柴油机燃烧模式切换过程燃烧特性变化试验

柴智刚，张付军

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)



柴油机燃烧模式切换过程燃烧特性变化试验

柴智刚，张付军

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

为研究柴油机在传统燃烧与低温燃烧的燃烧模式切换过程中，如何识别缸内当前所处的燃烧模式，以及不同喷油参数在不同的燃烧模式对燃烧特性参数的影响，在一台高压共轨柴油机1 500 r·min-1、30%负荷下采用燃油单次喷射、调节EGR率方式实现燃烧模式切换并进行了试验研究. 结果表明，EGR率从0增加到55%，缸内燃烧起点位置稍有后移，但变化不大，当EGR率超过45%后，缸内开始进入低温燃烧模式，瞬时放热率曲线初始上升过程，由于冷焰反应持续期增加导致出现的二阶段滞燃，可以作为识别当前的燃烧模式的特征，控制缸内燃烧模式；喷油相位从-14°CA ATDC推迟到-7°CA ATDC，对传统燃烧模式滞燃期和燃烧持续期的影响较小，但对低温燃烧的燃烧持续期影响较大，同时，当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时，缸内接近失火；喷油压力从75 MPa提高到140 MPa，在传统和低温燃烧模式均可以改善发动机的油气混合程度，缸内最大爆发压力及瞬时放热率峰值增加，指示热效率有所增加，但幅度变化不大.

柴油机；低温燃烧；废气再循环；燃烧模式

为了满足日益严格的排放法规，柴油机低温燃烧(LTC)理论与技术近年来在国内外得到了广泛的研究[1-4]. 通过燃油喷射技术、废气再循环(EGR)、可变截面涡轮增压(VGT)、可变气门定时(VVT)以及BUMP燃烧室等技术[5-6]相互耦合控制缸内燃油喷雾的燃烧路径，降低缸内燃烧温度，提高油气混合比例，可以解决柴油机氮氧化物(NOx)排放与碳烟排放之间的此消彼长的关系.

采用大比例的EGR可以有效地降低缸内的燃烧温度，然而由于大量EGR的引入，进入气缸的新鲜充量减少，同时受爆震燃烧的限制，目前低温燃烧模式只能工作在柴油机的低速、部分负荷区间，在中大负荷区间需要进行燃烧模式切换以满足车辆动力性需求；但即使在小负荷区间，当发动机运行在传统燃烧模式时，发动机NOx排放也高于国V阶段排放法规限值规定，因此为了降低发动机污染物原排水平，在中小负荷区间同样涉及传统燃烧模式与低温燃烧模式之间切换的需求. 杨福源等[7]进行了燃烧模式切换过程的控制策略和算法的研究，并结合ISG电机进行燃烧模式切换过程动态扭矩补偿；Carlucci等[8]采用缸压信号闭环控制发动机动态过程燃烧模式切换时扭矩输出的稳定性以及燃烧噪音等；Han等[9]在一台光学发动机上研究了稳态条件下油气混合质量、喷油压力以及进气压力对柴油机传统燃烧和低温燃烧的燃烧特性以及排放特性的影响关系. 但目前对于柴油机燃烧模式切换过程中，如何识别缸内当前所处的燃烧模式鲜见报道，不同喷油参数在切换过程中对燃烧特性参数影响历程的研究也相应较少.

因此，本文作者采用EGR和燃油单次喷射的方式实现传统燃烧模式与低温燃烧模式之间的切换，在一台高压共轨柴油机上开展了燃烧模式切换过程燃烧模式识别研究，通过仿真模型分析缸内工质燃烧路径变化，并对比分析喷油参数在切换过程中对燃烧特性的影响，为优化燃烧模式切换过程控制策略提供基础.

1 试验系统及试验方法

1.1 发动机试验系统及测量装置

发动机试验在一台电控高压共轨柴油机上进行，发动机主要参数如表1所示.

表1 发动机技术参数

发动机试验台架结构示意图如图1所示.

通过改造原机EGR系统，采用电控中冷EGR装置以及节流阀实现外部高压EGR的引回；EGR率的测量采用美国ECM公司的EGR5230分析仪，通过测量发动机进排气系统中的氧浓度计算EGR率；发动机控制器单元选用Bosch公司带有ETK单元的ECU，通过INCA实现喷油参数的调整；缸压测量采用Kistler 6056A型缸压传感器，传感器连接到KiBox-2893A型燃烧分析仪，采样间隔0.1°CA，每个稳态工况点采集100个循环的缸压数据用于计算缸内燃烧特征参数；NOx的测量选用德国Continental公司的NOx测量仪；烟度的测量采用AVL415S滤纸式烟度计.

