黎一鍇,薛澤峰,王東方,史中杰,謝勇,李耀宗

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300406)

發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃一般發(fā)生在點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中[1-5]。與汽油機(jī)不同,壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式一般為擴(kuò)散燃燒。然而,在柴油機(jī)燃燒的初級(jí)反應(yīng)階段,非均質(zhì)預(yù)混燃燒起主導(dǎo)作用[6-7],火焰隨著多點(diǎn)自燃著火形成的壓力波擴(kuò)散而傳播[8],因此柴油機(jī)著火燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)爆震現(xiàn)象同樣不容忽視。嚴(yán)重的缸內(nèi)爆震會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物增多[6,9-10]、燃燒噪聲加大[10-12]、工作平順性下降[7,13]以及活塞頂燒蝕[14]等現(xiàn)象。

對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力振蕩原因及影響的探究是許多學(xué)者的工作重點(diǎn)。已有研究表明:缸壓振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)促進(jìn)了缸內(nèi)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng),有利于缸內(nèi)油氣混合;對(duì)于出現(xiàn)明顯缸壓振蕩的循環(huán),其峰值壓力大于燃燒階段的平均峰值壓力且炭煙氧化速率加快,適當(dāng)強(qiáng)度的缸壓振蕩有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的霧化性能[6-7],有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和熱效率[15]。Wang等[16]的研究表明,柴油機(jī)產(chǎn)生爆震現(xiàn)象的主要原因是噴油正時(shí)和噴霧碰壁的共同作用。此外,隨著噴油壓力的提高,噴霧貫穿距離增大,碰壁現(xiàn)象更為明顯,爆震燃燒變得更為頻繁且爆震強(qiáng)度隨之增強(qiáng),因此小尺寸氣缸更容易發(fā)生爆震燃燒現(xiàn)象。Park等[17]通過(guò)可視化單缸機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴油正時(shí)的優(yōu)化也可以降低缸壓振蕩。Guardiola等[18]的研究表明,柴油機(jī)預(yù)混燃燒階段的噴油量是導(dǎo)致缸壓振蕩并產(chǎn)生共振的主導(dǎo)因素,且后續(xù)的擴(kuò)散燃燒幾乎不產(chǎn)生缸壓振蕩。

綜上所述,噴油參數(shù)如噴油正時(shí)、噴油量以及噴油策略的優(yōu)化可以改善缸壓振蕩帶來(lái)的不良影響,但目前對(duì)缸壓振蕩的研究主要集中在高轉(zhuǎn)速(大于等于1 500 r/min[8,11,18])和高負(fù)荷(全負(fù)荷、半負(fù)荷[8,11])時(shí)的粗暴燃燒和燃燒噪聲方面,少有關(guān)注柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷工況下缸內(nèi)壓力的高頻振蕩現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),在低轉(zhuǎn)速工況時(shí)柴油機(jī)振動(dòng)烈度較高,甚至高過(guò)標(biāo)定點(diǎn)工況,振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高反而逐漸減小,而低轉(zhuǎn)速工況柴油機(jī)振動(dòng)烈度較大主要是由缸內(nèi)壓力振蕩造成的[19]。低轉(zhuǎn)速工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩大,柴油噴霧更容易失火,循環(huán)間的著火—失火交替現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)更易產(chǎn)生缸壓振蕩現(xiàn)象,同時(shí)缸內(nèi)燃油大量不完全燃燒導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化。此外,目前主要通過(guò)優(yōu)化噴油特性、優(yōu)化噴油參數(shù)以及縮短柴油噴霧滯燃期等方法來(lái)減少缸壓振蕩、降低柴油機(jī)排放。噴油參數(shù)的優(yōu)化主要是針對(duì)多次噴射模式下的預(yù)噴正時(shí)、主噴正時(shí)和主噴油量等。然而,多次噴射策略雖然可以優(yōu)化柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程,在控制缸內(nèi)壓力振蕩的同時(shí)減少燃燒噪聲,但與單次噴射相比,其燃油分多次注入缸內(nèi),會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不夠集中、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等容度下降等現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致在噴油量相同的條件下做功能力變低、功率密度變小、燃燒效率變低、燃油經(jīng)濟(jì)性變差,在低壓縮比柴油機(jī)上該特點(diǎn)更為顯著。

