柴油喷射压力对多缸均质引燃影响的试验研究

李思远 孙柯 尹伟 杨滨 李国祥

（山东大学，济南 250061）

1 前言

面对日益严苛的排放法规，排气污染问题逐步成为制约内燃机行业发展的首要因素。传统燃烧模式下，仅通过机内净化技术已不能满足法规要求，进而只能匹配复杂的后处理装置[1-2]。但冗杂的后处理装置不仅导致企业生产成本增加，还会带来用户使用维护成本提升，此外还有附加的能源、物质消耗等。

均质引燃作为一种新型燃烧技术，其高效、清洁、可控的特点[3]引起了各国学者的广泛关注。均质引燃技术同时使用两种特性完全不同的燃料[4]，通过控制燃料比例及高十六烷值燃料喷射时刻，可以灵活调节缸内燃油活性及分层，实现对燃烧相位的有效控制[5-6]，而多点起燃[7]的特性使得燃烧快速均匀，保证了良好的燃油经济性。此外，由于使用均质稀混合气，可以拓宽燃烧界限，实现低温燃烧，降低了NOx与Soot排放[8]。

以往针对均质引燃技术的研究，试验样机均单缸运行，在进排气状况、EGR-增压器耦合效应、机械损失等方面与发动机的真实工作状况差距较大。为探讨均质引燃技术多缸运行的真实特性，在一台六缸柴油机上实现了均质引燃模式在所有气缸内的同时运行，通过分析不同柴油喷射压力下整机燃烧与排放性能的变化，得到了柴油喷射压力对多缸均质引燃的影响规律。

2 试验装置及条件

2.1 试验装置

试验在一台六缸柴油机上进行，原机主要参数如表1所列。

表1 原机主要参数

为满足试验要求，对原机的燃油喷射与控制系统进行改造。在1～6缸进气道处分别加装汽油喷嘴，供给形式为燃油分配管，喷射压力控制在0.4 MPa；柴油喷射使用原机的高压共轨系统；控制系统为ECKA公司的双燃料开放式ECU，可实现对汽油喷射时刻、喷射脉宽、柴油喷射时刻、喷射脉宽、喷射压力、喷射次数、EGR阀开度及增压器涡轮流通截面的灵活控制。试验所用燃油为93号汽油与0号轻柴油。

试验系统如图1所示。利用HORIBA MEXA-1600DEGR型排放分析仪测量NOx、THC、CO等排放及EGR率；利用AVL 439型不透光式烟度计测量Soot排放；利用AVL INDICOM621型燃烧分析仪进行燃烧特性分析。

图1 试验系统结构

2.2 试验条件

试验过程中所用主要参数定义如下：汽油比例为循环供油量中汽油热量与总燃油热量的比值；DIP（Diesel Injection Pressure）为柴油喷射压力；CA（Crank Angle）为曲轴转角；ATDC（After Top Dead Center）为上止点后；IMEP（Indicated Mean EPffective Pressure）为平均指示压力；SDMI（Start of Diesel Main Injection）为柴油主喷时刻；CA10、CA50、CA90分别为10%、50%、90%累积放热量时刻所对应的曲轴转角。将CA10视为燃烧始点，CA90视为燃烧终点，进而滞燃期定义为从SDMI至CA10所经历的曲轴转角，燃烧持续期定义为从CA10至CA90所经历的曲轴转角。

试验在n=1 438 r/min、IMEP=0.7 MPa工况下进行，此试验工况下发动机参数设置如表2所列。由于CA50在燃烧相位中具有典型意义，试验过程将保持CA50一定。

