预喷正时对柴油发动机燃烧和排放特性的影响

2022-05-10程志腾李俊民

汽车实用技术 2022年8期

程志腾，李俊民

（1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064；2.杭州钱塘交通运输局（筹），浙江杭州 310000）

随着化石能源消耗的增加，排放法规日益严格，寻找新的策略，提高内燃机效率，减少排放物的污染是必然趋势。柴油机因其热效率高、功率范围广、可靠性高，占据内燃机市场份额持续上升。改变喷油规律，是降低柴油机排放的重要技术措施，目前主要集中在对喷油规律曲线形状，预喷射，多段喷射的研究上。喷油正时对发动机性能有明显的影响，同时也是柴油机在应用过程中相对容易改变的一个参数。

栾兴存等人在探究多次喷射对柴油机性能的影响中得出如下结论，随着预喷正时的提前，缸内压力峰值降低，主燃烧阶段的滞燃期缩短，碳烟和NOx排放均降低；LI等在一台六缸共轨柴油机中研究了预喷正时对甲醇-柴油双燃料的影响，结果表明随着预喷的提前，最大压升率、气缸温度降低，循环波动变大，HC化合物排放减少，CO、NOx和细颗粒物排放增加。本文研究基于发动机台架试验，调整柴油机预喷时刻，对其燃烧特性和排放特性进行试验研究。

1 试验装置和内容

本次试验使用的柴油发动机是潍柴的WP4G 154E330直列六缸增压中冷发动机，主要参数如表1所示。加装了柴油喷射控制板，与原机电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）协同控制柴油喷射时刻；在柴油机第1缸上安装火花塞式缸压传感器，通过采集缸压信号等参数对柴油机进行燃烧分析。

试验所用的主要设备有：CW150电涡流测功机，用于控制发动机的转速和扭矩；柴油消耗量用质量流量计测量；瑞士Kistler公司生产的KiBox燃烧分析仪，测量缸压信号，用来分析发动机的燃烧特性；粒子计数器、五气分析仪、SMPS-3938扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪等设备，用于测量尾气排放，分析发动机的排放特性。

试验发动机以转速1 800 r/min，低负荷（30%）作为试验工况点，以单喷射模式在该工况下运行作为对照试验，然后保持主喷射时刻不变，引入预喷射策略。预喷时刻与主喷时刻分别间隔5 °CA、10 °CA、15 °CA、20 °CA、25 °CA，待发动机运行稳定后，通过采集缸内压力信号与尾气排放数据，来探究预喷正时对柴油机燃烧与排放特性的影响。

表1 试验柴油机主要参数

2 预喷正时对燃烧特性的影响

2.1 压力升高率（dp/dφ）

不同预喷正时下，发动机压力升高率随曲轴转角变化情况，如图1所示。

图1 预喷正时对压力升高率的影响

由图1可知，对比单次喷射和不同主预喷时刻间隔，发动机缸内压力升高率曲线与曲轴转角变化的趋势基本一致；和单次喷射相比，引入预喷射策略后，峰值压力升高率有所降低，有助于改善缸内燃烧噪声水平；压力升高率的峰值相位角随着主预喷间隔的增大而不断提前，当主预喷时刻间隔大于10°CA时，压力升高率也随着预喷正时的提前而不断降低。

2.2 瞬时放热率（dQ/dφ）

不同预喷正时下，瞬时放热率随曲轴转角变化趋势如图2所示。

图2 预喷正时对瞬时放热率的影响

由图2可知，预喷射阶段的燃烧相位角随着主预喷间隔时刻的增大而提前，但当主预喷间隔大于10 °CA时，预喷燃烧阶段和主燃烧阶段的瞬时放热率峰值均不断下降；相较于单喷，柴油预喷策略引入后，主喷射阶段的剧烈预混燃烧消失，转为较为缓和的扩散燃烧。

2.3 平均有效压力循环变动系数

平均有效压力循环变动系数（The Covariance of Indicated Mean Effective Pressure, COV）随预喷正时的变化情况如图3所示。

图3 预喷正时对COVIMEP的影响

主喷对应曲轴位置与预喷对应曲轴位置间隔为10 °CA时COV最大，主要是预混合阶段燃烧放热太大，造成了较大的压力波动。

2.4 缸内平均温度（T）

不同预喷正时下，缸内平均温度随曲轴转角变化趋势如图4所示。

由图4可知，当预喷正时提前10 °CA时，缸内平均温度最高，原因是发动机瞬时燃烧放热率较大；随着主预喷间隔时刻的增大，瞬时放热率降低，缸内平均温度逐渐下降。

图4 预喷正时对缸内平均温度的影响

3 预喷正时对排放特性的影响

对柴油机而言，污染物排放中最主要的是NOx和颗粒物，因此本文主要讨论了预喷正时对柴油发动机NOx排放与颗粒物排放的影响。

3.1 超细颗粒物

超细颗粒物对人体危害更大，对超细颗粒物的研究，主要是分析超细颗粒物的数量浓度、粒子总数与平均粒径。

SMPS-3938电迁移率颗粒物粒径谱仪对排放污染物中颗粒物粒径的测量范围为5 nm～ 1 000 nm，根据颗粒物粒径和生成机理的不同，将颗粒物微粒划分为核模态、积聚态和粗粒子。碳核直径约为5 nm～50 nm是核模态微粒；直径为50 nm～1 000 nm的是积聚态微粒；直径大于 50 nm～1 000 nm的微粒称为粗粒子。

图5是超细颗粒物排放粒径谱图。由图可以看出，核膜态颗粒物和100 nm以下的积聚态颗粒物随着主预喷间隔的扩大，浓度下降明显。

图5 超细颗粒物粒径谱图

图6是超细颗粒物浓度及平均粒径随预喷正时的变化情况。从粒子总数变化曲线中可以看出，超细颗粒物浓度在单喷模式下最大，随着主预喷间隔时刻的增大，超细颗粒物浓度持续降低；从颗粒物平均粒径变化曲线可知，当主预喷间隔时刻小于10 °CA时，超细颗粒物平均粒径随主预喷间隔时刻的增大而不断上升，之后，随着主预喷间隔的持续扩大，平均粒径有所下降。主要原因是在引入预喷策略后，第一阶段的燃料燃烧并不完全，形成了较多的碳烟晶核，易凝聚成颗粒物，增加了微粒直径，随着主预喷间隔时刻的增大，预混合燃烧阶段燃烧规模减少，未被燃烧的燃料有充足时间汽化，以均质气体的形式在主喷射阶段充分燃烧，形成了较小的核膜态颗粒物，使得平均粒径下降。

图6 预喷正时对超细颗粒物浓度及平均粒径的影响

3.2 比排放

大颗粒物是指粒径为0.3 μm以上的颗粒物，大颗粒物数目的比排放（Brake Specific Particle Number, BSPN）是通过粒子计数器测得的每2.83 L中大颗粒物的个数，经颗粒物比排放计算公式换算后得出。NOx比排放（Brake Specific Nitrogen Oxides, BSNOx）根据试验仪器测得的NOx浓度经NOx比排放计算公式换算后得出。