轉(zhuǎn)速對(duì)柴油機(jī)中負(fù)荷預(yù)混壓燃燃燒和排放的影響

鹿盈盈，裴毅強(qiáng)，劉一澤，范 超

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

內(nèi)燃機(jī)在未來(lái)幾十年仍將在移動(dòng)式動(dòng)力裝置中占有支配地位.在目前的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，提高熱效率、降低碳排放是內(nèi)燃機(jī)的首要任務(wù).重型卡車(chē)消耗了大量的石油，是最大的CO2排放源之一.中國(guó)是世界重型卡車(chē)第一產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)，2020 年，中國(guó)公路運(yùn)輸消耗的石油占石油總消耗量60%以上.在公路運(yùn)輸消耗的成品油中，占比較少的柴油車(chē)(主要為載重貨車(chē)和客車(chē))約占成品油消費(fèi)總量近60%；此外，柴油車(chē)也是大氣環(huán)境污染的主要來(lái)源，柴油車(chē)顆粒排放占汽車(chē)顆粒排放的90%以上，NOx占70%以上.因而開(kāi)展重型卡車(chē)節(jié)能減排技術(shù)對(duì)降低石油消耗和CO2排放、減少石油對(duì)外的依賴和保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)有重要意義[1].

針對(duì)未來(lái)超低排放、甚至零排放的有害排放物法規(guī)和CO2(燃油經(jīng)濟(jì)性)法規(guī)，學(xué)者們提出了不同的內(nèi)燃機(jī)新型燃燒方式，如均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒、預(yù)混壓燃(PCCI)燃燒、反應(yīng)可控壓縮著火(RCCI)和汽油壓燃(GCI)等低溫燃燒方式[2-3].

Ghadikolaei 等[4]研究了基于轉(zhuǎn)速的三元燃料(柴油-生物柴油-乙醇)混合模式和熏蒸模式對(duì)柴油機(jī)燃燒、性能和排放的影響，結(jié)果表明：提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值、有效熱效率及HC、NOx、NO 和NO2排放下降，但是放熱率峰值、著火延遲期、燃燒持續(xù)期、有效燃油消耗率、CO2排放、PM 排放和總顆粒數(shù)提高，CO 排放和顆粒幾何平均直徑基本保持不變.Man 等[5]研究了負(fù)荷和轉(zhuǎn)速對(duì)燃用不同摻混比生物柴油和柴油的柴油機(jī)常規(guī)、非常規(guī)排放的影響，發(fā)現(xiàn)有效熱效率降低、CO 排放增加且NOx排放降低.Taghavifar 等[6]研究了H2、二甲醚和柴油共3 種燃料在不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的能量和煙用 性能，結(jié)果表明：提高轉(zhuǎn)速會(huì)在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致傳熱，從而減少氣缸的熱能浪費(fèi)，同時(shí)發(fā)生突然膨脹，終止較高的煙用 損失.Abassi 等[7]研究了直噴柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣溫度對(duì)熱力學(xué)第二定律平衡的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致氣缸熱損失減少，燃燒不可逆性和廢氣利用率增加.王軍等[8]研究發(fā)現(xiàn)，怠速工況和中速大負(fù)荷工況宜用2 次噴射，低速小負(fù)荷工況和中速中負(fù)荷工況宜用3 次噴射，中速小負(fù)荷工況宜用4 次噴射，高速大負(fù)荷工況宜用1 次噴射，說(shuō)明基于工況排放值約束的多次噴射分配方法是有效的.Ju 等[9]研究了運(yùn)用高增壓、大EGR 和提前噴油定時(shí)技術(shù)的小型化兩缸柴油機(jī)工作范圍拓展時(shí)的性能和排放特性，結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)最大壓力增大.

筆者前期采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了在中轉(zhuǎn)速中負(fù)荷、中轉(zhuǎn)速小負(fù)荷下噴油模式和噴油定時(shí)對(duì)重型柴油機(jī)PCCI 燃燒和排放的影響，得到中轉(zhuǎn)速中負(fù)荷下，與單次噴油模式相比，采用多次噴油模式可大幅度降低碳煙、CO 和未燃碳?xì)?UHC)排放[10].

