多缸重型柴油机的预混低温燃烧

李临蓬，毛 斌，刘海峰，郑尊清，尧命发



多缸重型柴油机的预混低温燃烧

李临蓬，毛 斌，刘海峰，郑尊清，尧命发

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

在一台匹配有两级增压和复合EGR系统的电控高压共轨柴油机上，研究了喷油定时和EGR率对部分负荷预混低温燃烧影响的试验研究．研究结果表明，当采用大比例EGR时，早喷和晚喷情况下均能有效延长滞燃期，获得极低的NO和碳烟排放，并消除soot-bump区域．早喷比晚喷能够获得更佳的燃烧效率和更低的燃油消耗率，早喷需要高比例EGR率以实现燃烧相位(CA50)的合理控制，但受到了复合EGR最大循环能力的限制．随着发动机平均有效压力从0.3MPa提升到0.5MPa，碳烟排放至少升高了一个数量级，碳烟排放控制成为高效清洁燃烧的主要制约因素，同时还受到压力升高率和氧/燃当量比的限制．在不同负荷下采用适当的早喷定时既能避免燃烧控制对超高EGR率的依赖，又能取得合理的CA50相位、燃烧效率和氧/燃当量比，具有实现部分负荷超低排放和保持较高热效率的潜力．

多缸柴油机；预混低温燃烧；喷油定时；废气再循环

在过去三十余年间，日益严格的排放法规推动了内燃机燃烧技术的持续进步．针对未来排放法规和碳排放法规的挑战，人们提出了如均质压燃(HCCI)、预混合充量压燃、低温燃烧(LTC)、部分预混压燃和双燃料活性控制燃烧模式等新型燃烧方式[1]．其核心就是采用预混合、压燃、低火焰温度等燃烧方式，实现内燃机高效清洁燃烧[2]．

柴油机低温燃烧是高EGR率、长滞燃期下的预混合低温燃烧过程[3]．一般通过延长混合时间使燃油喷射与燃烧反应过程分离，以保证在燃烧前形成合适的燃料/空气混合物．相比传统柴油机，其主要技术手段是进行更早的燃油喷射，避免燃油湿壁形成局部混合气浓区，凭借早喷时缸内温度和压力较低、化学反应速率较慢，使得燃油在着火前有充足时间实现良好的混合，从而实现低的NO与碳烟排放．采用大比例的废气再循环可降低氧浓度，从而抑制NO排放生成并延长滞燃期，从而控制合理的燃烧相位，避免柴油燃料在较早相位下放热，增加传热损失和发动机机械负荷[4-5]．

国内外多家企业和科研院所都对预混低温燃烧进行了研究．Volvo汽车公司和瑞典隆德大学的研究表明[6-7]，延长滞燃期并实现在着火前完成燃油喷射是实现低排放的关键因素．在发动机25%负荷工况，利用高比例EGR稀释，能够实现超低的NO和碳烟排放，但燃烧效率有所降低．采用低压缩比活塞或高涡流比气道能够拓展清洁燃烧的负荷范围．苏万华等[8]针对部分均质预混燃烧开发了一种混合燃烧控制策略，利用单次早喷柴油结合大比例EGR率(高达69%)和较高的进气压力，组织高稀释预混合气，在平均有效压力为0.5MPa的工况下实现了极低的排放水平和53%的指示热效率．然后通过多脉冲喷射定时、增压压力、EGR率以及进气门关闭定时等参数的耦合优化，控制当量比和温度变化路径，将超低排放负荷边界拓展到平均有效压力为1.1MPa．马帅营[9]在针对汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧的研究中发现，在低负荷工况下，虽然纯柴油LTC模式的碳烟及NO排放相比于汽油/柴油双燃料模式略有升高，但其HC、CO排放及油耗显著降低，因此纯柴油低温燃烧模式更适合于低负荷工况．

