高压共轨柴油机后喷射对燃烧和排放性能影响的实验研究

1、高压共轨柴油机后喷射对燃烧和排放性能影响的实验研究论文摘要：结合4JB1高压共轨柴油机，在试验工况(1200rpm. 60Nm)下，研究屡次喷射中后喷射对燃烧和排放性能的影响。试验结果说明：在试验工况下，与没有后喷base;工况相比，后喷射对发动机放热率曲线的最后阶段有所改善，并且缸内平均温度的最大值有所降低，减缓后期燃烧温度下降速率，从而促进了缸内已生成Soot的氧化，同时在一定程度上减少NOx的生成，但是HC排放和燃油消耗率会有所增加，因此，屡次喷射策略的选择取决于后处理器对排放的要求。论文关键词：高压共轨,屡次喷射,后喷,排放引言为了满足日趋严格的排放法规要求，人们在发动机后处理技术，废

2、气再循环、喷射速率优化和电控方面进行了深入的研究。高压共轨燃油喷射系统的出现，使人们在以上领域的研究取得了重大进展，因为其高的喷射压力和屡次喷射控制上的灵活性，可以将油量分成2次甚至更屡次的喷射，从而可以进一步地优化发动机的排放性能。后喷，即在主喷之后进行的喷射，其主要作用是优化发动机的排放性能，采用后喷后，可以促进扩散燃烧过程中油气混合、从而将主喷生成的Soot氧化，最终到达降低Soot排放的目的。国外的研究针对后喷对发动机性能的影响进行了分析，得出的共同的结论是，采用后喷能够进一步地降低Soot的排放，但后喷的油量和主后间隔角度需要精确地匹配。后喷对BSFC和NOx排放亦有影响，但根据实验

3、用发动机和发动机工况不同，其影响程度亦不相同，所以对于后喷优化Soot排放的机理仍然是仁者见仁，智者见智，因而有必要针对后喷对发动机性能的影响进行深入的分析和研究。本研究是在一台高压共轨柴油机的试验工况(1200rpm.60Nm)下进行的，针对屡次喷射中后喷射的试验研究。在实验过程中，通过调节主喷脉宽的方法来保证实验过程中发动机输出扭矩不变的条件下，研究屡次喷射中后喷射对燃烧和排放性能的影响，为进一步的屡次喷射策略的研究提供了理论依据。1实验设备研究是在高压共轨柴油机上进行的，发动机具体的规格参数详见表1-1。电控系统采用的是自主开发的电控单元，上位机监控软件采用的自主研发的基于VisualC

4、自主开发的标定平台。实验柴油机所用的燃料为北京市市售满足国4的硫含量低于50ppm或称10-6标准柴油。表1-14JB1发动机规格参数 型号 4JB1直列四冲程、水冷 缸数 4 燃烧室型式 直喷缩口圆形形 压缩比 18.2：1 排量/L 2.771 标定功率/kW 85 标定转速/r/min 3600 涡流比 2.4 进气门关闭 上止点前125CA 排气门开启 上止点后126CA 发动机台实验台架主要包括测功机、发动机、进气流量测量系统、发动机控制系统、发动机燃烧分析系统以及排放测试系统。针对所选定的实验工况，在实验过程中实时地测量转速、扭矩、燃油消耗量，包括NOx、HC等在内的气体污染物排放

5、量及其烟度。主要的实验设备如图1.1所示。燃烧分析仪采用的是小野DS-0228燃烧分析仪，五气排放分析仪采用AVL4000五气体分析仪，烟度测量采用了AVLDISMOKE4000烟度计。图1.1试验系统组成为方便实验设计和后续的实验数据分析，对屡次喷射控制策略中各喷射参数进行统一定义，如图1.2所示。其中，PiI2、PiI1、Main、Post分别代表预喷2、预喷1、主喷、后喷。EtPiI2预喷2脉宽；EtPiI1预喷1脉宽；EtPost后喷脉宽；Ai主喷提前角；AiPiI1预喷1提前角，本实验中将预喷开始时刻与主喷开始时刻之间的曲轴转角定义为预喷1提前角；AiPiI2预喷2提前角；AiPos

