轻型柴油机预混合低温燃烧和排放性能的试验研究*

贾和坤，尹必峰，何建光，徐 毅

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.常柴股份有限公司，常州 213001)



2015192

轻型柴油机预混合低温燃烧和排放性能的试验研究*

贾和坤1，尹必峰1，何建光2，徐 毅2

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.常柴股份有限公司，常州 213001)

本文中对比分析了某四缸轻型车用柴油机喷射正时、废气再循环(EGR)率和喷射压力对燃烧过程和污染物排放的影响规律。结果表明：采用适时早喷或者晚喷策略均能延长滞燃期而改善可燃混合气的均匀性，以实现部分预混合燃烧，抑制碳烟排放。适时早喷策略相对晚喷策略更有利于降低碳烟排放，但将受到NOx排放恶化的限制。引入EGR后，适时早喷不但可降低缸内燃烧温度抑制NOx排放，还可有效解决因早喷带来的燃烧相位过早的问题，从而提高燃烧效率，改善燃油经济性，在高EGR率区域可兼顾有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放。而晚喷条件下，引入EGR后会进一步加重后燃现象，使有效燃油消耗率和碳烟排放有所恶化。随着喷射压力的提高，适时早喷时，燃烧放热过程变缓，瞬时放热率峰值和缸内平均温度降低，从而可同时降低NOx和碳烟排放，而晚喷则相反，NOx排放随着喷射压力的提高而有所上升。而不论适时早喷还是晚喷，有效燃油消耗率受喷射压力的影响很小。

柴油机；预混合低温燃烧；喷射策略；废气再循环

前言

随着全球石油资源的日益匮乏与环境污染的日趋严重，“节能与环保”已成为当今社会发展的主题，柴油机的排放控制法规愈来愈严，正日益向US10、欧Ⅴ及以上超低排放法规过渡。为实现柴油机高效清洁燃烧，满足节能减排的需求，国内外学者基于新一代柴油机清洁燃烧理论和技术开展了一系列的创新性研究工作[1-3]。新一代内燃机燃烧方式的基本特征是均质压燃和低温火焰燃烧，根据这一理论涌现出了一系列的燃烧概念和燃烧系统，其中以预混合低温燃烧最具代表性。其核心思想是通过燃烧边界条件的设置，控制可燃混合气均匀程度、氧浓度、燃料浓度和温度等与燃料化学动力学过程相关的物理和化学参数，从而使燃烧过程规避传统柴油机“理论当量比下的扩散燃烧”，同时降低NOx和PM的排放[4-6]。

围绕如何在着火之前有限的混合时间内形成相对均匀的混合气以实现高效清洁燃烧，国内外学者开展了一系列有益的研究与探索。研究表明通过采用电控高压共轨燃油系统对喷射规律、喷射时刻进行灵活而精确的控制能有效地促进燃料的蒸发与混合。一方面可以采用早喷射策略，通过在压缩行程中晚期将燃油喷射入气缸获取足够长的滞燃期以促进油气混合，但此时燃油喷射时刻缸内较低的温度和压力不利于燃油的蒸发和雾化，往往会带来燃油着壁的问题[7-9]。另一方面如调制动力学(modulated kinetics, MK)燃烧系统，在采用超高涡流比提高油气混合强度的条件下，将燃油喷射正时推迟到上止点乃至膨胀行程初期获得较长的滞燃期。然而晚喷策略所导致的后燃和燃油经济性恶化问题也是不容忽视的[10-12]。与此同时，随着技术的逐渐成熟，废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)已成为柴油机满足严格排放法规的关键技术，同时，也是实现柴油机新型高效清洁燃烧模式的核心手段。无论是采用燃油晚喷策略实现的“MK”燃烧模式，还是采用早喷策略的“Smokeless”燃烧系统，均通过引入EGR来降低缸内燃烧温度，并实现低温燃烧过程的有效控制[13-15]。

