喷油正时对柴油机燃烧和排放性能影响的试验分析

李 琦，薛 阳，史德宝，尹自斌

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

发动机排放要求日益严格，燃油喷射系统电控化是发动机满足日趋严格排放标准的有效途径。电控燃油喷射系统的喷射参数可根据发动机运转工况的不同灵活调整，全面研究和理解柴油机的喷射参数对燃烧和排放的影响，对于制定科学合理的控制策略至关重要。某柴油机采用电控组合泵燃油喷射系统后，进行喷油正时标定试验。本文通过试验数据分析喷油正时对燃烧和排放性能的影响。

1 实验装置

1.1 实验用柴油机及测试设备

实验在1台废气涡轮增压、不可逆转的四冲程直喷式柴油机上进行，柴油机基本参数如表1所示。

表1 柴油机基本参数Tab.1 Basic parameter of the diesel engine

该柴油机燃油喷射系统采用成都威特EP1000型电控组合泵。系统参数为:柱塞直径12.5 mm，凸轮型线加速度0.46 mm/(°)，高压油管长度900 mm、喷油器孔数8，喷雾夹角150°，喷油器孔径为0.30 mm，最高喷射压力为110 MPa。各主要参数采用的测试设备有:FC2210型智能油耗仪、Horiba MEXA－1600DSEGR型气体分析仪、SG880型水涡流测功机、FC2000发动机测控仪和 DEWE－2010CA型燃烧分析仪。

2 喷油正时对燃烧性能的影响

某船用柴油机电控化改造后，在D2工况模式下进行喷油正时标定试验。喷油正时的变化会影响到柴油机燃烧的全过程，为研究喷油正时对燃烧性能的影响，将采集的缸内压力信号进行均化处理、上止点修正、压力修正等获得示功图，再通过AVL BOOST软件中的BURN程序计算得到缸内压力升高率、燃烧放热率和燃烧温度。

2.1 喷油正时对缸内压力及压力升高率的影响

图1为标定工况下不同喷油正时的缸内压力曲线和压力升高率曲线，图中横坐标中(°CA)表示上止点前的曲轴转角。如图1(a)和图1(b)所示，随着供油提前角的增大，最高燃烧压力有所增加，示功图面积变大，压力升高率峰值愈靠近上止点，峰值愈高。

在同一工况下，供油提前角较大时，喷油时气缸内的温度和压力较低，滞燃期内的平均压力和平均温度降低，使滞燃期延长［1］。滞燃期愈长，则在滞燃期内积累的可燃混合气量和参加预混燃烧的燃料量愈多，燃烧初期愈强烈，从而使速燃期内的燃烧加速度和放热加速度变大，导致缸内最高燃烧压力增大，压力升高率峰值升高［2］。

2.2 喷油正时对燃烧放热率及燃烧温度的影响

图2为标定工况下不同喷油正时的燃烧放热率曲线和燃烧温度曲线。如图2(a)所示，随着喷油正时的增加，燃烧始点前移，放热率曲线往前推移，燃烧放热率第一峰值变大。如图2(b)所示，缸内最高燃烧温度随着喷油正时的增大而增大，相位前移［3］。

图1 不同喷油正下的缸内压力曲线和压力升高率曲线Fig.1 Pressure and pressure rise rate curve of different injection timing

燃烧放热率曲线的第一峰值由滞燃期决定。随着喷油正时的增大，供油提前角愈大，滞燃期愈长，滞燃期内燃油蒸发量增加，形成的可燃混合气也越多，这些可燃混合气在急燃期内几乎一起燃烧，上止点附近的放热量增大，使得放热率更高，曲线的第一峰值越大，缸内最高燃烧温度相应升高，且相位前移。

3 喷油正时对经济性能和排放性能的影响

3.1 喷油正时对经济性能的影响

图3(a)为标定工况下油耗率随喷油正时的变化曲线［4］，图3(b)为D2试验循环各工况点最低油耗率所对应的喷油正时。

图2 不同喷油正下的燃烧分析曲线Fig 2 Combustion analysis curves under different injection timing

