賈和坤，尹必峰，何建光，徐 毅

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.常柴股份有限公司，常州 213001)

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2015192

輕型柴油機預混合低溫燃燒和排放性能的試驗研究*

賈和坤1，尹必峰1，何建光2，徐 毅2

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.常柴股份有限公司，常州 213001)

本文中對比分析了某四缸輕型車用柴油機噴射正時、廢氣再循環(huán)(EGR)率和噴射壓力對燃燒過程和污染物排放的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采用適時早噴或者晚噴策略均能延長滯燃期而改善可燃混合氣的均勻性，以實現(xiàn)部分預混合燃燒，抑制碳煙排放。適時早噴策略相對晚噴策略更有利于降低碳煙排放，但將受到NOx排放惡化的限制。引入EGR后，適時早噴不但可降低缸內(nèi)燃燒溫度抑制NOx排放，還可有效解決因早噴帶來的燃燒相位過早的問題，從而提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟性，在高EGR率區(qū)域可兼顧有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放。而晚噴條件下，引入EGR后會進一步加重后燃現(xiàn)象，使有效燃油消耗率和碳煙排放有所惡化。隨著噴射壓力的提高，適時早噴時，燃燒放熱過程變緩，瞬時放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度降低，從而可同時降低NOx和碳煙排放，而晚噴則相反，NOx排放隨著噴射壓力的提高而有所上升。而不論適時早噴還是晚噴，有效燃油消耗率受噴射壓力的影響很小。

柴油機；預混合低溫燃燒；噴射策略；廢氣再循環(huán)

前言

隨著全球石油資源的日益匱乏與環(huán)境污染的日趨嚴重，“節(jié)能與環(huán)?！币殉蔀楫斀裆鐣l(fā)展的主題，柴油機的排放控制法規(guī)愈來愈嚴，正日益向US10、歐Ⅴ及以上超低排放法規(guī)過渡。為實現(xiàn)柴油機高效清潔燃燒，滿足節(jié)能減排的需求，國內(nèi)外學者基于新一代柴油機清潔燃燒理論和技術(shù)開展了一系列的創(chuàng)新性研究工作[1-3]。新一代內(nèi)燃機燃燒方式的基本特征是均質(zhì)壓燃和低溫火焰燃燒，根據(jù)這一理論涌現(xiàn)出了一系列的燃燒概念和燃燒系統(tǒng)，其中以預混合低溫燃燒最具代表性。其核心思想是通過燃燒邊界條件的設(shè)置，控制可燃混合氣均勻程度、氧濃度、燃料濃度和溫度等與燃料化學動力學過程相關(guān)的物理和化學參數(shù)，從而使燃燒過程規(guī)避傳統(tǒng)柴油機“理論當量比下的擴散燃燒”，同時降低NOx和PM的排放[4-6]。

圍繞如何在著火之前有限的混合時間內(nèi)形成相對均勻的混合氣以實現(xiàn)高效清潔燃燒，國內(nèi)外學者開展了一系列有益的研究與探索。研究表明通過采用電控高壓共軌燃油系統(tǒng)對噴射規(guī)律、噴射時刻進行靈活而精確的控制能有效地促進燃料的蒸發(fā)與混合。一方面可以采用早噴射策略，通過在壓縮行程中晚期將燃油噴射入氣缸獲取足夠長的滯燃期以促進油氣混合，但此時燃油噴射時刻缸內(nèi)較低的溫度和壓力不利于燃油的蒸發(fā)和霧化，往往會帶來燃油著壁的問題[7-9]。另一方面如調(diào)制動力學(modulated kinetics, MK)燃燒系統(tǒng)，在采用超高渦流比提高油氣混合強度的條件下，將燃油噴射正時推遲到上止點乃至膨脹行程初期獲得較長的滯燃期。然而晚噴策略所導致的后燃和燃油經(jīng)濟性惡化問題也是不容忽視的[10-12]。與此同時，隨著技術(shù)的逐漸成熟，廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)已成為柴油機滿足嚴格排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)，同時，也是實現(xiàn)柴油機新型高效清潔燃燒模式的核心手段。無論是采用燃油晚噴策略實現(xiàn)的“MK”燃燒模式，還是采用早噴策略的“Smokeless”燃燒系統(tǒng)，均通過引入EGR來降低缸內(nèi)燃燒溫度，并實現(xiàn)低溫燃燒過程的有效控制[13-15]。

