低溫環(huán)境下噴油參數(shù)對柴油機(jī)燃燒和排放的影響

中圖分類號：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx04001

Influence of fuel injection parameters on combustion and emissions of diesel engine under low temperature environment

ZHU Hairong1，GUO Xuefang1，DI Zhipeng1，WANG Zhao （1.Schoolof Mechanical Engineering，Hebei Universityof Scienceand Technology，Shjiazhuang，Hebei O5oo18，China; 2.Hebei Tuopu Machinery Electric Company Limited，Shijiazhuang，Hebei O5ool8，China）

Abstract：Inordertostudytheimpactof diferentinjection parameters （numberof injectionholes，injectionangle，injection advanceangle）onthe in-cylindercombustionandemision performanceof diesel engineunderlow temperature environment，a thre-dimensional modelofacertaintypeof direct-injection diesel enginewas established，andcombustionsimulation was carriedoutfordiferentinjectionparametersofdieselengineunderlowtemperatureenvironment.Theresultsshowthatthe fuelinjectionparameters influencethefuelinjectionduration，thefuelspatialdistribution，theswirlinthepitatthebottomof the combustion chamber，the penetration distance and difusionangleof the fuel spray，the fuel-air mixing timeand mixing efect，whichwillafectthecombustionandemisionperformanceof thedieselengine；Thedieselenginecanobtainthebest power performance under low temperature environment when the numberof injection holes is 8，theinjection angle is 150^° ，and the injection advance angle is 18°CA BTDC（before top dead center）. The mechanism of the influence of injection parameters ondieselenginecombustionandemission underlowtemperatureenvironmenthasbeenobtained，which providessome reference for the optimization of diesel engine injection parameters under low temperature environment.

Keywords：internal combustion engineengineering；diesel engine；fuel injectionparameters；combustion simulation；low temperatureenvironment

柴油發(fā)動機(jī)具有扭矩大、熱效率高、輸出功率大、運(yùn)行可靠性高和燃料安全性好等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于車輛、船舶動力、航空航天、農(nóng)業(yè)機(jī)械、國防裝備等諸多領(lǐng)域[1]。目前，國內(nèi)外要求柴油機(jī)輸出功率保持在原有基礎(chǔ)甚至獲得更高水平，通過優(yōu)化柴油機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或進(jìn)、排氣系統(tǒng)等方法，減少其體積和質(zhì)量并保證其具有足夠的強(qiáng)度和可靠性，提高其功率密度。高功率密度柴油機(jī)已經(jīng)成為各國柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。中國幅員遼闊，南北地理緯度跨度大，多地冬季平均氣溫都在 -10°C 以下，新疆、內(nèi)蒙古、西藏以及東北地區(qū)最低月平均溫度在 -41～-25Ω^°C 之間，黑龍江漠河的最低溫度甚至可達(dá)到 -53^°C^[2] 。因此，受中國部分地理?xiàng)l件和氣候特征雙重制約，要求柴油機(jī)在低溫環(huán)境下具有良好的燃燒和排放性能，改善高功率密度柴油機(jī)低溫環(huán)境下的機(jī)動性和可靠性，對中國北方地區(qū)冬季柴油機(jī)工作效率的提高具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

極端高低溫環(huán)境會對柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)造成一定影響，從而導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒和排放性能發(fā)生顯著變化。豐雷等[3]通過定容燃燒彈研究了環(huán)境溫度對燃油噴霧油束的影響，得出環(huán)境溫度對自由噴霧貫穿距的影響大于撞壁噴霧的結(jié)論。LIU等[4]采用高速攝影、Mie 散射和Schlieren方法研究了不同壁況下撞擊壁柴油噴霧的點(diǎn)火和燃燒特性，得出小壁距、高壁溫可加速噴霧的汽化和混合過程，壁面對燃燒過程的推動主要取決于垂直于壁面的速度分量。ARUMUGAMSAKUNTHALAI等[5]研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度降低會使發(fā)動機(jī)不同形態(tài)的顆粒濃度發(fā)生變化，常溫環(huán)境下柴油機(jī)顆粒排放以核態(tài)顆粒為主，而在低溫環(huán)境下顆粒排放以聚集態(tài)顆粒為主。曹智焜等通過試驗(yàn)得出環(huán)境溫度會對柴油機(jī)燃燒室熱氛圍產(chǎn)生一定的影響，低溫環(huán)境會增加燃油的附壁燃燒，不利于促進(jìn)缸內(nèi)的燃燒過程，并增加Soot（碳煙）等污染物的排放。

燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的核心系統(tǒng)之一，對柴油機(jī)的燃燒和排放都有重要的影響[7-9]。預(yù)燃室噴孔結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)缸內(nèi)的氣體流動和火焰?zhèn)鞑ビ兄匾饔?，噴油孔形狀的改變可能會使發(fā)動機(jī)性能發(fā)生顯著變化[10]。SARVI等[1]研究發(fā)現(xiàn)孔徑會影響缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量和燃燒質(zhì)量，噴油壓力不變時(shí)，燃油噴射面積會影響噴霧液滴的尺寸，小孔徑時(shí) NO_x （氮氧化物）排放增加，Soot、CO（一氧化碳）和HC（碳?xì)浠衔铮┡欧沤档?，油耗降低。祖炳鋒等[12]研究了不同噴油夾角耦合燃燒室形狀對柴油機(jī)燃燒性能的影響，結(jié)果表明，合適的噴油夾角可以使燃油上下分流，促進(jìn)缸內(nèi)油氣混合過程，實(shí)現(xiàn)快速燃燒。黎一鍇等[13]研究了低溫環(huán)境下噴油壓力對柴油機(jī)冷焰向熱焰轉(zhuǎn)變過程的影響，得出控制噴射壓力可以有效提高柴油機(jī)冷啟動性能。

噴油提前角是柴油機(jī)的重要參數(shù)之一，噴油提前角的大小會影響噴入氣缸內(nèi)的燃油霧化、蒸發(fā)、擴(kuò)散以及在空氣混合時(shí)氧化放熱等物理化學(xué)準(zhǔn)備過程[14-15]。KIM等[16]通過減小噴霧錐角和降低壓縮比，分析了發(fā)動機(jī)在各種燃料噴射參數(shù)下的廢氣排放和燃燒特性，得出窄燃油噴霧角可以控制污染物排放的結(jié)論。XU 等[17研究發(fā)現(xiàn)噴油時(shí)刻的提前會使 Soot排放和火焰溫度分布的范圍減小，同時(shí)造成 NO_x 排放濃度的增加。楊朗建等[18]通過試驗(yàn)方法研究了噴油策略對高寒地區(qū)柴油機(jī)冷啟動的影響，結(jié)果表明適當(dāng)增大噴油提前角可以增加柴油機(jī)初始運(yùn)行時(shí)的預(yù)混燃燒比例，促進(jìn)缸內(nèi)的燃燒過程并增加擴(kuò)散燃燒的反應(yīng)速率。KIM等[19]研究了噴油角度和噴油提前角對柴油機(jī)燃燒和排放的影響，得到在相同條件下較小噴油夾角的混合氣形成時(shí)間更長，較大噴油提前角下小噴油夾角會獲得更高的燃燒壓力峰值以及小噴油夾角更適合增大噴油提前角的結(jié)論。增大噴油提前角能夠有效控制顆粒物的排放，同時(shí)也會使缸內(nèi)壓力峰值以及溫度峰值升高，NO排放增大[20-22]。

目前對柴油機(jī)噴油參數(shù)的研究一般都是基于常溫環(huán)境，未考慮到低溫會對柴油的物性參數(shù)產(chǎn)生較大的影響。本文以某四沖程直噴式柴油機(jī)為研究對象，通過控制柴油機(jī)多組不同的噴油參數(shù)進(jìn)行低溫環(huán)境工況下的燃燒模擬，并對其結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出不同控制參數(shù)對柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響機(jī)制。

1模型設(shè)置及驗(yàn)證

表1柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1. 1 柴油機(jī)參數(shù)

本研究基于某490型直噴式柴油機(jī)建立三維模型開展仿真計(jì)算，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。在本文中，曲軸轉(zhuǎn)角為 0°CA 時(shí)表示上止點(diǎn)，負(fù)值時(shí)表示上止點(diǎn)前，正值時(shí)表示上止點(diǎn)后。