现有的研究在均匀混合气的制备和低温燃烧过程的控制方面已取得了一定的成果，然而预混合低温燃烧模式相关有利结论多是在柴油机中小负荷工况下获得的，且研究工作多偏重于中大缸径(>100mm)的多缸柴油机[16-19]。对于缸径小于100mm的轻型车用柴油机而言，一方面，轻型车排放测试循环(new European driving cycle，NEDC)中发动机运行工况主要集中在中低转速，中小负荷率工况区域[20]，能够实现高效清洁燃烧的新型燃烧模式在轻型车用柴油机上有着更为广阔的应用前景。另一方面，燃烧室空间狭小，燃油喷射策略的选择与油气大尺度的混合受到空间限制，如何在有限的混合时间和混合空间内实现均质混合气的制备以实现高效清洁燃烧有待进行深入的研究。因此，本文中以某两气门轻型车用柴油机为样机，通过分析喷射正时、进气氧浓度和喷射压力对柴油燃烧过程和污染物排放的影响，探索实现轻型车用柴油机预混合低温燃烧的有效途径，为优化其燃烧过程和减少污染物排放提供理论依据。

1 试验装置与方法

1.1 试验样机与装置

试验样机为某高压共轨轻型车用柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 试验样机技术参数

柴油机台架试验系统如图1所示。试验中所用主要测量仪器有：杭州中成CWF110电涡流测功机、MCS-960油耗仪、日本HORIBA公司MEXA-7200D气体分析仪、奥地利AVL公司AVL-415烟度计、瑞士Kistler公司6125B01缸内压力传感器和奥地利德维创公司DEWE800燃烧分析仪。EGR率被定义为废气量与吸入气缸的进气总量之比，目前国内外普遍通过测量进、排气中的CO2的体积分数来计算EGR率[21]：

(1)

式中：CO2%(in)和CO2%(out)分别为进、排气中CO2的体积分数。

1.2 试验与分析方法

在NEDC中，中、低速工况的排放所占权重较大，研究过程中选择的试验工况为1 450r/min和25%负荷。首先通过分析喷射正时对燃烧过程和排放的影响，探索轻型车用柴油机预混合低温燃烧模式的基本喷射策略；然后分别对比分析适时早喷和晚喷条件下对进气氧浓度、喷射压力的影响；最终得出基于不同喷射策略实现轻型车柴油机预混合低温燃烧的有效途径。试验过程中燃油喷射参数的在线调节和测试由在线标定软件INCA 6.2完成。

结果分析过程中，根据缸内压力、进气流量、温度和压力等参数，进行燃烧放热规律和缸内平均温度的计算，并结合燃烧特征参数进行对比分析。喷油始点φsoi由INCA软件读取；喷油持续期θ根据喷油器特性和循环喷油量计算获得；CA5和CA50分别表示缸内燃烧累计放热量达总放热量5%和50%时对应的曲轴转角，并以CA5作为燃烧始点，以CA50来表征燃烧放热高温相位。试验中直接对气态排放物取样，使用体积浓度单位，按照国家标准GB 17691—2005把气态排放物体积浓度转换为质量流量。碳烟则使用AVL415烟度计测量烟度，根据烟度FSN值计算排放中Soot的质量流量。

2 试验结果与分析

2.1 喷射正时的影响

对于小缸径轻型车用柴油机而言，其燃烧室空间狭小，过早的燃油喷射会带来燃油着壁问题；且轻型车用柴油机循环供油量较少，通过适时早喷即能在可燃混合气着火之前完成燃油的喷射过程，以达到延长燃油雾化混合时间的目的，同时较小的循环供油量也难以实施多次脉冲喷射。因此，为避免采用过早的燃油喷射策略带来燃油着壁而导致的碳烟排放恶化，研究过程中采用单次喷射策略，参数不变的条件下(其中EGR阀关闭)，将喷射正时从上止点每隔5°CA向前调整直至-35°CA(曲轴转角为负数时表示上止点前，为正数时表示上止点后)。不同喷射正时条件下缸内压力和瞬时放热率曲线见图2。