图3 经济性能曲线Fig.3 Economic performance curve

从图3(a)中可看出，对于柴油机在确定工况下存在油耗率最低的最优喷油正时［5］。在标定工况下，喷油正时为30°CA时，柴油机的燃油消耗率达210.9 g/kW·h的最低值。从图3(b)可以看出，在D2试验循环下，随着负荷的升高，油耗率最低的最优喷油正时存在随负荷升高而增大的趋势。

3.2 喷油正时对NOx排放性能的影响

为减少船舶废气排放污染， 《MARPOL公约》附则VI— “防止船舶造成空气污染规则”制定了船用柴油机NOx排放控制标准。下面分析喷油正时对该机NOx排放浓度及NOx比排放的影响。

图4(a)和图4(b)分别为标定工况不同喷油正时下的NOx排放浓度和NOx比排放。

图4 NOx排放性能曲线Fig.4 NOx emissions performance curve

由图4(a)可看出，在标定工况下，随着喷油正时的提前，NOx排放浓度明显降低。NOx生成的主要因素是:高温、富氧、高温持续时间。同一工况下，燃烧过程中富氧和高温持续时间变化较小，而受最高燃烧温度的影响较大。在上止点以前，当喷油正时减小，即喷射推迟，滞燃期缩短，预混燃烧峰值降低，上止点附近的放热量减少，因而缸内压力峰值下降，最高平均燃烧温度下降并相位后移，从而导致NOx排放浓度降低［6］。

图4(b)表明在标定工况下，柴油机NOx比排放随喷油正时的提前而增大。NOx比排放是柴油机环保性和经济性的综合反映。NOx排放浓度和油耗率等参数是影响NOx比排放的主要参数。如前所述，同一工况下，存在油耗率最低的最优喷油正时，但NOx比排放主要受NOx排放浓度趋势的影响，呈现出随喷油正时的提前而增大的趋势。这说明喷油正时滞后是降低柴油机NOx排放的有效措施，滞后喷射主要是通过控制最高燃烧温度来降低NOx排放。经济性与排放性二者难于完全兼顾，电控喷油正时的标定通常要在满足排放法规要求的基础上来进行供油定时优化。

4 结语

试验结果分析表明:该柴油机在标定工况下随着喷油正时提前，①呈现缸内燃烧压力升高，压力升高率峰值增大，燃烧放热率峰值增大、燃烧始点提前，缸内燃烧温度升高的趋势;②呈现NOx浓度排放和NOx比排放明显升高，说明喷油正时滞后是降低柴油机NOx排放的有效措施;③存在油耗率最低的最优喷油正时，经济性与排放性二者难于完全兼顾。

［1］周苗.直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和排放影响的数值模拟［D］.大连:大连理工大学，2007.

［2］白向东，刘福水，李向荣，等.基于喷射正时的柴油机燃烧和排放研究［J］.车用发动机，2008(4):12－13.

［3］王建伟.6102增压柴油机燃烧过程与排放特性试验研究［D］.天津:天津大学，2003.

［4］邹强，李旭聪，姚春德.喷油提前角对非道路移动机械用柴油机性能的影响［J］.柴油机，2012(3):16－17.ZOU Qiang，LI Xu-cong，YAO Chun-de.Effect of fuel injection timing on the performance of diesel engines used by off－ road mobile machinery［J］.Diesel Engine，2012(3):16－17.

［5］胡亚楠.发动机燃油经济性影响因素分析［J］.沈阳理工大学学报，2011(1):67－68.HU Ya-nan.Analysis on the Factors Affecting Engine Fuel Economy［J］.Journal of Shenyang Ligong University ，2011(1):67－68.

［6］BAK F.The influence of adjustments and external conditions on emissions from medium speed engines［C］.CIMAC，1998:791－803.