為進(jìn)一步降低排放，提高熱效率，筆者首先研究進(jìn)氣增壓的作用；此外，中負(fù)荷PCCI 燃燒向更高轉(zhuǎn)速拓展時(shí)，面臨噴油持續(xù)期延長(zhǎng)、混合時(shí)間縮短等問(wèn)題，因而重點(diǎn)研究提高轉(zhuǎn)速對(duì)柴油機(jī)中負(fù)荷PCCI 燃燒排放和指示熱效率(ITE)的影響及規(guī)律，結(jié)合噴油定時(shí)研究二者的綜合作用.

1 試驗(yàn)臺(tái)架和數(shù)值仿真模型

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)通過(guò)一臺(tái)改裝的6 缸重型柴油機(jī)WP12 進(jìn)行，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，試驗(yàn)裝置參見(jiàn)文獻(xiàn)[11].為滿足單缸試驗(yàn)方案的需要，將其第6 缸改造為試驗(yàn)用氣缸，配備了單獨(dú)的電控高壓共軌燃油供應(yīng)系統(tǒng)、模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)以及廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，以對(duì)燃油狀態(tài)和缸內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制.噴油模式(噴油定時(shí)、噴射次數(shù)及噴射壓力等)、進(jìn)氣壓力及EGR 率(進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)VO2)可以大范圍靈活調(diào)節(jié).排氣分析儀采用Horiba 7100 氣體分析儀，可以測(cè)量排氣中的NOx、UHC、CO、CO2和O2.采用AVL415 煙度計(jì)測(cè)量碳煙排放.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為800～2 400 r/min，平均指示有效壓力(IMEP)約為0.81 MPa，對(duì)應(yīng)的負(fù)荷范圍為40%～50%.

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of diesel engine

1.2 數(shù)值仿真模型及合理性驗(yàn)證

應(yīng)用Converge 三維CFD 軟件，為了減少計(jì)算時(shí)間，將整個(gè)燃燒室根據(jù)噴油器的噴孔數(shù)目進(jìn)行分割，得到45°扇形區(qū)域，同時(shí)使用Converge 軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法(AMR)，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上有效減少了實(shí)際使用的網(wǎng)格數(shù).其中基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.004 m，并在速度和溫度變化較快的曲軸轉(zhuǎn)角處進(jìn)行了網(wǎng)格加密.圖1 為上止點(diǎn)處的計(jì)算網(wǎng)格.表2 為模擬所采用的物理化學(xué)模型.

表2 模擬計(jì)算中采用的模型Tab.2 Simulation model setting

圖1 上止點(diǎn)時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computing grid of the top dead center

圖2 為缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的模擬值與試驗(yàn)值.圖3 為試驗(yàn)驗(yàn)證工況點(diǎn)NOx和碳煙排放模擬值.因碳煙主要在側(cè)隙中生成，此處溫度低且很難卷吸到新鮮空氣，一旦生成很難被氧化.試驗(yàn)驗(yàn)證工況點(diǎn)的NOx和碳煙排放分別為0.121 160 g/(kW·h)和0.006 933 g/(kW·h)，模擬誤差分別為 0.80% 和-1.44%.模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，適用于計(jì)算.

圖2 缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的模擬值與試驗(yàn)值Fig.2 Calculated and experimental results of in-cylinder pressure and instantaneous heat release rate

圖3 試驗(yàn)驗(yàn)證工況點(diǎn)NOx 和碳煙排放的模擬值Fig.3 Simulated values of NOx and soot emissions for the experiment verification case

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣增壓對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒和排放的影響

