柴油機燃燒模式切換過程燃燒特性變化試驗

柴智剛，張付軍

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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柴油機燃燒模式切換過程燃燒特性變化試驗

柴智剛，張付軍

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為研究柴油機在傳統(tǒng)燃燒與低溫燃燒的燃燒模式切換過程中，如何識別缸內(nèi)當(dāng)前所處的燃燒模式，以及不同噴油參數(shù)在不同的燃燒模式對燃燒特性參數(shù)的影響，在一臺高壓共軌柴油機1 500 r·min-1、30%負(fù)荷下采用燃油單次噴射、調(diào)節(jié)EGR率方式實現(xiàn)燃燒模式切換并進(jìn)行了試驗研究. 結(jié)果表明，EGR率從0增加到55%，缸內(nèi)燃燒起點位置稍有后移，但變化不大，當(dāng)EGR率超過45%后，缸內(nèi)開始進(jìn)入低溫燃燒模式，瞬時放熱率曲線初始上升過程，由于冷焰反應(yīng)持續(xù)期增加導(dǎo)致出現(xiàn)的二階段滯燃，可以作為識別當(dāng)前的燃燒模式的特征，控制缸內(nèi)燃燒模式；噴油相位從-14°CA ATDC推遲到-7°CA ATDC，對傳統(tǒng)燃燒模式滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響較小，但對低溫燃燒的燃燒持續(xù)期影響較大，同時，當(dāng)噴油相位推遲到-7°CA ATDC時，缸內(nèi)接近失火；噴油壓力從75 MPa提高到140 MPa，在傳統(tǒng)和低溫燃燒模式均可以改善發(fā)動機的油氣混合程度，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及瞬時放熱率峰值增加，指示熱效率有所增加，但幅度變化不大.

柴油機；低溫燃燒；廢氣再循環(huán)；燃燒模式

為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機低溫燃燒(LTC)理論與技術(shù)近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的研究[1-4]. 通過燃油噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)(EGR)、可變截面渦輪增壓(VGT)、可變氣門定時(VVT)以及BUMP燃燒室等技術(shù)[5-6]相互耦合控制缸內(nèi)燃油噴霧的燃燒路徑，降低缸內(nèi)燃燒溫度，提高油氣混合比例，可以解決柴油機氮氧化物(NOx)排放與碳煙排放之間的此消彼長的關(guān)系.

采用大比例的EGR可以有效地降低缸內(nèi)的燃燒溫度，然而由于大量EGR的引入，進(jìn)入氣缸的新鮮充量減少，同時受爆震燃燒的限制，目前低溫燃燒模式只能工作在柴油機的低速、部分負(fù)荷區(qū)間，在中大負(fù)荷區(qū)間需要進(jìn)行燃燒模式切換以滿足車輛動力性需求；但即使在小負(fù)荷區(qū)間，當(dāng)發(fā)動機運行在傳統(tǒng)燃燒模式時，發(fā)動機NOx排放也高于國V階段排放法規(guī)限值規(guī)定，因此為了降低發(fā)動機污染物原排水平，在中小負(fù)荷區(qū)間同樣涉及傳統(tǒng)燃燒模式與低溫燃燒模式之間切換的需求. 楊福源等[7]進(jìn)行了燃燒模式切換過程的控制策略和算法的研究，并結(jié)合ISG電機進(jìn)行燃燒模式切換過程動態(tài)扭矩補償；Carlucci等[8]采用缸壓信號閉環(huán)控制發(fā)動機動態(tài)過程燃燒模式切換時扭矩輸出的穩(wěn)定性以及燃燒噪音等；Han等[9]在一臺光學(xué)發(fā)動機上研究了穩(wěn)態(tài)條件下油氣混合質(zhì)量、噴油壓力以及進(jìn)氣壓力對柴油機傳統(tǒng)燃燒和低溫燃燒的燃燒特性以及排放特性的影響關(guān)系. 但目前對于柴油機燃燒模式切換過程中，如何識別缸內(nèi)當(dāng)前所處的燃燒模式鮮見報道，不同噴油參數(shù)在切換過程中對燃燒特性參數(shù)影響歷程的研究也相應(yīng)較少.