現(xiàn)有的研究在均勻混合氣的制備和低溫燃燒過程的控制方面已取得了一定的成果，然而預混合低溫燃燒模式相關(guān)有利結(jié)論多是在柴油機中小負荷工況下獲得的，且研究工作多偏重于中大缸徑(>100mm)的多缸柴油機[16-19]。對于缸徑小于100mm的輕型車用柴油機而言，一方面，輕型車排放測試循環(huán)(new European driving cycle，NEDC)中發(fā)動機運行工況主要集中在中低轉(zhuǎn)速，中小負荷率工況區(qū)域[20]，能夠?qū)崿F(xiàn)高效清潔燃燒的新型燃燒模式在輕型車用柴油機上有著更為廣闊的應用前景。另一方面，燃燒室空間狹小，燃油噴射策略的選擇與油氣大尺度的混合受到空間限制，如何在有限的混合時間和混合空間內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)混合氣的制備以實現(xiàn)高效清潔燃燒有待進行深入的研究。因此，本文中以某兩氣門輕型車用柴油機為樣機，通過分析噴射正時、進氣氧濃度和噴射壓力對柴油燃燒過程和污染物排放的影響，探索實現(xiàn)輕型車用柴油機預混合低溫燃燒的有效途徑，為優(yōu)化其燃燒過程和減少污染物排放提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗樣機與裝置

試驗樣機為某高壓共軌輕型車用柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

柴油機臺架試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗中所用主要測量儀器有：杭州中成CWF110電渦流測功機、MCS-960油耗儀、日本HORIBA公司MEXA-7200D氣體分析儀、奧地利AVL公司AVL-415煙度計、瑞士Kistler公司6125B01缸內(nèi)壓力傳感器和奧地利德維創(chuàng)公司DEWE800燃燒分析儀。EGR率被定義為廢氣量與吸入氣缸的進氣總量之比，目前國內(nèi)外普遍通過測量進、排氣中的CO2的體積分數(shù)來計算EGR率[21]：

(1)

式中：CO2%(in)和CO2%(out)分別為進、排氣中CO2的體積分數(shù)。

1.2 試驗與分析方法

在NEDC中，中、低速工況的排放所占權(quán)重較大，研究過程中選擇的試驗工況為1 450r/min和25%負荷。首先通過分析噴射正時對燃燒過程和排放的影響，探索輕型車用柴油機預混合低溫燃燒模式的基本噴射策略；然后分別對比分析適時早噴和晚噴條件下對進氣氧濃度、噴射壓力的影響；最終得出基于不同噴射策略實現(xiàn)輕型車柴油機預混合低溫燃燒的有效途徑。試驗過程中燃油噴射參數(shù)的在線調(diào)節(jié)和測試由在線標定軟件INCA 6.2完成。

結(jié)果分析過程中，根據(jù)缸內(nèi)壓力、進氣流量、溫度和壓力等參數(shù)，進行燃燒放熱規(guī)律和缸內(nèi)平均溫度的計算，并結(jié)合燃燒特征參數(shù)進行對比分析。噴油始點φsoi由INCA軟件讀??；噴油持續(xù)期θ根據(jù)噴油器特性和循環(huán)噴油量計算獲得；CA5和CA50分別表示缸內(nèi)燃燒累計放熱量達總放熱量5%和50%時對應的曲軸轉(zhuǎn)角，并以CA5作為燃燒始點，以CA50來表征燃燒放熱高溫相位。試驗中直接對氣態(tài)排放物取樣，使用體積濃度單位，按照國家標準GB 17691—2005把氣態(tài)排放物體積濃度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量。碳煙則使用AVL415煙度計測量煙度，根據(jù)煙度FSN值計算排放中Soot的質(zhì)量流量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 噴射正時的影響