因此,有必要探明柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況下單次噴射策略對(duì)缸壓振蕩現(xiàn)象和污染物排放的影響規(guī)律。為此,針對(duì)某型號(hào)單次噴射直噴式柴油機(jī),基于單缸機(jī)試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了低轉(zhuǎn)速工況下單次噴射噴油量對(duì)缸內(nèi)壓力振蕩現(xiàn)象以及NOx和Soot排放的影響規(guī)律研究。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架布置

試驗(yàn)在132 mm缸徑單缸柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行,圖 1示出臺(tái)架系統(tǒng)框架,單缸機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1,設(shè)備測(cè)試精度見(jiàn)表2,試驗(yàn)控制參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 設(shè)備測(cè)試精度

表3 試驗(yàn)控制參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在800 r/min,噴油提前角恒定為-24°曲軸轉(zhuǎn)角,控制噴油脈寬為3 500～6 000 μs,研究變噴油量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況。如圖2所示,噴油脈寬與噴油量呈線性正相關(guān)趨勢(shì),因此可以通過(guò)控制噴油脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)噴油量的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在控制其他變量不變情況下,得到單缸機(jī)不同噴油脈寬下的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)。提取800 r/min穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)缸內(nèi)燃燒40個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,從缸內(nèi)著火燃燒和排放物Soot及NOx統(tǒng)計(jì)來(lái)分析噴油量對(duì)冷起動(dòng)工況下柴油機(jī)缸壓振蕩和污染物排放特性的影響。

2.1 缸內(nèi)壓力振蕩

不同噴油量下的缸內(nèi)壓力曲線如圖3所示。從圖中可以看出,隨著噴油脈寬從3 500 μs增加到6 000 μs,缸內(nèi)壓力顯著增加,燃燒峰值壓力從4.2 MPa顯著增高到8.7 MPa,這表明缸內(nèi)燃燒隨著噴油量的增加顯著增強(qiáng)。但值得關(guān)注的是,隨著噴油量的增加,缸壓曲線的著火燃燒階段出現(xiàn)不容忽視的“壓力波動(dòng)”現(xiàn)象。從著火階段的缸壓曲線放大圖中可以看出,當(dāng)噴油脈寬為3 500 μs時(shí),噴油量較少,缸內(nèi)燃燒微弱,缸壓峰值較低,缸壓曲線平滑,發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎不發(fā)生壓力振蕩;當(dāng)噴油脈寬為4 000 μs時(shí),缸壓峰值顯著增加,壓力升高速率加塊,出現(xiàn)微弱的壓力波動(dòng);當(dāng)噴油脈寬增加到4 500 μs時(shí),峰值壓力繼續(xù)增大,出現(xiàn)明顯的缸壓振蕩,尤其在速燃期終點(diǎn)附近最為明顯;之后隨著噴油脈寬的持續(xù)增加,缸壓振蕩在5 000 μs時(shí)達(dá)到最大,之后繼續(xù)增加噴油脈寬,峰值壓力雖然隨之增大,但壓力波動(dòng)逐漸減弱。總之,隨著噴油量的增加(噴油脈寬從3 500 μs增加到4 500 μs),著火階段的缸壓波動(dòng)愈發(fā)明顯,且振蕩時(shí)間延長(zhǎng),缸壓振蕩逐漸增強(qiáng);但當(dāng)噴油量持續(xù)增加(噴油脈寬從5 000 μs增加到6 000 μs)時(shí),缸壓波動(dòng)又逐漸衰減,振蕩時(shí)間縮短,缸壓振蕩逐漸減弱。缸壓振蕩隨著噴油量的增加呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

