后喷策略下多次主喷对重型柴油发动机性能的影响*

昂飞 鹿盈盈 范超

（南京工业大学，南京 211816）

主题词：重型柴油发动机 后喷 多次主喷 排放

1 前言

国内外学者对运用后喷技术降低柴油发动机污染物排放量进行了大量的研究。Kitamura等利用耦合详细化学动力学机理绘制当量比与温度的分布图，以寻找避开NO和碳烟生成区域的方法。为了解决柴油发动机在高负荷下的碳烟生成问题，Farhan 等研究了重型柴油发动机的燃烧和排放特性，认为后喷射策略可以减少柴油机的污染物排放量。Arrègle 等认为，主后喷间隔过大时，由于缸内温度较低，后喷燃油无法完全氧化，产生碳烟，主后喷间隔小时，燃烧相位接近上止点，NO生成较多。Tow 等通过试验研究发现，主后喷模式可明显降低碳烟排放量。Ojeda等研究发现，主后喷间隔较短时碳烟排放量降低不明显，只有当主后喷间隔大于30°CA时碳烟排放量降低效果明显。Payri等发现，部分负荷下后喷比例在15%～20%范围内时，碳烟排放量降低效果最明显。Mohan 等发现，中等负荷工况下主后喷间隔40°CA、后喷比例为14.5%时可得到最低碳烟排放量。Garcia等发现过量的后喷燃油比例会促使较多的燃油喷雾之间相互作用而导致燃烧发展的恶化。王攀等研究发现，后喷的加入可以显著降低NO排放量，最大降幅为26.7%。运用后喷技术改善燃烧排放问题主要有2种途径：促进燃烧室中燃油与空气的混合形成良好均质混合气；分次喷射柴油降低缸内燃烧温度抑制NO生成，同时也不会产生大量碳烟。

柴油发动机在低速高负荷工况下，由于喷油量多、喷油持续时间缩短和着火滞燃期短暂，喷油终点出现在燃烧始点之后，NO排放情况恶化，着火前形成的预混合气量较少，扩散燃烧占据主导地位，对最终排放量起决定性作用。本文在前人优化主喷和后喷工作的基础上，在论证模型可靠后，将主喷末端部分油量作为后喷，依据热效率和排放物折中效果，优化2次喷射主后喷比例、间隔和定时，然后将主喷分为多个脉冲，优化各主喷脉冲比例、间隔和定时，以期优化各脉冲的混合时间和混合空间，分段喷油来增加混合气量，形成适当的混合气当量比，降低NO排放量，并减少燃烧室壁面处的燃油和碳烟浓区，进一步降低各污染物排放量和提高燃烧效率。

2 试验装置和数值仿真模型

2.1 试验系统

表1所示为某品牌WP10H型六缸重型柴油发动机主要技术参数。该系统以原机第1缸作为试验缸，其他缸对第1缸起拖动作用。改造后的单缸试验系统布置如图1所示。

图1 单缸试验系统示意

表1 重型柴油机主要技术参数

该试验系统由单独的电控高压共轨燃油供给系统、外源模拟增压进气系统、可变气门正时（Variable Valve Timing，VVT）系统、废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系统、数据采集监控系统、多功能燃烧参数采集分析系统以及尾气排放测试系统等组成。喷油控制采用原机电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）的控制策略，并对非试验缸进气温度、进气压力、排气压力、水温、机油温度等进行简单的数据采集监控。

2.2 数值仿真模拟及合理性验证

由于所用ω型燃烧室完全居中，所选用柴油发动机采用8 孔喷油器，系统的几何形状是对称的，为减少计算耗时，取燃烧室的1/8，即45°扇形区域为计算域，图2所示为上止点时刻燃烧室的计算网格。数值模拟中湍流模型选用k-zeta-f模型，燃烧模型选用ECFM-3Z模型，NO排放模型选择Extended Zeldovich 模型，碳烟模型选择Kinetic 模型，由于采用进气门晚关技术，计算始点为-90°CA ATDC（进气门关闭时刻），计算终点为126°CA ATDC（排气门开启时刻），此时缸内温度和压力随曲轴转角变化小且缸内产生排放物的量趋于稳定。缸内初始温度为380 K，主喷喷油定时为3°CA ATDC，总喷油量为150 mg，转速为1 296 r/min。