表2 试验工况下发动机参数设置

3 试验结果及分析

3.1 柴油喷射压力对燃烧特性的影响

柴油喷射压力对缸压与放热率的影响如图2所示。由图2b可看出，在纯柴油模式下，放热率曲线呈典型的两阶段燃烧特点，分别由预混燃烧、扩散燃烧形成第1、第2阶段放热率峰值。因为随DIP增大，燃油雾化质量提高，与空气的混合速率加快，一方面，滞燃期内形成的可燃混合气增多，预混燃烧占比增大，另一方面，扩散燃烧受制于燃油-空气混合速率的条件改善，二者均导致燃烧加速，因此，两阶段放热率峰值增大且持续时间缩短。随DIP的增大，缸压峰值小幅上升，这与放热率峰值增大一致。由图2d可看出，在均质引燃模式下，汽油比例达80%，预混燃烧占据主体地位，放热率曲线呈快速均匀的单阶段燃烧特点，因此，放热率峰值持续时间大幅缩短且峰值超越纯柴油模式水平。随DIP增大，放热率峰值上升，但与纯柴油模式不同的是峰值位置前移，这是由于燃烧始点位置基本不变而柴油射程增加导致汽油引燃面积扩大、初期放热速率加快所致。随DIP的增大，缸压曲线展现出与放热率曲线一致的规律，缸压峰值上升、峰值位置前移，且缸压峰值整体高于纯柴油模式。

图2 柴油喷射压力对缸压与放热率的影响

柴油喷射压力对燃烧相位的影响如图3所示。由图3a可看出，在纯柴油模式下，随DIP增大，为控制CA50，SDMI推迟导致燃烧始点略有推后，与此同时，滞燃期与燃烧持续期均大幅缩短。一方面，DIP增大有利于加速可燃混合气形成，另一方面，SDMI推迟导致主喷柴油喷入时缸内的温度、压力较高，故滞燃期缩短。而燃烧持续期缩短主要得益于柴油雾化质量提高所引起的放热速率加快。若以CA50为界，将燃烧划分为两部分，可以看出CA10～CA50、CA50～CA90均呈减小趋势，这也是图2b中两阶段放热率峰值持续时间缩短的证明。由图3b可看出，在均质引燃模式下，为保证CA50，柴油主喷提前角大幅缩小，因而滞燃期远小于纯柴油模式。当DIP=140 MPa时，滞燃期缩短至1.9°CA，小于该试验点柴油主喷持续期2.6°CA，约有27%的柴油还未喷入时燃烧即已开始，此部分柴油与空气的混合质量较差，对燃烧及排放产生了不利影响，也就是说图2d中DIP=140 MPa时的放热率峰值反而低于120 MPa时的现象即是由上述原因引起的。均质引燃模式燃烧快速均匀的特点决定了燃烧持续期较短，其中以CA50～CA90时减小最明显，这是扩散燃烧占比较少的直接表现。同时，燃烧持续期也随DIP增大而逐步缩短，这是由引燃面积扩大导致。

图3 柴油喷射压力对燃烧相位的影响

柴油喷射压力对最大压升率的影响如图4所示。由图4可看出，在纯柴油模式下，随DIP增大扩散燃烧加速，因此最大压升率上升。在均质引燃模式下，随DIP增大引燃面积扩大，故最大压升率也呈上升趋势。但当DIP=140 MPa时，最大压升率并未如期上升，而是与DIP=120 MPa时基本持平，这是前文所述部分柴油燃烧恶化的缘故。总体来看，均质引燃模式的最大压升率水平高于纯柴油模式，这是快速燃烧所产生的必然代价，但最大压升率幅值均未超过0.7 MPa/°CA，仍处于可接受水平。

图4 柴油喷射压力对最大压升率的影响

柴油喷射压力对有效热效率的影响如图5所示。在两种模式下，随DIP增大，有效热效率均呈上升趋势。这主要由于放热率峰值增大、燃烧持续期缩短，一方面燃烧等容度提高，另一方面因高温气体与缸壁接触而导致的传热损失减少。对于均质引燃模式下DIP=140 MPa的试验点需特别说明，虽然该点部分柴油燃烧恶化，但该部分柴油热量仅占总燃油热量的5%，比例较低，因此放热率峰值降低幅度微小，有效热效率与DIP=120 MPa时基本持平。而两种模式不同的是，均质引燃模式的有效热效率对DIP的变化并不敏感，在整个DIP范围内，有效热效率变化幅度不超过0.45%，始终处于40%以上的高效41工作区。

