预喷与后喷参数对柴油机排放影响的试验研究

尹来承，邱爽，马宁，于泽浩

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150036；2.北油电控燃油喷射系统(天津)有限公司，天津 301701)

柴油机燃料的燃烧效果直接影响其工作性能及尾气中污染物的排放。为了使柴油机排出的气体满足日益严格的排放法规，达到减小环境污染的目的，一般首先针对柴油机内部的燃烧过程进行优化，使燃料的燃烧更加充分，以减少有害物质的排放，再使用适当的外净化设备对其进行辅助处理，通过催化反应降低燃料燃烧后气体中的有毒有害物质的排放[1-2]。高压燃油多次喷射是目前主流的内净化技术，为了能够使柴油机燃料燃烧更加充分、尾气中有害物质的排放处于较低水平，往往会在每一个喷油阶段进行5～6次燃油喷射，即在主喷前增加2～3次预喷，在主喷后增加1～2次后喷[3-4]。

预喷射是指在主喷射之前进行油量较少的喷射，使活塞在到达上止点之前缸内压力有所升高，从而减少主喷射燃油燃烧的滞后期，这一方式可以有效提高燃烧室的温度，因此对尾气中HC与CO的排放有明显的抑制效果[5]，但预喷油量高达一定程度时，将会表现为较早的主燃烧，使尾气中NOx排放有所增加，因此一般把预喷分为两次进行，避免产生高温高压富氧环境而促进NOx的产生。

后喷射主要分为两种，较早的后喷射与较晚的后喷射，不同时间的后喷所产生的作用不同。在高压共轨燃油喷射系统中[6]，较早的后喷射是指在主喷射之后，主喷射所喷射出的燃油正在燃烧时加入后喷射，喷射少量的燃油，使后喷射所喷射的燃料在主喷射燃烧接近结束时再进行一次燃烧，使其能够将主喷射时燃油燃烧后产生的微粒以及其他有害气体消耗掉，从而降低尾气中微粒、CO及NOx等物质的排放，属柴油机的内净化[7]。

较晚的后喷射是指在主喷射之后，主喷射所喷出的燃油燃烧完毕之后再进行少量燃油的喷射[8]。较晚的后喷射目的是将精确计量的燃料喷入气缸中，与之前所有燃油燃烧产生的废气混合在一起，使其不进行燃烧，通过柴油机的排气行程进入排气系统，被尾气中的余热蒸发。这种较晚的后喷射主要用来提供碳氢化合物，这些碳氢化合物在氧化催化转化器中被氧化[9]，使排气温度升高，从而促进废气的后期处理，如微粒捕捉器或NOx储存式催化转化器等都是采用加入较晚后喷射的方法减小尾气中有害气体的排放。这种在柴油机工作过程中加入较晚的后喷射，用于促进后期尾气处理的方式属柴油机的外净化。本次试验主要对较早的后喷射进行研究。

预喷射与后喷射的角度和油量对柴油机燃料燃烧所产生的有害气体排放有着十分重要的影响，因此针对不同的后喷时刻与后喷油量对柴油机尾气中有害气体排放的影响进行试验探究十分必要，并且具有很高的应用价值。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验设备

试验样机为1台YN33四缸高压共轨柴油机，发动机的基本参数如表1所示。喷油器型号为LT-Z4468(孔径0.151 mm，孔数7)，ECU为P175，使用AVL发动机台架试验控制系统对其进行试验。使用该试验控制系统中的电力测功机对柴油机的转速与扭矩进行控制，使用滤纸式烟度计和排放分析仪分别对尾气的烟度与其他物质的排放进行测量。

表1 发动机基本参数

1.2 试验方法

首先对YN33发动机进行预喷试验，选取不同转速和不同负荷的8种工况(800 r/min、0%负荷；1 800 r/min、50%负荷；1 800 r/min、75%负荷；1 800 r/min、100%负荷；2 600 r/min、10%负荷；2 600 r/min、50%负荷；2 600 r/min、75%负荷；2 600 r/min、100%负荷)进行试验。预喷油量为1.5 mg和2.0 mg两级，每一工况都调整预喷提前角(10°～18°曲轴转角)，综合考虑油耗率、NOx排放和烟度值，确定各个工况下预喷1的最优预喷提前角与预喷油量[10]。