初始缸壓經(jīng)高通濾波后可以得到近似平滑的缸壓濾波信號(hào),用初始缸壓數(shù)據(jù)減去濾波信號(hào)可以得到缸壓振蕩的強(qiáng)度曲線,如圖4所示?？梢钥闯?不同噴油脈寬下的缸壓振蕩強(qiáng)度曲線均呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),在-10°曲軸轉(zhuǎn)角左右時(shí)出現(xiàn)振蕩并且迅速達(dá)到振幅峰值,隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加,振蕩強(qiáng)度逐漸衰減,在10°曲軸轉(zhuǎn)角之后振蕩強(qiáng)度幾乎衰減為0。在相同的曲軸轉(zhuǎn)角下,隨著噴油脈寬的增加,振蕩強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大而后逐漸減小的趨勢(shì),在噴油脈寬為5 000 μs時(shí)振幅達(dá)到最大,之后隨著噴油脈寬的增大振幅逐漸減小。用最大壓力振蕩幅度ΔPmax來(lái)進(jìn)一步量化比較缸內(nèi)燃燒時(shí)的振蕩強(qiáng)度,其被定義為振蕩強(qiáng)度曲線的最大波峰和波谷的差值。

如圖5所示,ΔPmax在3 500～4 500 μs時(shí)急劇增大,之后增長(zhǎng)速率趨于平緩;在5 000 μs時(shí)ΔPmax達(dá)到最大值0.84 MPa并在之后逐漸減小,缸壓振蕩逐漸減弱。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的壓力振蕩不僅造成能量的損失,更重要的是振蕩能量對(duì)機(jī)械部件沖擊較大,會(huì)在縮短機(jī)械部件壽命的同時(shí)帶來(lái)巨大工作噪聲。缸壓振蕩能量可以通過(guò)對(duì)振蕩區(qū)間內(nèi)缸內(nèi)壓力振蕩強(qiáng)度的平方積分計(jì)算得出:

圖6a和圖6b分別示出缸壓振蕩強(qiáng)度平方的累計(jì)積分曲線和不同噴油脈寬下的缸壓振蕩能量。從圖6a中可以看出,不同噴油脈寬下缸壓振蕩強(qiáng)度平方的積分曲線隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),即缸壓振蕩造成的累計(jì)能量主要來(lái)自于振蕩前期,后續(xù)的小幅度波動(dòng)對(duì)缸壓振蕩能量的量級(jí)影響很小,體現(xiàn)在圖6a中為各曲線在0°曲軸轉(zhuǎn)角后基本保持水平。結(jié)合前文總體來(lái)看,隨著噴油脈寬的增加,噴油量增多,缸內(nèi)壓力上升,燃燒峰值壓力也上升,當(dāng)噴油脈寬為3 500 μs和4 000 μs時(shí),缸壓振蕩所產(chǎn)生的能量幾乎可以忽略不計(jì);當(dāng)噴油脈寬增加到4 500 μs時(shí),振蕩能量初次呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng);當(dāng)噴油脈寬增加到5 000 μs時(shí),振蕩能量隨之增大且能量增長(zhǎng)速率加快;當(dāng)噴油脈寬為5 500 μs時(shí),振蕩能量下降,維持到與4 500 μs時(shí)相同的量級(jí);而當(dāng)噴油脈寬增大到6 000 μs后,振蕩能量迅速減少,約為5 500 μs時(shí)的1/3,5 000 μs時(shí)的1/4。此外,從圖6b中同樣可以看出,隨著噴油脈寬的增加,振蕩能量先增加后減小,且增長(zhǎng)或下降速率較快。5 000 μs噴油脈寬對(duì)應(yīng)的噴油量同樣是振蕩能量增長(zhǎng)拐點(diǎn),與缸壓振蕩強(qiáng)度呈現(xiàn)一致性,之后增加噴油量缸壓振蕩能量顯著降低。