1.2 模型設(shè)置

圖1為柴油機(jī)三維計(jì)算幾何模型。該柴油機(jī)模型

燃油噴射系統(tǒng)采用6孔噴油器，其布置于氣缸頂部的中心位置，油束在缸內(nèi)對稱分布，計(jì)算區(qū)間設(shè)置為進(jìn)氣門打開持續(xù)到排氣門打開。對模型進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析后將基礎(chǔ)網(wǎng)格大小設(shè)置為 4.0mm ，對氣缸套壁面進(jìn)行2級局部固定加密，對噴霧油束進(jìn)行3級局部固定加密，經(jīng)過固定加密和自適應(yīng)加密后模型的最大網(wǎng)格數(shù)約為 2×10⁶ ，模型處于上止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格分布如圖2所示。模擬計(jì)算過程中燃燒模型采用SAGE化學(xué)反應(yīng)求解器，傳熱模型采用O'Rourke and Amsden模型，噴霧破碎模型采用KH-RT長度破碎模型，液滴蒸發(fā)模型采用Frossing模型，Soot排放模型采用Hiroyasu-NSC碳煙模型， NO_x 排放模型采用ExtendedZeldovich氮氧化物模型，選用正庚烷 C₇H₁₆ 作為燃料模擬柴油在缸內(nèi)燃燒。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文選取3種基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸，分別為2.8、4.0和 8.0mm 。設(shè)置發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為 2000r/min ，進(jìn)氣壓力為0.6MPa ，循環(huán)噴油量為 120mg ，噴油正時(shí)為 0^°CA 以及噴油持續(xù)期為 24°CA 。分別采用這3種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行仿真計(jì)算，得到缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度曲線，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。由圖可知，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為2.8mm 和 4.0mm 的計(jì)算結(jié)果十分接近。而對于基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為 8.0mm 的計(jì)算結(jié)果，在活塞上止點(diǎn)之前，缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度基本重合;在活塞上止點(diǎn)之后，所得的計(jì)算結(jié)果略大于另外2組。因此，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計(jì)算時(shí)長，最終選擇 4.0mm 的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸。

1.4模型有效性驗(yàn)證

為了保證模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對本研究中建立的模型與文獻(xiàn)[23]中方案3所得的結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證。圖4所示為本研究所用模型與文獻(xiàn)[23]中方案3在相同標(biāo)定工況下缸內(nèi)壓力結(jié)果對比。結(jié)果表明，本研究所構(gòu)建的模型能夠較為準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，可用于模擬計(jì)算。

2計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 噴孔個(gè)數(shù)對燃燒及排放的影響

將環(huán)境溫度和燃油溫度固定為 0°C 、噴油夾角為 125^° 、噴油提前角為 6^°CA BTDC（上止點(diǎn)前），循環(huán)噴油量為 120mg ，噴油壓力保持不變，研究不同噴孔個(gè)數(shù)對缸內(nèi)燃燒和排放的影響。

不同噴孔個(gè)數(shù)下的缸內(nèi)參數(shù)曲線如圖5所示。由圖可知，噴孔個(gè)數(shù)由4孔逐漸增加至8孔時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力和峰值溫度都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，峰值壓力變化過程為8.00、8.61、8.97、9.51和 10.16MPa ，峰值溫度變化過程為 和1157.28K；累積放熱量隨著噴孔個(gè)數(shù)的增多，曲線升高率逐漸增大，總累積放熱量差異在 2% 以內(nèi)。

噴油壓力不變，隨著噴孔個(gè)數(shù)的增加，噴孔在空間上分布更廣泛，燃油在缸內(nèi)分布更加均勻，這將使得燃油霧化效果得到一定程度的改善。噴孔個(gè)數(shù)的增多也會縮短噴油持續(xù)期，使滯燃期變短，燃燒相位CA50 更加靠近上止點(diǎn)，進(jìn)而使柴油機(jī)指示熱效率較高，燃油消耗率較低，即有良好的經(jīng)濟(jì)性[24]。當(dāng)噴孔個(gè)數(shù)為4和5時(shí)，由于在著火點(diǎn) 0.03°CA 前缸內(nèi)已經(jīng)有一定的油氣混合物，故而在著火后迅速燃燒形成較高的缸壓，后續(xù)供油量少而緩慢且氣缸體積增大，使得壓力持續(xù)下降。隨著噴孔個(gè)數(shù)的增加，相同時(shí)間噴油器供給燃油量增大，所以在 6～8 孔時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力逐漸提前。噴孔個(gè)數(shù)的增多使噴油持續(xù)期縮短，燃油總量不變，噴孔數(shù)較多的噴油器短時(shí)間內(nèi)會噴射更多燃油，釋放出更多的熱量，從而使得缸內(nèi)峰值溫度變大，峰值溫度所對應(yīng)相位前移，放熱速率增大。