6、t主后间隔角；TDCTopDeadCenter即上止点。图1.2屡次喷射参数定义2后喷射的实验研究及分析结合实验用4JB1高压共轨发动机性能参数，选择了属于中低转速中小负荷工况的1200rpm60N.m工况点。为使实验具有可比对性的同时又具有较好可操作性，在实验过程中，当其它喷射参数改变时，选择调节主喷脉宽的方法来保证每个实验工况的比对实验过程中发动机输出扭矩恒定不变。在试验工况(1200rpm.60Nm)下，采用的后喷组合方式为PiI2+PiI1+Main+Post；为进一步地优化发动机的Soot排放，提高4JB1实验用发动机机内净化的潜力，针对所选工况进行了针对性的实验研究分析，设计的实验

7、表格如表2-1所示。在实验过程中保证AiPiI2、EtPiI2、AiPiI1、EtPiI1和Ai恒定不变，详细地分析了EtPost和AiPost对发动机性能的影响。表2-1后喷实验表格 序号 AiPost/CA EtPost/ms 序号 AiPost/CA EtPost/ms 1 5 150 11 5 350 2 10 150 12 10 350 3 15 150 13 15 350 4 20 150 14 20 350 5 25 150 15 25 350 6 5 250 16 5 450 7 10 250 17 10 450 8 15 250 18 15 450 9 20 250 19 2

8、0 450 10 25 250 20 25 450 2.1后喷射对燃烧性能影响的试验分析针对实验选择的工况点，引入后喷后不同EtPost和AiPost下的放热率分别如图2.1所示。从图上分析可知，后喷的存在会使得扩散燃烧阶段的放热率曲线凸升，其凸升的程度随着后喷油量的增加而变得越创造显。除此之外，主后间隔角度AiPost对凸升程度亦有影响，AiPost越小，后喷放热率峰值越大，凸升程度越明显，但当AiPost过小时，如后喷间隔角为5CA的工况，后喷的燃烧过程便不再那么明显。此工况下主、后喷射间隔过近，使得后喷的燃油直接喷射到主喷燃烧的火焰之中，所以看不到明显的后喷放热。通过进一步分析，我们还可

9、以发现，引入后喷后虽然会影响扩散燃烧阶段的放热率，但对预喷和主喷的燃烧过程的影响却不明显，只有在EtPost相对较大的工况下(如图2.1EtPost为350ms和450ms的工况)，后喷对预喷和主喷的燃烧过程才会有相对而言较为明显的影响。图2.1试验工况下各组放热率曲线在试验工况AiPost=15CA时缸压、放热率和缸内平均温度随EtPost变化曲线如图2.2所示。由图分析可知，引入后喷后，主喷扩散燃烧阶段的放热率下降速度变缓，如图2.2a中的1;所示。除此之外，在上止点后20CA左右附近，相对于无后喷的base;工况，放热率曲线出现了明显的二次放热，出现了第二个峰值且随着EtPost的增加而

10、增加。同时如图2.2b中所示，缸内平均温度的峰值随着EtPost的增加而减小。通过对图2.2a中缸压曲线的分析可以发现，引入后喷后，其压力峰值有所降低，但降低程度不明显。这主要是因为，在实验过程中，发动机的功率恒定不变，引入后喷，相应的主喷的油量就会减小，从而使得缸内的最高压力值有所下降。主喷油量的减小，同样使得缸内平均温度的最大值有所降低，但其下降的速率较无后喷的base;工况要慢，后喷射的燃油燃烧的更充分，促进了缸内已生成Soot的氧化。图2.2AiPost=15CA时缸压、放热率和缸内平均温度随EtPost变化曲线在试验工况EtPost=350ms时缸压、放热率和缸内平均温度随AiPos

11、t变化曲线如图2.3所示。从图上可以看出，对于相同的EtPost，后喷的燃烧始点随着AiPost的减小而提前，反之亦然。后喷越是接近主喷，后喷的放热率峰值越高，因为此时后喷在接近上止点时刻燃烧，缸内的温度压力相对较高，所以此时的后喷放热率峰值也就相应地较高。分析图2.3(b)可知，缸内的平均温度峰值与base;工况相比有所下降，但是AiPost对其影响不是很大。如前所述，这主要是因为引入后喷后，为保证发动机输出功率不变，主喷的油量会相应的减小，从而使得温度峰值有所下降。但后喷的引入，会使缸内平均温度下降速率变缓，这也为后期Soot的氧化提供了有利的条件。图2.3EtPost=350ms时缸压、