在一次预喷的基础上，加入二次预喷，预喷油量为1.5 mg，并在上述的8种工况下进行试验。在试验过程中改变预喷2的预喷提前角(范围10°～45°曲轴转角，角度间隔为5°曲轴转角)，分别进行试验，记录尾气中烟度与NOx等数值[11]；观察尾气中有害物质排放与预喷参数之间的关系和变化规律，根据试验数据选取最有利于排放的预喷参数，并与未加入预喷时尾气中的有害物质数据进行对比[12-13]。

在两次预喷基础上加入一次后喷，在8种工况下进行试验(后喷油量1.5 mg)。试验时不断改变后喷角(范围在15°～43°曲轴转角，角度间隔为2°曲轴转角),对不同的工况分别进行单因素试验[14]，观察后喷角与尾气中有害物质排放的关系，依据NOx值，并参考其他参数数值，选定最佳后喷角，并将最佳后喷角时的烟度值和NOx的排放与不进行后喷时进行对比；再以该后喷角为基准，改变后喷油量(范围为2～10 mg，间隔增量为1 mg)，试验测量该柴油机在不同工况、不同后喷油量下的有害物质排放，并探究后喷油量与尾气中烟度的关系。

2 结果与分析

2.1 预喷对尾气中NOx排放和烟度的影响

此次试验中共进行三次喷射，两次预喷与一次主喷[15]，预喷1最优排放数据如表2所示。预喷2提前角与尾气中NOx排放及烟度的关系见图1。

表2 预喷1最优喷射参数与尾气中有害物质排放值

图1 预喷2提前角与尾气中有害物质的关系

由图1可以看出，除大负荷工况外，尾气中NOx排放与烟度均在一定范围内波动。在中小负荷下，NOx排放大多随着预喷时间的提前而逐渐减小；而在较大负荷下，NOx排放始终在较高水平不规律波动，主要是由于气缸内处于高温高压状态，而高温是NOx产生的必要条件[16]；各个工况下NOx排放均在35°～40°曲轴转角的区间内达到最低值；除了大负荷工况之外，烟度均处于较为稳定的状态，在2 600 r/min，275 N·m工况下(即100%负荷)烟度随预喷提前角增大而增大，其余大多数工况下在预喷提前角为40°曲轴转角时NOx排放与烟度达到最低。综合考虑尾气中各类有害气体排放，最终确定的各工况下预喷2最优喷射参数如表3所示。

加入二次预喷与未加入二次预喷的NOx排放与烟度对比如图2所示。

表3 预喷2参数与尾气中有害物质排放

图2 有无二次预喷的排放对比

由图2可以看出，加入二次预喷后，尾气中NOx排放在各个工况下均有所下降，变化趋势与未加入二次预喷时的趋势一致。产生这一现象的原因主要是由于加入二次预喷后，主喷油量相对变小，主喷射燃烧时的放热率降低，间接实现了气缸内温度的降低，使NOx的产生缺少条件，从而降低尾气中NOx的排放。加入二次预喷后尾气中的烟度值在各个工况下均略有增高，原因是预喷油量增加后，气缸内燃烧前燃油量增加，滞燃期随之缩短，燃烧前喷入气缸内的燃油混合不充分，从而导致烟度值的小幅度升高。