本课题组前期研究了重型柴油机两级增压匹配技术[10-11]和复合EGR的控制策略[12]．先进空气系统是实现高稀释、高预混、低温燃烧的关键因素之一，这就要求柴油机能够在引入大比例EGR的同时实现较高进气压力和较低的泵吸损失．笔者在这台匹配有两级增压和复合EGR系统的电控高压共轨柴油机上，进行了喷油定时和EGR率对部分负荷预混低温燃烧影响的试验研究．这一研究对改善柴油机预混低温燃烧下的发动机性能具有一定指导意义，同时作为满足未来更为苛刻排放法规的技术储备也具有重要价值．

1 试验装置与研究方法

发动机为一台电控高压共轨六缸重型柴油机，采用BOSCH高压共轨燃油喷射系统进行试验，柴油机主要技术参数见表1，主要试验设备见表2，发动机平台构架示意图见图1．

试验搭建了由高压级EGR和低压EGR构成的复合EGR系统．高压级EGR直接从高压级增压器涡轮前(废气未经增压系统利用)引出废气，经EGR冷却器冷却后，直接引入到发动机进气端(增压器增压后)．低压EGR从低压级涡轮(废气能量经过增压系统利用)后引出废气，并经EGR中冷器冷却后引入到低压级增压器压气机进口端．

表1 柴油机技术参数

Tab.1 Specifications of diesel engine

表2 主要的试验仪器设备

Tab.2 Main test instruments

图1 发动机示意

碳烟排放是通过AVL公司的415S烟度计测量的烟度经过计算得到，计算公式如下：

   (1)

式中：为实测烟度值；air为进气流量，kg/h；fuel为各燃料的当量柴油油耗，kg/h．

EGR代表EGR率，通过Horiba-MEXA-7100DEGR排气分析仪测量的进气与排气中CO2的体积分数计算得到，即

 (2)

混合燃料的氧/燃当量比oxy同时考虑了新鲜进气量中的氧气和EGR中的氧气，其定义为

 (3)

 (4)

式中：air和fuel分别表示实测新鲜空气的流量和燃油消耗量，kg/h；stoich表示化学计量当量比．

试验中，发动机冷却水温度保证在85±2℃，转速为1660r/min，平均有效压力分别为0.3MPa和0.5MPa，对应转矩分别为200N·m和320N·m.喷油压力恒定为160MPa．复合EGR在低负荷工况的控制方式为：先逐渐开启高压EGR阀至全开，此时EGR率可达约32%，然后逐渐开启低压EGR阀至全开，此时EGR率可达55%，继续关闭排气节流阀能够继续增大EGR率至60%．

2 试验结果及分析

2.1 燃烧特性分析

图2所示是平均有效压力为0.3MPa时各喷油定时对应的滞燃期和CA50随EGR率的变化．由图2(a)可知，随着EGR率的增加，各喷油定时下的滞燃期都获得一定程度的延长．喷油定时为-10°CA ATDC和-15°CA ATDC时的滞燃期最短，而随着喷油定时的推迟或提前，滞燃期逐渐增加，且增加幅度明显．由图2(b)可知，当喷油定时位于-10°～   -15°CA ATDC之间时，CA50能够控制到上止点后比较合理的水平．然而随着喷油定时的推迟或提前，CA50逐渐偏离最佳值．在早喷情况下，大比例EGR率区间内，CA50对EGR率的变化更加敏感，同时也需要更高的EGR率来延长滞燃期，以此获得理想的CA50，甚至需要利用排气背压阀以提高EGR率．

图3是转速1660r/min、平均有效压力为0.3MPa工况下各喷油定时下氧/燃当量比和燃烧效率随EGR率的变化．由图3(a)所示，氧/燃当量比随着EGR增加而降低，但即使在高EGR率区域，各喷油定时下的氧/燃当量比仍保持较高的水平．由图3(b)所示，随喷油定时的提前，燃烧效率逐渐改善. 当喷油定时为-35°CA ATDC时，燃烧效率有所降低，而此时当量比仍位于较为合适的水平，所以大比例EGR并不是导致燃烧效率下降的主要因素．燃烧效率下降主要是由于早喷时少量燃油脱离凹坑，影响了油气混合效果，导致燃烧效率整体降低[8]．