氣缸內(nèi)壓力振蕩的頻率特性對(duì)于分析燃燒室內(nèi)的爆震燃燒現(xiàn)象是必不可少的。缸內(nèi)壓力可以看作一種時(shí)域信號(hào),指征的是缸內(nèi)壓力信號(hào)隨時(shí)間(曲軸轉(zhuǎn)角)的變化規(guī)律。缸內(nèi)壓力時(shí)域信號(hào)可以通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),可用來(lái)反映該缸壓信號(hào)的強(qiáng)度在不同頻率上的分布,得到的強(qiáng)度隨頻率的變化曲線即為缸壓信號(hào)的頻域信號(hào)。800 r/min轉(zhuǎn)速下在單次循環(huán)720°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)取7 200個(gè)采樣點(diǎn),采樣間隔為0.1°曲軸轉(zhuǎn)角,換算為時(shí)間即總采樣時(shí)間為0.15 s,據(jù)此得出時(shí)窗內(nèi)不同噴油脈寬的缸內(nèi)壓力經(jīng)傅里葉變換(FFT)得到的頻率-振蕩聲壓級(jí)曲線圖,通過(guò)噪聲聲壓級(jí)dB來(lái)表征缸壓振蕩的強(qiáng)度特性,如圖7所示。從圖中可以看出,不同噴油脈寬下缸壓振蕩強(qiáng)度在特定幾個(gè)頻段內(nèi)顯著上升,較明顯的頻段有3 500,4 200,5 000 Hz,且均處于相對(duì)低頻段內(nèi),而高頻段分布雜亂的低強(qiáng)度波動(dòng)。

圖8示出不同噴油脈寬下缸壓曲線經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(STFT)后得到的缸壓頻譜MAP圖,從圖中可以定位上述幾個(gè)振蕩強(qiáng)度明顯上升頻率段的分布位置。從圖8中可以看出,高強(qiáng)度振蕩均位于上止點(diǎn)前,結(jié)合圖3缸壓曲線可以確定缸內(nèi)壓力振蕩主要分布在速燃期尾段到緩燃期初段,振蕩頻率主要為3 000～5 000 Hz。隨著噴油脈寬的增加,缸壓振蕩強(qiáng)度逐漸增大,且最大振蕩強(qiáng)度點(diǎn)的頻率從2 000 Hz逐漸增加到10 000 Hz,這一變化趨勢(shì)在噴油脈寬3 500 μs到4 500 μs最為明顯,在噴油脈寬為5 000 μs時(shí)振蕩頻率分布范圍最大,后續(xù)隨著噴油量的增多該現(xiàn)象變化不再明顯甚至出現(xiàn)輕微的下降趨勢(shì)。

2.2 缸內(nèi)燃燒規(guī)律

為探明本試驗(yàn)中壓力振蕩對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響規(guī)律,將缸內(nèi)壓力曲線對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角求導(dǎo)獲得壓力升高率曲線。圖9示出壓力升高率曲線和缸內(nèi)燃燒的瞬時(shí)放熱率曲線,瞬時(shí)放熱率曲線和壓力升高率曲線呈現(xiàn)同步變化趨勢(shì),兩者的峰值互相對(duì)應(yīng),放熱率曲線和壓力升高率曲線同步對(duì)比分析可以更好地了解柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特點(diǎn)。隨著燃油噴入缸內(nèi),低溫燃油與缸內(nèi)高溫氣體混合,柴油汽化吸熱,導(dǎo)致瞬時(shí)放熱率短暫下降,隨著著火燃燒放熱,預(yù)混合氣體大面積多點(diǎn)著火,缸內(nèi)壓力爆發(fā)式增大,壓力升高率和瞬時(shí)放熱率曲線直線上升。隨著滯燃期內(nèi)生成的可燃預(yù)混合氣體燃燒殆盡,壓力升高率和放熱速率下降,且由于柴油機(jī)在冷起動(dòng)工況下運(yùn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷小,后續(xù)噴油量少,緩燃期擴(kuò)散燃燒比例降低,瞬時(shí)放熱率曲線不會(huì)出現(xiàn)明顯的柴油燃燒特有的“雙峰”現(xiàn)象。隨著噴油量的增多,緩燃期和后燃期的初段出現(xiàn)缸內(nèi)壓力振蕩,這導(dǎo)致缸內(nèi)壓力升高率波動(dòng)幅度增大,壓力升高率最大值從3 500 μs的0.42 MPa/(°)快速增加到4 500 μs的4.71 MPa/(°)。當(dāng)噴油脈寬大于4 500 μs時(shí),隨著噴油量的增加,壓力升高率最大值增長(zhǎng)幅度減小,甚至在6 000 μs時(shí)最大值(4.4 MPa/(°))低于4 500 μs噴油脈寬工況。壓力升高率的變化趨勢(shì)與缸壓振蕩規(guī)律一致,同樣隨著噴油量的增多先變大后減小。同時(shí),也可以看到瞬時(shí)放熱率曲線在壓力升高率變化的同時(shí)均呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)。

