滑海寧，張全長(zhǎng)

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064)

前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，排氣后處理裝置已成為柴油車必不可少的裝備。但考慮到后處理器的轉(zhuǎn)換效率、耐久性和運(yùn)營(yíng)成本等因素，應(yīng)以機(jī)內(nèi)凈化為主，即通過改善燃燒降低排放。由于傳統(tǒng)燃燒存在著NOx和碳煙之間的矛盾關(guān)系，因此須采用新型的燃燒方式，其中，柴油機(jī)低溫燃燒(LTC)近年來在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的研究[1-5]。

柴油機(jī)低溫燃燒的特征可以概括為EGR與噴油策略控制的大比例預(yù)混合的低溫燃燒過程。通過大量的EGR，使燃油與空氣充分混合，同時(shí)降低缸內(nèi)燃燒溫度，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放，但也面臨CO和THC排放較高、熱效率較低等問題。

為了提高柴油機(jī)熱效率，必須將燃燒放熱時(shí)刻控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。而CA50(50%累積放熱量所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)是描述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的關(guān)鍵參數(shù)[6]。本文中通過改變?nèi)紵辔?，即在不同的EGR率下，使CA50分別保持在上止點(diǎn)、上止點(diǎn)后4°CA、7°CA和10°CA等不同時(shí)刻，研究燃燒相位對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒性能和排放的影響。

1 試驗(yàn)裝置和研究方法

研究在一臺(tái)六缸增壓、水冷柴油機(jī)上進(jìn)行。對(duì)第6缸進(jìn)行了改造，獨(dú)立出其進(jìn)、排氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)，其余5缸保持不變。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖，通過調(diào)節(jié)背壓閥開度可改變EGR率。噴油由一套電控系統(tǒng)控制，可靈活調(diào)節(jié)噴油量、噴油時(shí)刻和軌壓等參數(shù)。采用自行開發(fā)的缸壓采集與放熱率實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成缸內(nèi)壓力采集，CA50可實(shí)時(shí)顯示。氣體測(cè)量采用了Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度測(cè)量采用了AVL415煙度計(jì)。

試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為1 400r/min、進(jìn)氣壓力為0.15MPa、循環(huán)噴油量為50mg。通過調(diào)節(jié)噴油時(shí)刻，在不同EGR率下都保持CA50固定。從無EGR開始，調(diào)節(jié)背壓閥開度，直至發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，然后改變CA50相位，進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

2 理論分析

定容加熱理論循環(huán)可以表征瞬時(shí)加熱或點(diǎn)加熱的情況，而任何一個(gè)實(shí)際循環(huán)的燃燒放熱過程從微觀角度而言均可認(rèn)為是多個(gè)定容加熱循環(huán)的組合。因此，分析不同曲軸轉(zhuǎn)角下的定容加熱理論循環(huán)熱效率可以全面反映燃燒放熱率對(duì)循環(huán)熱效率的影響規(guī)律。圖2是在±φ1、±φ2(φ2>φ1)和上止點(diǎn)處(φ=0)進(jìn)行定容加熱時(shí)所對(duì)應(yīng)的T-S(溫-熵)圖，圖中每一循環(huán)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣終了狀態(tài)循環(huán)加熱量Q均相同。

在理論循環(huán)假設(shè)條件下，對(duì)于上止點(diǎn)前φ曲軸轉(zhuǎn)角開始加熱的循環(huán)，其缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)與上止點(diǎn)后φ曲軸轉(zhuǎn)角(壓縮到上止點(diǎn)后再膨脹至原來位置)狀態(tài)相同，因?yàn)槠涓變?nèi)容積相同。即T-S圖中定容加熱線完全重合，但由于此時(shí)缸內(nèi)溫度較低其曲線處于上止點(diǎn)進(jìn)行定容加熱的曲線下方，且隨φ的增加而逐步降低。根據(jù)理論循環(huán)熱效率定義，有

(1)

式中：ηt為熱效率；Wt為工質(zhì)所做循環(huán)功；Q1為損失的熱量；Q為燃料的熱量。

因此，在燃料完全燃燒放出熱量相同的情況下，由圖2可知，在上止點(diǎn)定容燃燒時(shí)，Q1等于圖2中的Q2；在偏離上止點(diǎn)±φ1時(shí)，Q1等于圖2中Q2和Q3之和；而在偏離上止點(diǎn)±φ2時(shí)，Q1等于圖2中Q2、Q3和Q4之和。因此，定容燃燒偏離上止點(diǎn)越多，熱損失就越大，熱效率就越低。其實(shí)，從如下定容加熱循環(huán)熱效率公式也可反映出如上關(guān)系：

(2)

(3)