不同噴孔個(gè)數(shù)下的缸內(nèi)污染物的生成規(guī)律如圖6所示。隨著噴孔個(gè)數(shù)逐漸增多，Soot的生成規(guī)律呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在該過程中Soot生成速率與噴孔個(gè)數(shù)的增多成正比，而 Soot的生成峰值則與之成反比。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大， NO_x 呈現(xiàn)逐漸增大后總量基本不變的生成規(guī)律，且隨著噴孔個(gè)數(shù)的增多， NO_x 排放逐漸增大。

在燃燒初期，較多噴孔數(shù)的缸內(nèi)燃油總量較大，從而會產(chǎn)生缺氧的現(xiàn)象，這將使得缸內(nèi)局部當(dāng)量比較大，造成 Soot快速生成;噴孔個(gè)數(shù)較少時(shí)，噴油持續(xù)期較長，缸內(nèi)較大當(dāng)量比區(qū)域持續(xù)時(shí)間較長，生成的 Soot 總量較多;生成的 Soot 中一部分會在后續(xù)燃燒過程中被氧化，但是隨著缸內(nèi)溫度的持續(xù)降低，剩余的部分 Soot難以得到氧化，最終跟隨尾氣排出。噴孔個(gè)數(shù)的增多會使燃油霧化得到一定程度的改善，同時(shí)噴油總量不變，而噴油持續(xù)期縮短，短時(shí)間內(nèi)噴油器噴出更多燃油，在2種因素的共同作用下，缸內(nèi)油氣混合物迅速燃燒，使缸內(nèi)產(chǎn)生較高的溫度，從而促進(jìn)了 NO_x 的生成。

不同噴孔個(gè)數(shù)的燃燒性能和排放特性曲線如圖7所示。由圖7a）可知，隨著噴孔個(gè)數(shù)的增多，扭矩呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢，而燃燒持續(xù)期則呈現(xiàn)持續(xù)縮短的趨勢；由圖7b）可知，Soot排放呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢，而NO_x 呈現(xiàn)持續(xù)增高的趨勢；由圖7c）可知，隨著噴孔個(gè)數(shù)的增多，循環(huán)指示功由1334J逐漸增加至 1448J .且在噴孔個(gè)數(shù)為8時(shí)，柴油機(jī)的循環(huán)指示功最大。

噴油壓力不變時(shí)，噴孔個(gè)數(shù)的增多使得噴油持續(xù)期縮短，同時(shí)噴孔個(gè)數(shù)的增多使噴油霧化在空間上的分布更加均勻，2種因素的共同影響使燃燒過程更為迅速和集中，這樣會減少燃燒損失，提高柴油機(jī)的輸出扭矩和循環(huán)指示功，并縮短燃燒持續(xù)期；而較少的噴孔個(gè)數(shù)可能會使得燃燒過程變得更加分散和緩慢，不利于提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。噴孔個(gè)數(shù)的增多會使燃燒持續(xù)期縮短，從而使高當(dāng)量比區(qū)域持續(xù)時(shí)間減少，這在一定程度上減少了 Soot的生成，所以Soot排放呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;較多的噴孔個(gè)數(shù)使得燃燒過程更為集中，缸內(nèi)峰值溫度會更高，且峰值溫度所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角會更加靠近上止點(diǎn)，高溫環(huán)境促進(jìn)了 NO_x 的生成，所以 NO_x 呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

改變噴孔個(gè)數(shù)可以影響缸內(nèi)燃油霧化效果和噴油持續(xù)期，理論上可以降低燃油損失。在噴油壓力不變的情況下，隨著噴孔個(gè)數(shù)的增多，缸內(nèi)燃油擴(kuò)散更加均勻，同時(shí)噴油持續(xù)期縮短，柴油機(jī)的燃燒性能和排放特性均會受到一定的影響。

2.2噴油夾角對燃燒及排放的影響

將環(huán)境溫度和燃油溫度固定為 0^°C 、噴孔個(gè)數(shù)為6、噴油提前角為 6^°CA BTDC，循環(huán)噴油量為 120mg 噴油夾角由 140^° 逐漸增加至 160^° ，研究不同噴油夾角對缸內(nèi)燃燒和排放的影響規(guī)律。

