閆鵬斌 段敏 杜憲峰 張磊 李興峰

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

近年來，汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)格，NOx和碳煙是柴油機(jī)尾氣排放中控制的關(guān)鍵，柴油機(jī)多次噴射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx和碳煙排放的折中關(guān)系[1-2]。理想的噴油規(guī)律及靈活的噴油控制策略，可以同時(shí)降低NOx和碳煙排放[3-4]。要實(shí)現(xiàn)多次噴射，電控高壓共軌系統(tǒng)是必不可少的。電控高壓共軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)時(shí)間（噴油量）以及噴油規(guī)律的高精度控制。高壓噴射在降低煙度和顆粒排放的同時(shí)可以明顯改善燃油和空氣的混合，從而使放熱率和缸內(nèi)溫度升高，NOx排放增加[5]。增加預(yù)噴射可以解決NOx排放增加的問題。預(yù)噴射是指在主噴射之前將少量燃油噴入氣缸，預(yù)噴射噴入的少量燃油使得燃燒室被提前加熱，使主噴射的著火延遲期縮短、預(yù)混合燃燒比率減少，從而有效減緩燃燒速率，使缸內(nèi)壓力和溫度降低，進(jìn)而降低NOx的排放[6]。文章以某輕型貨車柴油機(jī)為樣機(jī)來研究預(yù)噴射對柴油機(jī)排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

主要試驗(yàn)設(shè)備有DynoRoad 504/5 Sx交流電力測功機(jī)、735S油耗儀、AMA I60排放分析儀、AVL415S煙度計(jì)及DEWE-5000燃燒分析儀。

根據(jù)輕型汽車污染物排放限值及測量方法設(shè)定試驗(yàn)工況：將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在某一特定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行單次噴射在不同軌壓下的排放試驗(yàn)以及在“預(yù)噴射+主噴射”方式下，不同主噴定時(shí)、預(yù)噴油量和主預(yù)噴間隔角對柴油機(jī)排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗(yàn)用柴油機(jī)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某輕型貨車柴油機(jī)的基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單次噴射試驗(yàn)結(jié)果分析

單次噴射試驗(yàn)中，主噴定時(shí)分別選取上止點(diǎn)前-8，-6，-4，-2，0，2，4，6，8 ℃A 曲軸轉(zhuǎn)角，測試噴油壓力為140，160 MPa條件下對柴油機(jī)NOx、碳煙及燃油消耗率的影響。不同主噴定時(shí)及軌壓對柴油機(jī)NOx、碳煙及燃油消耗率的影響，如圖1和圖2所示。

圖1 單次噴射NOx及碳煙隨主噴定時(shí)的變化規(guī)律

圖2 單次噴射燃油消耗率隨主噴定時(shí)的變化規(guī)律

由圖1和圖2可以看出，隨著主噴定時(shí)推遲，NOx排放量降低，碳煙排放量和燃油消耗率呈現(xiàn)上升的趨勢。這是由于噴油定時(shí)對柴油機(jī)的燃燒和排放過程有著重要的影響，隨著噴油定時(shí)的提前，滯燃期隨之增長，使氣缸內(nèi)最高壓力和溫度升高，高溫是生成NOx的必要條件，從而使NOx的生成量增加；并且在噴油提前的情況下，導(dǎo)致油氣混合時(shí)間加長，混合氣均勻，使燃燒縮短，碳煙排放得到改善，燃油消耗率降低，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，過早的噴油可以使碳煙排放及燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，而NOx排放惡化。

燃油噴射壓力對柴油機(jī)的性能在很大程度有著重要的影響。由圖1和圖2可以看出，噴油壓力為160 MPa時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放比噴油壓力為140 MPa時(shí)要好，而NOx排放略高。這是由于在高的噴油壓力下，燃油霧化效果好，使燃燒更加劇烈，缸內(nèi)溫度升高，從而使NOx生成量增加，碳煙排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性變好。綜合考慮排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性，在后續(xù)試驗(yàn)中噴油軌壓選取160 MPa。

2.2 預(yù)噴射主噴定時(shí)的影響

在采用預(yù)噴條件下，文章進(jìn)行了主噴定時(shí)對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量及燃油消耗率影響的相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 015 r/min，扭矩200 N·m，軌壓160 MPa，主預(yù)噴間隔角26℃A，預(yù)噴油量5 mg，主噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)，主噴定時(shí)分別取上止點(diǎn)前-8，-4，0°CA和上止點(diǎn)后 4，8 °CA曲軸轉(zhuǎn)角。

試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示，采用預(yù)噴射后，主噴定時(shí)對柴油機(jī)排放性能的影響與單次噴射時(shí)大致類似，隨著主噴定時(shí)的推遲，碳煙排放量和燃油消耗率逐漸上升，NOx排放得到改善?？梢婎A(yù)噴射噴油中，主噴定時(shí)的選取對柴油機(jī)的排放特性和經(jīng)濟(jì)特性具有重要影響。主噴定時(shí)過早，缸內(nèi)溫度升高，NOx的生成增加；主噴定時(shí)推遲過多使燃燒滯后，排氣溫度過高，碳煙排放量和燃油消耗率上升。通過以上對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的分析，主噴定時(shí)選取在上止點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。