图2 不同喷油定时条件下滞燃期和CA50随EGR率的变化

图3 不同喷油定时条件下氧/燃当量比和燃烧效率随EGR率的变化

图4为平均有效压力0.3MPa工况下、EGR率55%时不同喷油定时对应的缸内压力和放热率．相比于较晚喷射，早喷情况下的燃烧定容度较高．而  -35°CA ATDC喷油定时下油气混合效果不佳，致使放热速率有所降低．在早喷和晚喷情况下，由于滞燃期较长，在大比例EGR条件下的低温放热现象更加明显．

图5分别为转速1660r/min、平均有效压力0.3MPa工况下、喷油定时在-30°CA和-5°CA ATDC时EGR率对缸内压力和放热率的影响．在早喷情况下，随EGR率增加，燃烧相位明显推迟，放热速率有所减缓，爆发压力明显降低．随EGR率增加，由于燃烧温度降低以及滞燃期延长，低温反应比例明显增加．在晚喷情况下，随EGR率的增加，滞燃期的延长使得放热率峰值升高．而当EGR率高于45%，燃烧效率有所降低，从而放热率峰值降低．

图4 不同喷油定时条件下的缸内压力和放热率

图5 早喷和晚喷下缸压和放热率随EGR率的变化

2.2 喷油定时和EGR率对进排气和燃油消耗率的影响

图6为转速1660r/min、平均有效压力0.3MPa工况下各喷油定时下的进气压力、涡前进气压差和有效燃油消耗率(BSFC)随EGR率的变化．图6(a)表明喷油定时变化对进气压力的影响较小，进气压力仅在喷油定时为0°CA ATDC时略有升高，这是因为较晚燃烧相位致使废气能量增加．在高EGR率区间，采用复合EGR避免了使用纯高压EGR或纯低压EGR时对进气和排气节流的过度依赖，同时获得了较低的进排气压差．

图6(b)表明有效燃油消耗率变化趋势受CA50影响较大，随喷油定时提前先降低后升高，其在-10°CA ATDC和-15°CA ATDC喷油定时下能获得最低的燃油消耗率．如果在-20°～-25°CA ATDC范围内采用适当的早喷策略，高EGR率区域的油耗水平仅略高于本试验中的最低燃油消耗率．

图6 不同喷油定时条件下进气压力、涡前进气压差和有效燃油消耗率随EGR率的变化

2.3 排放特性分析

图7为各喷油定时条件下NO与碳烟排放随EGR率的变化．图中发动机转速为1660r/min，平均有效压力为0.3MPa．由图7(a)可知，在低EGR率区域，不同喷油定时下的NO排放差异较大，而在高EGR率区域，各喷油定时下的NO排放差异逐渐减小．在0°～-25°CA ATDC范围内，随喷油时刻的提前，NO排放增加，但这个增加趋势逐渐减小．喷油时刻-35°CA ATDC条件下因为油气混合效果变差，且燃烧相位控制不当影响了当量比，导致NO生成量减少．

由图7(b)可知，随EGR增加，由于滞燃期延长，碳烟排放在一定EGR率范围内略有降低．在高EGR区域，随着喷油定时提前，碳烟排放开始升高．当从 -10°CA ATDC开始继续提前喷油定时，碳烟排放持续降低，直至-30°CA ATDC时获得极低水平．而喷油定时为-35°CA ATDC时虽然滞燃期最长，但因为喷油定时过于提前，油气混合效果变差致使碳烟排放升高．所以，利用早喷延长滞燃期时应恰当选择喷油定时，需防止过早喷射带来的燃烧效率降低和碳烟排放问题．

图7 不同喷油定时条件下NOx与碳烟排放随EGR率的变化

2.4 两个负荷下的排放特性分析

本试验将同样的喷油时刻变化范围和复合EGR策略应用在平均有效压力为0.5MPa的工况，在图8中展示了转速为1660r/min、平均有效压力为0.3MPa和0.5MPa时各喷油定时下NO及碳烟排放的折中关系．