不同噴油夾角下的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和累積放熱量曲線如圖8所示。由圖可知，隨著噴油夾角的增大，缸內(nèi)峰值壓力和峰值溫度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，峰值壓力變化過程為9.19、9.22、9.32、9.26、9.14MPa ，峰值溫度變化過程為1105.55、1116.94、1136.35、1129.74、1105.11K；放熱速率隨著噴油夾角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，總累積放熱量差異在 2% 以內(nèi)。

低溫環(huán)境下的柴油黏度較大，流動性較差，合適的噴油夾角可以增加“型燃燒室凹坑內(nèi)渦旋的流速和持續(xù)時(shí)間。當(dāng)噴油夾角過小時(shí)，大量燃油可能會聚集在凹坑底部，無法擴(kuò)散到燃燒室，造成凹坑底部當(dāng)量比過大，氧氣利用率低，從而使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性都較差。當(dāng)噴油夾角由 140^° 增加到 150^° 時(shí)，在噴油射流動能的影響下，凹坑內(nèi)的渦旋流動速度加快，渦旋的保持時(shí)間增長，同時(shí)凹坑附近剩余氧氣得以充分利用，這促進(jìn)了燃油和空氣的混合程度和均勻程度，油氣混合程度得到改善，因此柴油機(jī)的燃燒性能得到提高。當(dāng)噴油夾角由 150^° 增加到 160^° 時(shí)，噴油夾角變大，噴油射流噴射到燃燒室凸臺壁面，部分燃油可能會分散到氣缸壁或活塞的上壁面，這導(dǎo)致燃油無法充分燃燒，同時(shí)會使凹坑底部溫度較低，產(chǎn)生燃燒惡化的現(xiàn)象，降低了柴油機(jī)的燃燒效率。

不同噴油夾角下上止點(diǎn)靠后時(shí)刻混合氣當(dāng)量比和溫度分布如圖9所示。由圖9a）可知，當(dāng)噴油夾角為140^° 和 145^° 時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角在 時(shí)刻，大量燃油集中在凹坑上側(cè)位置，隨著噴油夾角的增大，燃油霧化得到改善；曲軸轉(zhuǎn)角為 10^°CA 時(shí)，高當(dāng)量比區(qū)域逐漸上移，在噴油夾角超過 150^° 后，部分燃油分散到活塞上壁面，燃燒室凹坑內(nèi)產(chǎn)生的渦旋區(qū)域減少。由圖9 b）可知，缸內(nèi)高溫區(qū)域呈現(xiàn)逐漸上移的趨勢;當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為 5°CA 時(shí)，隨著噴油夾角的增大，缸內(nèi)高溫區(qū)域先逐漸增大，后基本不變；曲軸轉(zhuǎn)角為 10^°CA 時(shí)，隨著噴油夾角的增自日日a）當(dāng)量比分布 b）溫度分布/K

噴油夾角會影響燃油在燃燒室內(nèi)空間的分布，合適的噴油夾角可以促進(jìn)燃料和空氣的混合程度，有利于提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。由圖9可知，由于燃油溫度較低，黏性較大，當(dāng)噴油夾角較小時(shí)，會導(dǎo)致燃油擴(kuò)散不均勻，使缸內(nèi)高溫區(qū)域較少，不利于柴油機(jī)的工作。隨著噴油夾角的增大，燃油擴(kuò)散得到改善，缸內(nèi)高溫區(qū)域增加，2種因素的相互影響促進(jìn)了缸內(nèi)的燃燒。同時(shí)，合適的噴油夾角會使燃燒室凹坑內(nèi)產(chǎn)生渦旋，提高了氧氣的利用率，增加了油氣混合程度。但是過大的噴油夾角會導(dǎo)致燃油射流噴射到燃燒室凸臺壁面，使部分燃油擴(kuò)散到活塞上壁面附近，造成燃油的分散，使得柴油機(jī)動力性能降低，污染物排放量增加。

