李臨蓬，毛?斌，劉海峰，鄭尊清，堯命發(fā)

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多缸重型柴油機(jī)的預(yù)混低溫燃燒

李臨蓬，毛?斌，劉海峰，鄭尊清，堯命發(fā)

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

在一臺(tái)匹配有兩級(jí)增壓和復(fù)合EGR系統(tǒng)的電控高壓共軌柴油機(jī)上，研究了噴油定時(shí)和EGR率對(duì)部分負(fù)荷預(yù)混低溫燃燒影響的試驗(yàn)研究．研究結(jié)果表明，當(dāng)采用大比例EGR時(shí)，早噴和晚噴情況下均能有效延長(zhǎng)滯燃期，獲得極低的NO和碳煙排放，并消除soot-bump區(qū)域．早噴比晚噴能夠獲得更佳的燃燒效率和更低的燃油消耗率，早噴需要高比例EGR率以實(shí)現(xiàn)燃燒相位(CA50)的合理控制，但受到了復(fù)合EGR最大循環(huán)能力的限制．隨著發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力從0.3MPa提升到0.5MPa，碳煙排放至少升高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳煙排放控制成為高效清潔燃燒的主要制約因素，同時(shí)還受到壓力升高率和氧/燃當(dāng)量比的限制．在不同負(fù)荷下采用適當(dāng)?shù)脑鐕姸〞r(shí)既能避免燃燒控制對(duì)超高EGR率的依賴，又能取得合理的CA50相位、燃燒效率和氧/燃當(dāng)量比，具有實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷超低排放和保持較高熱效率的潛力．

多缸柴油機(jī)；預(yù)混低溫燃燒；噴油定時(shí)；廢氣再循環(huán)

在過(guò)去三十余年間，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步．針對(duì)未來(lái)排放法規(guī)和碳排放法規(guī)的挑戰(zhàn)，人們提出了如均質(zhì)壓燃(HCCI)、預(yù)混合充量壓燃、低溫燃燒(LTC)、部分預(yù)混壓燃和雙燃料活性控制燃燒模式等新型燃燒方式[1]．其核心就是采用預(yù)混合、壓燃、低火焰溫度等燃燒方式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高效清潔燃燒[2]．

柴油機(jī)低溫燃燒是高EGR率、長(zhǎng)滯燃期下的預(yù)混合低溫燃燒過(guò)程[3]．一般通過(guò)延長(zhǎng)混合時(shí)間使燃油噴射與燃燒反應(yīng)過(guò)程分離，以保證在燃燒前形成合適的燃料/空氣混合物．相比傳統(tǒng)柴油機(jī)，其主要技術(shù)手段是進(jìn)行更早的燃油噴射，避免燃油濕壁形成局部混合氣濃區(qū)，憑借早噴時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力較低、化學(xué)反應(yīng)速率較慢，使得燃油在著火前有充足時(shí)間實(shí)現(xiàn)良好的混合，從而實(shí)現(xiàn)低的NO與碳煙排放．采用大比例的廢氣再循環(huán)可降低氧濃度，從而抑制NO排放生成并延長(zhǎng)滯燃期，從而控制合理的燃燒相位，避免柴油燃料在較早相位下放熱，增加傳熱損失和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷[4-5]．

國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)和科研院所都對(duì)預(yù)混低溫燃燒進(jìn)行了研究．Volvo汽車(chē)公司和瑞典隆德大學(xué)的研究表明[6-7]，延長(zhǎng)滯燃期并實(shí)現(xiàn)在著火前完成燃油噴射是實(shí)現(xiàn)低排放的關(guān)鍵因素．在發(fā)動(dòng)機(jī)25%負(fù)荷工況，利用高比例EGR稀釋?zhuān)軌驅(qū)崿F(xiàn)超低的NO和碳煙排放，但燃燒效率有所降低．采用低壓縮比活塞或高渦流比氣道能夠拓展清潔燃燒的負(fù)荷范圍．蘇萬(wàn)華等[8]針對(duì)部分均質(zhì)預(yù)混燃燒開(kāi)發(fā)了一種混合燃燒控制策略，利用單次早噴柴油結(jié)合大比例EGR率(高達(dá)69%)和較高的進(jìn)氣壓力，組織高稀釋預(yù)混合氣，在平均有效壓力為0.5MPa的工況下實(shí)現(xiàn)了極低的排放水平和53%的指示熱效率．然后通過(guò)多脈沖噴射定時(shí)、增壓壓力、EGR率以及進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉定時(shí)等參數(shù)的耦合優(yōu)化，控制當(dāng)量比和溫度變化路徑，將超低排放負(fù)荷邊界拓展到平均有效壓力為1.1MPa．馬帥營(yíng)[9]在針對(duì)汽油/柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒的研究中發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)荷工況下，雖然純柴油LTC模式的碳煙及NO排放相比于汽油/柴油雙燃料模式略有升高，但其HC、CO排放及油耗顯著降低，因此純柴油低溫燃燒模式更適合于低負(fù)荷工況．