图2 上止点计算网格

图3 所示为在20%EGR 率下的基准工况缸内压力和放热率仿真与测量对比结果。由图3可知：仿真缸压曲线和瞬时放热率与试验数据基本吻合，这表明压力对污染物排放量评估的影响较小；仿真与试验结果着火时刻和燃烧持续期基本吻合，证明了数值模拟模型的准确性。

图3 模拟与试验对比

2.3 主后喷间隔角的影响

试验测得单次喷射（无后喷）产生的NO和碳烟排放量分别为5.052 g/(kW·h)和0.003 7 g/(kW·h)。仿真测得NO和碳烟排放量随后喷定时的波动趋势与试验测得的趋势一致。将主后喷的比例固定，后喷定时从30°CA ATDC 依次间隔5°CA 逐渐增加到50°CA ATDC。由于后喷导致在燃烧后期缸压、温度和放热率再次升高，随着后喷时刻的逐渐推后，后喷燃油燃烧放热推迟。

图4 所示为20%EGR 率条件下后喷油量比例分别为10%、15%和20%时NO和碳烟的排放率受后喷定时的影响规律。后喷使得缸内的温度和压力再次提升，但缸内的平均温度峰值比单次喷射平均温度峰值低，伴随着间隔角度增大，温度再次升高的时刻也推迟，可以看出单次喷射加后喷策略产生的NO排放量比单次喷射低。活塞下行，气缸容积增大，缸内的温度大幅降低，抑制了NO的生成，NO排放量降低，但NO随主后喷定时的推迟波动变化不大。当主后喷间隔较小时，短时间内喷射的燃油较多，燃油与空气混合不均匀且局部温度高、氧气不充分导致了碳烟排放量增加，后喷的燃油增大了缸内的湍流强度，有利于促进缸内中间产物的二次氧化，随着后喷定时的不断推后，后喷的时刻过于靠后，活塞下行过多，燃烧区温度低，抑制了碳烟的后氧化过程，使得碳烟排放量再次升高。3种不同的后喷比例均存在最佳的后喷定时（45°CA ATDC）使得NO和碳烟排放量最低。

图4 20%EGR率条件下后喷定时对污染物排放量的影响

2.4 后喷比例的影响

通过对各后喷定时的分析可得，45°CA ATDC的后喷定时对降低污染物排放量效果最为显著，因此在固定后喷定时的基础上探究不同后喷比例对NO和碳烟排放量的影响。固定后喷定时为45°CA ATDC，后喷油量从占总喷油量的10%逐渐增加到20%，主喷燃油量减小，会导致温度和放热率的峰值逐渐降低，致使有后喷时所产生的NO排放量比无后喷时产生的NO排放量低，且后喷油量的增加也会导致燃烧后期的缸压、温度逐渐升高。

图5所示为20%EGR率条件下后喷比例对NO和碳烟排放量的影响规律。与单次喷射比，后喷比例对NO排放量的影响不明显。后喷比例为15%时碳烟排放量最低，增加后喷比例，排放碳烟量再次升高，这是因为后喷油量的增加会提高缸内的湍流强度，加速了燃烧产物与空气的混合，促进了主喷燃烧末期的未燃碳氢的氧化，同时后喷燃油使得缸内温度再次升高，两者共同降低了碳烟排放量。但随着后喷油量的增多，后喷燃油与主喷燃烧剩余的空气混合不均匀，致使碳烟的排放量又显著提高，因此针对污染物排放量，存在最佳后喷比例。