因此，本文作者采用EGR和燃油單次噴射的方式實現(xiàn)傳統(tǒng)燃燒模式與低溫燃燒模式之間的切換，在一臺高壓共軌柴油機上開展了燃燒模式切換過程燃燒模式識別研究，通過仿真模型分析缸內(nèi)工質(zhì)燃燒路徑變化，并對比分析噴油參數(shù)在切換過程中對燃燒特性的影響，為優(yōu)化燃燒模式切換過程控制策略提供基礎(chǔ).

1 試驗系統(tǒng)及試驗方法

1.1 發(fā)動機試驗系統(tǒng)及測量裝置

發(fā)動機試驗在一臺電控高壓共軌柴油機上進(jìn)行，發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

發(fā)動機試驗臺架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

通過改造原機EGR系統(tǒng)，采用電控中冷EGR裝置以及節(jié)流閥實現(xiàn)外部高壓EGR的引回；EGR率的測量采用美國ECM公司的EGR5230分析儀，通過測量發(fā)動機進(jìn)排氣系統(tǒng)中的氧濃度計算EGR率；發(fā)動機控制器單元選用Bosch公司帶有ETK單元的ECU，通過INCA實現(xiàn)噴油參數(shù)的調(diào)整；缸壓測量采用Kistler 6056A型缸壓傳感器，傳感器連接到KiBox-2893A型燃燒分析儀，采樣間隔0.1°CA，每個穩(wěn)態(tài)工況點采集100個循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)用于計算缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)；NOx的測量選用德國Continental公司的NOx測量儀；煙度的測量采用AVL415S濾紙式煙度計.

1.2 試驗研究方法

試驗過程中進(jìn)氣中冷后溫度控制在35°C、燃油溫度保持在40°C、冷卻液溫度設(shè)置為85°C；通過協(xié)調(diào)控制EGR閥與節(jié)流閥調(diào)整EGR率，實現(xiàn)發(fā)動機傳統(tǒng)燃燒模式與低溫燃燒模式之間的切換，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1、30%負(fù)荷下，發(fā)動機具體試驗運行工況參數(shù)如表2所示.

表2 試驗運行工況參數(shù)

2 切換過程燃燒模式識別

2.1 燃燒模式識別分析

文中采用大EGR率以及燃油單次噴射的方式實現(xiàn)低溫燃燒. 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min;循環(huán)油量為15 mg/cyl;噴油壓力為75 MPa；噴油提前角為-7°CA ATDC. 圖2為EGR從0增加到55%時，缸壓以及瞬時放熱率的變化曲線，圖3為相同條件下NOx和Soot隨EGR率變化的曲線.

從圖2中可以看出，隨著EGR率的增加，最高燃燒壓力峰值逐漸降低，同時在壓縮階段，缸內(nèi)倒拖壓縮壓力逐漸降低；在0%～30%EGR率區(qū)間，隨著EGR率的增加，瞬時放熱率峰值稍有增加，在30%～55%EGR率區(qū)間，放熱率峰值逐漸降低，且燃燒持續(xù)期逐漸增大. 因為，當(dāng)EGR率低于30%時，隨著進(jìn)氣氧濃度的降低，滯燃期延長，滯燃期內(nèi)準(zhǔn)備的混合氣量相應(yīng)增加，因此瞬時放熱率峰值會稍有增加；EGR率超過30%后，逐漸降低的氧濃度以及缸內(nèi)溫度，使得燃燒反應(yīng)速率變慢，燃燒持續(xù)期延長. 從圖3中可以看出，NOx排放隨著EGR率的增加呈單調(diào)降低趨勢，由于EGR率的升高增加了進(jìn)氣比熱容，加之進(jìn)氣氧濃度降低，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，NOx排放下降；soot排放在0%～30%EGR率區(qū)間稍有升高，在30%～45%EGR率區(qū)間增長比較明顯，當(dāng)EGR率超過45%后快速降低，因為碳煙的排放是生成和氧化共同作用的結(jié)果，EGR率升高后(低于45%時)，此時缸內(nèi)燃燒溫度較高，雖然滯燃期相應(yīng)延長，提高了油氣混合比例，有助于降低碳煙排放，但進(jìn)氣氧濃度降低導(dǎo)致缸內(nèi)局部區(qū)域混合氣過濃，同時碳煙的氧化反應(yīng)速率變慢，在相同曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)被氧化的比例降低減少，因此排放反而增加，當(dāng)EGR率超過45%后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，逐漸避開了碳煙的生成區(qū)域，使得排放快速降低.

