预喷射对轻型柴油机燃烧与排放性能影响的可视化研究*

吕纯昌　贾和坤（-杭州沃德认证技术服务有限公司浙江杭州3005 -江苏大学汽车与交通工程学院）

预喷射对轻型柴油机燃烧与排放性能影响的可视化研究*

吕纯昌1贾和坤2
（1-杭州沃德认证技术服务有限公司浙江杭州310015 2-江苏大学汽车与交通工程学院）

以某轻型柴油机为样机，搭建了缸内燃烧过程可视化试验平台，通过缸内燃烧过程高速摄影、缸内示功图采集及放热率计算分析了预混合低温燃烧模式下预喷射对柴油机缸内燃烧的影响规律。通过所搭建的柴油机缸内工作过程可视化平台可以直观地分析柴油机缸内喷雾燃烧过程。25%负荷工况条件下，随着预喷射油量的增加，扩散火焰出现时刻提前，火焰面积增大，滞燃期缩短，NOx排放量不断下降，碳烟排放与有效燃油消耗率则呈现出先下降后上升的趋势。随着预喷射正时不断提前，但是扩散火焰出现时刻提前，从-4.2°CA提前到-4.8°CA，且扩散火焰面积有增大趋势。NOx排放量与有效燃油消耗率不断上升，碳烟先下降后上升。

柴油机预喷射预混合低温燃烧可视化

引言

随着内燃机日益向高效节能与环保方向发展，突破柴油机传统燃烧模式下有害排放物的生成极限，新一代内燃机燃烧理论与技术的创新研究成为国内外学者的关注热点[1-3]。电控高压共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，由于具有喷油正时、喷油量与喷油规律的高精度、柔性控制等优点得到了广泛应用[4-5]。基于电控高压共轨系统控制的多次喷射耦合高比例冷却EGR策略实现预混合低温燃烧，可实现柴油机超低排放[6-7]。

柴油机中的喷雾、蒸发、混合与燃烧过程非常复杂，并在高温高压下瞬间完成[8]。为了对柴油机工作过程中喷雾、气流运动、火焰扩散等物理过程进行直观的研究分析，加强感性认识的同时探索实现预混合低温燃烧模式的基本途径，本文基于内窥镜式可视化研究系统，直接拍摄缸内喷雾及燃烧火焰的高清晰彩色图像，并利用数字图像处理软件进行图片的采集和分析。通过对比分析预混合低温燃烧条件及不同预喷参数下的缸内工作过程，探索预喷射的作用机理。

1　试验设备与方案

1.1试验设备

研究样机为某四缸水冷轻型车用柴油机，装有电控高压共轨燃油喷射系统。实验采用奥地利AVL公司的Visio scope内窥镜系统，基于该系统搭建了缸内燃烧过程可视化试验平台。该系统由CCD彩色摄像机、图像采集卡、照明光源、角标仪、接口卡和计算机组成。该系统体积小，具有多套组件可供选择，通过将内窥镜头伸入燃烧室，采用CCD彩色相机直接拍摄缸内喷雾及燃烧火焰的高清晰彩色图像，利用数字图像处理软件进行图片的采集、重构、分析，最终得到扩散火焰的温度和碳烟浓度的空间分布信息。

拍摄过程中，AVL 513D系统通过角标仪进行曲轴转角信号同步，因此试验前先用频闪仪确定出发动机的上止点位置，试验过程中的基本设置参数：曝光频率为10Hz，图像分辨率为640×480像素，曝光时间为80μs。试验过程中采用气体分析仪分别测试进气和排气中的CO2浓度，依照公式（1）计算得到EGR率，本文所有试验工况下的EGR率均为65%。CA50的含义为缸内燃烧累计放热量达总放热量50%时对应的曲轴转角。

1.2试验方案

在进气氧浓度、喷射压力和进气温度参数的优化匹配基础上，保持主喷射正时为-20°CA ATDC不变，引入预喷射，研究预喷油量和预喷正时对预混合低温燃烧过程与排放的影响，各控制参数如表1所示。

表1　试验控制参数

2　试验结果与分析

2.1预喷油量对燃烧与排放的影响

图1中给出了25%负荷工况，不同预喷油量下的缸内压力和瞬时放热率曲线，预喷正时与主喷正时分别是-40°CA和-20°CA。从图中的缸内压力变化曲线可以得知，相对于单次喷射下的缸内压力曲线，引入预喷射后缸内压力上升始点提前，且压力峰值上升。瞬时放热率曲线表明，主喷燃油放热之前，预喷燃油有一个明显的放热过程。与单次喷射相比，采用预喷策略后主喷燃油的放热始点提前，瞬时放热率峰值降低。这是由于预喷射燃油的放热导致缸内温度压力升高，主喷燃油的着火滞燃期缩短，减少了预混合燃烧，主喷油量的减少也是放热率峰值降低的主要原因。