式中：εc為壓縮比；k為等熵指數(shù)；cv為定容比熱容；cp為定壓比熱容；Rg為氣體常數(shù)。

式(2)和式(3)表明，壓縮比相同時(shí)，熱效率只和cv有關(guān)，而cv是溫度和缸內(nèi)工質(zhì)的函數(shù)。因而在上止點(diǎn)定容燃燒時(shí)，壓縮溫度較高，熱效率較高。所以，偏離上止點(diǎn)加熱實(shí)際上是降低了等熵指數(shù)，偏離上止點(diǎn)越多，等熵指數(shù)越小。對(duì)于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，由于放熱不可能在上止點(diǎn)時(shí)刻瞬間完成，上止點(diǎn)也不一定是溫度最高的時(shí)刻，再考慮到傳熱和熱離解等不可逆損失，實(shí)際的最高熱效率所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻往往在上止點(diǎn)后附近的區(qū)域[7]。

3 CA50對(duì)柴油機(jī)燃燒特性影響

圖3是在不同CA50時(shí)，最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力、噴油時(shí)刻和最大壓升率隨EGR率的變化關(guān)系。由圖3(a)可見：隨CA50的提前，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力大幅升高；在相同的CA50下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力隨EGR率變化不大；隨EGR率的增加，CA50在上止點(diǎn)時(shí)，在較大EGR率下最大爆發(fā)壓力會(huì)升高；而CA50在上止點(diǎn)后10°CA時(shí)，最大爆發(fā)壓力會(huì)有所降低。

由圖3(b)可見：噴油時(shí)刻推遲時(shí)，燃燒相位后移；但不同CA50下噴油時(shí)刻的差別基本上不隨EGR率的增加而變化；僅當(dāng)EGR率增加到約55%以后，差別略有增大；CA50在上止點(diǎn)時(shí)，最大EGR率可達(dá)到60%左右，即當(dāng)EGR率再增大時(shí)，無論何時(shí)噴油，都不能使CA50保持在上止點(diǎn)，而是會(huì)使其后移，這是因?yàn)樵谳^大EGR率時(shí)，滯燃期較長(zhǎng)。

由圖3(c)可見：CA50提前時(shí)，最大壓升率升高；但EGR率低于30%之前，不同CA50下最大升壓率的差別不大，且隨著EGR率的增加，最大升壓率僅略有升高；EGR率超過30%之后，差別逐漸擴(kuò)大；CA50在上止點(diǎn)時(shí)，隨著EGR率變大，最大壓升率基本上呈變大的趨勢(shì)，最大時(shí)達(dá)到了1.8MPa/°CA；而CA50在上止點(diǎn)后10°CA時(shí)，隨EGR率變大，最大壓升率基本上呈減小的趨勢(shì)，即最大壓升率由EGR率和燃燒相位共同決定；CA50在上止點(diǎn)后4°CA和7°CA時(shí)的最大升壓曲線，基本上介于上止點(diǎn)和止止點(diǎn)后10°CA曲線之間。

圖4(a)和圖4(b)分別是不同CA50時(shí)指示燃油消耗率bi和指示熱效率ηi隨著EGR率的變化關(guān)系。由圖可見：在EGR率低于50%之前，EGR率對(duì)bi和ηi的影響不大；EGR率高于50%之后，隨著EGR率的上升，bi逐漸升高，ηi逐漸降低；CA50在上止點(diǎn)和上止點(diǎn)后4°CA時(shí)，bi和ηi差別較小。

從圖4可看出，CA50位置基本上和理論分析的結(jié)果一樣，即越偏離上止點(diǎn)，ηi越低，bi越高，不過CA50在上止點(diǎn)和上止點(diǎn)后4°CA時(shí)差別較小。

圖5(a)是根據(jù)實(shí)測(cè)缸壓計(jì)算的累積傳熱量，計(jì)算區(qū)間為從進(jìn)氣門關(guān)閉至排氣門打開。從圖中可看出，CA50在上止點(diǎn)時(shí)，傳熱量較大，累積傳熱量接近250J，占燃料總熱值的12%。圖5(b)為瞬時(shí)放熱率，從圖中可看出，燃燒放熱率及其峰值差別并不大，只是燃燒相位不同。圖5(c)是EGR率為36%時(shí)不同燃燒相位時(shí)缸內(nèi)平均溫度變化歷程，圖5(c)表明，雖然燃燒相位不同，但最高缸內(nèi)平均溫度相差較小，溫度變化歷程相似，只是燃燒相位靠后時(shí)，燃燒后期缸內(nèi)平均溫度較高。

