，噴油持續(xù)期長(zhǎng)，著火滯燃期極短，NO排放量會(huì)急劇增大。在大負(fù)荷下，較長(zhǎng)的噴油持續(xù)期和較多的噴油量使得單次噴油模式混合時(shí)間縮短，缸內(nèi)產(chǎn)生濃混合氣。相比之下，多次噴油模式優(yōu)勢(shì)非常明顯，多個(gè)噴油脈沖可以保證各脈沖油量有足夠的混合時(shí)間，以此改善單次噴射造成的各種弊端。由圖8a、圖8b和圖8c可知，多次主噴策略相對(duì)于單次噴射，降低了缸內(nèi)最高峰值溫度，使得NO排放量大幅改善，隨著多次主噴間隔增加，NO排放量呈現(xiàn)先降低再提高的趨勢(shì)，影響NO再度升高的原因是隨著間隔角度增大，最后一次主噴不斷向后推遲，與原先固定的后噴間隔較小，在短時(shí)間內(nèi)，最后一次主噴與后噴的燃油共同燃燒促使缸內(nèi)的局部位置瞬時(shí)溫度驟然升高，整體的NO排放量增加不明顯（圖7）。噴油的起始點(diǎn)在上止點(diǎn)后，多個(gè)脈沖噴油可以增加缸內(nèi)氣流的擾動(dòng)，使混合氣盡量均勻。峰值溫度低和高溫持續(xù)期的縮短抑制了NO生成。

圖8 多次主噴策略對(duì)污染物排放量的影響

但隨著多次主噴的間隔角度逐漸增大，活塞逐漸下行，燃油的輸出過(guò)于靠后，造成燃油燃燒不完全現(xiàn)象，產(chǎn)生了較多的碳煙。表2所示為2次主噴不同間隔角度對(duì)指示熱效率的影響，多次主噴間隔過(guò)大，促使更多柴油在活塞下行較遠(yuǎn)后才噴出，此時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度降低，缸內(nèi)整體溫度低，后噴量大導(dǎo)致后噴燃油與空氣混合變差，抑制了未燃碳?xì)涞暮笃谘趸紵熍欧帕可?，過(guò)大的間隔角度促使熱效率降低。多次主噴均對(duì)應(yīng)著一個(gè)最優(yōu)的主噴間隔，圖8d 中散點(diǎn)表明了主噴次數(shù)與主噴間隔角度對(duì)排放的影響，根據(jù)排放和熱效率折中效果，各策略存在著一個(gè)最優(yōu)的主噴間隔角度，在主噴次數(shù)為2次和3次時(shí)，10°CA為較好的主噴間隔角度。

表2 2次主噴不同間隔角度的指示熱效率

4.2 多次主噴策略對(duì)污染物排放的影響分析

對(duì)比單次主噴、2次主噴和3次主噴，隨著主噴次數(shù)的增加，2 次主噴-10 與單次主噴相比，NO排放量降低0.77 g/(kW·h)，由于單次主噴噴油持續(xù)期短，使得缸內(nèi)溫度驟然升高（見(jiàn)圖9）導(dǎo)致了NO的生成。當(dāng)主噴被拆分為多次，活塞下行，每次脈沖噴到氣缸的不同位置，且噴入時(shí)的氣缸容積比單次主噴時(shí)的大，平均溫度降低，但充分利用了整個(gè)氣缸內(nèi)的空氣，有利于卷吸到新鮮空氣、增強(qiáng)燃空混合速率，又避免了持續(xù)噴入的燃油進(jìn)入高溫缺氧的區(qū)域，多個(gè)脈沖噴油使得燃燒區(qū)域的溫度適當(dāng)。從圖9可以看出，在55CA ATDC之前，單次主噴缸內(nèi)平均溫度較多次主噴高，溫度低和缸內(nèi)空氣的充分利用的綜合作用抑制了NO生成。隨著主噴次數(shù)的增多，前期缸內(nèi)溫度越來(lái)越低，但最后一次主噴結(jié)束定時(shí)過(guò)度靠后，與后噴定時(shí)間隔小，短時(shí)間內(nèi)噴射出較多燃油燃燒使得后期的缸內(nèi)溫度升高。

