噴油正時對柴油機燃燒和排放性能影響的試驗分析

李 琦，薛 陽，史德寶，尹自斌

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

發(fā)動機排放要求日益嚴格，燃油噴射系統(tǒng)電控化是發(fā)動機滿足日趨嚴格排放標準的有效途徑。電控燃油噴射系統(tǒng)的噴射參數(shù)可根據(jù)發(fā)動機運轉工況的不同靈活調整，全面研究和理解柴油機的噴射參數(shù)對燃燒和排放的影響，對于制定科學合理的控制策略至關重要。某柴油機采用電控組合泵燃油噴射系統(tǒng)后，進行噴油正時標定試驗。本文通過試驗數(shù)據(jù)分析噴油正時對燃燒和排放性能的影響。

1 實驗裝置

1.1 實驗用柴油機及測試設備

實驗在1臺廢氣渦輪增壓、不可逆轉的四沖程直噴式柴油機上進行，柴油機基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機基本參數(shù)Tab.1 Basic parameter of the diesel engine

該柴油機燃油噴射系統(tǒng)采用成都威特EP1000型電控組合泵。系統(tǒng)參數(shù)為:柱塞直徑12.5 mm，凸輪型線加速度0.46 mm/(°)，高壓油管長度900 mm、噴油器孔數(shù)8，噴霧夾角150°，噴油器孔徑為0.30 mm，最高噴射壓力為110 MPa。各主要參數(shù)采用的測試設備有:FC2210型智能油耗儀、Horiba MEXA－1600DSEGR型氣體分析儀、SG880型水渦流測功機、FC2000發(fā)動機測控儀和 DEWE－2010CA型燃燒分析儀。

2 噴油正時對燃燒性能的影響

某船用柴油機電控化改造后，在D2工況模式下進行噴油正時標定試驗。噴油正時的變化會影響到柴油機燃燒的全過程，為研究噴油正時對燃燒性能的影響，將采集的缸內(nèi)壓力信號進行均化處理、上止點修正、壓力修正等獲得示功圖，再通過AVL BOOST軟件中的BURN程序計算得到缸內(nèi)壓力升高率、燃燒放熱率和燃燒溫度。

2.1 噴油正時對缸內(nèi)壓力及壓力升高率的影響

圖1為標定工況下不同噴油正時的缸內(nèi)壓力曲線和壓力升高率曲線，圖中橫坐標中(°CA)表示上止點前的曲軸轉角。如圖1(a)和圖1(b)所示，隨著供油提前角的增大，最高燃燒壓力有所增加，示功圖面積變大，壓力升高率峰值愈靠近上止點，峰值愈高。

在同一工況下，供油提前角較大時，噴油時氣缸內(nèi)的溫度和壓力較低，滯燃期內(nèi)的平均壓力和平均溫度降低，使滯燃期延長［1］。滯燃期愈長，則在滯燃期內(nèi)積累的可燃混合氣量和參加預混燃燒的燃料量愈多，燃燒初期愈強烈，從而使速燃期內(nèi)的燃燒加速度和放熱加速度變大，導致缸內(nèi)最高燃燒壓力增大，壓力升高率峰值升高［2］。

2.2 噴油正時對燃燒放熱率及燃燒溫度的影響

圖2為標定工況下不同噴油正時的燃燒放熱率曲線和燃燒溫度曲線。如圖2(a)所示，隨著噴油正時的增加，燃燒始點前移，放熱率曲線往前推移，燃燒放熱率第一峰值變大。如圖2(b)所示，缸內(nèi)最高燃燒溫度隨著噴油正時的增大而增大，相位前移［3］。

圖1 不同噴油正下的缸內(nèi)壓力曲線和壓力升高率曲線Fig.1 Pressure and pressure rise rate curve of different injection timing

燃燒放熱率曲線的第一峰值由滯燃期決定。隨著噴油正時的增大，供油提前角愈大，滯燃期愈長，滯燃期內(nèi)燃油蒸發(fā)量增加，形成的可燃混合氣也越多，這些可燃混合氣在急燃期內(nèi)幾乎一起燃燒，上止點附近的放熱量增大，使得放熱率更高，曲線的第一峰值越大，缸內(nèi)最高燃燒溫度相應升高，且相位前移。

3 噴油正時對經(jīng)濟性能和排放性能的影響

3.1 噴油正時對經(jīng)濟性能的影響

圖3(a)為標定工況下油耗率隨噴油正時的變化曲線［4］，圖3(b)為D2試驗循環(huán)各工況點最低油耗率所對應的噴油正時。

圖2 不同噴油正下的燃燒分析曲線Fig 2 Combustion analysis curves under different injection timing

