預(yù)噴射參數(shù)對防爆柴油機排放特性的影響及比例相對指標(biāo)的優(yōu)化

續(xù)彥芳 桂文龍 劉漢濤 鄭 海

（中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院）

隨著發(fā)動機排放法規(guī)的越加嚴(yán)格，針對缸內(nèi)燃燒過程優(yōu)化的研究也更加深入。 防爆柴油機作為防爆膠輪車的主要動力源， 保障著煤礦井下生產(chǎn)的安全、有效進行。 由于井下通風(fēng)較差，且運載負(fù)擔(dān)較重， 所以防爆柴油機較常規(guī)柴油機排放性能有所降低， 對井下工作環(huán)境和安全生產(chǎn)造成了消極影響［1，2］。因此，解決防爆柴油機的經(jīng)濟性和排放超標(biāo)問題，對井下運輸、作業(yè)有著重要意義。

現(xiàn)有的研究顯示，減小噴油提前角，可以降低缸內(nèi)燃燒的溫度，達(dá)到降低NO 排放的目的，但是soot 的排放仍會升高，可知NO 和soot 的排放是此消彼長的關(guān)系。 燃油預(yù)噴射策略有利于缸內(nèi)混合氣的形成，減少熱量擴散，降低油耗和尾氣排放，可以在有效降低NO 排放的前提下，使soot排放達(dá)到預(yù)期目標(biāo)［3］。 鑒于礦井下的特殊工作環(huán)境，NO 成為了危害人體的首要污染物。 因此，在保證安全生產(chǎn)且不影響防爆柴油機動力性能的前提下，改善防爆柴油機的排放性能，減少NO 并控制soot 等有害物質(zhì)的排放，是優(yōu)化礦井防爆柴油機的重要目標(biāo)。

1 仿真模型的建立及可靠性驗證

1.1 模型的建立

建立實體模型并在仿真軟件中進行網(wǎng)格劃分、數(shù)理模型設(shè)置和初始化條件設(shè)置。 原模型共有10 個噴油孔，為減少計算時間，簡化模型只選擇計算域的1/10，得到實體模型和網(wǎng)格模型［4］如圖1 所示。

圖1 實體模型和網(wǎng)格模型

防爆柴油機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

型式 直列、四沖程、自然吸氣

缸徑×行程 110mm×110mm

孔徑 0.22mm

壓縮比 14.5

孔數(shù) 10

噴霧夾角 155°CA

1.2 可靠性驗證

模型的可靠性通過示功圖進行驗證。 驗證時的工況是單缸扭矩250N·m 和3 600r/min 的單次噴射條件。 試驗采用靈敏度為-2 600pC/bar（1bar=100kPa） 的SYC04A 石英晶體壓力傳感器和DF3 電荷放大器來采集缸內(nèi)壓力。圖2 為模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的示功圖對比，可以看出模擬曲線與試驗曲線吻合較好， 可以保證計算的可靠性。

圖2 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的示功圖對比（1bar=100kPa）

2 預(yù)噴射對排放的影響分析

結(jié)合井下的實際情況，設(shè)定防爆柴油機在滿載單缸扭矩為250N·m 和3 600r/min 的工況條件下。 分別考慮在不同方案下，防爆柴油機尾氣排放 變 化 情 況 。 依 據(jù) 現(xiàn) 有 文 獻 和 經(jīng)驗［5～7］，設(shè)定了5 種方案（表1）。 這5 種方案的主噴射定時均為340°CA， 供油壓力均為1 300bar，單次循環(huán)總噴油量不變，采用正交法對預(yù)噴射方案進行仿真分析。

表1 預(yù)噴射方案

2.1 預(yù)噴射間隔對排放的影響

圖3～6 為預(yù)噴射油量2%、12%、22%、32%時，不同預(yù)噴射間隔下NO 和soot 的排放曲線。其中，標(biāo)定的預(yù)噴射方案形式是FP-A-B，F(xiàn)P 是預(yù)噴射，A是預(yù)噴射間隔，B是預(yù)噴射油量，single 是單次噴射。