從圖2瞬時放熱率曲線可以看出，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)的起燃點位置稍有后移，但變化不大，當(dāng)EGR率超過45%后，在放熱初期幅值較低位置，瞬時放熱率曲線出現(xiàn)拐點，并且隨著EGR率的繼續(xù)增大，瞬時放熱率出現(xiàn)一個低放熱峰值. 已有研究表明，此種現(xiàn)象為缸內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)冷焰反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)的二階段滯燃現(xiàn)象.

噴入氣缸的燃油在燃燒過程中，燃油分子(RH)中首先進(jìn)行脫氫反應(yīng)，形成烷基自由基R′和HO2′，隨著大量EGR的引入，缸內(nèi)溫度較低，此時烷基R′和O2發(fā)生可逆反應(yīng)形成過氧烷基RO2中間產(chǎn)物，直到缸內(nèi)溫度升高到一定條件，烷基R′和O2生成烯烴(olefin)和HO2′，烯烴在藍(lán)焰階段進(jìn)一步不可逆分解為一氧化碳，最終在熱焰階段被氧化為二氧化碳.

缸內(nèi)燃燒溫度及氧濃度隨著EGR率的增加逐漸降低，燃燒速率減緩，NOx排放持續(xù)降低；在中等EGR率區(qū)間(30%～45%)，由于進(jìn)氣氧濃度降低，且冷焰反應(yīng)持續(xù)期較短，200 μs左右，冷焰反應(yīng)持續(xù)期為缸內(nèi)起燃點位置到瞬時放熱率曲線上出現(xiàn)拐點后快速上升所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，如圖4所示，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；EGR率為45%；噴油壓力為100 MPa；循環(huán)油量為15 mg/cycle，缸內(nèi)局部過濃區(qū)增加，soot排放仍較高；當(dāng)EGR率超過45%后，冷焰反應(yīng)持續(xù)期隨著EGR率的不斷增加相應(yīng)延長，冷焰反應(yīng)持續(xù)期的增加導(dǎo)致缸內(nèi)化學(xué)滯燃期開始延長，油氣混合更加充分，soot排放隨著冷焰反應(yīng)的持續(xù)期的延長逐漸降低.

圖5為soot排放隨冷焰反應(yīng)持續(xù)期的變化.

2.2 燃燒路徑分析

為了進(jìn)一步分析EGR率增加過程，缸內(nèi)出現(xiàn)二階段滯燃時，NOx和soot同時降低的原因，文中通過仿真模型計算缸內(nèi)的燃燒路徑進(jìn)行說明. 仿真模型采用GT-Power軟件中的DI-Jet準(zhǔn)維燃燒模型，分析在不同的EGR率條件下，缸內(nèi)當(dāng)量比-燃燒區(qū)溫度的變化情況，其中DI-Jet模型基于液滴蒸發(fā)準(zhǔn)維燃燒模型，模型中考慮了噴霧破碎、油滴蒸發(fā)、空氣卷吸、燃燒放熱等過程，可以計算輸出缸內(nèi)燃燒過程當(dāng)量比以及燃燒區(qū)溫度的變化.

仿真模型通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1、30%負(fù)荷下，不同EGR率時的臺架試驗缸壓、放熱率以及進(jìn)排氣狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，圖6為噴油提前角-7°CA ATDC、噴油壓力75 MPa，0%、20%、40%、55%EGR率時，臺架數(shù)據(jù)與預(yù)測結(jié)果的缸壓曲線對比，可以看出試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合.