固定多脈沖噴油定時(shí)為SOI2(-80°、-65°、-50°和-35°CA ATDC)、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，進(jìn)氣增壓對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響如圖4 所示.為了區(qū)分不同燃燒策略間的差別，引入混合時(shí)間概念.混合時(shí)間為從噴油結(jié)束到著火開(kāi)始時(shí)刻之間所持續(xù)的時(shí)間[10].當(dāng)混合時(shí)間為負(fù)數(shù)時(shí)，油束燃燒占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致傳統(tǒng)柴油燃燒.當(dāng)混合時(shí)間為正數(shù)時(shí)，燃油噴射過(guò)程和燃燒過(guò)程是獨(dú)立的.混合時(shí)間是燃油與空氣預(yù)混合的時(shí)間.采用不同的噴油定時(shí)，混合時(shí)間隨之改變，這會(huì)影響到燃油與空氣的混合過(guò)程.該變量可以用來(lái)深入評(píng)估HCCI 燃燒、PCCI 燃燒、低溫燃燒和傳統(tǒng)燃燒模式間預(yù)混程度的差別.可知，所研究工況點(diǎn)燃燒放熱均在噴油結(jié)束之后，故混合時(shí)間均為正數(shù)，說(shuō)明中負(fù)荷不同進(jìn)氣壓力下的燃燒均為PCCI 燃燒.圖4中，PCCI 燃燒著火分為冷焰(低溫著火)和熱焰(高溫著火)兩個(gè)階段[19].隨著進(jìn)氣壓力的提高，缸內(nèi)壓力明顯提高，由于進(jìn)氣壓力的提高導(dǎo)致燃油和氧分子碰撞的幾率增加，化學(xué)反應(yīng)速率加速，故著火時(shí)刻提前.進(jìn)氣壓力為0.159、0.180 和0.200 MPa 時(shí)的高溫著火時(shí)刻分別為-8°、-10°和-15°CA ATDC.

圖4 進(jìn)氣壓力對(duì)缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率影響Fig.4 Effect of intake pressure on in-cylinder pressure and instantaneous heat release rate

圖5 為進(jìn)氣壓力對(duì)高溫著火時(shí)刻混合氣當(dāng)量比φ分布[20]的影響.可知，隨著進(jìn)氣壓力的增大，0＜φ＜1的稀混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高，1≤φ＜2 的濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，當(dāng)量比φ≥2 時(shí)的過(guò)濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低.說(shuō)明進(jìn)氣增壓有助于中負(fù)荷PCCI燃燒著火前稀混合氣的形成.

圖5 進(jìn)氣壓力對(duì)高溫著火時(shí)刻混合氣當(dāng)量比分布的影響Fig.5 Effect of intake pressure on mixture mass fraction for various equivalence ratio intervals at high temperature ignition time

圖6 為進(jìn)氣壓力對(duì)能量分布的影響.指示熱效率＋燃燒損失＋壁面?zhèn)鳠釗p失＋排氣損失＝100%[20].可知，隨著進(jìn)氣壓力增大，ITE 提高，燃燒損失減小，壁面?zhèn)鳠釗p失增大，排氣損失增大.這是由于進(jìn)氣壓力增大，缸內(nèi)壓力明顯升高，總凈功增大，ITE 提高；CO 和UHC 等不完全燃燒產(chǎn)物減少，燃燒效率提高，燃燒損失減小.因而研究中筆者將進(jìn)氣壓力固定為0.200 MPa，另由1.2 節(jié)可知，此工況的NOx和碳煙排放均在國(guó)Ⅵ范圍內(nèi).

圖6 進(jìn)氣壓力對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒能量分布的影響Fig.6 Effect of intake pressure on energy distribution of PCCI combustion at medium load

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒和排放的影響

固定多脈沖噴油定時(shí)為SOI2(-80°、-65°、-50°和-35°CA ATDC)不變，不同轉(zhuǎn)速下歸一化后的噴油規(guī)律如圖7 所示.圖8 為進(jìn)氣壓力(0.200 MPa)和多脈沖噴射定時(shí)(SOI2)不變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒和排放的影響.隨著轉(zhuǎn)速提高，各個(gè)脈沖的噴油持續(xù)期(以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì))均增長(zhǎng)，相同噴油量條件下相當(dāng)于降低了噴油速率，但同時(shí)著火時(shí)刻推后(圖8a)，所以不同轉(zhuǎn)速工況的混合時(shí)間相差不大.不同轉(zhuǎn)速下，噴油均在-20°CA ATDC 之前結(jié)束.圖8a 中，燃燒均在噴油結(jié)束5°～10°CA 后才開(kāi)始出現(xiàn)，混合時(shí)間為正數(shù)，說(shuō)明中負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下的燃燒均為PCCI 燃燒.隨著轉(zhuǎn)速提高，燃燒相位均推遲，放熱率最大值略微降低，放熱重心更靠近上止點(diǎn)，上止點(diǎn)前負(fù)功的絕對(duì)值減小，缸內(nèi)最大壓力略微升高，因而凈功增加.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下歸一化后的噴油規(guī)律Fig.7 Profiles of normalized injection rate with different speeds

圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒和排放的影響Fig.8 Effect of speed on combustion and emissions

圖8b 中，隨著轉(zhuǎn)速提高，累積放熱量推遲，更靠近上止點(diǎn)；在-5°CA ATDC 之前，轉(zhuǎn)速越低對(duì)應(yīng)的累積放熱量越高；在-5°CA ATDC 之后直至燃燒結(jié)束，轉(zhuǎn)速越高對(duì)應(yīng)的累積放熱量越高，轉(zhuǎn)速越高該變化趨勢(shì)越明顯.缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)，與累積放熱量的變化趨勢(shì)相一致.后期累積放熱量和燃燒溫度高是由燃燒后期CO 和UHC 的氧化更加充分造成的(圖8d、圖8e).

圖8c 中，-10°～10°CA ATDC 期間，缸內(nèi)峰值溫度超過(guò)2 000 K 是NOx生成區(qū)間.隨著轉(zhuǎn)速的升高，該區(qū)間的最高燃燒溫度降低且高溫持續(xù)時(shí)間縮短，故NOx排放降低，但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定程度(1 900 r/min)，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速對(duì)NOx排放的影響已不明顯.圖8d 中，隨轉(zhuǎn)速升高，碳煙排放明顯降低.

圖9 為進(jìn)氣壓力(0.200 MPa)和多脈沖噴油定時(shí)(SOI2)不變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)-15°CA ATDC 時(shí)刻(高溫著火時(shí)刻)、不同當(dāng)量比范圍混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的提高，局部當(dāng)量比φ≥2 的過(guò)濃區(qū)所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低.說(shuō)明轉(zhuǎn)速提高后，著火前的混合氣形成質(zhì)量更好，故碳煙生成量降低.圖10 為多脈沖噴油定時(shí)(SOI2)不變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)50°CA ATDC時(shí)刻碳煙排放濃度場(chǎng)的影響.可知碳煙的生成區(qū)域主要在側(cè)隙區(qū)，此處溫度低，當(dāng)量比高，難以接觸到新鮮空氣，所以碳煙一旦生成就難以氧化掉，只能以廢氣的形式排出缸外.因而碳煙生成量決定其最終的排放，故隨轉(zhuǎn)速升高，碳煙排放明顯降低.

圖9 轉(zhuǎn)速對(duì)-15°CA ATDC時(shí)刻混合氣當(dāng)量比分布的影響Fig.9 Effect of speed on mixture mass fraction for various equivalence ratio intervals at -15°CA ATDC

圖10 50°CA ATDC時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)碳煙排放的影響Fig.10 Effect of speed on soot emission concentration field at 50°CA ATDC

圖11 為進(jìn)氣壓力(0.200 MPa)和多脈沖噴油定時(shí)(SOI2)不變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒能量分布的影響.可知隨著轉(zhuǎn)速的提高，ITE 提高，燃燒損失降低，排氣損失升高.這是由于轉(zhuǎn)速增高，燃燒推遲，更靠近上止點(diǎn)，總凈功增加，故ITE 提高；CO 和UHC 排放降低，最終的累積放熱量增加，燃燒效率提高，故燃燒損失降低；燃燒后期的溫度升高，故排氣損失增加.

圖11 轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒能量分布的影響Fig.11 Effect of speed on energy distribution of PCCI combustion at medium load

2.3 轉(zhuǎn)速一定，多脈沖噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒和排放的影響

圖12 示出轉(zhuǎn)速為1600 r/min、不同脈沖噴油定時(shí)下的歸一化噴油規(guī)律.圖13 示出轉(zhuǎn)速為1600 r/min、噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒和排放生成歷程的影響.圖14 為多脈沖噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒能量分布的影響.可知，所有噴油定時(shí)下的燃燒均在噴油結(jié)束后開(kāi)始，所以均為PCCI 燃燒模式.圖13a 中，轉(zhuǎn)速恒為1 600 r/min，噴油定時(shí)推遲后，燃燒相位基本不變，但缸內(nèi)最大壓力和-5°CA ATDC 后的缸內(nèi)壓力明顯提高，導(dǎo)致正功增大，總凈功明顯提高，指示熱效率提高(圖14).