本課題組前期研究了重型柴油機(jī)兩級(jí)增壓匹配技術(shù)[10-11]和復(fù)合EGR的控制策略[12]．先進(jìn)空氣系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高稀釋、高預(yù)混、低溫燃燒的關(guān)鍵因素之一，這就要求柴油機(jī)能夠在引入大比例EGR的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高進(jìn)氣壓力和較低的泵吸損失．筆者在這臺(tái)匹配有兩級(jí)增壓和復(fù)合EGR系統(tǒng)的電控高壓共軌柴油機(jī)上，進(jìn)行了噴油定時(shí)和EGR率對(duì)部分負(fù)荷預(yù)混低溫燃燒影響的試驗(yàn)研究．這一研究對(duì)改善柴油機(jī)預(yù)混低溫燃燒下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有一定指導(dǎo)意義，同時(shí)作為滿足未來(lái)更為苛刻排放法規(guī)的技術(shù)儲(chǔ)備也具有重要價(jià)值．

1?試驗(yàn)裝置與研究方法

發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)電控高壓共軌六缸重型柴油機(jī)，采用BOSCH高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，主要試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表2，發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)構(gòu)架示意圖見(jiàn)圖1．

試驗(yàn)搭建了由高壓級(jí)EGR和低壓EGR構(gòu)成的復(fù)合EGR系統(tǒng)．高壓級(jí)EGR直接從高壓級(jí)增壓器渦輪前(廢氣未經(jīng)增壓系統(tǒng)利用)引出廢氣，經(jīng)EGR冷卻器冷卻后，直接引入到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端(增壓器增壓后)．低壓EGR從低壓級(jí)渦輪(廢氣能量經(jīng)過(guò)增壓系統(tǒng)利用)后引出廢氣，并經(jīng)EGR中冷器冷卻后引入到低壓級(jí)增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口端．

表1?柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

Tab.1?Specifications of diesel engine

表2?主要的試驗(yàn)儀器設(shè)備

Tab.2?Main test instruments

圖1?發(fā)動(dòng)機(jī)示意

碳煙排放是通過(guò)AVL公司的415S煙度計(jì)測(cè)量的煙度經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

???(1)

式中：為實(shí)測(cè)煙度值；air為進(jìn)氣流量，kg/h；fuel為各燃料的當(dāng)量柴油油耗，kg/h．

EGR代表EGR率，通過(guò)Horiba-MEXA-7100DEGR排氣分析儀測(cè)量的進(jìn)氣與排氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到，即

?(2)

混合燃料的氧/燃當(dāng)量比oxy同時(shí)考慮了新鮮進(jìn)氣量中的氧氣和EGR中的氧氣，其定義為

?(3)

?(4)

式中：air和fuel分別表示實(shí)測(cè)新鮮空氣的流量和燃油消耗量，kg/h；stoich表示化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比．

試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度保證在85±2℃，轉(zhuǎn)速為1660r/min，平均有效壓力分別為0.3MPa和0.5MPa，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩分別為200N·m和320N·m.噴油壓力恒定為160MPa．復(fù)合EGR在低負(fù)荷工況的控制方式為：先逐漸開(kāi)啟高壓EGR閥至全開(kāi)，此時(shí)EGR率可達(dá)約32%，然后逐漸開(kāi)啟低壓EGR閥至全開(kāi)，此時(shí)EGR率可達(dá)55%，繼續(xù)關(guān)閉排氣節(jié)流閥能夠繼續(xù)增大EGR率至60%．