由图8(a)所示，在平均有效压力为0.3MPa，当NO排放高于0.4g/(kW·h)时，各喷油定时下的碳烟排放都处于极低水平．当NO低于0.4g/(kW·h)时，在喷油定时为-10°CA ATDC时碳烟排放最高，推迟或提前喷油定时则会降低碳烟排放．-35°CA ATDC喷油定时下的当量比仍然较理想，所以碳烟增加主要是喷油过早使混合效果变差而造成的．

平均有效压力为0.3MPa时循环油量较少，当量比整体较低．随着平均有效压力提升至0.5MPa，碳烟排放明显高出1～2个数量级．在此工况下采用晚于-10°CA ATDC的晚喷射或-30°CA ATDC的早喷，可以在极低的NO排放下获得较低的碳烟排放，并且未出现soot-bump区域．

图8 不同喷油定时条件下两个负荷工况下NOx及碳烟折中关系

2.5 各喷油定时下性能和排放最优点的对比

对于平均有效压力为0.3MPa和0.5MPa两个工况，在NO和碳烟排放分别小于1g/(kW·h)和0.01g/(kW·h)的排放边界范围内，在各喷油定时下的有效燃油消耗率最优区域内选取NO排放最低的运行点．图9是两个负荷在各个喷油定时下的最优点所对应的NO和碳烟排放．图中，空心点和实心点分别对应平均有效压力为0.3MPa及0.5MPa的工况，下同.

由图9可知，在碳烟排放和有效燃油消耗率的限制范围内，随着喷油定时提前，能够降低NO排放.在喷油定时为0°CA ATDC和-5°CA ATDC的晚喷条件下，所选工况点的NO排放较高是因为受到了有效燃油消耗率的限制．因为EGR需求越大，滞燃期越长，CA50推迟越明显，热功转化效率越低．而随着喷油定时提前，CA50相位较为合适，而且平均有效压力为0.3MPa时由于碳烟整体较低，此时即可利用大比例EGR实现低于0.4g/(kW·h)的NO排放．而平均有效压力0.5MPa时，运行点选择主要受碳烟排放限制，所以在-25°～-5°CA ATDC的喷油定时区间，碳烟排放均控制到0.01g/(kW·h)的边界值．随着喷油提前，同时EGR率增大，碳烟排放受这两个参数同时影响．而在早喷条件下，碳烟排放较低，工况点选择主要考虑燃烧相位对油耗的影响．所以平均有效压力为0.5MPa工况下的早喷和晚喷都受到有效燃油消耗率的限制，而排放不是主要问题．

图9 优选点对应的NOx和碳烟排放

图10为两个负荷工况在各喷油定时条件下的优选点所对应的CA50、EGR率和有效燃油消耗率．平均有效压力为0.3MPa和0.5MPa时，在-20°CA和 -30°CA ATDC的早喷情况下对EGR率的需求已达到了本试验中复合EGR的最大循环能力，即60%．此时CA50的合理控制受到EGR循环能力的限制，从而无法获得经济性最佳的燃烧相位．当采用适当的早喷策略，即平均有效压力为0.3MPa时，喷油定时采用-15°CA ATDC；平均有效压力为0.5MPa时，喷油定时采用-20°CA ATDC．避免了利用排气节流辅助引入EGR，能将CA50控制到合理范围内，具有实现小负荷超低排放和保持理想有效燃油消耗率的潜力．

图11为两个负荷工况在各喷油定时下优选点的氧燃当量比、燃烧效率、滞燃期和最大压力升高率.图11(a)表明，随着喷油定时提前，EGR率需求增加，过量空气系数逐渐降低，尤其在平均有效压力为0.5MPa的工况，因为早喷下CA50控制依赖大比例EGR，所以即使在本试验中采用两级增压的条件下，仍然存在早喷情况下氧燃当量比受限的问题．在平均有效压力为0.3MPa工况，喷油定时为-35°CA ATDC时燃烧效率明显降低，是由于燃油喷射与燃烧室匹配不当造成的．而平均有效压力为0.5MPa时，在-30°CA ATDC早喷工况，燃烧效率降低是因为氧燃当量比较低．所以，恰当地控制喷油定时，能够保证合理的燃烧效率和氧燃当量比．

