噴油策略對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能的影響

石晉宏，王 鐵，張正午，楊甜甜

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024)

自柴油機(jī)電控技術(shù)工業(yè)化以來(lái)，由于其性能優(yōu)越，已在全球范圍內(nèi)迅速普及，將噴射壓力的產(chǎn)生與噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)，能夠在較寬的范圍內(nèi)改變噴射壓力和噴射脈寬，實(shí)現(xiàn)噴油速率的柔性控制以及預(yù)噴射和多次噴射技術(shù)，使噴射壓力在20 MPa～2 00 MPa的范圍內(nèi)彈性調(diào)節(jié)，最小噴射量可以控制到0.5 mm3，為降低柴油機(jī)排放提供了新的途徑[1-2]。王慶新等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)退俚拓?fù)荷時(shí)延遲噴油，會(huì)導(dǎo)致碳?xì)浠衔锖皖w粒物排放的增加。WANG et al[4]和MANIN et al[5]的研究表明，高壓噴射可以提高燃油的噴射能量，細(xì)化噴霧并且加快油束的貫穿速度，形成更加均勻的燃油混合氣。蘇萬(wàn)華等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究表明，主噴時(shí)間間隔過(guò)短，不利于顆粒排放；主噴時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，則不利于NOx的降低。

在節(jié)能減排的背景下，發(fā)展代用燃料對(duì)保證能源安全與環(huán)境安全具有重要的戰(zhàn)略意義[7]和現(xiàn)實(shí)意義[8-9]。F-T煤制油，即煤炭經(jīng)費(fèi)托間接液化合成的能在柴油機(jī)上直接壓燃的煤制液體燃料，主要成分是支鏈飽和烴及分枝異構(gòu)飽和烴，硫和芳香烴含量極少，十六烷值和H/C值高，燃燒熱效率高，排放污染物少，被認(rèn)為是清潔高效的柴油機(jī)代用燃料[10]。王鐵等[11-12]在增壓中冷柴油機(jī)上燃用F-T煤制油，試驗(yàn)結(jié)果表明：F-T煤制油可以直接在柴油機(jī)上應(yīng)用，NOx排放量平均降低14.5%，碳煙排放平均降低35.6%.宋崇林等[13]開(kāi)展F-T煤制油在電控柴油機(jī)上的性能研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：與國(guó)Ⅲ柴油相比，在歐洲穩(wěn)態(tài)工況條件下，微粒、一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锓謩e降低了25.5%，33.9%，39.3%，11.7%.

本文通過(guò)改變噴油壓力和噴油正時(shí)，研究了不同的噴油策略對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)的影響，以期通過(guò)改變噴油參數(shù)來(lái)充分發(fā)揮F-T煤制油和高壓共軌柴油機(jī)的特性，提高柴油機(jī)的性能。

1 燃料特性及試驗(yàn)裝置

1.1 燃料特性

試驗(yàn)用F-T煤制油由山西潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，燃料參數(shù)由山西潞安納克碳一化工有限公司提供。主要參數(shù)見(jiàn)表1.

燃料品質(zhì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的著火、燃燒和排放性能，十六烷值和餾程溫度等油品參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程有重要影響[14]。由表1可知，F(xiàn)-T煤制油與國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)0#柴油相比具有低密度、低餾程溫度和低芳烴含量，不含硫以及較高的十六烷值的特性，具有降低排放的潛質(zhì)。

表1 F-T煤制油與國(guó)Ⅵ 0#柴油參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameters of F-T and 0# diesel

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2.通過(guò)Bosch電控單元控制高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)和MCV100開(kāi)放式ECU系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)噴油正時(shí)和軌壓等噴油參數(shù)。使用AVL SESAM I60多組分排放測(cè)試儀和AVL483微碳煙測(cè)試儀進(jìn)行排放檢測(cè)，缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采用Kistler傳感器和德維創(chuàng)燃燒分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和采集，試驗(yàn)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1.