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?燃燒特性分析

圖2所示是平均有效壓力為0.3MPa時(shí)各噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)的滯燃期和CA50隨EGR率的變化．由圖2(a)可知，隨著EGR率的增加，各噴油定時(shí)下的滯燃期都獲得一定程度的延長(zhǎng)．噴油定時(shí)為-10°CA ATDC和-15°CA ATDC時(shí)的滯燃期最短，而隨著噴油定時(shí)的推遲或提前，滯燃期逐漸增加，且增加幅度明顯．由圖2(b)可知，當(dāng)噴油定時(shí)位于-10°～???-15°CA ATDC之間時(shí)，CA50能夠控制到上止點(diǎn)后比較合理的水平．然而隨著噴油定時(shí)的推遲或提前，CA50逐漸偏離最佳值．在早噴情況下，大比例EGR率區(qū)間內(nèi)，CA50對(duì)EGR率的變化更加敏感，同時(shí)也需要更高的EGR率來(lái)延長(zhǎng)滯燃期，以此獲得理想的CA50，甚至需要利用排氣背壓閥以提高EGR率．

圖3是轉(zhuǎn)速1660r/min、平均有效壓力為0.3MPa工況下各噴油定時(shí)下氧/燃當(dāng)量比和燃燒效率隨EGR率的變化．由圖3(a)所示，氧/燃當(dāng)量比隨著EGR增加而降低，但即使在高EGR率區(qū)域，各噴油定時(shí)下的氧/燃當(dāng)量比仍保持較高的水平．由圖3(b)所示，隨噴油定時(shí)的提前，燃燒效率逐漸改善. 當(dāng)噴油定時(shí)為-35°CA ATDC時(shí)，燃燒效率有所降低，而此時(shí)當(dāng)量比仍位于較為合適的水平，所以大比例EGR并不是導(dǎo)致燃燒效率下降的主要因素．燃燒效率下降主要是由于早噴時(shí)少量燃油脫離凹坑，影響了油氣混合效果，導(dǎo)致燃燒效率整體降低[8]．

圖2 不同噴油定時(shí)條件下滯燃期和CA50隨EGR率的變化

圖3 不同噴油定時(shí)條件下氧/燃當(dāng)量比和燃燒效率隨EGR率的變化

圖4為平均有效壓力0.3MPa工況下、EGR率55%時(shí)不同噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力和放熱率．相比于較晚噴射，早噴情況下的燃燒定容度較高．而??-35°CA ATDC噴油定時(shí)下油氣混合效果不佳，致使放熱速率有所降低．在早噴和晚噴情況下，由于滯燃期較長(zhǎng)，在大比例EGR條件下的低溫放熱現(xiàn)象更加明顯．

圖5分別為轉(zhuǎn)速1660r/min、平均有效壓力0.3MPa工況下、噴油定時(shí)在-30°CA和-5°CA ATDC時(shí)EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響．在早噴情況下，隨EGR率增加，燃燒相位明顯推遲，放熱速率有所減緩，爆發(fā)壓力明顯降低．隨EGR率增加，由于燃燒溫度降低以及滯燃期延長(zhǎng)，低溫反應(yīng)比例明顯增加．在晚噴情況下，隨EGR率的增加，滯燃期的延長(zhǎng)使得放熱率峰值升高．而當(dāng)EGR率高于45%，燃燒效率有所降低，從而放熱率峰值降低．

圖4 不同噴油定時(shí)條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率

圖5?早噴和晚噴下缸壓和放熱率隨EGR率的變化

2.2?噴油定時(shí)和EGR率對(duì)進(jìn)排氣和燃油消耗率的影響

圖6為轉(zhuǎn)速1660r/min、平均有效壓力0.3MPa工況下各噴油定時(shí)下的進(jìn)氣壓力、渦前進(jìn)氣壓差和有效燃油消耗率(BSFC)隨EGR率的變化．圖6(a)表明噴油定時(shí)變化對(duì)進(jìn)氣壓力的影響較小，進(jìn)氣壓力僅在噴油定時(shí)為0°CA ATDC時(shí)略有升高，這是因?yàn)檩^晚燃燒相位致使廢氣能量增加．在高EGR率區(qū)間，采用復(fù)合EGR避免了使用純高壓EGR或純低壓EGR時(shí)對(duì)進(jìn)氣和排氣節(jié)流的過(guò)度依賴，同時(shí)獲得了較低的進(jìn)排氣壓差．

