后噴參數(shù)對柴油機排放影響的試驗研究

朱 浩，游 靖，沈黎明，羅福強

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇四達動力機械集團有限公司，江蘇 無錫 214187）

1 引言

近些年來，汽車排放法規(guī)越來越嚴格，而NOx和碳煙是柴油機尾氣排放中控制的關(guān)鍵，電控高壓共軌燃油系統(tǒng)可以實現(xiàn)噴油正時、噴油量以及噴油規(guī)律的高精度、柔性控制，顯著改善燃油的噴霧特性和燃燒進程，得到了業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用[1]。多次噴射是高壓共軌系統(tǒng)的核心技術(shù)，是改善柴油機缸內(nèi)燃燒的較好方法，理想的噴油規(guī)律及靈活的噴油控制策略可以同時降低NOx和碳煙排放[2-3]。后噴是指在主噴結(jié)束后迅速向缸內(nèi)噴入少量燃油，產(chǎn)生二次燃燒[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗和數(shù)值模擬，研究了后噴射技術(shù)對柴油機燃燒過程及排放性能影響。研究表明，通過對后噴策略的調(diào)節(jié)，后噴能夠?qū)⒅鲊娙紵a(chǎn)生的碳煙帶入到燃燒室擠流區(qū)，提高燃燒后期缸內(nèi)的溫度，加強燃油與新鮮空氣的混合，從而促進碳煙的氧化速度，以達到同時改善NOx和碳煙的效果[6-7]。以某輕型貨車電控高壓共軌柴油機為樣機進行試驗，研究軌壓、主噴正時、后噴油量、主-后噴間隔角等參數(shù)對柴油機排放性和燃油消耗率的影響。

2 試驗裝置及試驗方案

2.1 試驗裝置

試驗以一臺車用電控高壓共軌直噴柴油機為樣機，其主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。主要試驗設(shè)備有湘儀CAC250測功機、HORIBA公司MEXA7200型排氣分析系統(tǒng)、AVL415S煙度計及AVL735S油耗儀。

表1 試驗柴油機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main Technical Parameters of the Experimental Diesel Engine

2.2 試驗方案

試驗根據(jù)GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國III、IV、V階段）》設(shè)定試驗工況，對中、重型柴油機而言，在ESC（Europeansteadystate cycle）排放測試循環(huán)里面，中、高轉(zhuǎn)速及中、大負荷率的工況是需要重點控制排放的工況?；诖?，試驗選取轉(zhuǎn)速2850r/min-1，負荷率為75%（轉(zhuǎn)矩191N/m）的工況點作為研究工況，進行單次噴射在不同軌壓和主噴正時下的排放試驗，以及在“主噴射+后噴射”的噴射方式下，探索不同的后噴油量和主-后噴間隔對柴油機排放（煙度、NOx、CO及HC）和燃油消耗率be的影響。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 軌壓及主噴正時的影響

圖1 不同軌壓下主噴正時對NOx的影響Fig．1 Influence of Main Injection Timing on NOx Emission Under Different Rail Pressure

圖2 不同軌壓下主噴正時對煙度的影響Fig．2 Influence of Main Injection Timing on Smoke Under Different Rail Pressure

在此次試驗中只進行單次噴射，主噴正時分別選取為上止點前（BTDC）9°CA、11°CA、13°CA、15°CA、17°CA 曲軸轉(zhuǎn)角，測試軌壓為150MPa、155MPa、160MPa條件下對柴油機煙度、NOx及燃油消耗率的影響，主噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)。不同軌壓下主噴正時對柴油機煙度、NOx及燃油消耗率的影響，如圖1～圖3所示。

圖3 不同軌壓下主噴正時對燃油消耗率的影響Fig．3 Influence of Main Injection Timing on Fuel Consumption Rate Under Different Rail Pressure