表2 柴油機(jī)主要參數(shù)Table 2 Engine specifications

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖 Fig.1 Test system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒穩(wěn)定性分析

圖2為最高燃燒壓力及其相位概率密度分布圖(100個(gè)循環(huán))。由圖2可知：最高燃燒壓力pmax1=8.738 MPa的頻率占41%，即41次；pmax2=8.862 MPa的頻率占33%，即33次，二者合占74%，峰值相位的頻率分別為10%和68%，兩者占比78%，因此試驗(yàn)的燃燒過(guò)程相當(dāng)穩(wěn)定。

圖2 最高燃燒壓力及其相位概率密度分布 Fig.2 Probability density distribution of highest combustion pressure and angle

2.2 噴油壓力對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)性能的影響

圖3為不同噴油壓力下的燃燒過(guò)程和燃燒參數(shù)分析曲線。由圖3(a)可知，缸內(nèi)壓力和放熱峰值均隨噴油壓力的增大而明顯上升，且峰值相位均提前出現(xiàn)。由圖3(b)可知，噴油壓力越大燃燒越早，噴油壓力由62.8 MPa增大至143.8 MPa時(shí)，燃燒提前7°，滯燃期縮短30.2%.

隨著噴油壓力的增大，燃油在缸內(nèi)的霧化質(zhì)量提高，蒸發(fā)、擴(kuò)散與空氣混合的物理準(zhǔn)備階段和低溫多階段著火的化學(xué)準(zhǔn)備階段縮短，混合氣形成的速度更快、量更多，提前達(dá)到燃料的著火溫度，導(dǎo)致滯燃期縮短，燃燒提前。隨著噴油壓力的增大，滯燃期內(nèi)形成的混合氣量增多且質(zhì)量提高，能量增多，缸壓增大，放熱量增多。

圖4為不同噴油壓力下的排放變化曲線。由圖4(a)可知，SOOT和NOx排放有明顯的trade-off關(guān)系：SOOT排放隨著噴油壓力的增大呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)；噴油壓力由62 MPa增加至143 MPa時(shí)，SOOT排放量降低94.5%，NOx排放量升高16.2%.

圖3 不同噴油壓力下的燃燒過(guò)程與燃燒參數(shù)變化規(guī)律曲線 Fig.3 Combustion process and parameters curve under different injection pressure

圖4 不同噴油壓力下的排放變化規(guī)律曲線 Fig.4 Emissions curve under different injection pressure

由圖4(b)可得，CO與HC排放量分別下降6.7 mg/m3和7.8 mg/m3.

隨著噴油壓力的增加，燃油的能量增加，燃油與空氣混合越均勻，局部和瞬時(shí)過(guò)濃或過(guò)稀區(qū)域減少，保證了燃燒的充分性，減少了燃燒過(guò)程中高溫缺氧的燃?xì)馀c燃油混合，降低了預(yù)擴(kuò)散燃燒比例，降低了SOOT和HC生成的可能。由于燃油與空氣的充分混合，燃燒較完全，燃燒過(guò)程放熱多、缸內(nèi)溫度高，減少了烴類燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物，降低了CO排放量，但高溫促使富氧區(qū)的NOx生成量增多。

2.3 預(yù)噴正時(shí)對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)性能的影響

圖5為不同預(yù)噴正時(shí)下的燃燒過(guò)程和燃燒參數(shù)分析曲線。由圖5(a)可知，缸內(nèi)壓力和放熱峰值均隨預(yù)噴的提前而增大，且峰值相位基本一致，燃燒過(guò)程變化敏感度較噴油壓力弱。由圖5(b)可知，預(yù)噴正時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角由上止點(diǎn)前17.5°推后至12.5°時(shí)，燃燒推后1.3°，滯燃期縮短7°.

圖5 不同預(yù)噴正時(shí)下的燃燒過(guò)程與燃燒參數(shù)變化規(guī)律曲線 Fig.5 Combustion process and parameters curve under different pre-injection timing

預(yù)噴正時(shí)提前。燃油較早噴入缸內(nèi)，與空氣混合時(shí)間較長(zhǎng)，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，起燃時(shí)刻較早。由于滯燃期延長(zhǎng)，形成的預(yù)混合氣量增多，缸內(nèi)壓力和放熱率略有提高，燃燒過(guò)程在小幅范圍內(nèi)變動(dòng)。

圖6為不同預(yù)噴正時(shí)下的排放變化曲線。由圖6(a)可知，SOOT排放量隨著預(yù)噴正時(shí)的推后而增多；預(yù)噴正時(shí)推后5°時(shí)，SOOT排放量增加0.19 mg/m3，NOx排放量降低34 mg/m3.由圖6(b)可得，CO與HC排放量分別上升29 mg/m3和28 mg/m3.