12、放热率和缸内平均温度随AiPost变化曲线2.2后喷射对排放性能影响的试验分析如图2.4分析可知，随着AiPost的增加，NOx的排放逐渐递减，同时随着后喷射油量的增加，NOx的排放亦逐渐递减，但对于AiPost=5CA的工况，NOx的排放却是较无后喷的基准点有所增加。从图2.1(b)中的后喷放热率曲线上可以明显地看出，此工况下扩散燃烧阶段的放热率曲线上并未出现较为明显的凸升，相反由于间隔过近，使得后喷的燃烧过程，在主喷燃烧过程尚未完全结束之前便已开始。所以使得后喷喷入的燃油很大一局部是在上止点附近参与燃烧的，所以燃烧效率相对主后间隔角度较大的工况高。图2.4不同后喷参数的NOx排放值分析图2

13、.5可知，引入后喷后，对于EtPost150ms的工况，烟度随AiPost的变化呈先减小后增大的变化趋势。当AiPostCA时，针对实验所选定的所有EtPost工况，烟度的排放均有不同程度的降低。当EtPost=150ms时，喷射脉宽过小，加之喷油压力为45MPa，相对较低，使得后喷喷油量较小不能够产生明显的燃烧，扩散燃烧的放热率上亦无明显的二次放热，因而烟度值较无后喷的base;工况根本无变化。当AiPost=5CA时，虽然主、后喷间隔较小，但后喷的引入仍然能够在一定程度上减小烟度的排放。由于后喷较靠近上止点，故而减弱了其对扩散燃烧末期温度提升的能力，从而也就限制了其进一步降低烟度排放的潜力

14、，因此随着AiPost的增加，烟度的排放值进一步地减小，并在15CA时到达最小，但之后随着AiPost地进一步增加，烟度值又逐渐升高。这主要是因为，此时的后喷时刻过于往后，缸内温度、压力已经有明显地下降，不利于燃油的雾化、蒸发和自燃。因而也就不利于后喷对已生成Soot的氧化，从而使得烟度排放升高，且升高的程度随EtPost的增加而加剧。图2.5不同后喷参数的烟度值分析图2.6可知，HC的排放随着AiPost的增加呈递增的变化趋势，只有当AiPost较小时，才较无后喷的base;工况有所优化。如前所述，此时后喷的燃烧较为充分，所以使得HC的排放略有下降，但优化的程度较小。引入后喷后，HC的总体排

15、放较base;工况还是增加的。燃油消耗率的变化曲线如图2.6所示。由图分析可知，只有在小AiPost工况下，BSFC才较无后喷的base;工况有所降低。对于EtPost=150ms的工况，如前所述，此时后喷的喷油量较小，所以随着AiPost的增加，BSFC变化幅度较小，根本无明显变化。相反，对于EtPost较大的工况，随着AiPost的增加，后喷时刻逐渐远离上止点，燃烧效率逐渐降低，所以燃油经济性也逐渐恶化。图2.6不同后喷参数的HC排放值和燃油消耗率3.结论在试验工况下，通过改变后喷射参数进行研究得出以下结论：1、在适当后喷射参数下，与无后喷的base;工况相比，后喷射使得放热率曲线下降段变

16、缓，同时出现二次放热。二次放热量随着后喷射油量的增加而增大，二次放热峰值随着后喷射间隔的变大而变小。缸内燃烧平均温度随着后喷的参加，主喷的减少而降低。2、在适当的后喷射参数下，随着后喷间隔的增加，NOx的排放逐渐递减，同时随着后喷射油量的增加，NOx的排放亦逐渐递减。在后喷间隔角度在5CA15CA，后喷脉宽在150ms350ms之间，烟度的排放均有不同程度的降低。但是HC排放和燃油消耗率随着后喷射间隔角的增加呈递增的变化趋势。参考文献1 Russell, M.F. The dependence of diesel combustion on injection rate. In IMechE-

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