图5 后喷油量对污染物排放量的影响

3 主喷射策略方案

由以上研究结果可得，后喷定时45°CA ATDC和后喷比例15%的条件下NO和碳烟排放量较低。保持循环喷油量为150 mg、EGR 率为20%不变，原机喷油定时为3°CA ATDC，研究在固定后喷定时和后喷比例条件下，主喷参数改变对排放和热效率的影响，将单次主喷分为不同间隔的多次主喷，并使多次主喷最后一个脉冲结束时刻在后喷开始之前，如图6所示。“2次主喷-5”意义为第1 次主喷喷油定时为3° CA ATDC，采用2 次主喷，多次主喷脉冲间隔角度为5°CA。多次主喷间隔均为等曲轴转角，质量比例均等。

图6 喷射策略示意

4 结果与讨论

4.1 多次主喷对指示热效率和排放的影响

固定后喷比例与定时，按等质量比例和等时间间隔将主喷分为多次喷射，多种主喷射策略进行仿真计算。图7所示为3次主喷条件下不同主喷间隔对缸内燃烧影响的对比，多次主喷相对于单次主喷，燃油未在短时间内全部喷射，有助于充分利用整个气缸内的新鲜空气，喷油定时不同，每次喷射燃油蒸气分布的量也不同，改善了温度在短时间内剧烈升高的情况，多次主喷使得缸内温度多次升高，但每次的峰值均较单次主喷峰值低，同时后期后燃造成缸内平均温度高于单次主喷后期缸内温度。

图7 多脉冲主喷射对燃烧的影响

图8 所示为多次主喷对2 种污染物排放量的影响，NO生成量的主要影响因素是高温、富氧和高温持续时间。单次喷射时喷油时刻的压力和温度都超高，喷油持续期长，着火滞燃期极短，NO排放量会急剧增大。在大负荷下，较长的喷油持续期和较多的喷油量使得单次喷油模式混合时间缩短，缸内产生浓混合气。相比之下，多次喷油模式优势非常明显，多个喷油脉冲可以保证各脉冲油量有足够的混合时间，以此改善单次喷射造成的各种弊端。由图8a、图8b和图8c可知，多次主喷策略相对于单次喷射，降低了缸内最高峰值温度，使得NO排放量大幅改善，随着多次主喷间隔增加，NO排放量呈现先降低再提高的趋势，影响NO再度升高的原因是随着间隔角度增大，最后一次主喷不断向后推迟，与原先固定的后喷间隔较小，在短时间内，最后一次主喷与后喷的燃油共同燃烧促使缸内的局部位置瞬时温度骤然升高，整体的NO排放量增加不明显（图7）。喷油的起始点在上止点后，多个脉冲喷油可以增加缸内气流的扰动，使混合气尽量均匀。峰值温度低和高温持续期的缩短抑制了NO生成。

图8 多次主喷策略对污染物排放量的影响

但随着多次主喷的间隔角度逐渐增大，活塞逐渐下行，燃油的输出过于靠后，造成燃油燃烧不完全现象，产生了较多的碳烟。表2所示为2次主喷不同间隔角度对指示热效率的影响，多次主喷间隔过大，促使更多柴油在活塞下行较远后才喷出，此时缸内的压力和温度降低，缸内整体温度低，后喷量大导致后喷燃油与空气混合变差，抑制了未燃碳氢的后期氧化，碳烟排放量升高，过大的间隔角度促使热效率降低。多次主喷均对应着一个最优的主喷间隔，图8d 中散点表明了主喷次数与主喷间隔角度对排放的影响，根据排放和热效率折中效果，各策略存在着一个最优的主喷间隔角度，在主喷次数为2次和3次时，10°CA为较好的主喷间隔角度。