圖9 缸內(nèi)溫度對(duì)比

隨著主噴間隔增加，碳煙排放量整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但過(guò)大的主噴間隔使得碳煙排放量急劇增加，且熱效率開(kāi)始顯著下降（見(jiàn)表2）。4次主噴-5、3次主噴-10和2次主噴-10相比較，由圖6可以看出，4次主噴-5主噴結(jié)束定時(shí)先于3 次主噴-10 主噴結(jié)束定時(shí)，隨著完成主噴時(shí)刻的延后，碳煙的排放量逐漸增加。將主噴射進(jìn)一步分成幾個(gè)脈沖，以降低火焰溫度，允許空氣和燃料充分混合，限制擴(kuò)散燃燒的影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低，3次主噴雖然可以得到較低的NO排放量，但相對(duì)于單次主噴和2次主噴，碳煙的排放量較高。碳煙的生成條件是高溫缺氧，前一次的主噴產(chǎn)生的局部高溫是后一次噴射燃油的點(diǎn)火源，后一次噴射的柴油被噴射到了前一次燃燒余留下的高溫區(qū)域，且氧氣量不足，導(dǎo)致碳煙排放量急劇增加。過(guò)度考慮污染物排放會(huì)導(dǎo)致熱效率的降低。表3所示為不同主噴次數(shù)的指示熱效率，多次主噴的熱效率相對(duì)于單次主噴低，燃油噴射結(jié)束定時(shí)越靠后，熱效率越低。

表3 不同主噴次數(shù)的指示熱效率 %

圖10 所示為缸內(nèi)溫度變化云圖和NO 生成穩(wěn)定時(shí)的分布云圖。從圖10 可以看出，噴射總質(zhì)量相同的柴油，多次主噴可以很好地降低缸內(nèi)峰值溫度，2 次主噴-10和3次主噴-10燃油燃燒產(chǎn)生的溫度低均較單次主噴低，因而降低了NO的生成量。

圖10 缸內(nèi)溫度和NO的分布對(duì)比

圖11 所示為缸內(nèi)湍動(dòng)能變化和碳煙生成氧化曲線。由圖11a 可知，多次主噴雖然可以改善NO排放問(wèn)題，但過(guò)多次數(shù)的主噴導(dǎo)致碳煙排放量增加。從圖11b中可以看出，主噴被分成多個(gè)脈沖，一方面可以使缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，另一方面，過(guò)多的主噴次數(shù)導(dǎo)致燃油噴射過(guò)于靠后，對(duì)燃油的氧化過(guò)程不利，導(dǎo)致碳煙后氧化不充分，碳煙的凈生成量增加。多次主噴時(shí)應(yīng)考慮到燃油與空氣混合程度和燃燒區(qū)域的溫度。為折衷考慮排放和效率，合理的主噴定時(shí)才能保證碳煙排放量達(dá)標(biāo)，同時(shí)也可以降低NO排放量，如4次主噴-5。

圖11 湍動(dòng)能和碳煙對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在大負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下后噴和多次主噴對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程和排放的影響，得出以下結(jié)論：

a.單次主噴加后噴模式可以得到較低的NO和碳煙排放量，較單次噴射無(wú)EGR的NO和碳煙排放量降低顯著，較單次噴射+20%EGR方案的NO排放略有降低，碳煙排放量降低顯著。

b.多次主噴加后噴策略在保證指示熱效率沒(méi)有過(guò)度惡化前提下可顯著降低NO排放量，NO排放量隨主噴次數(shù)和主噴間隔增加，缸內(nèi)溫度的降低呈下降趨勢(shì)。隨著各主噴脈沖間隔增大和主噴次數(shù)的增多，著火條件不良，燃料與空氣混合不佳，碳煙的生成量增加，指示熱效率隨脈沖次數(shù)和間隔角度的增加而略有下降。

c.過(guò)大的主噴間隔會(huì)使最后一次主噴脈沖和后噴相互干擾，導(dǎo)致燃燒過(guò)程極度惡化，抑制碳煙的后氧化過(guò)程，碳煙排放量急劇增加。