圖6(b)表明有效燃油消耗率變化趨勢(shì)受CA50影響較大，隨噴油定時(shí)提前先降低后升高，其在-10°CA ATDC和-15°CA ATDC噴油定時(shí)下能獲得最低的燃油消耗率．如果在-20°～-25°CA ATDC范圍內(nèi)采用適當(dāng)?shù)脑鐕姴呗?，高EGR率區(qū)域的油耗水平僅略高于本試驗(yàn)中的最低燃油消耗率．

圖6 不同噴油定時(shí)條件下進(jìn)氣壓力、渦前進(jìn)氣壓差和有效燃油消耗率隨EGR率的變化

2.3?排放特性分析

圖7為各噴油定時(shí)條件下NO與碳煙排放隨EGR率的變化．圖中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1660r/min，平均有效壓力為0.3MPa．由圖7(a)可知，在低EGR率區(qū)域，不同噴油定時(shí)下的NO排放差異較大，而在高EGR率區(qū)域，各噴油定時(shí)下的NO排放差異逐漸減?。?°～-25°CA ATDC范圍內(nèi)，隨噴油時(shí)刻的提前，NO排放增加，但這個(gè)增加趨勢(shì)逐漸減?。畤娪蜁r(shí)刻-35°CA ATDC條件下因?yàn)橛蜌饣旌闲Ч儾?，且燃燒相位控制不?dāng)影響了當(dāng)量比，導(dǎo)致NO生成量減少．

由圖7(b)可知，隨EGR增加，由于滯燃期延長(zhǎng)，碳煙排放在一定EGR率范圍內(nèi)略有降低．在高EGR區(qū)域，隨著噴油定時(shí)提前，碳煙排放開(kāi)始升高．當(dāng)從?-10°CA ATDC開(kāi)始繼續(xù)提前噴油定時(shí)，碳煙排放持續(xù)降低，直至-30°CA ATDC時(shí)獲得極低水平．而噴油定時(shí)為-35°CA ATDC時(shí)雖然滯燃期最長(zhǎng)，但因?yàn)閲娪投〞r(shí)過(guò)于提前，油氣混合效果變差致使碳煙排放升高．所以，利用早噴延長(zhǎng)滯燃期時(shí)應(yīng)恰當(dāng)選擇噴油定時(shí)，需防止過(guò)早噴射帶來(lái)的燃燒效率降低和碳煙排放問(wèn)題．

圖7 不同噴油定時(shí)條件下NOx與碳煙排放隨EGR率的變化

2.4?兩個(gè)負(fù)荷下的排放特性分析

本試驗(yàn)將同樣的噴油時(shí)刻變化范圍和復(fù)合EGR策略應(yīng)用在平均有效壓力為0.5MPa的工況，在圖8中展示了轉(zhuǎn)速為1660r/min、平均有效壓力為0.3MPa和0.5MPa時(shí)各噴油定時(shí)下NO及碳煙排放的折中關(guān)系．

由圖8(a)所示，在平均有效壓力為0.3MPa，當(dāng)NO排放高于0.4g/(kW·h)時(shí)，各噴油定時(shí)下的碳煙排放都處于極低水平．當(dāng)NO低于0.4g/(kW·h)時(shí)，在噴油定時(shí)為-10°CA ATDC時(shí)碳煙排放最高，推遲或提前噴油定時(shí)則會(huì)降低碳煙排放．-35°CA ATDC噴油定時(shí)下的當(dāng)量比仍然較理想，所以碳煙增加主要是噴油過(guò)早使混合效果變差而造成的．

平均有效壓力為0.3MPa時(shí)循環(huán)油量較少，當(dāng)量比整體較低．隨著平均有效壓力提升至0.5MPa，碳煙排放明顯高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)．在此工況下采用晚于-10°CA ATDC的晚噴射或-30°CA ATDC的早噴，可以在極低的NO排放下獲得較低的碳煙排放，并且未出現(xiàn)soot-bump區(qū)域．

圖8 不同噴油定時(shí)條件下兩個(gè)負(fù)荷工況下NOx及碳煙折中關(guān)系

2.5?各噴油定時(shí)下性能和排放最優(yōu)點(diǎn)的對(duì)比

對(duì)于平均有效壓力為0.3MPa和0.5MPa兩個(gè)工況，在NO和碳煙排放分別小于1g/(kW·h)和0.01g/(kW·h)的排放邊界范圍內(nèi)，在各噴油定時(shí)下的有效燃油消耗率最優(yōu)區(qū)域內(nèi)選取NO排放最低的運(yùn)行點(diǎn)．圖9是兩個(gè)負(fù)荷在各個(gè)噴油定時(shí)下的最優(yōu)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的NO和碳煙排放．圖中，空心點(diǎn)和實(shí)心點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)平均有效壓力為0.3MPa及0.5MPa的工況，下同.