图10 优选点的CA50、EGR率和有效燃油消耗率

图11 优选点的氧/燃当量比、燃烧效率、滞燃期和最大压力升高率

图11(b)表明，随着喷油定时提前，滞燃期获得明显延长．对比早喷和晚喷，若获得相同的滞燃期，早喷的燃烧效率明显高于晚喷．在平均有效压力为0.5MPa时，随着喷油定时提前，滞燃期获得延长的同时，由于EGR率的提高，氧/燃当量比降低，所以提前喷油时刻与提高EGR率对碳烟排放起到相反的作用，竞争影响碳烟的排放．随喷油定时的提前，虽然各优选点的EGR率在不断增加，但燃烧相位的提前和放热速率的增加使得最大压力升高率增加，而且在0.5MPa工况下更加明显．而在主喷定时为－35°CA ATDC时，由于油气混合不佳，放热速率减缓，从而降低了最大压力升高率．

3 结 论

(1) 当采用大比例EGR时，早喷和晚喷情况下均能有效延长滞燃期，获得极低的NO和碳烟排放，但早喷相较晚喷能够获得更佳的燃烧效率和燃油消耗率．优选结果表明，早喷相较于晚喷更有利于拓展高效清洁燃烧，但过早喷射会影响油气混合效果，造成燃烧效率降低和碳烟排放升高．

(2) 早喷需要高比例EGR率以实现CA50的合理控制．采用复合EGR能够实现60%的高比例EGR率，避免了使用单一EGR方式对进气或排气节流的过度依赖；但过早喷射时燃烧相位控制受到复合EGR最大循环能力的限制，不利于获得最佳燃油消耗率．

(3) 随着发动机平均有效压力从0.3MPa提升到0.5MPa，氧/燃当量比明显降低，碳烟排放升高1～2个数量级，碳烟排放控制成为高效清洁燃烧的主要制约因素．所以，早喷情况下的负荷拓展受到氧/燃当量比和最大压力升高率的挑战．

(4) 在不同负荷下分别采用适当的早喷定时，既能避免燃烧控制对超高EGR率的依赖，又能取得合理的CA50相位、燃烧效率和氧/燃当量比，有潜力在部分负荷同时获得超低排放及理想的热效率水平．

［1］ 王 健，郑尊清，王 浒，等. 内部 EGR 和燃料辛烷值对小负荷低温燃烧的影响[J]. 燃烧科学与技术，2017，23(4)：358-364.

Wang Jian，Zheng Zunqing，Wang Hu，et al. Effects of internal EGR and fuel octane number of fuel on low temperature combustion at low loads[J].，2017，23(4)：358-364(in Chinese).

［2］ 尧命发，刘海峰. 均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望[J]. 汽车工程学报，2012，2(2)：79-90.

Yao Mingfa，Liu Haifeng. Review and prospect of the combustion technology of homogeneous charge compression ignition and low temperature combustion[J].，2012，2(2)：79-90(in Chinese).

［3］ 郑尊清，钟小凡，刘海峰，等. 生物柴油/DMF混合燃料对柴油机低温燃烧的影响[J]. 燃烧科学与技术，2017，23(2)：104-110 .

Zheng Zunqing，Zhong Xiaofan，Liu Haifeng，et al. Effect of biodiesel/DMF blended fuel on low temperature combustion in a diesel engine[J].，2017，23(2)：104-110(in Chinese).

［4］ 张全长，尧命发，郑尊清，等. 进气氧浓度对柴油机低温燃烧影响的试验研究[J]. 内燃机学报，2009(4)：298-305.

Zhang Quanchang，Yao Mingfa，Zheng Zunqing，et al. The effect of intake oxygen concentration on the combustion and emission characteristic of the diesel[J].，2009(4)：298-305(in Chinese).

［5］ 黄豪中，谢夏琳，谢正良，等. 进气氧浓度和喷油正时对柴油机低温燃烧特性影响的试验研究[J]. 内燃机工程，2016，37(2)：54-58.

Huang Haozhong，Xie Xialin，Xie Zhengliang，et al. Experimental study on the effect of intake oxygen concentration and injection timing on low temperature combustion in a diesel engine[J].，2016，37(2)：54-58(in Chinese).