由圖1、圖2及圖3可以看出，主噴正時對NOx排放量的影響較大，增大噴油提前角，會使NOx的排放量增大，且提前角越大NOx排放增加量越明顯，而煙度和燃油消耗率則隨著主噴提前角的增大呈現(xiàn)出下降的變化趨勢。這是因為噴油正時對柴油機燃油燃燒過程和排放的影響很大[8]，隨著噴油正時的提前，燃燒滯燃期隨之增長，氣缸內(nèi)的最大壓力和溫度升高，高溫又是NOx生成的必要條件，進而促使NOx的排放量增加；而且提前噴油時，油氣混合時間更長，混合氣更均勻，有利于燃燒，可改善煙度排放，降低燃油消耗率。相反，推遲噴油則可以使NOx排放得到改善，而煙度及燃油消耗率會有所增大。

共軌壓力對柴油機的性能也有著重要的影響。從圖1、圖2及圖3還可以看出，軌壓為160MPa時，燃油消耗率和煙度排放比軌壓為150MPa和155MPa時要好，而NOx排放則略高。這是由于軌壓高時，噴油壓力也更大，高壓噴射時燃油霧化效果更好，可加劇燃燒，提升缸內(nèi)溫度，從而NOx的生成量會增加，煙度排放和燃油消耗率下降。此時，可以通過適當(dāng)?shù)耐七t主噴正時，來降低NOx的排放。綜合考慮煙度、NOx排放和燃油消耗率，在單次噴射試驗中，當(dāng)軌壓為160MPa，主噴正時為上止點前13℃A時煙度、NOx排放和燃油消耗率較為折中，所以在后續(xù)試驗中軌壓選取為160 MPa，主噴正時選取為上止點前13℃A。

3.2 后噴油量的影響

在此次試驗中，主-后噴間隔角（即主噴始點到后噴始點之間的曲軸轉(zhuǎn)角）選取為43℃A，每循環(huán)總噴油量則由MAP圖自行調(diào)節(jié)，后噴油量分別取 3．3mg、3．8mg、4．3mg、4．8mg、5．3mg。后噴油量對煙度、NOx排放及燃油消耗率的影響，如圖4所示。后噴油量對CO和HC排放的影響，如圖5所示。

圖4 后噴油量對煙度、NOx及be的影響Fig．4 Influence of Post-Injection Quantity on Smoke，NOxand be

由圖4可知，在主-后噴間隔角一定時，NOx的排放隨著后噴油量的增大呈現(xiàn)出下降的趨勢，這是因為引入后噴射后，主噴射階段噴入的燃油相對減少，導(dǎo)致預(yù)混合燃燒階段混合氣量變少，進而促使氣缸內(nèi)溫度降低，NOx生成量減小。隨著后噴油量的增加，煙度的排放呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)后噴油量為4.3mg時煙度最低，這是因為緊接著主燃燒后期噴入的燃油油束進入氣缸內(nèi)會增強混合氣的擾動[9]，加速未完全燃燒產(chǎn)物與氧氣的混合，同時新噴入的燃油再次燃燒提高了膨脹沖程中氣缸內(nèi)的溫度，促進未完全燃燒產(chǎn)物的氧化，從而降低了煙度的排放。但當(dāng)后噴油量繼續(xù)增加時，后噴射燃油與空氣混合變差，后噴射燃油燃燒產(chǎn)生的碳煙會導(dǎo)致煙度增大。燃油消耗率隨著后噴油量的增大而稍有增大，當(dāng)增加后噴油量時，主噴油量會相應(yīng)減少，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低，從而燃油消耗率增大。由圖5可知，隨著后噴油量的增大，CO和HC的排放量均呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，后噴油量過大時，CO和HC排放惡化較為明顯。后噴油量在3.8或4.3mg時，CO和HC的排放比較理想。綜合以上分析，當(dāng)后噴油量為4.3mg，在該工況下柴油機的煙度、NOx排放和燃油消耗率較為折中，CO和HC的排放也比較理想。