1.2 试验研究方法

试验过程中进气中冷后温度控制在35°C、燃油温度保持在40°C、冷却液温度设置为85°C；通过协调控制EGR阀与节流阀调整EGR率，实现发动机传统燃烧模式与低温燃烧模式之间的切换，在发动机转速1 500 r·min-1、30%负荷下，发动机具体试验运行工况参数如表2所示.

表2 试验运行工况参数

2 切换过程燃烧模式识别

2.1 燃烧模式识别分析

文中采用大EGR率以及燃油单次喷射的方式实现低温燃烧. 转速为1 500 r/min;循环油量为15 mg/cyl;喷油压力为75 MPa；喷油提前角为-7°CA ATDC. 图2为EGR从0增加到55%时，缸压以及瞬时放热率的变化曲线，图3为相同条件下NOx和Soot随EGR率变化的曲线.

从图2中可以看出，随着EGR率的增加，最高燃烧压力峰值逐渐降低，同时在压缩阶段，缸内倒拖压缩压力逐渐降低；在0%～30%EGR率区间，随着EGR率的增加，瞬时放热率峰值稍有增加，在30%～55%EGR率区间，放热率峰值逐渐降低，且燃烧持续期逐渐增大. 因为，当EGR率低于30%时，随着进气氧浓度的降低，滞燃期延长，滞燃期内准备的混合气量相应增加，因此瞬时放热率峰值会稍有增加；EGR率超过30%后，逐渐降低的氧浓度以及缸内温度，使得燃烧反应速率变慢，燃烧持续期延长. 从图3中可以看出，NOx排放随着EGR率的增加呈单调降低趋势，由于EGR率的升高增加了进气比热容，加之进气氧浓度降低，导致缸内最高燃烧温度降低，NOx排放下降；soot排放在0%～30%EGR率区间稍有升高，在30%～45%EGR率区间增长比较明显，当EGR率超过45%后快速降低，因为碳烟的排放是生成和氧化共同作用的结果，EGR率升高后(低于45%时)，此时缸内燃烧温度较高，虽然滞燃期相应延长，提高了油气混合比例，有助于降低碳烟排放，但进气氧浓度降低导致缸内局部区域混合气过浓，同时碳烟的氧化反应速率变慢，在相同曲轴转角内被氧化的比例降低减少，因此排放反而增加，当EGR率超过45%后，缸内燃烧温度降低，逐渐避开了碳烟的生成区域，使得排放快速降低.

从图2瞬时放热率曲线可以看出，随着EGR率的增大，缸内的起燃点位置稍有后移，但变化不大，当EGR率超过45%后，在放热初期幅值较低位置，瞬时放热率曲线出现拐点，并且随着EGR率的继续增大，瞬时放热率出现一个低放热峰值. 已有研究表明，此种现象为缸内发生复杂的化学冷焰反应，导致出现的二阶段滞燃现象.

喷入气缸的燃油在燃烧过程中，燃油分子(RH)中首先进行脱氢反应，形成烷基自由基R′和HO2′，随着大量EGR的引入，缸内温度较低，此时烷基R′和O2发生可逆反应形成过氧烷基RO2中间产物，直到缸内温度升高到一定条件，烷基R′和O2生成烯烃(olefin)和HO2′，烯烃在蓝焰阶段进一步不可逆分解为一氧化碳，最终在热焰阶段被氧化为二氧化碳.

缸内燃烧温度及氧浓度随着EGR率的增加逐渐降低，燃烧速率减缓，NOx排放持续降低；在中等EGR率区间(30%～45%)，由于进气氧浓度降低，且冷焰反应持续期较短，200 μs左右，冷焰反应持续期为缸内起燃点位置到瞬时放热率曲线上出现拐点后快速上升所对应的曲轴转角，如图4所示，转速为1 500 r/min；EGR率为45%；喷油压力为100 MPa；循环油量为15 mg/cycle，缸内局部过浓区增加，soot排放仍较高；当EGR率超过45%后，冷焰反应持续期随着EGR率的不断增加相应延长，冷焰反应持续期的增加导致缸内化学滞燃期开始延长，油气混合更加充分，soot排放随着冷焰反应的持续期的延长逐渐降低.