由图可见：喷射正时晚于-10°CA时燃烧发生在上止点之后，且缸内压力曲线呈现出双峰的形式；随着喷射正时的不断提前，缸内压力上升始点不断提前，缸内压力曲线开始由双峰的形式变为单峰的同时压力峰值不断上升；对于瞬时放热率曲线而言，放热始点随着喷射正时的提前不断提前，其峰值则呈现出了先下降后上升的趋势，最终基本保持不变，且当喷射正时达到-25°CA时，出现了较明显的低温放热阶段。图3为喷射正时对滞燃期的影响规律曲线。由图可见，随着喷射正时从0°CA不断提前滞燃期呈现出先下降后上升的趋势，喷射正时为-15°CA左右时最短。图2中喷射正时为-20，-15和-10°CA对应的瞬时放热率曲线呈现出传统的扩散燃烧特性。而在其他喷射正时条件下，随着滞燃期的延长，更多的均质预混合气的形成使放热率呈现出典型的预混合燃烧形态，且瞬时放热率峰值也有所上升。

图4为燃烧放热高温相位CA50和有效燃油消耗率BSFC随喷射正时的变化曲线。由图可见：CA50随着喷油正时的不断提前而提前；喷油正时在-10°CA时，高温相位最接近上止点。根据柴油机热力学循环理论分析可知，提高工质高温端的平均温度有利于提高热效率，在上止点定容燃烧时，压缩温度较高，热效率较高。偏离上止点加热实际上是降低了等熵指数，偏离上止点越多，等熵指数越小，可见燃烧放热高温相位越接近上止点，膨胀比越大，热效率也越高。有效燃油消耗率的变化曲线正与理论分析的结论一致，随着喷射正时调整，燃烧高温相偏离上止点时有效燃油消耗率都有所上升。

图5给出了不同喷射正时条件下NOx和碳烟排放的变化曲线。由图可见：随着喷射正时的提前，NOx呈现出单调上升的趋势，而碳烟排放则出现了先上升再下降，最后又有所上升的变化规律；其中喷射正时为-10°CA和-30°CA时分别出现碳烟排放的峰值和谷值。由于滞燃期的延长能有效改善柴油机可燃混合气的均匀性， 对照图3，可明显看出，碳烟排放与滞燃期随着喷射正时的调整呈现出相反的变化规律。结合图3中滞燃期的变化曲线分析，以-10°CA为基准，提前或者推迟喷油滞燃期均有所延长，碳烟排放相应的有所降低。然而当喷射正时过早，燃油喷射时刻缸内的温度和压力较低，燃油蒸发和雾化效果也会降低，这正是当喷射正时达到-35°CA时，碳烟排放又开始上升的原因。同时可以看出，适时早喷策略相比于晚喷策略在降低碳烟排放方面有着更大的优势，这是因为适时早喷策略下燃烧放热过程提前，燃烧生成的碳烟在燃烧过程后期仍有较长的时间处于高温状态而被氧化；而采用晚喷策略时，燃烧过程发生在膨胀行程，燃烧过程后期温度急速下降，生成的碳烟难以得到充分的氧化。

上述结果表明，采用适时早喷或者晚喷策略均能通过延长滞燃期改善油气混合均匀性，以抑制碳烟排放。相比而言，早喷策略相对于晚喷策略在降低碳烟排放方面有着更大的优势，但是适时早喷策略受到NOx排放恶化的限制。因此，有待通过对比分析不同喷射策略下EGR率和喷射压力对燃烧过程和排放性能的影响，进一步优化燃烧过程。

2.2 EGR率的影响

为对比分析不同喷射策略下EGR对燃烧过程和发动机性能的影响，分别在喷射正时为0°CA和-25°CA的条件下不断提高EGR率，直至发动机燃油经济性恶化。图6示出两种喷射正时下，不同EGR率对缸内平均温度及瞬时燃烧放热率的影响。