表2 2次主喷不同间隔角度的指示热效率

4.2 多次主喷策略对污染物排放的影响分析

对比单次主喷、2次主喷和3次主喷，随着主喷次数的增加，2 次主喷-10 与单次主喷相比，NO排放量降低0.77 g/(kW·h)，由于单次主喷喷油持续期短，使得缸内温度骤然升高（见图9）导致了NO的生成。当主喷被拆分为多次，活塞下行，每次脉冲喷到气缸的不同位置，且喷入时的气缸容积比单次主喷时的大，平均温度降低，但充分利用了整个气缸内的空气，有利于卷吸到新鲜空气、增强燃空混合速率，又避免了持续喷入的燃油进入高温缺氧的区域，多个脉冲喷油使得燃烧区域的温度适当。从图9可以看出，在55CA ATDC之前，单次主喷缸内平均温度较多次主喷高，温度低和缸内空气的充分利用的综合作用抑制了NO生成。随着主喷次数的增多，前期缸内温度越来越低，但最后一次主喷结束定时过度靠后，与后喷定时间隔小，短时间内喷射出较多燃油燃烧使得后期的缸内温度升高。

图9 缸内温度对比

随着主喷间隔增加，碳烟排放量整体呈现增加的趋势，但过大的主喷间隔使得碳烟排放量急剧增加，且热效率开始显著下降（见表2）。4次主喷-5、3次主喷-10和2次主喷-10相比较，由图6可以看出，4次主喷-5主喷结束定时先于3 次主喷-10 主喷结束定时，随着完成主喷时刻的延后，碳烟的排放量逐渐增加。将主喷射进一步分成几个脉冲，以降低火焰温度，允许空气和燃料充分混合，限制扩散燃烧的影响，导致发动机的效率降低，3次主喷虽然可以得到较低的NO排放量，但相对于单次主喷和2次主喷，碳烟的排放量较高。碳烟的生成条件是高温缺氧，前一次的主喷产生的局部高温是后一次喷射燃油的点火源，后一次喷射的柴油被喷射到了前一次燃烧余留下的高温区域，且氧气量不足，导致碳烟排放量急剧增加。过度考虑污染物排放会导致热效率的降低。表3所示为不同主喷次数的指示热效率，多次主喷的热效率相对于单次主喷低，燃油喷射结束定时越靠后，热效率越低。

表3 不同主喷次数的指示热效率 %

图10 所示为缸内温度变化云图和NO 生成稳定时的分布云图。从图10 可以看出，喷射总质量相同的柴油，多次主喷可以很好地降低缸内峰值温度，2 次主喷-10和3次主喷-10燃油燃烧产生的温度低均较单次主喷低，因而降低了NO的生成量。

图10 缸内温度和NO的分布对比

图11 所示为缸内湍动能变化和碳烟生成氧化曲线。由图11a 可知，多次主喷虽然可以改善NO排放问题，但过多次数的主喷导致碳烟排放量增加。从图11b中可以看出，主喷被分成多个脉冲，一方面可以使缸内的湍流强度增强，另一方面，过多的主喷次数导致燃油喷射过于靠后，对燃油的氧化过程不利，导致碳烟后氧化不充分，碳烟的净生成量增加。多次主喷时应考虑到燃油与空气混合程度和燃烧区域的温度。为折衷考虑排放和效率，合理的主喷定时才能保证碳烟排放量达标，同时也可以降低NO排放量，如4次主喷-5。

图11 湍动能和碳烟对比

5 结束语

本文通过试验和数值模拟研究了在大负荷低转速下后喷和多次主喷对柴油发动机缸内燃烧过程和排放的影响，得出以下结论：

a.单次主喷加后喷模式可以得到较低的NO和碳烟排放量，较单次喷射无EGR的NO和碳烟排放量降低显著，较单次喷射+20%EGR方案的NO排放略有降低，碳烟排放量降低显著。

b.多次主喷加后喷策略在保证指示热效率没有过度恶化前提下可显著降低NO排放量，NO排放量随主喷次数和主喷间隔增加，缸内温度的降低呈下降趋势。随着各主喷脉冲间隔增大和主喷次数的增多，着火条件不良，燃料与空气混合不佳，碳烟的生成量增加，指示热效率随脉冲次数和间隔角度的增加而略有下降。

c.过大的主喷间隔会使最后一次主喷脉冲和后喷相互干扰，导致燃烧过程极度恶化，抑制碳烟的后氧化过程，碳烟排放量急剧增加。