比较不同预喷油量对缸内燃烧过程的影响可以看出，随着预喷油量的不断增加，预喷燃油的放热率峰值有所上升；同时，预喷油量的增加导致主喷燃油放热始点提前，瞬时放热率峰值下降。主喷燃油放热始点提前的主要原因是随着预喷射油量的增加，预喷射放出更多的热量，导致了缸内压力和温度上升；而随着预喷油量的增大，主喷燃油的不断减少则是主喷燃油瞬时放热率下降的主要原因。

25%负荷工况下，随着预喷射油量的增加，燃油消耗率呈现先减小后上升的趋势，如图2所示。从前面燃烧过程分析可知，该工况下引入预喷射后，燃烧相位明显提前，更靠近上止点，这是燃油消耗率略有降低的主要原因，由于预喷射正时为-40°CA，随着预喷射油量的增加，会有更多的燃油发生着壁现象，因此燃油消耗率又出现上升的趋势。引入预喷射后，各个预喷油量下，NOx排放均低于单次喷射，且随着预喷射油量的增加，主喷射燃油量进一步减少，NOx排放改善效果更佳，预喷油量为7.5mg工况下NOx排放比单次喷射工况降低了53.7%。预喷射是影响油气混合碳烟排放的关键因素。25%负荷工况中，在所采用的预喷射参数下，预喷燃油在很早的时刻（-40° CA）喷入燃烧室，有充分的时间与空气进行混合，当预喷油量逐渐增加，预喷燃油形成的均质混合气数量增加，碳烟进一步下降，当预喷油量超过一定值以后，更多的燃油着壁以及主喷射滞燃期缩短产生的影响开始逐渐占据主导地位，因此随着预喷油量的增加，碳烟的排放出现了先降低后增加的趋势。

图2　不同预喷油量下的有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放

2.2预喷油量对火焰特征的影响

图3示出了1600r/min，25%负荷下，EGR阀全开时不同预喷油量条件下，从主喷燃油喷射开始(-20°CA)到CA5对应的曲轴转角之间的缸内实拍图片。从图中可以看出在各工况下，燃油在-12°CA已经基本雾化完毕。预喷油量为2.5mg和5mg的工况下，在CA5对应的曲轴转角下并未出现扩散火焰。而预喷油量为7.5mg，工况在-5.2°CA时出现少量扩散火焰，这是由于预喷油量较大，其燃烧产生的温度较高，因此主喷燃油喷入气缸时的温度较高，主燃烧滞燃期缩短，预混合时间缩短。可见预混合时间充分是没有出现扩散火焰的根本原因。

图3　不同喷射正时下的燃油喷射及着火过程

图4给出不同预喷油量下的扩散火焰发展过程图片。由图4中可以看出，随着预喷油量的增大，着火时刻逐渐提前，当预喷油量为7.5mg时，在CA5之前已经出现扩散火焰。此外，从图4中还可以观察到，对应CA10、CA50和CA90的曲轴转角下的图片中，随着预喷油量的增大，缸内火焰面积也呈逐渐增大的趋势。这是由于预喷油量增大，预喷放热量增多，导致主喷燃油的滞燃期缩短，预混合气减少，扩散燃烧比例增加。因此，预喷油量的增大，滞燃期缩短，扩散火焰出现时刻提前，火焰面积增大，这也是造成大预喷油量下碳烟升高的原因之一。

图4　不同预喷油量下的扩散火焰发展过程

2.3预喷正时的影响

图5给出了25%负荷工况，预喷油量为5mg时，不同预喷正时下的缸内压力和瞬时放热率曲线。与单次喷射相比，缸内压力和瞬时放热率的改变与前面分析预喷射油量的影响基本一致。引入预喷射后，缸内压力峰值上升，瞬时放热率峰值下降，压力上升始点和主喷燃油放热始点提前。随着预喷正时从-40°CA提前到-70°CA，缸内压力峰值是不断上升的，其上升始点也有所提前。对于预喷燃油的放热而言，随着预喷正时的提前，预喷燃油放热过程也略有提前，而其放热率峰值几乎没有发生变化。随着预喷正时从-40°CA提前到-70°CA，从对应的瞬时放热率曲线中可以看出，预喷正时的提前，主喷射放热始点提前，滞燃期缩短，放热率峰值下降。

图5　不同预喷正时下的缸内压力和瞬时放热率曲线

图6给出在预喷油量为5mg时，柴油机有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放随着预喷正时的变化关系。随着预喷正时的不断提前，有效燃油消耗率有所上升，因为该工况下，主喷正时处于预喷燃油的放热过程中，滞燃期缩短，放热相位提前，出现远离上止点的趋势，燃烧效率下降。引入预喷射后NOx排放均低于单次喷射，随着预喷正时的提前，NOx排放均出现了逐渐上升的现象，碳烟排放呈现出先减少后增加的趋势。预喷正时的提前，使得预喷燃油的混合时间和混合质量有所提高，因此碳烟降低。随着预喷正时的继续提前，预喷燃油雾化不良以及主喷燃油滞燃期缩短是碳烟排放上升的主要原因。