2.2 后喷角对尾气中NOx排放和烟度的影响

由图3a可知，后喷角的改变对NOx排放的影响并不明显，随着后喷角的改变，NOx排放均在小范围内波动，先随着后喷角的增大而小范围减小，然后随着后喷角的增大而增大。产生这一现象的原因是由于后喷时刻与主喷时刻相近时，后喷燃油喷入后间接降低了缸内的氧气浓度， 而NOx形成的主要条件是高温富氧，与主喷相近的后喷射小幅度抑制了NOx的形成条件，因而NOx排放逐渐减少。由图3b可知，后喷角对烟度有较大影响，大多工况下随着后喷角的增大烟度呈现出先增大后减小再增大的趋势。产生这一现象的主要原因是由于当主喷与后喷间隔较小时，气缸内的气体混合时间较短，未能充分混合，不利于燃油的氧化，因而烟度值较大。当后喷角大于25°曲轴转角时，各工况下尾气中烟度值均呈现下降的趋势，此时气缸内的混合气混合较为充分，因而炭烟的产生逐渐减少。当主喷与后喷间隔过大时，后喷所喷入的燃油逐渐向后推迟燃烧，主喷与后喷所喷入的燃油燃烧持续时间较长，因而导致部分燃料燃烧不充分，燃烧效率下降，温度也有所降低，尾气中的烟度值有所上升[17]。

图3 不同后喷角下排放对比

2.3 后喷油量对尾气中NOx排放和烟度的影响

根据不同后喷角下的NOx排放与烟度值，选取各个工况下的最优后喷时刻，在最优后喷时刻改变后喷油量(2～10 mg)观察其对尾气中有害物质的影响。由图4a可知，随着后喷油量的改变，尾气中NOx的排放在大多数工况下并未出现明显波动，产生这一现象主要是由于后喷入的燃油燃烧时并未对缸内压力及温度产生过多影响，因此NOx排放趋于平稳。由图4b可知，在大多数工况下，随着后喷油量的增加，烟度呈现先减小后增大的趋势。产生这一现象的原因主要是由于加入少量的后喷燃油可以使气缸内的混合气产生搅动，使燃油与空气混合更充分，因而减少了炭烟的产生；随着后喷油量的持续增大，后喷入的燃油与空气之间的混合变差，油气混合均匀度下降，因而尾气中的烟度值有所上升，但除高转速高负荷工况外其余工况下烟度值的上下浮动并不剧烈。

图4 后喷油量与尾气中有害物质的关系

根据尾气中烟度值与NOx排放，最终确定各工况下最优后喷角与最优后喷油量以及相应的有害排放(见表4)。

表4 最优后喷点尾气中有害物质排放

由图5a可知，在最优后喷点加入后喷后，与未加入后喷相比，尾气中NOx稍有减少，并无较大波动。由图5b可以看出，加入后喷后各个工况下尾气中炭烟的排放均大幅减少，后喷对尾气中的烟度值影响较为明显，可以很好地抑制炭烟产生[18]。在主喷射之后加入适量燃油进行后喷，使其在主喷燃油燃烧的末端参与燃烧，可以使主喷燃油燃烧产生的炭烟一同燃烧，以此降低炭烟的排放。由于后喷油

图5 有无后喷时各工况下排放对比

量较小，且后喷燃油燃烧时活塞一般向下运动，并未产生高温高压的条件，因此加入后喷前后NOx排放没有较大变化。

3 结论

a) 对于试验样机，除2 600 r/min，100%负荷工况外，其余工况预喷2最优提前角均为40°曲轴转角，在该角度尾气中NOx排放达到最低点；2 600 r/min，100%负荷工况时，预喷2最优提前角为35°曲轴转角；在柴油机喷油过程中加入二次预喷，与只进行一次预喷相比，可以有效地抑制尾气中NOx产生，但尾气中的烟度值有所上升；

b) 在柴油机喷油过程中加入1.5 mg后喷燃油后，尾气中的烟度值随着后喷角的改变变化剧烈，各个工况下总体呈现先增大，后减小，再增大的趋势；尾气中NOx排放的变化趋势与烟度值的变化趋势相似，但变化幅度较小；

c) 选择各工况下合适的后喷角，随着后喷油量的增加，尾气中的烟度呈现先减小后增大的趋势，且在低转速高负载工况下变化剧烈；尾气中NOx排放无明显变化规律；

d) 在最优后喷角与后喷油量工况点，与未增加后喷相比，尾气中的烟度值大幅下降，NOx排放有少量减小，在柴油机主喷后增加合适的后喷可以极为有效地降低尾气中的烟度值。