圖12 不同噴油定時(shí)下歸一化的噴油規(guī)律Fig.12 Profiles of normalized injection rate with different injection timings

圖13 多脈沖噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒和排放的影響Fig.13 Effect of multi-pulse injection timing on PCCI combustion and emissions at medium load

圖13d、圖13e 中，轉(zhuǎn)速一定，隨著噴油定時(shí)的推遲，CO 和UHC 氧化更加完全，釋放出更多熱量，致使其最終排放均降低，累積放熱量增加(圖13b)，故燃燒損失降低(圖14).圖13b 中，缸內(nèi)平均溫度曲線與累積放熱率曲線趨勢(shì)一致，隨著噴油定時(shí)的推遲，-5°CA ATDC 之后的缸內(nèi)平均溫度升高，導(dǎo)致排氣損失增加(圖14).

圖14 多脈沖噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒能量分布的影響Fig.14 Effect of multi-pulse injection timing on energy distribution of PCCI combustion at medium load

圖13c 為噴油定時(shí)對(duì)缸內(nèi)峰值溫度和NOx排放生成歷程的影響.-10°CA ATDC 之后缸內(nèi)最高溫度超過(guò)2 000 K，超過(guò)NOx排放生成的溫度界限，NOx開(kāi)始生成.10°CA ATDC 之后缸內(nèi)最高溫度低于2 000 K，NOx生成終止.因-10°～10°CA ATDC 期間，缸內(nèi)峰值溫度隨著噴油定時(shí)的推遲而增大，故SOI1 噴油定時(shí)的NOx排放最低，SOI2 和SOI3 的NOx排放相差不大.

圖15 示出轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、多脈沖噴油定時(shí)對(duì)-15°CA ATDC 時(shí)刻(高溫著火時(shí)刻)、不同當(dāng)量比范圍混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.可知，隨著噴油定時(shí)的推遲，混合時(shí)間縮短，局部當(dāng)量比φ≥2 的過(guò)濃區(qū)混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，所以SOI3 初始生成的碳煙量最高.而最終的碳煙排放是生成量和氧化量之差.SOI1最終的碳煙排放最高，主要是因?yàn)榇罅康娜加蛧娙雮?cè)隙中，在其中形成過(guò)濃混合氣區(qū)，從而生成大量碳煙，并且先前生成的碳煙達(dá)不到氧化的溫度和當(dāng)量比條件，只能以廢氣的形式排出缸外.隨著噴油定時(shí)的推遲，最大當(dāng)量比區(qū)域已由側(cè)隙內(nèi)轉(zhuǎn)移到唇口處再到燃燒室內(nèi)[10].混合空間(混合氣形成的位置)和燃燒溫度的共同作用使得噴油定時(shí)為SOI3 的碳煙氧化率最高，最終的SOI2 碳煙排放(以kg 計(jì))最低.

圖15 多脈沖噴油定時(shí)對(duì)-15°CA ATDC 時(shí)刻混合氣當(dāng)量比質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.15 Effect of multi-pulse injection timing on mixture mass fraction for various equivalence ratio intervals at -15°CA CA ATDC

圖16 為50°CA ATDC 時(shí)刻N(yùn)Ox和碳煙排放.碳煙排放隨著噴油定時(shí)的推遲呈先降后略增趨勢(shì).但總的說(shuō)來(lái)，SOI2 和SOI3 最終的碳煙排放差別不大.NOx與碳煙排放呈此消彼長(zhǎng)趨勢(shì)，與圖13c 趨勢(shì)一致.

圖16 多脈沖噴油定時(shí)對(duì)50°CA ATDC時(shí)碳煙和NOx 排放影響Fig.16 Effec of multi-pulse injection timing on soot and NOx emissions at 50°CA ATDC

2.4 轉(zhuǎn)速和噴油定時(shí)對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒和排放的影響

圖17 為多脈沖噴油定時(shí)和轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI燃燒和排放的影響.圖11(多脈沖噴油定時(shí)為SOI2)和圖18(多脈沖噴油定時(shí)為SOI1 和SOI3)為不同噴油定時(shí)和轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒能量分布的影響.可以看到，所有工況的NOx和碳煙排放均在國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(NOx為0.40 g/(kW·h)，碳煙為0.01 g/(kW·h)).同一噴油定時(shí)下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，NOx和碳煙排放同時(shí)降低；CO 和UHC 排放均降低，燃燒效率提高，故總放熱量增加，燃燒損失降低.總凈功是正、負(fù)功的代數(shù)和，同一噴油定時(shí)下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，燃燒始點(diǎn)推遲，負(fù)功減小，正功增大，導(dǎo)致總凈功增大，指示熱效率提高.