不同噴油夾角下柴油機(jī)的燃燒性能和排放特性曲線如圖10所示。由圖10a）可知，隨著噴油夾角的增大，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而扭矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;噴油夾角為 150^° 時(shí)燃燒持續(xù)期最短，扭矩最大；由圖 ^10b ）可知，隨著噴油夾角的增大，Soot排放呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，而 NO_x 排放呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，噴油夾角為 150^° 時(shí)Soot排放最小， NO_x 排放最大；由圖 10c） 可知，噴油夾角由140^° 增加至 150^° 時(shí)，循環(huán)指示功由1414J逐漸增加到1438J，隨后噴油夾角由 150^° 增加至 160^° 時(shí)，循環(huán)指示功逐漸由1438J降低到1395J，由此可知，該柴油機(jī)在 150^° 時(shí)獲得最佳循環(huán)指示功1438J。

噴油夾角的改變會影響燃油與空氣的混合程度，從而影響缸內(nèi)燃燒特性，對柴油機(jī)的動力性產(chǎn)生一定的影響。結(jié)合圖9a）、b），當(dāng)噴油夾角由 140^° 增加到 150^° 時(shí)，燃油霧化得到改善，缸內(nèi)溫度增加，同時(shí)燃燒室凹坑底部產(chǎn)生渦旋，2種因素共同作用促進(jìn)了缸內(nèi)的燃燒，使得扭矩和循環(huán)指示功增加，燃燒持續(xù)期縮短，柴油機(jī)的動力性得到提高;缸內(nèi)理想的燃燒位置應(yīng)處于燃燒室中心區(qū)域，當(dāng)噴油夾角由 150^° 增加到 160^° 時(shí)，高當(dāng)量比區(qū)域上移，部分燃油噴射到活塞上壁面，燃油燃燒分散，這將對后續(xù)燃燒過程產(chǎn)生一定的不利影響，使得扭矩降低，燃燒持續(xù)期延長。

速燃期是柴油機(jī)燃燒過程中的一個(gè)重要階段，同時(shí)也是Soot和 NO_x 生成的重要時(shí)間。Soot的生成主要集中在燃燒初期，伴隨著燃燒的進(jìn)行，Soot會逐漸被氧化燃燒，而隨著缸內(nèi)溫度的降低，最終部分Soot無法被氧化，隨著尾氣一起排出。而 NO_x 的生成主要集中在開始燃燒后，在曲軸轉(zhuǎn)角約為 20^°CA ATDC（aftertopdead cenler）時(shí)達(dá)到最大，后續(xù)基本不變。結(jié)合圖8a）、b）可知，噴油夾角為 150^° 時(shí)在速燃期具有較高的缸壓和缸溫，高溫環(huán)境促進(jìn)了油氣混合程度，使燃油燃燒得更加充分，從而降低了Soot的生成；高溫高壓環(huán)境會促進(jìn) NO_x 的生成，伴隨著溫度的持續(xù)升高， NO_x 的生成速度也會加快，所以在 150^° 時(shí)缸內(nèi)會生成較高濃度的 NO_x 。

合適的噴油夾角可以促進(jìn)油束和空氣的混合程度，這對燃燒有著積極的作用，可以使柴油機(jī)的動力性得到提升。合適的噴油夾角可能會使凹坑內(nèi)渦旋保持時(shí)間增加或運(yùn)動加速，增加膨脹過程中的逆擠流和壓縮過程的擠流，加大豎直面內(nèi)滾流的強(qiáng)度和范圍，使凹坑內(nèi)剩余燃油可以燃燒得更加充分，同時(shí)還能促使壓縮余隙等局部地區(qū)剩余氧氣的充分利用——這些因素均會對柴油機(jī)的燃燒性能和排放特性產(chǎn)生一定的影響。

2.3噴油提前角對燃燒及排放的影響

將環(huán)境溫度和燃油溫度固定為 0^°C ，噴孔個(gè)數(shù)為6，噴油夾角為 125^° ，循環(huán)噴油量為 120mg ，噴油提前角由 6^°CA BTDC逐漸增加至 22°CA BTDC，研究不同噴油提前角對缸內(nèi)燃燒和排放的影響規(guī)律。

不同噴油提前角下的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和累積放熱量曲線如圖11所示。由圖11可知，隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)峰值壓力由 8.97MPa 逐漸增加到 12.80MPa ，且缸內(nèi)峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由16.12°CA 逐漸提前至 6.37^°CA ；缸內(nèi)峰值溫度由 逐漸增加到1336.78K，且缸內(nèi)峰值溫度所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由 逐漸提前至 10. 13°CA ；累積放熱量放熱規(guī)律存在差異，總累積放熱量的差異小于 1% 。

