預(yù)噴策略對發(fā)動機工作過程和排放影響的研究

劉軍 方誼茂 王建 陳鑫

摘要：隨著汽車內(nèi)燃機的不斷增多，排放污染也日趨嚴(yán)重。對于NOX和PM難控制的特點，以柴油機4D25為對象，通過實驗結(jié)合理論，以預(yù)噴策略對NOX 排放和其他性能影響進行研究。本篇文章主題為：在理論結(jié)合實驗的思想下，分別對小負荷和大負荷這兩種工況進行了預(yù)噴定時和預(yù)噴油量對NOX排放及其他性能影響研究。通過研究發(fā)現(xiàn)：在小負荷工作的情況下，將預(yù)噴定時提前且預(yù)噴油量較大時，NOX的產(chǎn)生量和煙度明顯下降;在大負荷條件下，運用預(yù)噴策略對NOX的降低沒有明顯的作用，但預(yù)噴定時提早且預(yù)噴油量恰當(dāng)，對煙度的降低有突出的成效。

Abstract： With the continuous increase of automobile internal combustion engines， emissions pollution is becoming more and more serious. Regarding the characteristics of NOX and PM that are difficult to control， the diesel engine 4D25 is used as the object， through experiments and theory， the pre-injection strategy is used to study the effects of NOX emissions and other performance. The theme of this article is： Under the thought of combining theory with experiment， the effects of pre-injection timing and pre-injection amount on NOX emissions and other performance are studied for two working conditions of small load and large load. Through research， it is found that when the pre-injection timing is advanced and the pre-injection amount is large under the condition of small load work， the amount of NOX production and smoke are significantly reduced; under the condition of heavy load， the use of pre-injection strategy reduces NOX There is no obvious effect， but the pre-injection timing is early and the pre-injection amount is appropriate， which has outstanding effects on the reduction of smoke.

關(guān)鍵詞：柴油機;NOX;預(yù)噴定時;預(yù)噴油量;負荷工況

Key words： diesel engine;NOX;pre-injection timing;pre-injection amount;load condition

中圖分類號：TK421? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0028-04

0? 引言

能源的發(fā)展和利用對整個社會進步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著重要的影響，但在促進社會發(fā)展的過程中，也引起了許多環(huán)保問題，氮氧化物排放的增加是其中一個突出的問題，氮氧化物中NO嚴(yán)重損害了臭氧層，酸雨很大程度上也是由氮氧化物導(dǎo)致，氮氧化物對環(huán)境有巨大的破壞作用，也會對人體造成重大傷害[1]。NOX成分大部分為NO（約90%），而NO2成分相對較低。NO的生成方法有三個，即高溫NO、激發(fā)NO和燃料NO，其中，高溫NO是產(chǎn)生NO最主要的方法[2]，反應(yīng)過程可見式（1）、式（2）和式（3）。

從氧的高溫NO生成原理中我們可以明顯看出，NO的生成量受三個主要因素影響：即氧氣的恒定濃度，燃燒的瞬間溫度和高溫持續(xù)時間[3]。由于驅(qū)動柴油機在正常運行運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常處于稀混空氣狀態(tài)，即氣缸內(nèi)仍然是富氧的空氣環(huán)境，高溫度的持續(xù)時間主要受柴油機的齒輪轉(zhuǎn)速和扭矩等因素影響，因此降低氣缸內(nèi)溫度峰值成為了控制NOX的關(guān)鍵技術(shù)。

柴油機NOX排放的控制技術(shù)的主要方法是降低缸內(nèi)燃燒最高的溫度，以抑制NOX生產(chǎn)，主要采用：噴油策略優(yōu)化技術(shù)和EGR[4]。本文以預(yù)噴策略的試驗研究與理論分析為基礎(chǔ)，在不同負荷的工作中，研究了預(yù)噴策略對樣機排放、經(jīng)濟性能等影響;采集汽缸壓，計算瞬時熱率、室內(nèi)溫度等燃燒過程特征參數(shù)，理論分析了預(yù)噴策略對工作過程和性能的影響。

