噴油策略調(diào)整對柴油機(jī)排放性影響的數(shù)值模擬研究

陳新梅 夏霖

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

2022 年3月26 日，工業(yè)和信息化部原部長、中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會會長李毅中表示，降低碳排放是提高燃油車經(jīng)濟(jì)效能的手段之一。當(dāng)今的綠色環(huán)保概念使人們較多地關(guān)注發(fā)動機(jī)的碳排放經(jīng)濟(jì)。隨著人們對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒概念的深入認(rèn)識，油氣的匹配與混合成為缸內(nèi)燃燒的核心問題，而較先進(jìn)的發(fā)動機(jī)設(shè)備如高壓共軌的出現(xiàn)正好滿足了這一需求。高壓共軌對噴油調(diào)節(jié)的靈活性，可以顯著影響油氣匹配的效果，提高燃燒效率，降低燃燒排放污染，達(dá)到預(yù)期的碳排放經(jīng)濟(jì)性[1]。在噴油規(guī)律的調(diào)節(jié)中，主預(yù)噴始點，主預(yù)噴間隔以及主預(yù)噴的優(yōu)良分配是噴油規(guī)律調(diào)整過程中的重要因素，我們通過研究這些參數(shù)調(diào)整對柴油機(jī)排放的氮氧化物（NOx）和灰分（Soot）含量的影響，分析柴油機(jī)的排放性能。

1 噴油策略調(diào)整

柴油機(jī)理想的噴油規(guī)律是著火前的預(yù)噴量要盡量少，著火后噴油率要很快上升，大部分燃油在上止點附近燃燒，提高燃油利用率，接著又很快結(jié)束，避免后燃，降低排氣溫度[2]。開始噴油量少且噴油壓力低，燃油將在燃燒室中心附近著火，著火后，由于噴油率很快上升，燃油可以較好地噴至外圍，使火焰向空氣較多的燃燒室外圍傳播，燃油得到完全燃燒。實際的噴油規(guī)律受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的影響，噴油始點或者噴油終點提前或者滯后，著火前期由于噴油量多，燃油噴射不遠(yuǎn)，無法充分與氧氣混合，影響燃油的充分燃燒，著火后，噴油終點提前而噴油不足導(dǎo)致燃燒不夠[3]。

我們在前期的研究中對原型機(jī)的噴油規(guī)律進(jìn)行了模擬仿真和實驗標(biāo)定，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍1300～1900rpm下選取四個工況點，每個工況點下根據(jù)負(fù)荷情況選取不同的燃油預(yù)噴量。Point#1工況點為1300rpm轉(zhuǎn)速下加載25%負(fù)荷，燃油噴射方式選取12%的預(yù)噴量；在1600rpm轉(zhuǎn)速下分別加載50%負(fù)荷選取3%預(yù)噴量和加載75%負(fù)荷選取5%預(yù)噴量，是 為Point#2和Point#3；Point#4工 況 點 為1900rpm轉(zhuǎn)速下加載100%負(fù)荷選取1.5%預(yù)噴量。實驗標(biāo)定結(jié)果表明仿真模型基本成功。為追求更好的動力經(jīng)濟(jì)性能和排放性能，現(xiàn)據(jù)實際應(yīng)用情況對以上系統(tǒng)控制策略提出改進(jìn)措施，擬定對噴油策略進(jìn)行如下調(diào)整：

①保持預(yù)噴SOI（start of injection燃油起始噴射）和油量分配不變，給定主預(yù)噴的三種間隔。間隔的變化范圍需將baseline的間隔包含。每個工況的間隔不太相同，根據(jù)具體工況而定；