噴油提前角變化會影響缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度的峰值，主要原因是噴油提前角會影響缸內(nèi)燃燒性質(zhì)和氧氣含量，從而對缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度峰值產(chǎn)生一定的影響。如圖11所示，噴油提前角由 6^°CA BTDC逐漸增加至 22°CA BTDC，缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度曲線呈現(xiàn)往前偏移的趨勢，累積放熱量達(dá)到最大值時(shí)間間隔逐漸縮短。這是因?yàn)殡S著噴油提前角的增大，滯燃期延長，缸內(nèi)的燃油量增加，同時(shí)燃油和空氣混合程度增加，可燃混合氣濃度增加，當(dāng)缸內(nèi)環(huán)境達(dá)到著火條件時(shí)，進(jìn)人速燃期，同時(shí)速燃期縮短，可燃混合氣劇烈燃燒，使得缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度顯著升高，最高爆發(fā)壓力和缸內(nèi)峰值溫度也隨之增加，累積放熱量達(dá)到最大時(shí)間間隔縮短。

不同噴油提前角下上止點(diǎn)附近時(shí)刻混合氣當(dāng)量比分布如圖12所示。由圖可知，曲軸轉(zhuǎn)角在 -5^°CA 和0^°CA 時(shí)刻隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且高當(dāng)量比區(qū)域主要集中在噴油束附近區(qū)域；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角在 5°CA 時(shí)，隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且噴油提前角在 22°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)幾乎沒有高當(dāng)量比區(qū)域。當(dāng)噴油提前角為 6^°CA BTDC至 BTDC時(shí)，上止點(diǎn)附近混合氣當(dāng)量比隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大而增大，而當(dāng)噴油提前角為 22^°CA BTDC時(shí)，上止點(diǎn)附近混合氣當(dāng)量比隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大而減小。

由圖13可知，不同的噴油提前角下，在上止點(diǎn)附近隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)溫度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;在上止點(diǎn)附近同一曲軸轉(zhuǎn)角下，隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)溫度同樣呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;缸內(nèi)高溫分布由噴油束附近區(qū)域逐漸向燃燒室凹坑附近以及燃燒室底部缸壁偏移，同時(shí)燃燒室中心位置高溫區(qū)域逐漸增加。

合適的噴油提前角可以有效改善缸內(nèi)油氣霧化質(zhì)量，促進(jìn)后續(xù)燃燒過程，提高柴油機(jī)的動力性。結(jié)合圖11來看，隨著噴油提前角的增加，缸內(nèi)壓力和溫度升高率增加，在上止點(diǎn)及上止點(diǎn)靠前時(shí)刻缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比和高溫區(qū)域逐漸增大，這將使得燃料在接近上止點(diǎn)附近燃燒，促使燃燒重心前移，同時(shí)在上止點(diǎn)附近時(shí)刻燃燒室容積較小而缸內(nèi)溫度較高，又有利于促進(jìn)油氣混合程度。理想的燃燒放熱規(guī)律要求燃料盡可能在接近上止點(diǎn)附近燃燒[23]。噴油提前角為 6^°CA BTDC至 14°CA BTDC時(shí)，噴油提前角過小，燃燒過程較為滯后；而當(dāng)噴油提前角為 22°CA BTDC時(shí)，噴油提前角又過大，燃燒過程較為靠前，這均不利于提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性；當(dāng)噴油提前角為 18°CA BTDC時(shí)，上止點(diǎn)附近時(shí)刻均有較高混合氣當(dāng)量比和較大高溫區(qū)域，此時(shí)有效燃燒消耗率最低。

不同噴油提前角下的燃燒性能和排放特性曲線如圖14所示。由圖14a）可知，隨著噴油提前角的增大，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢，且縮短速率變慢;而扭矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在扭矩增大過程中增大速率逐漸變緩。由圖 14b 可知，在噴油提前角增大的過程中Soot排放呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢，而 NO_x 排放呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢。由圖 14c） 可知，噴油提前角由 6^°CA BTDC增加至 18°CA BTDC的過程中，循環(huán)指示功由1386J逐漸增大到1473J。隨后，隨著噴油提前角增大至 22°CA BTDC，循環(huán)指示功降低為1 458J。由此可知，當(dāng)噴油提前角為 18°CA BTDC時(shí)，該柴油機(jī)可獲最佳循環(huán)指示功 1 473J 。