缸內(nèi)燃燒的累計(jì)放熱量曲線如圖10所示。隨著噴油脈寬增大噴油量增多,燃燒放熱始點(diǎn)提前,燃燒累計(jì)放熱量增長(zhǎng)較多,這一點(diǎn)在噴油脈寬3 500 μs到4 500 μs較為明顯。后續(xù)隨著噴油量的增多,燃燒始點(diǎn)提前的幅度減小,燃燒累計(jì)放熱量差距減小,尤其是噴油脈寬從5 500 μs增加到6 000 μs時(shí),燃燒累計(jì)放熱量相差很小。

圖1 臺(tái)架系統(tǒng)框架圖

圖2 噴油脈寬與噴油量的關(guān)系

圖3 缸內(nèi)壓力

圖4 不同噴油脈寬下的缸壓振蕩強(qiáng)度

圖5 ΔPmax隨噴油脈寬的變化規(guī)律

圖6 不同噴油脈寬下的振蕩強(qiáng)度積分曲線和缸壓振蕩能量值

圖7 缸內(nèi)壓力頻域分析

圖8 不同噴油脈寬下缸壓振蕩頻譜分布

圖9 不同脈寬下的缸內(nèi)燃燒壓力升高率曲線和瞬時(shí)放熱率曲線

圖10 缸內(nèi)燃燒累計(jì)放熱量

燃燒累計(jì)放熱量10%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(CA10)為著火延遲終點(diǎn),噴油提前角到著火延遲終點(diǎn)的時(shí)間即為著火滯燃期。不同噴油脈寬下的著火滯燃期如圖11所示。總體來(lái)看,隨著噴油量的增加,冷起動(dòng)工況下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)著火滯燃期先迅速減小而后緩慢增加,存在最佳噴油量(對(duì)應(yīng)噴油脈寬5 500 μs),使得著火滯燃期最小。結(jié)合上文缸壓振蕩現(xiàn)象可知,缸壓振蕩強(qiáng)度和著火滯燃期呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),即缸壓振蕩強(qiáng)度小時(shí)對(duì)應(yīng)的著火滯燃期較長(zhǎng),缸壓振蕩強(qiáng)度較大時(shí)對(duì)應(yīng)的著火滯燃期較短。由此可知,缸壓振蕩對(duì)縮短缸內(nèi)著火滯燃期有益。