②再將整個噴油規(guī)律曲線改變預(yù)噴SOI，整體移動0、+4、-4；

③改變主預(yù)噴油量分配，重復(fù)第①，②步驟。

通過上面的改變方案，可以考察主預(yù)噴始點，主預(yù)噴間隔和主預(yù)噴油量分配對發(fā)動機(jī)排放性與經(jīng)濟(jì)性的具體影響。每種主預(yù)噴油量分配下有9種方案，三種主預(yù)噴油量的分配一共有27種方案。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 Point#1結(jié)果與分析

如圖1，當(dāng)預(yù)噴油量百分比為12%（即原型機(jī)的油量分配），9種操作條件中3，8操作點在NOx和Soot中取得較折中的結(jié)果，和原型機(jī)的排放基本保持在同一水平。其中操作條件3，8的指示功略大于原型機(jī)的指示功。3的主噴較8的主噴晚1°CA（Crank Angle Degree曲柄角度，下同），即3的主噴始點相對于原型機(jī)預(yù)噴間隔為12°CA，8的主噴始點相對于原型機(jī)預(yù)噴間隔為11°CA。原型機(jī)主預(yù)噴間隔為13.5°CA。因此，為達(dá)到較原型機(jī)更好的經(jīng)濟(jì)性，同時不犧牲其排放性，調(diào)小原型機(jī)主預(yù)噴的間隔時，需要較大幅度的推遲預(yù)噴，較小幅度的提前主噴，3的預(yù)噴推遲了4°CA，主噴提前了1.5°CA；調(diào)大原型機(jī)的主預(yù)噴間隔時，需要較大幅度的提前預(yù)噴，較小幅度的提前主噴，8的預(yù)噴提前了4°CA，主噴提前了2.5°CA。

圖1 Point#1預(yù)噴油量百分比為12%時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

如圖2，當(dāng)預(yù)噴油量增加到20%時，操作條件13，16的排放優(yōu)于原型機(jī)，13指示功略高于原型機(jī)，16指示功略低于原型機(jī)。13的主預(yù)噴間隔為13°CA，16的主預(yù)噴間隔為15°CA。

圖2 Point#1預(yù)噴油量百分比為20%時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

如圖3，當(dāng)預(yù)噴油量增加到30%時，操作條件27的排放優(yōu)于原型機(jī)，但指示功低于原型機(jī)。操作條件24，25排放略差于原型機(jī)，但指示功略高于原型機(jī)。24的主預(yù)噴間隔為13°CA，25的主預(yù)噴間隔為15°CA。

圖3 Point#1預(yù)噴油量百分比為30%時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

如圖4，主預(yù)噴間隔為8°CA時，隨著預(yù)噴油量的增加，排放趨勢為NOx增加，Soot降低，但指示功增加。3為最佳的操作模式，其次為12。因此，調(diào)整原型機(jī)主預(yù)噴間隔，當(dāng)調(diào)小間隔時，較少的預(yù)噴油量較佳，而且調(diào)小方式為推遲預(yù)噴，提前主噴。

圖4 Point#1主預(yù)噴間隔為8°CA時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

如圖5，在主預(yù)噴間隔為13°CA時，隨著預(yù)噴油量百分比的增加，排放趨勢為NOx增加，Soot降低，但指示功增加。13為最佳的操作模式，其次為24。

圖5 Point#1主預(yù)噴間隔為13°CA時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

如圖6，在主預(yù)噴間隔為15°CA時，隨著預(yù)噴油量百分比的增加，排放趨勢為NOx增加，Soot降低，但指示功增加。因此，調(diào)整原型機(jī)主預(yù)噴間隔，當(dāng)調(diào)大間隔時，較少的預(yù)噴油量較佳，而且調(diào)大方式為較大幅度提前預(yù)噴，較小幅度提前主噴。

圖6 Point#1主預(yù)噴間隔為15°CA時，9種操作條件的NOx和Soot的排放仿真

通過以上分析可知，低速低負(fù)荷時，如不增加預(yù)噴油量百分比，可以通過以下方式優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性，同時不影響其排放性能。