［6］ Alriksson M，Denbratt I. Low temperature combustion in a heavy duty diesel engine using high levels of EGR[C]//. Detroit，MI，USA，2006-01-0075，2006.

［7］ Noehre C，Andersson M，Johansson B，et al. Characterization of partially premixed combustion[C]//. Detroit，MI，USA，2006-01-3412，2006.

［8］ 于文斌，裴毅强，苏万华. 柴油机部分均质预混燃烧模式下混合与化学控制参数对指示热效率的影响[J]. 内燃机学报，2012(3)：193-200.

Yu Wenbin，Pei Yiqiang，Su Wanhua. Effects of mixing and chemical parameters on thermal efficiency based on a partially premixed combustion diesel engine[J].，2012(3)：193-200(in Chinese).

［9］ 马帅营. 汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧技术应用基础研究[D]. 天津：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，2013.

Ma Shuaiying. Applied Background Research on Low Temperature Combustion Technology of Highly Premixed Charge Combustion Fueled with Gasoline/diesel Dual-fuel[D]. Tianjin：State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，2013(in Chinese).

［10］ 陈贵升，沈颖刚，郑尊清，等. 采用EGR的重型柴油机低速高负荷性能与排放特性[J]. 内燃机学报，2014(2)：97-103.

Chen Guisheng，Shen Yinggang，Zheng Zunqing，et al. Performance and emission characteristic of HD diesel using EGR under low-speed and high-load conditions[J].，2014(2)：97-103(in Chinese).

［11］ 冯 浩，郑尊清，毛 斌，等. 两级增压系统参数对泵气损失影响的热力学分析[J]. 内燃机工程，2016，37(5)：221-228.

Feng Hao，Zheng Zunqing，Mao Bin，et al. Thermodynamic analysis of effect of two-stage turbocharging system parameters on pumping losses[J].，2016，37(5)：221-228(in Chinese).

［12］ 付朋飞，尧命发，郑尊清，等. 复合EGR对增压柴油机性能和排放影响的试验研究[J]. 内燃机工程，2016，37(1)：8-14.

Fu Pengfei，Yao Mingfa，Zheng Zunqing，et al. Experimental study on the influence of compound EGR on performance and emission of turbocharged diesel engine[J].，2016，37(1)：8-14(in Chinese).

Premixed Low-temperature Combustion in Multi-cylinder Heavy-duty Diesel Engine

Li Linpeng，Mao Bin，Liu Haifeng，Zheng Zunqing，Yao Mingfa

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this study，we conducted experiments to investigate the effect of injection timing and the exhaust gas recirculation(EGR) ratio on premixed low-temperature combustion under partial load in anelectronically controlled common-rail diesel engineequipped with a two-stage turbocharger and compound EGR system. The results indicate that when a high ratioEGR was applied，both early and later injections were helpful in extending the ignition delay，obtaining low NOand soot emissions, and eliminating the soot-bump region. Compared to later injection, early injection achieved better combustion efficiency and brake-specific fuel consumption (BSFC). Early injection required ahigh EGR ratio to effectively control the combustion phase，but the capability of compound EGR introduction was limited. As the engine load varied from 0.3MPa to 0.5MPa，the brake-specific soot emission increased by an order of magnitude.Efficient and clean combustion was restricted by soot emission，and was also challenged by the pressure rise rate and oxygen-to-fuel equivalence ratio.The use of appropriate early injection timing under different loads can not only avoid combustion-control dependence on a high ratio EGR，but also obtain reasonable CA50 phase，better combustion efficiency and better oxygen-to-fuel equivalence ratio，which has potential to achieve ultra-low emission at partial load while maintaining high thermal efficiency.

multi-cylinder diesel engine；premixed low-temperature combustion；injection timing；exhaust gas recirculation

TK427

A

1006-8740(2019)01-0016-08

2018-09-09.

国家自然科学基金国际(地区)合作资助项目(51320105008)．

李临蓬（1995—  ），男，博士研究生，linpeng_li@tju.edu.cn.

尧命发，男，博士，研究员，y_mingfa@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809016