由图6(a)可见：适时早喷条件(喷油时刻为-25°CA)下，随着EGR率的增加，缸内平均温度峰值稍有下降，且对应的曲轴相位有所推迟；至于瞬时放热率曲线，随着EGR率的上升，燃烧始点逐渐推迟，瞬时放热率峰值不断降低，其对应的曲轴转角相位则不断推迟。由图6(b)可见：晚喷策略(喷油时刻为0°CA)下EGR率适用范围明显缩小，EGR率的变化对缸内平均温度和瞬时放热率的影响都不大，仅在燃烧过程后期，随着EGR率的升高，缸内平均温度有所上升，说明EGR的引入使晚喷策略下的后燃现象加重。

图7分别给出了两种不同喷射策略下，EGR率对燃烧高温相位(CA50)和有效燃油消耗率的影响。

从2.1节的分析中可知，采用适时早喷和晚喷策略时，CA50均远离上止点，燃烧效率降低、有效燃油消耗率上升。由图7(a)可见，引入EGR技术之后，适时早喷策略下随着EGR率由0增加到60%，由于惰性分子对燃烧过程的阻滞作用不断增强，CA50从-10°CA逐渐靠近上止点，燃烧热效率上升，对应的有效燃油消耗率也随之降低。然而随着EGR率进一步上升，可燃混合气中氧分子不足导致燃烧效率开始下降，有效燃油消耗率也开始上升。由图7(b)可知，晚喷策略下，随着EGR率的不断上升，由于后燃现象不断加重，CA50逐渐从15°CA远离上止点，有效燃油消耗率呈现不断增加的趋势。

图8给出了不同EGR率条件下NOx和碳烟排放的变化规律曲线。由图可见：两种喷射策略下EGR率对NOx排放的影响规律是一致的，随着EGR率的上升，进气氧浓度不断降低，使NOx排放呈线性下降趋势。结合EGR对燃烧过程的影响分析可知，虽然随着EGR增加，滞燃期延长，预混合燃烧增多，但是氧浓度的下降对燃烧温度起到了决定性作用，随着进气中氧浓度的稀释，燃烧温度不断降低，NOx排放下降。

对于碳烟排放而言，EGR率的影响体现在两个方面：一方面，贫氧燃烧促进了碳烟的生成；另一方面，燃烧温度的降低和燃烧过程的滞后也对碳烟的氧化量产生相应的影响。因此，两种喷射策略下，当EGR率超过20%以后，碳烟排放开始显著上升。而在喷射正时为-25°CA时，当EGR率达到40%时，碳烟排放达到最大值，且随着EGR率的进一步提高，进气中的氧气分子进一步减少，缸内的燃烧恶化，燃烧温度的降低反而会抑制碳烟的生成，因此碳烟排放反而开始降低。

由上述分析可知，适时早喷条件下EGR的引入可以有效改善因早喷带来的燃烧相位过早问题，有利于提高燃烧效率，改善燃油经济性，在高比例EGR区域可以实现有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放的兼顾。而晚喷条件下，引入EGR后进一步加重后燃现象，无法实现高比例EGR，且有效燃油消耗率和碳烟排放也随着EGR率的升高而开始恶化。

2.3 喷射压力的影响

图9分别给出了两种不同喷射正时策略和EGR条件下，喷射压力对缸内压力及瞬时放热率的影响。

由图9(a)可知，适时早喷策略结合高比例EGR(65%)条件下，随着喷射压力的上升，瞬时放热率峰值下降，且对应的时刻有所延迟；缸内平均温度峰值略有降低。

从图9(b)中的曲线可知，晚喷策略结合中等比例EGR(30%)条件下，随着喷射压力的提高，瞬时燃烧放热率峰值上升，且对应的时刻稍有提前，缸内平均温度峰值有所上升，且对应时刻提前。