圖11 著火滯燃期隨噴油脈寬的變化規(guī)律

已有科研工作者指出,缸內(nèi)壓力振蕩是預(yù)混燃燒產(chǎn)生的超聲速壓力波與擴(kuò)散燃燒火焰前鋒面相互碰撞造成的,振蕩的具體表現(xiàn)與環(huán)境條件、噴油參數(shù)和氣缸尺寸相關(guān)[16,20]。重型柴油機(jī)柴油噴霧撞壁強(qiáng)化霧化和油氣混合是預(yù)混燃燒產(chǎn)生的重要因素。低溫低密度低噴油壓力工況下,柴油注入缸內(nèi)霧化困難,隨著液相噴霧到達(dá)氣缸壁面發(fā)生撞壁反彈,燃油液滴破碎得到強(qiáng)化,近壁面霧化效果加強(qiáng),油氣混合速率加快,促進(jìn)預(yù)混燃燒生成藍(lán)色反應(yīng)波,反應(yīng)波向主燃燒區(qū)域傳播,傳播速率超過(guò)當(dāng)?shù)芈曀?甚至可以達(dá)到1 200 m/s以上,主燃燒擴(kuò)散火焰前鋒面與反應(yīng)波碰撞導(dǎo)致類似于爆炸的劇烈燃燒,造成缸壓振蕩。因此局部預(yù)混燃燒和主燃燒區(qū)域擴(kuò)散燃燒的高速碰撞是爆震燃燒、缸壓振蕩的形成條件。

對(duì)于本試驗(yàn)工況,噴油脈寬為3 500 μs時(shí)滯燃期為3.69 ms,即在缸內(nèi)著火之前便停止噴油,由于燃油量少,霧化和著火效果好,缸內(nèi)燃燒主要為預(yù)混燃燒,因此幾乎不發(fā)生缸壓振蕩。隨著噴油量的增多,燃油注入缸內(nèi)后油束霧化蒸發(fā)變差,噴霧貫穿距離延長(zhǎng),撞壁后近壁面的預(yù)混合燃燒反應(yīng)波傳遞到主燃燒區(qū)域,因此缸壓振蕩增強(qiáng),燃燒放熱量增大,同時(shí)縮短了著火滯燃期。然而,過(guò)多的燃油噴射量會(huì)導(dǎo)致油束更加難以霧化,主燃燒區(qū)域的擴(kuò)散燃燒火核難以形成,擴(kuò)散燃燒比例相對(duì)下降,滯燃期延長(zhǎng),缸壓振蕩強(qiáng)度下降,同時(shí)由于更多燃油沒(méi)有完全燃燒,放熱效率下降,累計(jì)放熱量增長(zhǎng)幅度有限。另外,通過(guò)缸內(nèi)壓力可以得到不同噴油脈寬下缸內(nèi)燃燒的平均指示壓力,如圖12所示。隨著噴油量的增多,平均指示壓力先增大,之后基本穩(wěn)定在0.65～0.72 MPa之間,表明燃油量的增多并沒(méi)有表現(xiàn)出理想的做功能力,壓力振蕩的減弱對(duì)燃燒效率有不利影響。

圖12 平均指示壓力隨噴油脈寬的變化規(guī)律

2.3 排放特性

除了研究缸內(nèi)壓力及燃燒放熱規(guī)律外,燃燒階段缸內(nèi)生成物的變化規(guī)律也值得深入探究。從污染物排放的角度分析缸內(nèi)燃燒時(shí)局部熱力狀態(tài)變化,從而更加深入地揭示缸內(nèi)壓力振蕩機(jī)制。以NOx和Soot為特征變量,通過(guò)排放物分析儀得到缸內(nèi)燃燒后NOx和Soot的排放水平,圖13示出NOx排放量及煙度隨噴油持續(xù)期的變化。由圖13可以看出,NOx和Soot的排放呈現(xiàn)出截然不同的趨勢(shì):隨著噴油量的增多,NOx排放量先增加后減少,在噴油脈寬4 500 μs時(shí)達(dá)到排放量的拐點(diǎn);而煙度則持續(xù)增加,在噴油脈寬為4 500 μs前增長(zhǎng)速率較小,在其之后速率急劇增大,即4 500 μs是煙度增長(zhǎng)速率的拐點(diǎn)。根據(jù)缸內(nèi)排放物生成機(jī)理可知,噴油量較少時(shí),燃料空氣比較低,缸內(nèi)局部當(dāng)量比較低,形成高溫富氧環(huán)境,此時(shí)有利于NOx的生成,且預(yù)混燃燒占比較大,燃燒效率高,因此Soot生成量很少。隨著噴油量的增多,缸內(nèi)壓力振蕩現(xiàn)象在噴油脈寬為4 500 μs時(shí)變得劇烈,預(yù)混火焰反應(yīng)波與擴(kuò)散火焰碰撞發(fā)生類似于爆炸的劇烈燃燒,局部氧含量迅速降低,局部當(dāng)量比上升,燃燒效率降低,高溫缺氧環(huán)境促進(jìn)了Soot的生成,同時(shí)NOx生成速率也顯著降低,故在4 500 μs噴油脈寬之后呈現(xiàn)出與曲線前段截然不同的規(guī)律。