①較大幅度推遲預(yù)噴，較小幅度提前主噴，主預(yù)噴間隔較原型機(jī)變??；

②較大幅度的提前預(yù)噴，較小幅度的提前主噴，主預(yù)噴間隔較原型機(jī)變大。

如果增加預(yù)噴油量的百分比，可以通過以下方式優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性，同時對排放性能不造成較大的影響。

①當(dāng)預(yù)噴油量百分比增加不是很大時，可以微調(diào)主噴始點提前，保持預(yù)噴始點不變，主預(yù)噴間隔較原型機(jī)變化不大；

②當(dāng)預(yù)噴油量百分比增加比較大時，可以較大幅度的推遲主預(yù)噴始點，主預(yù)噴間隔較原型機(jī)變化不大。

2.2 Point#2結(jié)果與分析

°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA模擬分析結(jié)果顯示，中速中負(fù)荷時，同時提升該原型機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與排放性的空間比較小。可以考慮犧牲一定的排放性來提高經(jīng)濟(jì)性，而通過后處理器來適當(dāng)?shù)慕档托略龅腘Ox排放物。可采用的措施有：

①預(yù)噴油量百分比增加在一定范圍內(nèi)，當(dāng)較大幅度減小主預(yù)噴間隔時，可以通過較大幅度的推遲預(yù)噴始點和提前主噴始點來提高經(jīng)濟(jì)性。但增加油量，經(jīng)濟(jì)性提升空間變小；

②預(yù)噴油量百分比增加在一定范圍內(nèi)，當(dāng)較小幅度減小主預(yù)噴間隔時，可以通過較大幅度的提前主噴始點來提高經(jīng)濟(jì)性。但增加油量，經(jīng)濟(jì)性提升空間變小；

③預(yù)噴油量百分比增加在一定范圍內(nèi)，當(dāng)微調(diào)提前主噴始點減小主預(yù)噴間隔時，可以再通過較大幅度的推遲主預(yù)噴始點來提高經(jīng)濟(jì)性。但增加油量，經(jīng)濟(jì)性提升空間變?。?/p>

2.3 Point#3結(jié)果與分析

Point#3的結(jié)果和規(guī)律與point#2基本一樣。只是在預(yù)噴油量百分比為15%的時候，操作點16，25既可以提高其經(jīng)濟(jì)性，也可以適當(dāng)?shù)慕档团欧?，其?guī)律符合point#2結(jié)論中的第二點而不是第三點，說明油量增加的幅度對其變化規(guī)律也有影響。

2.4 Point#4結(jié)果與分析

當(dāng)預(yù)噴油量百分比為1.5%（即原型機(jī)的油量分配）時，其規(guī)律和point#2，point#3一致。當(dāng)預(yù)噴油量百分比增加時，如為10%時，操作條件15，16，為15%時，操作條件24，25和point#2，point#3不一致，但是他們有一個共同特征，即改變后的主噴始點與原型機(jī)的預(yù)噴始點的間隔為14°CA，與原型機(jī)主預(yù)噴間隔為17.2°CA相比有所縮短。

3 結(jié)論

通過四個工況點噴油策略的調(diào)整，研究其對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放性的影響?，F(xiàn)有結(jié)論如下：

①在低速低負(fù)荷時，在預(yù)噴油量百分?jǐn)?shù)不增加的情況下，可以通過減小或增加主預(yù)噴間隔來達(dá)到提高其經(jīng)濟(jì)性與排放性，但預(yù)噴油量百分?jǐn)?shù)增加的情況下，其提升空間減小。

②在中高速高負(fù)荷時，同時提升經(jīng)濟(jì)性與排放性的潛力有限，可以適當(dāng)犧牲一定的NOx排放來提高其經(jīng)濟(jì)性能?？傮w趨勢為適當(dāng)減小主預(yù)噴間隔，負(fù)荷越大，減小越大。增加預(yù)噴油量百分比的情況下，其提升空間減小。