由圖9可知，在碳煙排放和有效燃油消耗率的限制范圍內(nèi)，隨著噴油定時(shí)提前，能夠降低NO排放.在噴油定時(shí)為0°CA ATDC和-5°CA ATDC的晚噴條件下，所選工況點(diǎn)的NO排放較高是因?yàn)槭艿搅擞行加拖穆实南拗疲驗(yàn)镋GR需求越大，滯燃期越長(zhǎng)，CA50推遲越明顯，熱功轉(zhuǎn)化效率越低．而隨著噴油定時(shí)提前，CA50相位較為合適，而且平均有效壓力為0.3MPa時(shí)由于碳煙整體較低，此時(shí)即可利用大比例EGR實(shí)現(xiàn)低于0.4g/(kW·h)的NO排放．而平均有效壓力0.5MPa時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)選擇主要受碳煙排放限制，所以在-25°～-5°CA ATDC的噴油定時(shí)區(qū)間，碳煙排放均控制到0.01g/(kW·h)的邊界值．隨著噴油提前，同時(shí)EGR率增大，碳煙排放受這兩個(gè)參數(shù)同時(shí)影響．而在早噴條件下，碳煙排放較低，工況點(diǎn)選擇主要考慮燃燒相位對(duì)油耗的影響．所以平均有效壓力為0.5MPa工況下的早噴和晚噴都受到有效燃油消耗率的限制，而排放不是主要問(wèn)題．

圖9?優(yōu)選點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NOx和碳煙排放

圖10為兩個(gè)負(fù)荷工況在各噴油定時(shí)條件下的優(yōu)選點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CA50、EGR率和有效燃油消耗率．平均有效壓力為0.3MPa和0.5MPa時(shí)，在-20°CA和?-30°CA ATDC的早噴情況下對(duì)EGR率的需求已達(dá)到了本試驗(yàn)中復(fù)合EGR的最大循環(huán)能力，即60%．此時(shí)CA50的合理控制受到EGR循環(huán)能力的限制，從而無(wú)法獲得經(jīng)濟(jì)性最佳的燃燒相位．當(dāng)采用適當(dāng)?shù)脑鐕姴呗?，即平均有效壓力?.3MPa時(shí)，噴油定時(shí)采用-15°CA ATDC；平均有效壓力為0.5MPa時(shí)，噴油定時(shí)采用-20°CA ATDC．避免了利用排氣節(jié)流輔助引入EGR，能將CA50控制到合理范圍內(nèi)，具有實(shí)現(xiàn)小負(fù)荷超低排放和保持理想有效燃油消耗率的潛力．

圖11為兩個(gè)負(fù)荷工況在各噴油定時(shí)下優(yōu)選點(diǎn)的氧燃當(dāng)量比、燃燒效率、滯燃期和最大壓力升高率.圖11(a)表明，隨著噴油定時(shí)提前，EGR率需求增加，過(guò)量空氣系數(shù)逐漸降低，尤其在平均有效壓力為0.5MPa的工況，因?yàn)樵鐕娤翪A50控制依賴大比例EGR，所以即使在本試驗(yàn)中采用兩級(jí)增壓的條件下，仍然存在早噴情況下氧燃當(dāng)量比受限的問(wèn)題．在平均有效壓力為0.3MPa工況，噴油定時(shí)為-35°CA ATDC時(shí)燃燒效率明顯降低，是由于燃油噴射與燃燒室匹配不當(dāng)造成的．而平均有效壓力為0.5MPa時(shí)，在-30°CA ATDC早噴工況，燃燒效率降低是因?yàn)檠跞籍?dāng)量比較低．所以，恰當(dāng)?shù)乜刂茋娪投〞r(shí)，能夠保證合理的燃燒效率和氧燃當(dāng)量比．