1? 方法

1.1 試驗平臺搭建

本文以4D25柴油機為試驗對象，主要發(fā)動機技術(shù)參數(shù)如表1。柴油機整體性能測試臺架的示意圖如圖1所示。

使用INCA軟件和ETAS公司的ETAS592作為電控標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)[5]。用日本的HOTIBA公司STAR的工作界面進行數(shù)據(jù)收集。從實驗中得到的實驗數(shù)據(jù)有：燃油消耗率通過型號為AVL730的燃油消耗器測出，采集和記錄氣缸壓力和瞬間放出熱量等信息用燃燒分析器INDICOM，排放尾氣的煙度用AVL415S酌濾紙煙度儀測定，柴油機排氣的溫度用溫度感應(yīng)器測定。用德國BOSCH公司的空氣流量儀測量空氣流量。

1.2 發(fā)動機工況的選取

確定各種發(fā)動機組所代表的實際工況和特點時可采用聚類分析統(tǒng)計方法。采用聚類分析研究方法[6]，基于NEDC四個循環(huán)的技術(shù)工況[7]，從汽油整車反向速度和柴油發(fā)動機的反向轉(zhuǎn)速以及整車扭矩的反向轉(zhuǎn)化兩個角度，確定了汽車發(fā)動機的代表工況點[8-9]。

通過對1900r·min-1，負荷25%和100%的選擇進行預(yù)噴策略，研究發(fā)動機的工作過程及排放效果。試驗的具體預(yù)噴方案如表2所示。

1.3 實驗方法

實驗的目標(biāo)是研究預(yù)噴策略的工作過程和排放效應(yīng)。實驗用的臺架以4D25共軌柴油機及整車為基礎(chǔ)，運用到歸類分析，根據(jù)NEDC循環(huán)下汽車真實小時耗油量和排放規(guī)律，聚類中心靠向加速工作點，確定2個可以代表整車NEDC循環(huán)排放和油耗的發(fā)動機工況點。然后進行這兩個情況的實驗，再對其進行分析、研究，得出預(yù)噴定時、油量預(yù)噴對柴油機工作過程及排放影響的結(jié)論及原因。

2? 結(jié)果與討論

2.1 柴油機工作過程和排放受到預(yù)噴定時的影響

圖2是柴油機缸壓和瞬間放熱由于預(yù)噴帶來的變化。由圖2顯示，在工作狀況A和B情況下，氣缸壓力和瞬間放熱率受到預(yù)噴定時的改變的影響大體相同。提前預(yù)噴定時后，預(yù)噴產(chǎn)生的熱量提前了，氣缸中壓力最高值慢慢降低，主放熱率的最高值也逐漸降低。以工作狀況A為例，由圖2（a）和圖2（b）所知，將預(yù)噴定時從9°CA BTDCA提前至19°CA BTDCA，最高缸內(nèi)壓力降低了8.58%，達到7.6MPa。主放熱率的峰值降低了7.38%，達到42J·°CA-1。

圖3表示的排放和油量在不同預(yù)噴定時的情況。從第3張圖可以得到，NOX和煙度都隨著預(yù)噴定時的提早而逐漸減少。但在工況A時，NOX的下降非常的快，詳細如下：當(dāng)預(yù)噴油量為3mg·cycle-1時，NOX下降了33.54%，當(dāng)時NOX為109×10-6，煙度降低了20.19%，為0.09FSN;在工作狀況B時，改變預(yù)噴定時后，NOX變化不明顯，但煙度在恰當(dāng)?shù)念A(yù)噴油量得到了微小的優(yōu)化。詳細如下：當(dāng)預(yù)噴油量為4mg·cycle-1時，NOX下降了1.26%，為1022×10-6。另外，當(dāng)預(yù)噴量增大時，煙度得到了穩(wěn)定的降低，用4mg·cycle-1時，煙度下降最大，下降率為39.86%，下降率為0.12FSN，與NOX變化相比，在工況B時預(yù)噴定時對煙度排放有較明顯的改進。