图5 柴油喷射压力对有效热效率的影响

3.2 柴油喷射压力对排放特性的影响

柴油喷射压力对NOx排放的影响如图6所示。由图6可看出，在两种模式下，随DIP增大，NOx排放均显著上升。因为随DIP增大，燃烧放热更为快速集中且传热损失减少，缸内最高燃烧温度提高，因而NOx排放上升。但均质引燃模式下的NOx排放水平远低于纯柴油模式。当DIP=60 MPa时，均质引燃模式下的NOx排放量低至0.76 g/(kW·h)，为同期纯柴油模式的24%；当DIP=140 MPa时，均质引燃模式下的NOx排放量达到最大值1.45 g/(kW·h)，也仅为同期纯柴油模式的35%。均质引燃模式具备均质混合气稀薄燃烧[9]的特点，基本不存在纯柴油模式局部燃油富集导致的高温区域，因而NOx排放水平整体较低。

图6 柴油喷射压力对NOx排放的影响

柴油喷射压力对Soot排放的影响如图7所示。由图7可看出，在纯柴油模式下，随DIP增大Soot排放大幅降低，最大降幅达66%。在均质引燃模式下，随DIP增大，除140 MPa试验点外Soot排放呈降低趋势，但变化幅度较小。两种模式下，DIP的增大均有利于改善扩散燃烧阶段因油气混合不均而产生的局部缺氧，因此Soot排放降低。而对于均质引燃模式下DIP=140 MPa的试验点，由于部分柴油燃烧恶化，Soot排放转而上升。均质引燃模式下DIP=60 MPa时的Soot排放水平为0.034 m-1，低于纯柴油模式下DIP=140 MPa时的Soot排放水平0.044 m-1，在整个DIP范围内均质引燃模式的Soot排放水平均远低于纯柴油模式，这是由于Soot的生成集中在柴油的扩散燃烧阶段，而均质引燃模式以预混燃烧为主导致，因此均质引燃模式对高柴油喷射压力的依赖较小。

图7 柴油喷射压力对Soot排放的影响

柴油喷射压力对CO排放的影响如图8所示。由图8可看出，在纯柴油模式下，随DIP增大，CO排放基本不变，始终稳定在2.0 g/（kW·h）的较低水平，这是传统柴油机燃烧效率较高的表现。在均质引燃模式下，随DIP增大，除140 MPa试验点外，CO排放呈降低趋势。同NOx的分析类似，随DIP增大，最高燃烧温度上升，CO的氧化作用增强、排放降低。对于DIP=140 MPa的试验点，由于滞燃期小于柴油主喷持续期，部分柴油直接喷入缸内燃烧区域，该部分柴油与空气的混合质量极差，导致CO排放转而略有上升。但均质引燃模式下的CO排放水平显著高于纯柴油模式，这主要由于均质引燃采用稀薄燃烧的策略，缸内燃烧温度较低导致CO生成后期的氧化作用减弱。

图8 柴油喷射压力对CO排放的影响

柴油喷射压力对THC排放的影响如图9所示。由图9可看出，在两种模式下，随DIP增大，THC排放均未发生明显变化，但均质引燃模式下的排放水平远高于纯柴油模式。这主要因为，在均质引燃模式下，同汽油机类似，汽油均质混合气形成于进气冲程，而在压缩冲程中随缸内压力增大，被挤入燃烧室缝隙的实质为汽油混合气，由于狭隙效应的存在[10-11]，此部分气体成为THC排放的主要来源，这也是均质引燃模式THC排放较高的原因。而随DIP继续增大，狭隙效应始终无法改善，因此THC排放基本不变。

图9 柴油喷射压力对THC排放的影响

4 结束语

在一台六缸柴油机上实现了均质引燃模式的多缸运行，通过试验研究了柴油喷射压力对多缸均质引燃的影响规律，结果如下：

a.增大DIP可以提升均质引燃模式的有效热效率，但DIP过大会导致滞燃期小于柴油主喷持续期，引起燃烧恶化、Soot排放上升等问题，因此DIP应控制在合适的范围内。

b.均质引燃模式下，在整个DIP范围内，有效热效率变化幅度不超过0.45%，始终保持在40%以上，均质引燃模式对DIP的变化并不敏感。

c.在DIP为60～140 MPa范围内，均质引燃模式的Soot排放始终低于纯柴油模式，使用较小的DIP即可满足排放要求，均质引燃模式对燃油喷射系统的要求较低。

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