因此，燃燒相位對(duì)燃燒特性的影響主要有以下兩點(diǎn)：一是CA50越靠近上止點(diǎn)時(shí)，指示熱效率較高，燃油消耗率也較低，即有良好的經(jīng)濟(jì)性；二是CA50越靠近上止點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作就越粗暴，表現(xiàn)在最大壓升率較高，同時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力也較高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷提出了更高的要求。

4 CA50對(duì)柴油機(jī)排放特性影響

圖6是在不同CA50時(shí)刻，NOx、soot、CO和THC排放隨EGR率的變化關(guān)系。由圖6(a)可見：隨CA50的前移，在相同EGR率時(shí)NOx排放逐漸升高；當(dāng)EGR率超過50%時(shí)，NOx排放已很低，燃燒相位的變化對(duì)其影響較??；燃燒相位的改變實(shí)際上是噴油時(shí)刻的變化，圖中小圖是EGR率為36%時(shí)的缸內(nèi)平均溫度，雖然平均溫度不是影響NOx排放的直接原因，但可以反映缸內(nèi)溫度變化歷程，因?yàn)楦邷?、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間是影響NOx排放的三大要素，在相同EGR率下，氧濃度差別較小，但從平均溫度對(duì)比可知道，最高平均溫度差別也不大，但CA50較早時(shí)，高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這是CA50提前時(shí)NOx排放較高的主要原因。

由圖6(b)可見：CA50在上止點(diǎn)時(shí)，碳煙沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谳^大EGR率時(shí)，CA50不能保持在上止點(diǎn)時(shí)刻；EGR率在50%以前，碳煙排放都非常低；EGR率繼續(xù)增加時(shí)，碳煙排放上升，且燃燒相位越靠后，碳煙排放越大；CA50越偏離上止點(diǎn)，Soot-Bump(碳煙排放開始急劇升高)區(qū)中碳煙峰值就越大，CA50在上止點(diǎn)、上止點(diǎn)后4°CA、7°CA和10°CA時(shí)，碳煙迅速上升所對(duì)應(yīng)的過量空氣系數(shù)數(shù)分別是1.19、1.29、1.37和1.43，也就是燃燒相位越靠前，可以允容的EGR率越大。

從圖6(c)和圖6(d)可以看出，CA50對(duì)CO和THC排放影響的趨勢(shì)基本相反，在相同EGR率下，CA50提前時(shí)，CO排放降低，而THC排放升高。因?yàn)镃O是燃燒的中間產(chǎn)物，其氧化與缸內(nèi)溫度直接相關(guān)，燃燒相位靠前時(shí)，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有利于CO的氧化。

燃燒相位的變化也是噴油時(shí)刻的變化，而對(duì)THC來說，存在一個(gè)最佳噴油提前角，過早或過晚都會(huì)造成THC排放升高。CA50較靠前時(shí)，噴油提前角較大，噴油時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度都較低，燃燒前混合氣形成較多的過稀區(qū)。因此，隨著CA50后移，THC排放降低，而后移到一定程度，如CA50在上止點(diǎn)后7°CA和10°CA時(shí)，THC排放已差別不大。

文獻(xiàn)[8]中把整個(gè)EGR區(qū)間分為高NOx區(qū)、中等EGR率區(qū)、高碳煙區(qū)和大EGR率區(qū)，其研究表明，大EGR率區(qū)雖然NOx和碳煙排放較低，但CO和THC排放較高，導(dǎo)致燃燒效率降低，因而中等EGR率是滿足未來排放法規(guī)較好的選擇。CA50在上止點(diǎn)后4°CA時(shí)，兼顧了壓升率、熱效率和排放特性，在本研究工況下，是最佳的CA50位置。其中等EGR率區(qū)間對(duì)應(yīng)的EGR率為40%～56%，對(duì)應(yīng)的噴油時(shí)刻為8.3°～13.8°CA ATDC。即為了滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，可以采取小EGR率加晚噴的方式，此時(shí)NOx排放較高但最大壓升率較??；也可采取大EGR率加早噴的方式，此時(shí)壓升率較高但NOx排放較低。因此，噴油策略應(yīng)取決于爆發(fā)壓力限制和對(duì)原始排放的要求，EGR和噴油策略共同決定CA50的位置。

5 結(jié)論

(1) CA50靠近上止點(diǎn)時(shí)，指示熱效率較高，燃油消耗率也較低，即有良好的經(jīng)濟(jì)性；但缸內(nèi)爆發(fā)壓力、最大壓力升高率也最高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。

(2) 隨CA50的推遲，熱效率降低，碳煙和CO排放增高；THC和NOx排放降低。為兼顧性能和排放，在本研究工況下，最佳的CA50位置為上止點(diǎn)后4°CA。

(3) 噴油策略取決于爆發(fā)壓力的限制和對(duì)原始排放的要求，EGR和噴油策略共同決定CA50的相位。

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