其原因是：①在大負荷情況下，全部噴油量的3%是預(yù)噴油量，占的比重并不大，預(yù)噴對進入燃燒室燃油和混合空氣的改進作用比A工況低，因此預(yù)噴時定時變化對NOX排放影響很小;②在大負荷情況下，溫度和壓強都處在一個高的狀態(tài)，再加上主噴燃燒時間短，得出預(yù)噴定時只在很小的程度上影響滯燃期。但是更早的預(yù)噴（19° CA BTDC）有助于煙度的改善。

2.2 柴油機工作過程及排放受預(yù)噴油量的影響

圖4是預(yù)噴油量影響發(fā)動機氣缸壓強和一瞬間放出熱量的情形。由圖4所示，從A和B來看，氣缸壓力和瞬間放熱率受到預(yù)噴油量的影響，其影響趨勢是基本相同的。隨著預(yù)噴量的增大，氣缸壓縮最大值、爆發(fā)最大值都上升，預(yù)噴時瞬間放熱最大值上升，主放熱最大值上升，而預(yù)噴時不會有明顯的放熱位置變化。以工況A為例，由圖4（a）所知，從2mg·cycle-1增到4.5mg·cycle-1氣缸壓力上升7.41%，到7.4MPa，放熱率的主要最大值下降6.54%，41J·°CA-1。

其原因如下：①預(yù)噴提前燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力升高，當(dāng)預(yù)噴量變大時，壓力峰值愈來越明顯;②因為增加預(yù)噴，主噴油對燃料的反應(yīng)減少，主放熱值下降。但在大負荷工作時，由于預(yù)噴量在全部循環(huán)噴油中所占比例較低，此時預(yù)噴量的變化對主噴油射量的影響較小，因此主噴油主放熱率下降不明顯。

圖5是NOX和煙度隨預(yù)噴油量的變化而發(fā)生的變化圖。從圖5中可以看出，工況A時預(yù)噴的定時（9°CA BTDC）對降低NOX不利，NOX隨著預(yù)噴油量的升高而升高，2mg·cycyle-1逐步提高至4.5mg·cycyle-1，增加51.32%的NOX，為216×10-6，隨著預(yù)噴油量的升高，煙度緩慢降低，降低的數(shù)值為19.17%，0.097FSN;預(yù)噴定時提前（19°CA BTDC），NOX和煙度隨預(yù)噴量的增加逐漸降低，預(yù)噴量由2mg·cycyle-1，增加至4.5mg·cycyle-1，NOX降低了4.53%，117×10-6，煙度降低了13.04%，0.08FSN。

其原因是：小負荷噴油的總量較少，此時預(yù)噴的油量比例較大，預(yù)噴時間較小，預(yù)噴的油量增加，一定程度上相當(dāng)于主噴的定時提前，放熱集中在接近上點的地方，使氣缸局部內(nèi)溫上升，導(dǎo)致NOX排放增加，但此時有助于碳煙的氧化反應(yīng)。

從如圖5中我們可以明顯看出，工況值為B時，在同一預(yù)噴定時下，NOX隨著同一預(yù)噴量的不斷增加而煙度呈緩慢性的升高，煙度呈現(xiàn)降低的趨勢。在預(yù)噴定時為19°CA BTDC時，NOX大小上升2.46%，為1048×10-6，煙度減少31.25%，為0.11FSN，NOX數(shù)值在預(yù)噴油量改變時變化不大，但是其煙度仍然可以得到明顯降低。其形成原因主要是：碳氣預(yù)噴量密度增大，預(yù)混合的熱量密度加大，導(dǎo)致在靠近上止點的位置時完成主要燃燒，有利于碳煙的氧化。

在工作狀況A時，通過預(yù)噴的定時影響情況，在預(yù)噴量為3mg·cycle-1時，在預(yù)噴量從9°CA BTDC提早到19°CA BTDC時NOX下降33.54%，達109×10-6，煙度降低20.19%，在預(yù)噴量中下降到20.19%。0.09FSN;從預(yù)噴油量可以得到，早期預(yù)噴（19° CA BTDC）和較大預(yù)噴量（4.5mg·cycle-1）可以得到更優(yōu)化的NOX和煙度的排放量，因此在工作情況下A預(yù)噴時（19°CA BTDC）和合適預(yù)噴量，可以有效地使NOX和煙度的排放數(shù)值下降。