圖7為在不同的EGR率條件下，缸內(nèi)混合物的燃燒路徑當(dāng)量比-局部溫度變化圖，從圖中可以看出，當(dāng)EGR率為0時，缸內(nèi)為傳統(tǒng)非均質(zhì)燃燒方式，燃燒過程中，混合物的當(dāng)量比和局部最高溫度穿過Soot和NOx的生成區(qū)域，因此會同時產(chǎn)生NOx和soot的排放；當(dāng)EGR率超過45%時，燃燒路徑開始避開NOx和soot的生成區(qū)；當(dāng)EGR率為55%時，燃燒路徑遠(yuǎn)離NOx和soot的生成區(qū)域，實現(xiàn)較低的NOx和soot排放. 當(dāng)EGR率從0開始增加后，燃燒后的廢氣重新進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣比熱容的增加，降低了缸內(nèi)的溫度，NOx生成減少；當(dāng)EGR率超過45%后，缸內(nèi)開始出現(xiàn)二階段滯燃使得燃油與空氣混合均勻程度增加，逐步減少了局部過濃區(qū)，降低了soot排放，同時缸內(nèi)溫度遠(yuǎn)離NOx生成區(qū)，實現(xiàn)低NOx排放. 因此，可以說明降低缸內(nèi)燃燒溫度以及提高油氣混合比例是實現(xiàn)低溫燃燒，同時降低NOx和soot排放的重要方式，瞬時放熱率曲線上由于冷焰反應(yīng)導(dǎo)致的二階段滯燃特征可以作為識別當(dāng)前缸內(nèi)燃燒模式的特征，二階段滯燃特征通過對缸壓信號計算的瞬時放熱率進(jìn)行循環(huán)內(nèi)微分提取.

3 噴油參數(shù)對燃燒特性影響及分析

3.1 噴油相位的影響

圖8(a)，8(b)分別為軌速1 500 r/min時，在EGR率為37%的傳統(tǒng)燃燒模式以及EGR率為55%的低溫燃燒模式，噴油壓力75 MPa，噴油相位分別為-7、-9、-11、-14°CA時，缸內(nèi)壓力以及瞬時放熱率的變化曲線，從圖中可以看出，隨著噴油相位的推遲，在傳統(tǒng)燃燒模式缸內(nèi)最高燃燒壓力以及瞬時放熱率峰值逐漸降低，在低溫燃燒模式存在同樣的趨勢，并且當(dāng)噴油相位在-9°CA ATDC之后，缸內(nèi)的最高燃燒壓力峰值開始低于壓縮上止點處壓力，低溫燃燒對噴油相位的推遲較為敏感.

圖9為不同噴油相位時，滯燃期、燃燒持續(xù)期前半段(SOC～50°CA)和燃燒持續(xù)期后半段(50°～90°CA)的變化曲線. 隨著噴油相位的推遲，在傳統(tǒng)燃燒模式滯燃期稍有縮短，缸內(nèi)的放熱速率變慢，燃燒持續(xù)期有所延長，但變化不大；在低溫燃燒模式，由于缸內(nèi)復(fù)雜的低溫冷焰反應(yīng)，滯燃期有所延長，燃燒前半段持續(xù)期增長幅度不大，但燃燒后半段持續(xù)期大幅增加.

圖10為不同燃燒模式及噴油相位時對缸內(nèi)的壓力升高率以及指示熱效率的影響曲線.

可以看出，在傳統(tǒng)燃燒模式以及低溫燃燒模式，壓力升高率均隨著噴油相位的推遲而減小，在低溫燃燒模式當(dāng)噴油相位推遲到-7°CA ATDC時，缸內(nèi)接近失火；在傳統(tǒng)燃燒模式噴油相位對指示熱效率的影響較小，在低溫燃燒模式，指示熱效率隨著噴油相位的推遲而降低，最大壓升率均隨著噴油相位的推遲而降低.

3.2 噴油壓力的影響

圖11(a)～11(c)分別在噴油提前角-11°CA ATDC，從EGR率為37%的傳統(tǒng)燃燒模式切換到EGR率為55%的低溫燃燒模式，并在切換后第20個循環(huán)達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程，噴油壓力分別為75，100，140 MPa時，缸內(nèi)壓力以及瞬時放熱率的變化曲線，從圖中可以看出，在切換過程中，最大爆發(fā)壓力以及瞬時放熱率峰值變化趨勢相同，均隨著EGR率的升高而降低；在相同的EGR率下，隨著噴油壓力的升高，最大爆發(fā)壓力以及瞬時放熱率峰值相應(yīng)增加. 由于噴油壓力提高后，燃料貫穿距離加大以及噴霧細(xì)化水平提高，促進(jìn)了油氣的混合，加快了燃燒放熱速率，使得缸內(nèi)燃燒放熱的峰值升高，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力上升.