圖10?優(yōu)選點(diǎn)的CA50、EGR率和有效燃油消耗率

圖11 優(yōu)選點(diǎn)的氧/燃當(dāng)量比、燃燒效率、滯燃期和最大壓力升高率

圖11(b)表明，隨著噴油定時(shí)提前，滯燃期獲得明顯延長(zhǎng)．對(duì)比早噴和晚噴，若獲得相同的滯燃期，早噴的燃燒效率明顯高于晚噴．在平均有效壓力為0.5MPa時(shí)，隨著噴油定時(shí)提前，滯燃期獲得延長(zhǎng)的同時(shí)，由于EGR率的提高，氧/燃當(dāng)量比降低，所以提前噴油時(shí)刻與提高EGR率對(duì)碳煙排放起到相反的作用，競(jìng)爭(zhēng)影響碳煙的排放．隨噴油定時(shí)的提前，雖然各優(yōu)選點(diǎn)的EGR率在不斷增加，但燃燒相位的提前和放熱速率的增加使得最大壓力升高率增加，而且在0.5MPa工況下更加明顯．而在主噴定時(shí)為－35°CA ATDC時(shí)，由于油氣混合不佳，放熱速率減緩，從而降低了最大壓力升高率．

3?結(jié)?論

(1) 當(dāng)采用大比例EGR時(shí)，早噴和晚噴情況下均能有效延長(zhǎng)滯燃期，獲得極低的NO和碳煙排放，但早噴相較晚噴能夠獲得更佳的燃燒效率和燃油消耗率．優(yōu)選結(jié)果表明，早噴相較于晚噴更有利于拓展高效清潔燃燒，但過(guò)早噴射會(huì)影響油氣混合效果，造成燃燒效率降低和碳煙排放升高．

(2) 早噴需要高比例EGR率以實(shí)現(xiàn)CA50的合理控制．采用復(fù)合EGR能夠?qū)崿F(xiàn)60%的高比例EGR率，避免了使用單一EGR方式對(duì)進(jìn)氣或排氣節(jié)流的過(guò)度依賴；但過(guò)早噴射時(shí)燃燒相位控制受到復(fù)合EGR最大循環(huán)能力的限制，不利于獲得最佳燃油消耗率．

(3) 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力從0.3MPa提升到0.5MPa，氧/燃當(dāng)量比明顯降低，碳煙排放升高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，碳煙排放控制成為高效清潔燃燒的主要制約因素．所以，早噴情況下的負(fù)荷拓展受到氧/燃當(dāng)量比和最大壓力升高率的挑戰(zhàn)．

(4) 在不同負(fù)荷下分別采用適當(dāng)?shù)脑鐕姸〞r(shí)，既能避免燃燒控制對(duì)超高EGR率的依賴，又能取得合理的CA50相位、燃燒效率和氧/燃當(dāng)量比，有潛力在部分負(fù)荷同時(shí)獲得超低排放及理想的熱效率水平．

［1］ 王?健，鄭尊清，王?滸，等. 內(nèi)部 EGR 和燃料辛烷值對(duì)小負(fù)荷低溫燃燒的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(4)：358-364.

Wang Jian，Zheng Zunqing，Wang Hu，et al. Effects of internal EGR and fuel octane number of fuel on low temperature combustion at low loads[J].，2017，23(4)：358-364(in Chinese).

［2］ 堯命發(fā)，劉海峰. 均質(zhì)壓燃與低溫燃燒的燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]. 汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2012，2(2)：79-90.

Yao Mingfa，Liu Haifeng. Review and prospect of the combustion technology of homogeneous charge compression ignition and low temperature combustion[J].，2012，2(2)：79-90(in Chinese).

［3］ 鄭尊清，鐘小凡，劉海峰，等. 生物柴油/DMF混合燃料對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(2)：104-110 .

Zheng Zunqing，Zhong Xiaofan，Liu Haifeng，et al. Effect of biodiesel/DMF blended fuel on low temperature combustion in a diesel engine[J].，2017，23(2)：104-110(in Chinese).

［4］ 張全長(zhǎng)，堯命發(fā)，鄭尊清，等. 進(jìn)氣氧濃度對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒影響的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009(4)：298-305.

Zhang Quanchang，Yao Mingfa，Zheng Zunqing，et al. The effect of intake oxygen concentration on the combustion and emission characteristic of the diesel[J].，2009(4)：298-305(in Chinese).

［5］ 黃豪中，謝夏琳，謝正良，等. 進(jìn)氣氧濃度和噴油正時(shí)對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37(2)：54-58.