图5为soot排放随冷焰反应持续期的变化.

2.2 燃烧路径分析

为了进一步分析EGR率增加过程，缸内出现二阶段滞燃时，NOx和soot同时降低的原因，文中通过仿真模型计算缸内的燃烧路径进行说明. 仿真模型采用GT-Power软件中的DI-Jet准维燃烧模型，分析在不同的EGR率条件下，缸内当量比-燃烧区温度的变化情况，其中DI-Jet模型基于液滴蒸发准维燃烧模型，模型中考虑了喷雾破碎、油滴蒸发、空气卷吸、燃烧放热等过程，可以计算输出缸内燃烧过程当量比以及燃烧区温度的变化.

仿真模型通过发动机转速1 500 r·min-1、30%负荷下，不同EGR率时的台架试验缸压、放热率以及进排气状态数据进行校核，图6为喷油提前角-7°CA ATDC、喷油压力75 MPa，0%、20%、40%、55%EGR率时，台架数据与预测结果的缸压曲线对比，可以看出试验数据与仿真结果基本吻合.

图7为在不同的EGR率条件下，缸内混合物的燃烧路径当量比-局部温度变化图，从图中可以看出，当EGR率为0时，缸内为传统非均质燃烧方式，燃烧过程中，混合物的当量比和局部最高温度穿过Soot和NOx的生成区域，因此会同时产生NOx和soot的排放；当EGR率超过45%时，燃烧路径开始避开NOx和soot的生成区；当EGR率为55%时，燃烧路径远离NOx和soot的生成区域，实现较低的NOx和soot排放. 当EGR率从0开始增加后，燃烧后的废气重新进入气缸，进气比热容的增加，降低了缸内的温度，NOx生成减少；当EGR率超过45%后，缸内开始出现二阶段滞燃使得燃油与空气混合均匀程度增加，逐步减少了局部过浓区，降低了soot排放，同时缸内温度远离NOx生成区，实现低NOx排放. 因此，可以说明降低缸内燃烧温度以及提高油气混合比例是实现低温燃烧，同时降低NOx和soot排放的重要方式，瞬时放热率曲线上由于冷焰反应导致的二阶段滞燃特征可以作为识别当前缸内燃烧模式的特征，二阶段滞燃特征通过对缸压信号计算的瞬时放热率进行循环内微分提取.

3 喷油参数对燃烧特性影响及分析

3.1 喷油相位的影响

图8(a)，8(b)分别为轨速1 500 r/min时，在EGR率为37%的传统燃烧模式以及EGR率为55%的低温燃烧模式，喷油压力75 MPa，喷油相位分别为-7、-9、-11、-14°CA时，缸内压力以及瞬时放热率的变化曲线，从图中可以看出，随着喷油相位的推迟，在传统燃烧模式缸内最高燃烧压力以及瞬时放热率峰值逐渐降低，在低温燃烧模式存在同样的趋势，并且当喷油相位在-9°CA ATDC之后，缸内的最高燃烧压力峰值开始低于压缩上止点处压力，低温燃烧对喷油相位的推迟较为敏感.

图9为不同喷油相位时，滞燃期、燃烧持续期前半段(SOC～50°CA)和燃烧持续期后半段(50°～90°CA)的变化曲线. 随着喷油相位的推迟，在传统燃烧模式滞燃期稍有缩短，缸内的放热速率变慢，燃烧持续期有所延长，但变化不大；在低温燃烧模式，由于缸内复杂的低温冷焰反应，滞燃期有所延长，燃烧前半段持续期增长幅度不大，但燃烧后半段持续期大幅增加.

图10为不同燃烧模式及喷油相位时对缸内的压力升高率以及指示热效率的影响曲线.

可以看出，在传统燃烧模式以及低温燃烧模式，压力升高率均随着喷油相位的推迟而减小，在低温燃烧模式当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时，缸内接近失火；在传统燃烧模式喷油相位对指示热效率的影响较小，在低温燃烧模式，指示热效率随着喷油相位的推迟而降低，最大压升率均随着喷油相位的推迟而降低.