圖12為燃燒模式切換過程中，噴油壓力分別為75和140 MPa時，滯燃期和燃燒持續(xù)期的變化曲線. 可以看出，在相同的EGR率下，提高噴油壓力，改善了油氣混合，起燃點位置提前，縮短了滯燃期；在相同的噴油壓力下，隨著EGR率的增加，燃燒持續(xù)期前半段(SOC～50°CA)均變化不大，燃燒持續(xù)期后半段(50°～90°CA)逐漸增加.

圖13為燃燒模式切換過程中，噴油壓力分別為75 MPa和140 MPa時，指示熱效率和最大壓升率的變化曲線.

可以看出，在EGR率為37%的傳統(tǒng)燃燒模式及EGR率為55%的低溫燃燒模式，提高噴油壓力均可以提高缸內(nèi)的指示熱效率，同時缸內(nèi)的最大壓力升高率幅值相應(yīng)增加.

4 結(jié) 論

在一臺高壓共軌柴油機1 500 r·min-1、30%負(fù)荷下采用單次噴油、調(diào)節(jié)EGR率方式實現(xiàn)燃燒模式切換，開展了燃燒模式切換過程中燃燒模式識別研究，并分析噴油相位以及噴油壓力對燃燒特性的影響，得到以下的結(jié)論.

① 隨著EGR率從0增加到55%，缸內(nèi)燃燒的起燃點位置稍有后移，但變化不大，當(dāng)EGR率超過45%后，缸內(nèi)冷焰反應(yīng)持續(xù)期延長導(dǎo)致二階段滯燃，化學(xué)滯燃期延長，缸內(nèi)開始進(jìn)入低溫燃燒模式；

② 采用單次燃油噴射及大EGR率實現(xiàn)柴油機低溫燃燒的方式，瞬時放熱率曲線初始上升過程由于冷焰反應(yīng)延長導(dǎo)致上升過程出現(xiàn)的二階段滯燃，可以作為識別燃燒模式的特征，控制缸內(nèi)燃燒模式；

③ 噴油相位從-14°CA ATDC推遲到-7°CA ATDC，在傳統(tǒng)燃燒模式，噴油相位的推遲對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響較小，但對低溫燃燒的燃燒持續(xù)期影響較大，同時當(dāng)噴油相位推遲到-7°CA ATDC時，缸內(nèi)接近失火；

④ 噴油壓力從75 MPa提高到140 MPa，在傳統(tǒng)和低溫燃燒模式均可以改善發(fā)動機的油氣混合程度，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及瞬時放熱率峰值增加，指示熱效率有所增加，但幅度變化不大.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Diesel Engine Combustion Characteristics Variation Under Switching Process

CHAI Zhi-gang，ZHANG Fu-jun

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

In order to study the way how to identify the combustion region between conventional combustion and low temperature combustion (LTC) under combustion mode switching process in diesel engine, and the effect of different injection parameters on combustion characteristics, experimental investigations were carried out on a common rail diesel engine by single injection and EGR to switch combustion mode at 1 500 r·min-1and 30% load condition. The results show that, with the promotion of exhaust gas recirculation (EGR) from 0% to 55%, the position of start of combustion (SOC) is delayed a little but not too much. However, when the EGR ratio is over 45%, the LTC region is attained. The point of inflection at the beginning of heat release rate (HRR) profile can be used as an indicator to identify the LTC region and control the combustion event. When the injection timing retards from -14°CA ATDC to -7°CA ATDC, it shows little effect on ignition delay and combustion duration on conventional combustion region, but it influences greatly on LTC region. What’s more, it almost misses fire when the injection timing is tuned to -7°CA ATDC. With the fuel injection pressure increasing from 75 MPa to 140 MPa, it promotes the air-fuel mixing both in conventional combustion region and LTC region. The peak point of in-cylinder pressure and HRR are risen and the indicated heat efficiency slightly increased.

diesel engine; low temperature combustion; exhaust gas recirculation; combustion mode

2015-10-23

國家部委重點基礎(chǔ)研究計劃基金資助項目(D2220112901)

柴智剛(1987—)，男，博士生，E-mail:0607090105@bit.edu.cn.

張付軍(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zfj123@bit.edu.cn.

TK 427

A

1001-0645(2016)09-0910-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.006