圖17 多脈沖噴油定時(shí)和轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒和排放的影響Fig.17 Effect of multi-pulse injection timing and engine speed on PCCI combustion and emissions at medium load

圖18 多脈沖噴油定時(shí)和轉(zhuǎn)速對(duì)中負(fù)荷PCCI 燃燒能量分布的影響Fig.18 Effect of multi-pulse injection timing and engine speed on energy distribution of PCCI combustion at medium load

固定噴油定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，上止點(diǎn)后的缸內(nèi)平均溫度升高(圖8b)，故排氣損失增加.同一轉(zhuǎn)速下，隨著噴油定時(shí)的推遲，CO 和UHC 排放均降低，燃燒效率提高，總放熱量增加，燃燒損失降低；缸內(nèi)壓力增大，總凈功增大，指示熱效率提高；總體上噴油定時(shí)SOI1 的碳煙排放最高，噴油定時(shí)SOI2 和SOI3 的碳煙排放(以kg 計(jì))二者相差不大，但噴油定時(shí)SOI3 最終的碳煙排放(以g/(kW·h)計(jì))略低，是由于噴油定時(shí)SOI3 的凈功更高造成的，NOx排放變化不大.相同轉(zhuǎn)速下，隨著噴油定時(shí)的推遲，上止點(diǎn)后的缸內(nèi)平均溫度升高(圖13)，故排氣損失增加.

3 結(jié) 論

(1) 多脈沖噴油定時(shí)為 SOI2 、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 不變，隨著進(jìn)氣增壓，著火時(shí)刻提前，高溫著火時(shí)刻稀混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高，濃和過(guò)濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯降低，說(shuō)明進(jìn)氣增壓有利于稀且均勻的混合氣的形成，指示熱效率提高.

(2) 多脈沖噴油定時(shí)為 SOI2、進(jìn)氣壓力為0.200 MPa 不變，隨著轉(zhuǎn)速的提高，燃燒相位均推遲，放熱重心更靠近上止點(diǎn)，上止點(diǎn)前負(fù)功的絕對(duì)值減小，缸內(nèi)最大壓力略微升高，凈功增加；燃燒后期CO和UHC 的氧化更加完善，累積放熱量增加；轉(zhuǎn)速提高，缸內(nèi)過(guò)濃區(qū)域的面積縮小，著火前的混合氣形成質(zhì)量更好，故碳煙生成量降低；碳煙的生成區(qū)域主要在側(cè)隙區(qū)，此處溫度低，當(dāng)量比高，難以接觸到新鮮空氣，碳煙一旦生成就難以氧化掉，故隨轉(zhuǎn)速升高，碳煙排放明顯降低.

(3) 多脈沖噴油定時(shí)為 SOI2、進(jìn)氣壓力為0.200 MPa 不變，隨著轉(zhuǎn)速的升高，著火時(shí)刻推遲，高溫著火時(shí)刻過(guò)濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；NOx、碳煙、CO 和UHC 排放均降低；指示熱效率升高，燃燒損失降低，排氣損失增加.

(4)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、進(jìn)氣壓力為0.200 MPa不變，隨著多脈沖噴油定時(shí)的推遲，混合時(shí)間縮短，過(guò)濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，初始碳煙生成量增加，最終的碳煙排放是生成量和氧化量之差，混合空間(混合氣形成位置)和燃燒溫度的共同作用下，最終碳煙、CO 和UHC 排放均降低，指示熱效率升高，燃燒損失降低，排氣損失增加.

(5) 在噴油定時(shí)和轉(zhuǎn)速的共同作用下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min 且多脈沖噴油定時(shí)為SOI3 時(shí)，中負(fù)荷PCCI 燃燒的指示熱效率達(dá)到最高(47.39%)，此時(shí)的燃燒損失率最低(1.78%)，NOx和碳煙排放均在國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).