圖3 預(yù)噴射油量2%時NO 和soot 排放曲線

圖4 預(yù)噴射油量12%時NO 和soot 排放曲線

圖5 預(yù)噴射油量22%時NO 和soot 排放曲線

圖6 預(yù)噴射油量32%時NO 和soot 排放曲線

從圖3～6 可以看出，在預(yù)噴射油量2%時，隨著預(yù)噴射間隔的增加NO 排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在預(yù)噴射間隔2℃A 時為NO 排放的極大值。 在預(yù)噴射油量12%時NO 排放均低于單次噴射， 且隨著預(yù)噴射間隔的增大NO 排放呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，預(yù)噴射間隔2℃A 時為NO 排放的極小值。 在預(yù)噴射油量22%時，隨著預(yù)噴射間隔的增加NO 排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在預(yù)噴射間隔2℃A 時為NO 排放的極大值。在預(yù)噴射油量32%時，隨著預(yù)噴射間隔的增加NO 排放呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，在預(yù)噴射間隔2℃A 時為NO 排放的極大值，12℃A 時為NO 排放的極小值。 從總體上看，隨著預(yù)噴射間隔的增加，NO 排放基本呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，原因是預(yù)噴射間隔增大， 使得溫度上升的時間滯后，抑制了NO 的生成， 隨著預(yù)噴射間隔的進一步增大，對主燃燒期的燃燒效果有著明顯的幫助。 預(yù)噴射間隔2℃A 時是NO 排放的重要轉(zhuǎn)折點。不論預(yù)噴射油量在何種情況下，soot 排放均高于單次噴射，且在一定的預(yù)噴射油量下隨著預(yù)噴射間隔的增加，總體基本呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢。 原因是采用預(yù)噴射后，一方面降低了缸內(nèi)氧氣的濃度；另一方面，預(yù)噴射在主噴射之前未能及時燃燒，造成“火包油”的現(xiàn)象，導(dǎo)致soot 氧化速率減慢、soot 大量生成。

2.2 預(yù)噴射油量對排放的影響

圖7～9 為預(yù)噴射間隔2、12、22°CA 時， 不同預(yù)噴射油量下的NO 和soot 排放曲線。

圖7 預(yù)噴射間隔2°CA 時NO 和soot 排放曲線

圖8 預(yù)噴射間隔12°CA 時NO 和soot 排放曲線

圖9 預(yù)噴射間隔22°CA 時NO 和soot 排放曲線

從圖8、9 可看出，在預(yù)噴射間隔為2℃A 時，隨著預(yù)噴射油量的增加NO 排放呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢；在預(yù)噴射間隔12、22℃A 時NO排放均有降低。 原因是預(yù)噴射油量增加，預(yù)燃燒階段消耗的氧濃度增大，噴霧貫穿距離變長，增大了預(yù)混燃燒的油氣接觸面積，初期燃燒溫度升高較快，在主燃燒階段，氧濃度相對較少，反應(yīng)速率變緩，缸內(nèi)最高峰值溫度較低，抑制了NO 的生成。

在預(yù)噴射間隔2、22℃A 時，隨著預(yù)噴射油量的逐漸增加，soot 排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在預(yù)噴射間隔一定、預(yù)噴射油量不同時，雖然soot排放均高于單次噴射狀態(tài)，但是soot 的峰值呈現(xiàn)依次增高的趨勢。 原因是預(yù)噴射降低了氧氣濃度， 主噴射階段不斷卷吸預(yù)噴射燃燒的產(chǎn)物，使得soot 增加。

當(dāng)預(yù)噴射間隔為定值時，NO 和soot 排放對預(yù)噴射油量的變化較為靈敏。

由上述分析可知， 存在一種使NO 最大限度減少的同時使soot 最小限度增加的預(yù)噴間隔與預(yù)噴射油量組合。

3 最佳匹配方案的確定（比例相對指標(biāo)的優(yōu)化）

為了更加直觀地選取最佳匹配方案，現(xiàn)引入統(tǒng)計學(xué)中比例相對指標(biāo)的概念，并定義如下：

通過拾取NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定值與soot 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值，代入公式計算得到結(jié)果見表2，可以看出， 比例相對指標(biāo)能客觀反映NO 排放和soot 排放的相對變化。

表2 預(yù)噴射優(yōu)化分析 %

由表2 中的預(yù)噴射優(yōu)化數(shù)據(jù)分析可知，F(xiàn)P-12-32%方案的比例相對指標(biāo)的絕對值為38.1，能最大程度地減少NO 排放的同時控制soot 排放的增加，但鑒于soot 排放成倍數(shù)的增加會影響防爆柴油機的動力性能，因此選取FP-22-2%方案（比例相對指標(biāo)的絕對值為31.1）作為預(yù)噴射最佳匹配方案。

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)預(yù)噴射油量一定時，隨著預(yù)噴射間隔的增大，NO 排放呈先升高后降低的趨勢，soot 的排放總體呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，且始終高于單次噴射狀態(tài)。

4.2 當(dāng)預(yù)噴射間隔為2℃A 時，隨著預(yù)噴射油量的增加NO 排放呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢； 在預(yù)噴射間隔12、22°CA 時，NO 排放均有降低。 在預(yù)噴射間隔2、22°CA 時，隨著須噴射油量的增加，soot 排放先增加后減小。

4.3 防爆柴油機工作在3 600r/min 和滿載的工況下， 預(yù)噴射間隔22°CA、 預(yù)噴射油量2%的方案， 能夠在最大程度減小NO 排放的同時使soot排放最小程度地增加，因此可作為減少礦井首要污染物NO 排放的預(yù)噴射最佳匹配方案。