圖6 不同預(yù)噴正時(shí)下的排放變化規(guī)律 Fig.6 Emissions curve under different pre-injection timing

預(yù)噴正時(shí)越早，參與預(yù)混合燃燒的油量越多，總的燃燒持續(xù)期更接近上止點(diǎn)，燃燒等容度增大，缸內(nèi)的最高溫度和壓力升高導(dǎo)致NOx的排放量增多，碳煙排放的生成量越少。當(dāng)預(yù)噴正時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角為-17.5°時(shí)，主預(yù)噴間隔過(guò)大，缸內(nèi)溫度反而下降，NOx排放量下降。預(yù)噴推后滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混合氣少，燃燒初期的放熱率降低，燃燒溫度降低，CO氧化速率減慢，進(jìn)而CO和HC排放量升高。

2.4 主噴正時(shí)對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)性能的影響

圖7為不同主噴正時(shí)下的燃燒過(guò)程和燃燒參數(shù)分析曲線。由圖7(a)可知，缸內(nèi)壓力和放熱峰值均隨主噴正時(shí)的提前而增大，且峰值相位都提前出現(xiàn)。由圖7(b)可知，主噴越晚著火越推后，主噴正時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角上止點(diǎn)后(ATDC)由-10.4°推遲至-4.4°時(shí)，燃燒推后0.8°，滯燃期延長(zhǎng)8°.

圖7 不同主噴正時(shí)下的燃燒過(guò)程與燃燒參數(shù)變化規(guī)律曲線 Fig.7 Combustion process and parameters curve under different main-injection timing

隨著主噴正時(shí)的提前，著火時(shí)刻提前，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的燃料與空氣混合度變好，混合氣質(zhì)量提高，預(yù)混燃燒的比例增加，缸內(nèi)壓力和峰值增高。

圖8為不同主噴正時(shí)下的排放變化曲線。由圖8(a)可知，SOOT排放量隨著主噴正時(shí)的推后而增多；預(yù)噴正時(shí)斷軸轉(zhuǎn)角由-10.4°推后-4.4°時(shí)，SOOT排放量增加1.19 mg/m3，NOx排放量降低44 mg/m3.由圖8(b)可得，CO與HC排放量分別上升3 mg/m3和23 mg/m3.

當(dāng)大部分燃油在前段時(shí)間噴入氣缸內(nèi)時(shí)，參與預(yù)混燃燒的油量增多，燃燒過(guò)程結(jié)束的早，SOOT排放量低而NOx排放量較高；當(dāng)推遲主噴正時(shí)時(shí)，參與擴(kuò)散燃燒的油量增多，燃燒較完全，SOOT排放量增多，NOx排放量下降；當(dāng)主噴正時(shí)晚于一定時(shí)刻后，由于擴(kuò)散火焰大部分發(fā)生在膨脹過(guò)程中，火焰溫度較低，碳煙生成速率下降。推遲噴油，局部的混合氣過(guò)濃或過(guò)稀區(qū)域以及溫度或壓力過(guò)低區(qū)增大，HC排放量增多，燃燒遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，滯燃期大大延遲，缸內(nèi)溫度低，CO氧化速率變慢。

圖8 不同主噴正時(shí)下的排放變化規(guī)律曲線 Fig.8 Emissions curve under different main-injection timing

3 結(jié)論

本文主要分析了不同的噴油參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響。結(jié)論如下：

1) 提高噴油壓力，能夠改善混合氣的混合質(zhì)量，爆發(fā)壓力和放熱增多，SOOT排放量直線下降，CO和HC排放量也不同程度地減少，但會(huì)增加NOx的排放值。

2) 預(yù)噴提前即增大主預(yù)噴間隔角，滯燃期縮短，缸壓增大，放熱增多，NOx排放量有下降趨勢(shì)。

3) 噴油正時(shí)推后，滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混燃燒的比例增加，缸壓降低，SOOT，CO和HC排放量均上升，NOx排放量下降。

4) 適當(dāng)加大噴油壓力，推遲主噴正時(shí)，增大主預(yù)噴間隔角能夠改善電控柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，提升電控柴油機(jī)的排放水平。