結(jié)合圖12、13可知，當(dāng)噴油提前角為 18°CA BTDC時(shí)，燃燒過程主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近時(shí)刻，此時(shí)柴油機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和動力性，故扭矩較大；當(dāng)噴油提前角位于 6^°CA BTDC至 14^°CA BTDC時(shí)，燃燒較為滯后，而當(dāng)噴油提前角為 22°CA BTDC時(shí)，燃燒又過于靠前，扭矩較小，這均不利于提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，缸內(nèi)環(huán)境達(dá)到著火條件時(shí)，大量燃油混合氣被壓燃燃燒，燃燒持續(xù)期縮短;同時(shí)缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度升高率增加，此時(shí)可能會增加壓縮負(fù)效應(yīng)，使柴油機(jī)粗暴運(yùn)行，對柴油機(jī)各零部件產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)可能會引起爆震現(xiàn)象。

由于柴油機(jī)是燃油噴射、燃油與空氣混合以及燃燒同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)噴油提前角過小時(shí)，燃油與空氣接觸時(shí)間過短，油氣混合程度較低，部分燃油由于缺氧狀態(tài)在高溫環(huán)境下裂解，形成較多的 Soot顆粒;隨著噴油提前角的增大，預(yù)混合燃燒階段燃油與空氣混合時(shí)間更長，混合程度更加均勻，此時(shí)高當(dāng)量比區(qū)域較少，因而Soot的生成量減少。結(jié)合圖11a）、b）可知，隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)爆發(fā)壓力和溫度均增大，高溫高壓的環(huán)境會促進(jìn) NO_x 的生成;噴油提前角過小時(shí)會使燃油與空氣的混合程度降低，燃燒區(qū)域氧氣含量較少，燃燒惡化，此時(shí)會抑制 NO_x 的生成。

噴油提前角是影響低溫環(huán)境下柴油機(jī)燃燒和排放性能的一個(gè)重要參數(shù)，合適的噴油提前角能夠提高柴油機(jī)的動力性。過大的噴油提前角會導(dǎo)致柴油機(jī)滯燃期延長，在燃油壓燃時(shí)刻柴油機(jī)粗暴運(yùn)行，而過小的噴油提前角則會導(dǎo)致燃燒過程延遲，燃燒重心遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，缸內(nèi)峰值壓力降低，柴油機(jī)熱效率降低。

3結(jié)語

在低溫環(huán)境下，噴油參數(shù)（噴孔個(gè)數(shù)、噴油夾角、噴油提前角）對柴油機(jī)的燃燒和排放性能均有一定的影響，合適的噴油夾角或噴油提前角可以提高柴油機(jī)的動力性，主要結(jié)論如下。

1）增加噴孔個(gè)數(shù)可以通過影響噴油持續(xù)期以及改善燃油霧化提高柴油機(jī)的動力性能。隨著噴孔個(gè)數(shù)的增加，Soot排放量逐漸減少， NO_x 排放量逐漸增加。本研究中，噴孔個(gè)數(shù)為8時(shí)，柴油機(jī)可獲得較好的動力性。

2）噴油夾角會影響燃油在燃燒室內(nèi)的空間分布，隨著噴油夾角從 140^° 增加到 160^° ，缸內(nèi)峰值壓力和循環(huán)指示功都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。噴油夾角為 150^° 時(shí)，油氣混合程度較好，高溫區(qū)域較多，柴油機(jī)動力性得到提高，此時(shí)Soot排放量最高， NO_x 排放量最低。

3）噴油提前角對燃油霧化的質(zhì)量有著重要作用，噴油提前角由 6^°CA BTDC增大到 22°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力和峰值溫度都逐漸增大，所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也相應(yīng)前移。噴油提前角為 18°CA BTDC時(shí)，高當(dāng)量比區(qū)域及燃燒過程集中在上正點(diǎn)附近，此時(shí)油氣混合程度較好，柴油機(jī)的動力性能得到提高。從排放特性分析來看，隨著噴油提前角的增大，Soot排放量逐漸減少， NO_x 排放量逐漸增加。

本文僅進(jìn)行了單個(gè)噴油參數(shù)對低溫環(huán)境下柴油機(jī)燃燒和排放的影響研究，未來需進(jìn)一步研究噴油參數(shù)耦合不同噴射策略對柴油機(jī)燃燒和排放的影響。

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