表2中给出了不同喷射压力下发动机燃烧高温相位、有效燃油消耗率(BFSC)、NOx和碳烟排放。喷射压力提高后喷射持续期缩短，燃气混合强度增加，有利于均质混合气的形成，喷射压力从65MPa提高到95MPa后，适时早喷和晚喷条件下的碳烟排放分别降低了61.1%和64.3%。适时早喷策略下，燃烧放热过程变缓、瞬时放热率峰值和缸内平均温度降低导致NOx排放降低27.9%；而晚喷策略下，喷射压力提高对燃烧放热过程、瞬时放热率峰值和缸内平均温度的影响趋势则相反，NOx排放上升了9.4%。对于CA50而言，喷射压力的提高对早喷策略下的CA50未产生明显的影响，晚喷策略下的CA50则提前了1.5°CA，燃烧效率略有改善。随着喷射压力的提高，适时早喷策略和晚喷策略下的有效燃油消耗率分别上升了2.5%和下降了1.5%。

表2 不同喷射压力下的NOx、碳烟排放、CA50及有效燃油消耗率

3 结论

通过分析喷射正时、EGR率和喷射压力对柴油燃烧过程和污染物排放的影响规律，得出以下主要结论：

(1)采用适时早喷或者晚喷策略均能从延长油气混合时间的角度改善可燃混合气的均匀性，以实现部分预混合燃烧，抑制碳烟排放，适时早喷策略相对于晚喷策略更有利于降低碳烟排放，但是将受到NOx排放恶化的限制。

(2)适时早喷条件下EGR的引入不但可以降低缸内燃烧温度抑制NOx排放，还可有效解决因早喷带来的燃烧相位过早的问题，从而提高燃烧效率，改善燃油经济性，在高比例EGR区域可同时兼顾有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放。而晚喷条件下，引进EGR后进一步加重后燃现象，使燃油经济性和碳烟排放有所恶化。

(3)适时早喷策略下，随着喷射压力的提高，燃烧放热过程变缓、瞬时放热率峰值和缸内平均温度降低，从而可同时降低NOx和碳烟排放，而晚喷策略下则相反，NOx排放有所上升，而随着喷射压力的提高，两种喷油策略下的有效燃油消耗率变化幅度较小。

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An Experimental Study on the Low-temperature Premixed Combustion and the Emission Performance of Light-duty Diesel Engine

Jia Hekun1， Yin Bifeng1， He Jianguang2& Xu Yi2

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.ChangchaiCompanyLimited，Changzhou213001

The law of the effects of injection timing, exhaust gas recirculation (EGR) rate and injection pressure on the combustion process and the pollutant emissions of a four-cylinder diesel engine for light-duty vehicle are comparatively analyzed in this paper. The results indicate that either moderately advancing or retarding injection timing can prolong delayed burning period and hence improve the uniformity of combustible mixture, realizing partial premixed combustion and suppressing soot emissions. Compared with retarding injection timing, moderate advance of injection is more conducive to reducing soot emissions，but is limited by the deterioration of NOxemissions. The introduction of EGR with early injection can not only lower in-cylinder combustion temperature and hence restrain the generation of NOx, but also effectively avoid the problem of too-early combustion phase caused by early injection and thus increase combustion efficiency and improve fuel economy. Effective specific fuel consumption and the emissions of NOxand soot can be concurrently improved in high EGR rate region. But for retarding injection, the introduction of EGR may further exacerbate the phenomena of post-combustion and deteriorate effective specific fuel consumption and soot emission. With the increase of injection pressure, the process of combustion and heat release become slow and the transient peak of heat release rate and average in-cylinder temperature lower and hence the NOxand soot emissions can be reduced simultaneously for moderately advancing injection, while it is just the opposite for retarding injection, the emission of NOxgoes up with the rise in injection pressure. However the injection pressure only has trivial effects on effective specific fuel consumption no matter with advancing or retarding injection timing.

diesel engines; low-temperature premixed combustion; injection strategies; EGR

*江苏省科技支撑计划(BE2013042)、中国博士后科学基金面上项目(2014M560400)、江苏大学高级专业人才科研启动基金(13JDG075)和江苏省优势学科建设项目(PAPD)资助。

原稿收到日期为2015年3月2日，修改稿收到日期为2015年4月29日。