在工作狀況B時，由預(yù)噴定時影響到的情況能夠得到，4mg·cycle-1的噴油量中，預(yù)噴定時從9° CA BTDC提早到19°CA BTDC，NOX僅下降1.26%，為1022×10-6，煙度降低39.86%。0.14FSN;分析預(yù)噴油量可得，在預(yù)噴定時19°CA BTDC，預(yù)噴油量從2mg·cycle-1增加至達到4.6mg·cycle-1時，NOX煙度提升2.46%，為1038×10-6，為0.08FSN，煙度相比降低了63.22%為0.08FSN。通過和預(yù)噴在小負荷時的情況比對，NOX的降低效果在大容量負荷早期預(yù)噴的促進方案取得的作用不大，但如果提前預(yù)噴時間并且預(yù)噴釋放量恰當(dāng)對于油煙度值的降低將具有顯著的促進作用。

預(yù)噴以抑制NOX的產(chǎn)生為主，當(dāng)然在與噴油量和預(yù)噴定時恰當(dāng)?shù)那闆r下對煙度有很好的抑制作用。因此，就A和B來看，選擇早期預(yù)噴（19°CA BTDC）和適當(dāng)?shù)念A(yù)噴量3mg·cycle-1-4.5mg·cycle-1），有利于NOX和煙氣排放的改善。

3? 結(jié)論

為了減少柴油機NOX排放，本文對預(yù)噴油戰(zhàn)略的工作過程和排放進行了研究，得出以下結(jié)論：

①A、B兩種工況，將預(yù)噴提前，氣缸壓力峰值和主放熱率峰值逐漸降低，而隨著氣缸預(yù)噴量的不斷增大，氣缸壓縮壓力最值和氣缸爆發(fā)壓力峰值上升，瞬間放熱率峰值上升，主放熱率的最值上升，而放熱點沒有改變不大。

②煙氣工況期間A時段的預(yù)噴煙氣時間較早（19°CABTDC），以及適當(dāng)?shù)臒煔忸A(yù)噴量，可大幅減少NOX和煙氣的排放。在工況B時，采用預(yù)噴策略對降低NOX無明顯作用，但同時采用較早預(yù)噴定時和大預(yù)噴油量對空氣煙度值的改善具有明顯促進作用。

參考文獻：

[1]王威，何西常，周廣猛，等.電控柴油機優(yōu)化標(biāo)定研究現(xiàn)狀和展望[J].內(nèi)燃機，2012（1）：3-6.

[2]趙靖華.EGR策略的重型柴油機全工況空燃比優(yōu)化控制研究[D].吉林大學(xué)，2012.

[3]王新宇，何超，李加強，等.基于局部線性模型樹的高壓共軌柴油機排放模型[J].車用發(fā)動機，2015（4）：16-20.

[4]Cong S， McTaggart-Cowan G P， Garner C P， et al. Experimental Investigation of Low Temperature Diesel Combustion Processes[J]. Combustion Science & Technology， 2011， 183（12）：1376-1400.

[5]劉敬平，李迎春，夏孝朗，等.對應(yīng)于整車行駛循環(huán)的發(fā)動機簡化工況點確定方法的研究[J].汽車工程，2011，33（7）：563-568.

[6]Liang L H， Yang J， Yang T R. Simulation of Temperature and Heat of Cooling System in NEDC Cycle[J]. Traffic Energy Saving and Environmental Protection， 2007（4）：36-38.

[7]ZERVAS E， BIKAS G. Impact of the Driving Cycle on the NOx and Particulate Matter Exhaust Emissions of Diesel Passenger Cars[J]. Energy&Fuels， 2008， 22（3）：1707-1713.

[8]張子慶，平銀生，錢承炬，等.基于NEDC循環(huán)油耗敏感性的發(fā)動機關(guān)鍵工況研究[J].上海汽車，2013（11）：19-24.

[9]Kong Z Q， Ping Y S， Qian C J， et al. Research on Engine Critical Conditions based on NEDC Cycle Fuel Consumption Sensitivity[J]. Shanghai Automobile， 2013（11）：19-24.