圖3 預(yù)噴條件下主噴定時(shí)對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

2.3 預(yù)噴油量的影響

本試驗(yàn)中，主噴定時(shí)選取在上止點(diǎn)，主預(yù)噴間隔為26°CA，總噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)，預(yù)噴油量分別為2，5，8 mg。預(yù)噴油量對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量及燃油消耗率的影響，如圖4所示。

圖4 預(yù)噴油量對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖4可知，NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率都隨預(yù)噴油量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，但是上升趨勢不太明顯。這是由于隨著預(yù)噴量的增加，引燃作用越來越明顯，過大的預(yù)噴油量使預(yù)燃和主燃連在一起，氣缸內(nèi)燃燒溫度提高，導(dǎo)致NOx生成增加。碳煙升高是由于隨著預(yù)噴油量的增加，預(yù)燃效果增強(qiáng)，消耗大量的氧，主燃時(shí)氧的體積濃度降低，使燃燒后期碳煙不能得到很好的氧化，碳煙生成量增加。而2 mg的預(yù)噴油量已經(jīng)能夠很好地對燃燒室起到預(yù)熱作用，并能引燃主燃燒。因此，預(yù)噴油量選取2 mg比較合適。

2.4 主預(yù)噴間隔角的影響

在相同工況下，試驗(yàn)條件為：選取預(yù)噴油量為2 mg，主噴定時(shí)為上止點(diǎn)，主噴油量由MAP圖自動(dòng)調(diào)節(jié)，主預(yù)噴間隔角分別取22，26，30°CA，主預(yù)噴間隔角對柴油機(jī)NOx、碳煙排放量和燃油消耗率的影響，如圖5所示。

圖5 主預(yù)噴間隔角對排放性和經(jīng)濟(jì)性的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用預(yù)噴射后，隨著主預(yù)噴間隔角的增加，NOx排放和燃油消耗率有所增加，但變化不太明顯，而碳煙排放量的減小趨勢相對明顯?？偟膩碚f，主預(yù)噴間隔角的變化對三者的影響不太大，這是由于主預(yù)噴間隔角對主燃燒階段影響較小。一般情況下，主預(yù)噴間隔角較小時(shí)，噴入氣缸內(nèi)的燃油還沒有來得及完全燃燒，主噴開始噴油，對燃燒室起不到預(yù)熱作用；主預(yù)噴間隔角過大，預(yù)噴射燃油對主噴射起不到很好的引燃作用，缸內(nèi)溫度較低，主噴噴入的燃油不易汽化燃燒。綜合以上對柴油機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性能的分析，主預(yù)噴間隔角為26°CA時(shí)比較合理。

2.5 單次噴射與預(yù)噴射試驗(yàn)比較

經(jīng)過以上分析可知，在2 015 r/min，200 N·m工況下，主噴定時(shí)在上止點(diǎn)，主預(yù)噴間隔為26°CA，預(yù)噴油量為2 mg時(shí)，主預(yù)噴策略比較合理。因此，選取此條件下的試驗(yàn)結(jié)果與主噴定時(shí)為上止點(diǎn)時(shí)的單次噴射試驗(yàn)結(jié)果做比較，如表2所示。

表2 單次噴射與預(yù)噴射試驗(yàn)結(jié)果比較g/kW·h

由表2可知，與單次噴射試驗(yàn)相比，預(yù)噴射條件下NOx與碳煙排放量分別降低了7.6%和44%；燃油消耗率增加了12.24 g/kW·h。由以上對比結(jié)果可知：采用預(yù)噴射可以同時(shí)降低NOx和碳煙的排放，但是燃油消耗率會(huì)有所增加，可以達(dá)到NOx與碳煙排放的折中優(yōu)化。

圖6示出單次噴射與預(yù)噴射缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。正如前面分析，單次噴射缸內(nèi)最高燃燒溫度要高于預(yù)噴射，這也是單次噴射中NOx排放量高于預(yù)噴射的主要原因。

圖6 單次噴射與預(yù)噴射缸內(nèi)溫度變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）單次噴射試驗(yàn)中，隨著主噴定時(shí)的推遲，NOx排放量降低，碳煙排放量和燃油消耗率呈現(xiàn)上升的趨勢。然而，中間存在著一個(gè)合理的主噴定時(shí)，使三者中的某一排放物過高或過低。

2）采用預(yù)噴射時(shí)與單次噴射噴油定時(shí)推遲有著類似效果，而預(yù)噴燃油對燃燒室的預(yù)熱作用使NOx排放量降低，并且可以降低碳煙排放量。

3）預(yù)噴射與單次噴射類似，也存在一個(gè)合理的主噴定時(shí)，主噴定時(shí)過早會(huì)使NOx排放量上升，過遲會(huì)使燃燒滯后，碳煙量和燃油消耗率上升。NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率隨預(yù)噴油量的增加而升高，NOx排放量隨主預(yù)噴間隔角變化不大，因此，存在合適的預(yù)噴量和主預(yù)噴間隔角以實(shí)現(xiàn)NOx、碳煙排放量以及燃油消耗率之間的折中關(guān)系。