Huang Haozhong，Xie Xialin，Xie Zhengliang，et al. Experimental study on the effect of intake oxygen concentration and injection timing on low temperature combustion in a diesel engine[J].，2016，37(2)：54-58(in Chinese).

［6］ Alriksson M，Denbratt I. Low temperature combustion in a heavy duty diesel engine using high levels of EGR[C]//. Detroit，MI，USA，2006-01-0075，2006.

［7］ Noehre C，Andersson M，Johansson B，et al. Characterization of partially premixed combustion[C]//. Detroit，MI，USA，2006-01-3412，2006.

［8］ 于文斌，裴毅強(qiáng)，蘇萬(wàn)華. 柴油機(jī)部分均質(zhì)預(yù)混燃燒模式下混合與化學(xué)控制參數(shù)對(duì)指示熱效率的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012(3)：193-200.

Yu Wenbin，Pei Yiqiang，Su Wanhua. Effects of mixing and chemical parameters on thermal efficiency based on a partially premixed combustion diesel engine[J].，2012(3)：193-200(in Chinese).

［9］ 馬帥營(yíng). 汽油/柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 天津：天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2013.

Ma Shuaiying. Applied Background Research on Low Temperature Combustion Technology of Highly Premixed Charge Combustion Fueled with Gasoline/diesel Dual-fuel[D]. Tianjin：State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，2013(in Chinese).

［10］ 陳貴升，沈穎剛，鄭尊清，等. 采用EGR的重型柴油機(jī)低速高負(fù)荷性能與排放特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014(2)：97-103.

Chen Guisheng，Shen Yinggang，Zheng Zunqing，et al. Performance and emission characteristic of HD diesel using EGR under low-speed and high-load conditions[J].，2014(2)：97-103(in Chinese).

［11］ 馮?浩，鄭尊清，毛?斌，等. 兩級(jí)增壓系統(tǒng)參數(shù)對(duì)泵氣損失影響的熱力學(xué)分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37(5)：221-228.

Feng Hao，Zheng Zunqing，Mao Bin，et al. Thermodynamic analysis of effect of two-stage turbocharging system parameters on pumping losses[J].，2016，37(5)：221-228(in Chinese).

［12］ 付朋飛，堯命發(fā)，鄭尊清，等. 復(fù)合EGR對(duì)增壓柴油機(jī)性能和排放影響的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37(1)：8-14.

Fu Pengfei，Yao Mingfa，Zheng Zunqing，et al. Experimental study on the influence of compound EGR on performance and emission of turbocharged diesel engine[J].，2016，37(1)：8-14(in Chinese).

Premixed Low-temperature Combustion in Multi-cylinder Heavy-duty Diesel Engine

Li Linpeng，Mao Bin，Liu Haifeng，Zheng Zunqing，Yao Mingfa

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this study，we conducted experiments to investigate the effect of injection timing and the exhaust gas recirculation(EGR) ratio on premixed low-temperature combustion under partial load in anelectronically controlled common-rail diesel engineequipped with a two-stage turbocharger and compound EGR system. The results indicate that when a high ratioEGR was applied，both early and later injections were helpful in extending the ignition delay，obtaining low NOand soot emissions, and eliminating the soot-bump region. Compared to later injection, early injection achieved better combustion efficiency and brake-specific fuel consumption (BSFC). Early injection required ahigh EGR ratio to effectively control the combustion phase，but the capability of compound EGR introduction was limited. As the engine load varied from 0.3MPa to 0.5MPa，the brake-specific soot emission increased by an order of magnitude.Efficient and clean combustion was restricted by soot emission，and was also challenged by the pressure rise rate and oxygen-to-fuel equivalence ratio.The use of appropriate early injection timing under different loads can not only avoid combustion-control dependence on a high ratio EGR，but also obtain reasonable CA50 phase，better combustion efficiency and better oxygen-to-fuel equivalence ratio，which has potential to achieve ultra-low emission at partial load while maintaining high thermal efficiency.

multi-cylinder diesel engine；premixed low-temperature combustion；injection timing；exhaust gas recirculation

TK427

A

1006-8740(2019)01-0016-08

2018-09-09.

國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作資助項(xiàng)目(51320105008)．

李臨蓬（1995—??），男，博士研究生，linpeng_li@tju.edu.cn.

堯命發(fā)，男，博士，研究員，y_mingfa@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809016