图6　不同预喷正时下的有效燃油消耗率、NO x和碳烟排放

2.4预喷正时对火焰特征的影响

图7给出了预喷油量为5mg，不同预喷正时下扩散火焰发展过程图片。由图可知，随着预喷正时的提前，在CA5时刻仍都未出现扩散火焰，但是扩散火焰出现时刻稍有提前，从-4.2°CA提前到-4.8°CA，且扩散火焰面积不断增加。对应CA10、CA50和CA90的曲轴转角下的图片中，随着预喷正时的提前，使得燃烧持续期有增大的趋势。预喷正时提前，预喷燃油放热提前，主喷燃油喷入气缸时的缸内压力和温度都有所升高，因此，紧跟着预喷燃油放热后的主喷燃油放热始点提前，滞燃期缩短。

图7　不同预喷正时下的扩散火焰发展过程

3　结论

1）搭建的柴油机缸内工作过程可视化平台在不干扰喷雾燃烧场情况下能方便得到直观的柴油机缸内喷雾燃烧照片，为进一步研究柴油机缸内喷雾燃烧过程提供了条件。

2）预喷射的引入，减小了主喷油量的同时缩短了主喷燃油的着火滞燃期，放热相位提前，放热率峰值下降，能够有效抑制NOx的生成。

3）随着预喷射油量的增加，滞燃期缩短，NOx排放量不断下降，碳烟排放与有效燃油消耗率则呈现出先下降后上升的趋势。

4）随着预喷射正时不断提前，NOx排放量与有效燃油消耗率不断上升，碳烟先下降后上升。

1 Suyin Gan，Hoon Kiat Ng，Kar Mun Pang.Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI)combustion: Implementation and effects on pollutants in direct injection diesel engines[J].Applied Energy,2011,88:559-567

2 A.J.Torregrosa，A.Broatch，A.García，et al.Sensitivity of com

bustion noise and NOxand soot em issions to pilot injection in PCCI diesel engines[J].Applied Energy,2013,104: 149-157

3 Battin-Leclerc.F.Detailed chemical kinetic models for the low-temperature combustion of hydrocarbons with application to gasoline and diesel fuel surrogates[J].Progress in Engine and Combustion Science,2008,34(4):440-498

4王本亮，裴海灵，唐维新，等.高压共轨燃油喷射系统多次喷射协调控制策略研究[J].内燃机工程，2013，34(4):18-31

5 Katsuya Matsuura，Osamu Suzuki，Akira Kato.In-cylinder optical investigation of combustion behavior on a fast injection rate diesel common rail injector[C].SAE Paper 2011-01-1821

6 Andrea Em ilio Catania，Stefano d'Ambrosio，Roberto Finesso，et al.Effects of rail pressure,pilot scheduling and EGR rate on combustion and emissions in conventional and PCCI diesel engines[R].SAEPaper 2010-01-1109

7王浒,尧命发,郑尊清，等.多次喷射与EGR耦合控制对柴油机性能和排放影响的试验研究[J].内燃机学报，2010,28(1): 26-32

8贾和坤,刘胜吉,尹必峰，等.EGR对高压共轨柴油机燃烧过程影响的可视化研究[J].工程热物理学报,2012,33(7): 1263-1266

Visualization Study of the Influence of Pilot-Injection on Combustion and Em ission for Light-Duty Diesel

Lv Chunchang1,Jia Hekun2
1-Hangzhou ORDCertification Technology Service Co.,Ltd.(Hangzhou,Zhejiang,310015,China) 2-Schoolof Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University

Taking one high pressure common rail light-duty diesel engine as the research object,a visualization platform for cylinderworking process of a diesel enginewas built.Influence of pilot injection under low-temperature premixed combustion on combustion process and emission characteristics was studied through cylinder combustion process high-speed photography,cylinder pressure and heat release rate.The study illustrated that spray and combustion processwas analyzed directly through visualization platform.At 25%load,with the pilot injection quantity increased,the timing of diffusion flame occurring advanced and the flame area expanded,the ignition delay shortened,and the NOxemission reduced constantly while Soot emission and BSFC decreased firstly and then increased.With the pilot injection timing advanced,the timing of diffusion flame occurring advanced from-4.2°CA to-4.8°CA and the flame area had a tendency to expand,then the NOxand BSFC emission increased constantly while Sootemission decreased firstly and then increased.

Diesel engine,Pilot injection,Low-temperature premixed combustion,Visualization

TK421.5

A

2095-8234（2016）02-0017-05

2016-01-07）

中国博士后科学基金面上项目（2014M560400），江苏大学高级专业人才科研启动基金项目（13JDG075）。

吕纯昌(1975-)，男，工程师，主要研究方向为内燃机排放控制。