圖5 后噴油量對CO和HC的影響Fig.5 Influence of Post-Injection Quantity on CO and HC

3.3 主—后噴間隔的影響

圖6 主-后噴間隔角對煙度、NOx及be的影響Fig.6 Influence of Interval Angle Between Main andPost Injection on Smoke，NOxand be

圖7 主-后噴間隔角對CO和HC的影響Fig.7 Influence of Interval Angle Between Main and Post Injection on CO and HC

在相同工況下，保持主噴正時不變，取為上止點前13℃A，主噴油量由MAP圖自行調(diào)節(jié)，后噴油量取為4.3mg，主-后噴間隔角分別取33℃A、38℃A、43℃A、48℃A、53℃A。主-后噴間隔角對煙度、NOx排放及燃油消耗率的影響，如圖6所示。主-后噴間隔角對CO和HC排放的影響，如圖7所示。

由圖6可以看出，在保持后噴油量不變的情況下，隨著主-后噴間隔的增大，NOx排放逐漸減小，而燃油消耗率逐漸增大，但變化幅度均不是很大，煙度則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。由圖7可知，CO和HC的排放量均隨著主-后噴間隔角的增大而增大。當(dāng)主-后噴間隔角較小時，主噴和后噴比較接近，混合氣形成時間比較短，燃油未能與空氣進行充分混合，燃燒效率低下，不利于碳煙再次氧化，煙度較大。當(dāng)主-后噴間隔角過大時，后噴擾動效果減弱，后噴燃油燃燒推遲，燃燒效率下降，燃燒產(chǎn)物區(qū)域內(nèi)溫度下降，此時產(chǎn)生的碳煙無法再次氧化[10]，導(dǎo)致煙度增大，CO和HC的排放量也較大，但對NOx的生成卻有所抑制。

綜合以上分析，在主-后噴間隔角為43℃A時，煙度最低，NOx、CO、HC的排放和燃油消耗率也相對較好。

3.4 試驗結(jié)果比較

結(jié)合以上試驗分析可知，對于試驗樣機而言，在2850r·min-1，191N·m工況下，軌壓為160MPa，主噴正時為上止點13℃A時，單次噴射策略有著較為折中的煙度、NOx排放和燃油消耗率。以此為基礎(chǔ)，引入后噴射時，當(dāng)后噴油量為4.3mg，主-后噴間隔角為43℃A時，主-后噴策略比較合理。單次噴射和后噴射試驗結(jié)果的比較，如表2所示。由表2可知，與單次噴射試驗相比較，引入后噴射后NOx排放降低了17%，煙度降低了41%，燃油消耗率增加了7.2g·kW·h-1。根據(jù)對比結(jié)果可知：采用后噴射，雖然燃油消耗率有所增大，但可以同時降低NOx和煙度的排放，達到排放和燃油消耗率的折中優(yōu)化。

表2 單次噴射與后噴射試驗結(jié)果比較Tab.2 Comparison of Single Injection and Post Injection Experiment

4 結(jié)論

（1）單次噴射試驗中，更高的軌壓下，燃油霧化效果好，燃燒充分，煙度及燃油消耗率相對更低，但NOx排放較高。而相同軌壓下，推遲主噴正時可以很明顯改善NOx排放。（2）主-后噴間隔角一定時，隨著后噴油量的增加，NOx排放和燃油消耗率逐漸增大，CO、HC及煙度則呈現(xiàn)出先減小和增大的趨勢。后噴油量一定時，隨著主-后噴間隔角的增大，CO、HC及NOx排放和燃油消耗率逐漸增大，煙度則呈現(xiàn)出先減小和增大的趨勢。（3）試驗樣機引入后噴，存在一個最佳的后噴油量和主-后噴間隔角參數(shù)，使煙度、CO、HC、NOx排放和燃油消耗率較為折中。對于試驗樣機，軌壓160MPa，主噴正時為上止點前13℃A，后噴油量4.3mg，主-后噴間隔43°CA時為2850r·min-1轉(zhuǎn)速，75%負荷工況下的最佳后噴策略。