3.2 喷油压力的影响

图11(a)～11(c)分别在喷油提前角-11°CA ATDC，从EGR率为37%的传统燃烧模式切换到EGR率为55%的低温燃烧模式，并在切换后第20个循环达到稳态过程，喷油压力分别为75，100，140 MPa时，缸内压力以及瞬时放热率的变化曲线，从图中可以看出，在切换过程中，最大爆发压力以及瞬时放热率峰值变化趋势相同，均随着EGR率的升高而降低；在相同的EGR率下，随着喷油压力的升高，最大爆发压力以及瞬时放热率峰值相应增加. 由于喷油压力提高后，燃料贯穿距离加大以及喷雾细化水平提高，促进了油气的混合，加快了燃烧放热速率，使得缸内燃烧放热的峰值升高，缸内最大爆发压力上升.

图12为燃烧模式切换过程中，喷油压力分别为75和140 MPa时，滞燃期和燃烧持续期的变化曲线. 可以看出，在相同的EGR率下，提高喷油压力，改善了油气混合，起燃点位置提前，缩短了滞燃期；在相同的喷油压力下，随着EGR率的增加，燃烧持续期前半段(SOC～50°CA)均变化不大，燃烧持续期后半段(50°～90°CA)逐渐增加.

图13为燃烧模式切换过程中，喷油压力分别为75 MPa和140 MPa时，指示热效率和最大压升率的变化曲线.

可以看出，在EGR率为37%的传统燃烧模式及EGR率为55%的低温燃烧模式，提高喷油压力均可以提高缸内的指示热效率，同时缸内的最大压力升高率幅值相应增加.

4 结 论

在一台高压共轨柴油机1 500 r·min-1、30%负荷下采用单次喷油、调节EGR率方式实现燃烧模式切换，开展了燃烧模式切换过程中燃烧模式识别研究，并分析喷油相位以及喷油压力对燃烧特性的影响，得到以下的结论.

① 随着EGR率从0增加到55%，缸内燃烧的起燃点位置稍有后移，但变化不大，当EGR率超过45%后，缸内冷焰反应持续期延长导致二阶段滞燃，化学滞燃期延长，缸内开始进入低温燃烧模式；

② 采用单次燃油喷射及大EGR率实现柴油机低温燃烧的方式，瞬时放热率曲线初始上升过程由于冷焰反应延长导致上升过程出现的二阶段滞燃，可以作为识别燃烧模式的特征，控制缸内燃烧模式；

③ 喷油相位从-14°CA ATDC推迟到-7°CA ATDC，在传统燃烧模式，喷油相位的推迟对滞燃期和燃烧持续期的影响较小，但对低温燃烧的燃烧持续期影响较大，同时当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时，缸内接近失火；

④ 喷油压力从75 MPa提高到140 MPa，在传统和低温燃烧模式均可以改善发动机的油气混合程度，缸内最大爆发压力及瞬时放热率峰值增加，指示热效率有所增加，但幅度变化不大.

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(责任编辑：孙竹凤)

Diesel Engine Combustion Characteristics Variation Under Switching Process

CHAI Zhi-gang，ZHANG Fu-jun

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

In order to study the way how to identify the combustion region between conventional combustion and low temperature combustion (LTC) under combustion mode switching process in diesel engine, and the effect of different injection parameters on combustion characteristics, experimental investigations were carried out on a common rail diesel engine by single injection and EGR to switch combustion mode at 1 500 r·min-1and 30% load condition. The results show that, with the promotion of exhaust gas recirculation (EGR) from 0% to 55%, the position of start of combustion (SOC) is delayed a little but not too much. However, when the EGR ratio is over 45%, the LTC region is attained. The point of inflection at the beginning of heat release rate (HRR) profile can be used as an indicator to identify the LTC region and control the combustion event. When the injection timing retards from -14°CA ATDC to -7°CA ATDC, it shows little effect on ignition delay and combustion duration on conventional combustion region, but it influences greatly on LTC region. What’s more, it almost misses fire when the injection timing is tuned to -7°CA ATDC. With the fuel injection pressure increasing from 75 MPa to 140 MPa, it promotes the air-fuel mixing both in conventional combustion region and LTC region. The peak point of in-cylinder pressure and HRR are risen and the indicated heat efficiency slightly increased.

diesel engine; low temperature combustion; exhaust gas recirculation; combustion mode

2015-10-23

国家部委重点基础研究计划基金资助项目(D2220112901)

柴智刚(1987—)，男，博士生，E-mail:0607090105@bit.edu.cn.

张付军(1966—)，男，教授，博士生导师，E-mail：zfj123@bit.edu.cn.

TK 427

A

1001-0645(2016)09-0910-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.006