预喷射相位对柴油发动机燃烧及碳烟排放的影响



预喷射相位对柴油发动机燃烧及碳烟排放的影响

近年来，高压共轨系统以其在一个工作循环内实现预喷射及闭环控制等优点而得到广泛关注。高压共轨式燃油喷射装置可以不受发动机负荷和转速的影响，自由地控制燃油喷射时间和压力，对现代发动机的高动力性和低排放性能作出了巨大的贡献[1-6]。

国内外学者在预喷射对发动机动力性能和排放性能影响方面做了大量研究，不同预喷参数对于发动机燃烧过程和有害物质的排放影响各不相同。鉴于预喷相位对发动机的燃烧滞燃期和缸内温度的影响[7-8]，本文借助于相应设备的测试，研究预喷相位对发动机整体动力性能和排放中烟度含量的影响。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验燃料的主要理化特性以及试验用发动机参数见表1。发动机为直列四缸、四冲程、水冷和高压共轨柴油机。喷油参数的具体调整采用INCA软件进行标定。

表1 发动机主要参数

1.2 试验方案

选择发动机运转在最大转矩转速2 200 r/min，负荷分别选取25%、50%、75%和100%，在各负荷特性工况点设定主喷相位角为7°CA，并保持每一个循环的总喷油量不变。现将预喷油相位变化分别选取10、15、17和20°CA进行试验。

2 结果分析

2.1 预喷相位对发动机冷起动性能的影响

当柴油机在冷起动时，由于柴油的物理特性，过长的滞燃期导致发生缸内失火，大量未燃烧的燃油会形成白烟随着废气排出。在温度较低的情况下，开始着火到完全着火的过程中，由于预喷射导致先发生着火现象的气缸滞燃期明显缩短并且燃烧迅速。比较此时的缸内压力，发现有预喷射循环的缸内压力会高于失火循环。原因在于主喷射前用预喷射去诱发缸内的冷焰效应，使冷焰效应在发动机燃烧的每一个循环中都能及时发生，将极大地改善冷起动性能，尤其对改善低温时的冷起动性能将非常有效。而改变预喷射相位能够加速发动机缸内的燃烧，所以预喷相位直接影响到发动机的工作粗暴程度。

2.2 预喷相位对发动机动力性能的影响

在试验过程中，预喷相位分别选取10、15、17和20 ℃A。

2.2.1 预喷相位对发动机转矩的影响

由试验结果(见图1)可知，发动机转矩随着预喷相位和负荷的增加而增加，因为预喷相位对发动机燃烧性能有很大影响。随着预喷相位的增加，燃烧始点和燃烧重心开始提前，缸内的燃烧滞燃期降低，导致缸内燃烧压力升高，加速缸内燃烧，导致发动机转矩得到相应的提升。在预喷相位从17°CA增加为20°CA时，出现随预喷相位增加而转矩下降的情况，这是由于燃油喷射过早，缸内温度和压力不足以触发高温反应，导致着火延迟。

图1 发动机转矩和预喷相位的关系

2.2.2 预喷相位对发动机燃油消耗率的影响

由试验结果(见图2)可知，通常，当采用过小的预喷相位时，预喷射和主喷射的间隔较小，喷入缸内的燃油由于来不及完全燃烧，对燃烧室的燃烧预热作用不足；当采用过大的预喷相位时，缸内温度较低，喷入的燃油由于温度较低不易汽化燃烧。试验结果显示，随着预喷相位的增加，燃油消耗率总体变化趋势是先降低后增加。总的来说，燃油消耗率受预喷相位的影响是因为预喷相位是指第1次喷射与主喷射之间的相位，所以改变预喷相位对主燃烧阶段的影响体现为油耗和排放。预喷相位变化范围内燃油消耗率变化明显，选择较为合理的预喷相位需要综合考虑油耗和炭烟的影响，取预喷相位为上止点前17°CA曲轴转角。

图2 发动机燃油消耗率和预喷相位的关系

2.3 预喷相位对烟度的影响

由试验结果(见图3)可知，当发动机在负荷25%和50%时，发动机排放中的烟度随着预喷相位的增大呈现出先增大后减小的趋势。其原因为发动机在低负荷运转时，缸内活塞的压缩行程还不充足，而过早的喷油会导致燃油过剩，致使燃烧初期的燃油混合气过浓，燃烧后期混合气过剩，发动机排放的烟度增大，虽然烟度在预喷相位持续增大之后有一定的减小，但综合考虑低负荷下的转矩和油耗的变化趋势，应当选择较小的预喷相位。当发动机在负荷为75%和100%时，发动机排放中烟度随着预喷相位的增加而逐渐减少，这是由于发动机在高负荷工况下工作时，活塞压缩速度加快，此时较大的预喷相位能使混合气更加充分燃烧，使排放中的烟度减少，所以发动机在高负荷运转时，应选择较小的预喷相位，以降低排放中的烟度。

图3 发动机排放中烟度和预喷相位的关系

3 结语

综上所述，可以得出如下结论。

1)增加预喷相位能改善发动机的低温冷起动性能，预喷相位将直接影响到发动机的工作粗暴程度。

2)发动机转矩随着预喷相位和负荷的增加而增加，过大的预喷相位会使转矩下降；随着预喷相位的增加，燃油消耗率先降低后增加。

3)为了达到优化排放的标准，当发动机在中低负荷条件下工作时，应适当减小预喷相位；当发动机在高负荷条件下工作时，应选择较大的预喷相位。

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[5] 孔令龙,申立中,徐劲松.高压共轨柴油机预喷射标定试验研究[J]. 新技术新工艺,2014(4):58-61.

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[8] 腾超,卢德华.16V280ZC行柴油机NOx排放性能的优化[J].内燃机车,2012(4):5-8.

责任编辑 郑练

蒋超宇，周 明，杨学平

(云南机电职业技术学院 汽车技术工程系，云南 昆明 650203)

以某高压共轨柴油发动机为样机，研究了改变预喷射相位对柴油发动机在特定转速下的燃烧性能影响。研究表明，增加预喷相位能改善发动机的低温冷起动性能，预喷相位直接影响到发动机的工作粗暴程度；发动机转矩随着预喷相位和负荷的增加而增加，过大的预喷相位会让转矩下降；随着预喷相位的增加，燃油消耗率先降低后增加；发动机在中低负荷时，排放中的烟度随着预喷相位的增大呈现先增大后减小的趋势，在高负荷时，排放中的烟度随着预喷相位的增加而逐渐减少。

高压共轨；柴油机；预喷射相位；燃烧

Effect of Pilot Injections on Combustion and Smoke Emission of Diesel Engine

JIANG Chaoyu, ZHOU Ming, YANG Xueping

(Automotive Technical Engineering Department, Yunnan Mechanical and Electrical Professional Technology

Institute, Kunming 650203, China)

With a high pressure common rail diesel engine as the prototype, study the change in diesel engine under the specific speed of the jet phase on the combustion performance of impact studies. The research showes that increasing pre-injection phase can improve the low temperature cold start of engine performance, pre-injection phase directly affects the degree of engine rough work. Engine torque is as the pre-injection phase and load increase, excessive pre-injection phase will make torque decline. With the increase of pre-injection phase, specific fuel consumption is reduced to increase first. Engine is in low and middle load, the emission of smoke with the increase of pre spray phase presents the first increase and then decreases trend. When in the high load, the emission of smoke gradually reduces along with the increase of pre-injection phase.

high pressure common rail, diesel engine, pre-injection phase, burning

蒋超宇(1989-)，男，硕士研究生，主要从事内燃机设计与优化等方面的研究。

2016-04-08

TK 421

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