從缸內(nèi)壓力曲線和燃燒生成物的分析結(jié)果可知,當(dāng)噴油量過(guò)小時(shí),缸內(nèi)燃燒微弱,燃燒峰值壓力較低,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足,即便缸內(nèi)壓力波動(dòng)平緩也無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力需求。噴油量過(guò)多時(shí),缸壓振蕩現(xiàn)象可以被顯著“優(yōu)化”,但是過(guò)量燃油導(dǎo)致缸內(nèi)當(dāng)量比增加,燃燒所需空氣量不足,大量燃油的不完全燃燒導(dǎo)致Soot排放急劇增大,同樣體現(xiàn)出不良燃燒后果。宏觀上看,缸壓振蕩強(qiáng)度處于峰值點(diǎn)位置時(shí)燃燒產(chǎn)物NOx呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且Soot量處于較低水平,缸壓振蕩現(xiàn)象體現(xiàn)出對(duì)燃燒排放物優(yōu)化的有利效果,這一點(diǎn)在Kyrtatos等[6-7]的研究中可以得到驗(yàn)證。因此,低轉(zhuǎn)速工況下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力振蕩和污染物排放量顯現(xiàn)出一種競(jìng)爭(zhēng)權(quán)衡關(guān)系,這為發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈寬的選擇提供了參考。

3 結(jié)論

基于單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究,從缸內(nèi)壓力振蕩的頻率特性、燃燒放熱規(guī)律以及排放特性三方面綜合分析了柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況下噴油量對(duì)缸內(nèi)振蕩的影響,得出以下結(jié)論:

a) 隨著噴油量的增多,缸內(nèi)壓力出現(xiàn)明顯振蕩現(xiàn)象,且缸壓振蕩強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱,試驗(yàn)工況下噴油脈寬5 000 μs是振蕩幅度曲線變化拐點(diǎn);同時(shí)缸壓振蕩頻率主要分布頻段為3 000～5 000 Hz;

b) 缸內(nèi)燃燒放熱各性能指標(biāo)與缸壓振蕩的變化規(guī)律呈現(xiàn)高度一致性,適當(dāng)強(qiáng)度的缸壓振蕩有利于提高缸內(nèi)燃燒效率;當(dāng)噴油脈寬從3 500 μs增加到4 500 μs左右時(shí),隨著噴油量的增多,缸壓振蕩逐漸增強(qiáng),壓力升高率變化幅度隨之變大,而著火滯燃期則明顯縮短,燃燒和平均指示壓力顯著增大;隨著繼續(xù)增大噴油脈寬,缸壓振蕩強(qiáng)度逐漸開(kāi)始減弱,此時(shí)壓力升高率變化也隨之減弱,滯燃期、累計(jì)放熱量和平均指示壓力變化不再明顯;

c) 污染物排放量與缸壓振蕩強(qiáng)度相關(guān),由于Soot生成需要高溫缺氧環(huán)境,而NOx生成需要高溫富氧條件,兩者生成量呈現(xiàn)截然不同的變化規(guī)律;缸壓振蕩導(dǎo)致火焰局部當(dāng)量比升高,化學(xué)條件從高溫富氧向高溫缺氧轉(zhuǎn)變,因此在4 500 μs之后隨著缸壓振蕩的增強(qiáng)NOx排放量降低,而Soot排放量大幅增加。