圖3 經(jīng)濟性能曲線Fig.3 Economic performance curve

從圖3(a)中可看出，對于柴油機在確定工況下存在油耗率最低的最優(yōu)噴油正時［5］。在標定工況下，噴油正時為30°CA時，柴油機的燃油消耗率達210.9 g/kW·h的最低值。從圖3(b)可以看出，在D2試驗循環(huán)下，隨著負荷的升高，油耗率最低的最優(yōu)噴油正時存在隨負荷升高而增大的趨勢。

3.2 噴油正時對NOx排放性能的影響

為減少船舶廢氣排放污染， 《MARPOL公約》附則VI— “防止船舶造成空氣污染規(guī)則”制定了船用柴油機NOx排放控制標準。下面分析噴油正時對該機NOx排放濃度及NOx比排放的影響。

圖4(a)和圖4(b)分別為標定工況不同噴油正時下的NOx排放濃度和NOx比排放。

圖4 NOx排放性能曲線Fig.4 NOx emissions performance curve

由圖4(a)可看出，在標定工況下，隨著噴油正時的提前，NOx排放濃度明顯降低。NOx生成的主要因素是:高溫、富氧、高溫持續(xù)時間。同一工況下，燃燒過程中富氧和高溫持續(xù)時間變化較小，而受最高燃燒溫度的影響較大。在上止點以前，當噴油正時減小，即噴射推遲，滯燃期縮短，預混燃燒峰值降低，上止點附近的放熱量減少，因而缸內(nèi)壓力峰值下降，最高平均燃燒溫度下降并相位后移，從而導致NOx排放濃度降低［6］。

圖4(b)表明在標定工況下，柴油機NOx比排放隨噴油正時的提前而增大。NOx比排放是柴油機環(huán)保性和經(jīng)濟性的綜合反映。NOx排放濃度和油耗率等參數(shù)是影響NOx比排放的主要參數(shù)。如前所述，同一工況下，存在油耗率最低的最優(yōu)噴油正時，但NOx比排放主要受NOx排放濃度趨勢的影響，呈現(xiàn)出隨噴油正時的提前而增大的趨勢。這說明噴油正時滯后是降低柴油機NOx排放的有效措施，滯后噴射主要是通過控制最高燃燒溫度來降低NOx排放。經(jīng)濟性與排放性二者難于完全兼顧，電控噴油正時的標定通常要在滿足排放法規(guī)要求的基礎上來進行供油定時優(yōu)化。

4 結語

試驗結果分析表明:該柴油機在標定工況下隨著噴油正時提前，①呈現(xiàn)缸內(nèi)燃燒壓力升高，壓力升高率峰值增大，燃燒放熱率峰值增大、燃燒始點提前，缸內(nèi)燃燒溫度升高的趨勢;②呈現(xiàn)NOx濃度排放和NOx比排放明顯升高，說明噴油正時滯后是降低柴油機NOx排放的有效措施;③存在油耗率最低的最優(yōu)噴油正時，經(jīng)濟性與排放性二者難于完全兼顧。

［1］周苗.直噴式柴油機噴油器參數(shù)對燃燒和排放影響的數(shù)值模擬［D］.大連:大連理工大學，2007.

［2］白向東，劉福水，李向榮，等.基于噴射正時的柴油機燃燒和排放研究［J］.車用發(fā)動機，2008(4):12－13.

［3］王建偉.6102增壓柴油機燃燒過程與排放特性試驗研究［D］.天津:天津大學，2003.

［4］鄒強，李旭聰，姚春德.噴油提前角對非道路移動機械用柴油機性能的影響［J］.柴油機，2012(3):16－17.ZOU Qiang，LI Xu-cong，YAO Chun-de.Effect of fuel injection timing on the performance of diesel engines used by off－ road mobile machinery［J］.Diesel Engine，2012(3):16－17.

［5］胡亞楠.發(fā)動機燃油經(jīng)濟性影響因素分析［J］.沈陽理工大學學報，2011(1):67－68.HU Ya-nan.Analysis on the Factors Affecting Engine Fuel Economy［J］.Journal of Shenyang Ligong University ，2011(1):67－68.

［6］BAK F.The influence of adjustments and external conditions on emissions from medium speed engines［C］.CIMAC，1998:791－803.