對于小缸徑輕型車用柴油機而言，其燃燒室空間狹小，過早的燃油噴射會帶來燃油著壁問題；且輕型車用柴油機循環(huán)供油量較少，通過適時早噴即能在可燃混合氣著火之前完成燃油的噴射過程，以達到延長燃油霧化混合時間的目的，同時較小的循環(huán)供油量也難以實施多次脈沖噴射。因此，為避免采用過早的燃油噴射策略帶來燃油著壁而導致的碳煙排放惡化，研究過程中采用單次噴射策略，參數(shù)不變的條件下(其中EGR閥關(guān)閉)，將噴射正時從上止點每隔5°CA向前調(diào)整直至-35°CA(曲軸轉(zhuǎn)角為負數(shù)時表示上止點前，為正數(shù)時表示上止點后)。不同噴射正時條件下缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率曲線見圖2。

由圖可見：噴射正時晚于-10°CA時燃燒發(fā)生在上止點之后，且缸內(nèi)壓力曲線呈現(xiàn)出雙峰的形式；隨著噴射正時的不斷提前，缸內(nèi)壓力上升始點不斷提前，缸內(nèi)壓力曲線開始由雙峰的形式變?yōu)閱畏宓耐瑫r壓力峰值不斷上升；對于瞬時放熱率曲線而言，放熱始點隨著噴射正時的提前不斷提前，其峰值則呈現(xiàn)出了先下降后上升的趨勢，最終基本保持不變，且當噴射正時達到-25°CA時，出現(xiàn)了較明顯的低溫放熱階段。圖3為噴射正時對滯燃期的影響規(guī)律曲線。由圖可見，隨著噴射正時從0°CA不斷提前滯燃期呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，噴射正時為-15°CA左右時最短。圖2中噴射正時為-20，-15和-10°CA對應的瞬時放熱率曲線呈現(xiàn)出傳統(tǒng)的擴散燃燒特性。而在其他噴射正時條件下，隨著滯燃期的延長，更多的均質(zhì)預混合氣的形成使放熱率呈現(xiàn)出典型的預混合燃燒形態(tài)，且瞬時放熱率峰值也有所上升。

圖4為燃燒放熱高溫相位CA50和有效燃油消耗率BSFC隨噴射正時的變化曲線。由圖可見：CA50隨著噴油正時的不斷提前而提前；噴油正時在-10°CA時，高溫相位最接近上止點。根據(jù)柴油機熱力學循環(huán)理論分析可知，提高工質(zhì)高溫端的平均溫度有利于提高熱效率，在上止點定容燃燒時，壓縮溫度較高，熱效率較高。偏離上止點加熱實際上是降低了等熵指數(shù)，偏離上止點越多，等熵指數(shù)越小，可見燃燒放熱高溫相位越接近上止點，膨脹比越大，熱效率也越高。有效燃油消耗率的變化曲線正與理論分析的結(jié)論一致，隨著噴射正時調(diào)整，燃燒高溫相偏離上止點時有效燃油消耗率都有所上升。

圖5給出了不同噴射正時條件下NOx和碳煙排放的變化曲線。由圖可見：隨著噴射正時的提前，NOx呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢，而碳煙排放則出現(xiàn)了先上升再下降，最后又有所上升的變化規(guī)律；其中噴射正時為-10°CA和-30°CA時分別出現(xiàn)碳煙排放的峰值和谷值。由于滯燃期的延長能有效改善柴油機可燃混合氣的均勻性， 對照圖3，可明顯看出，碳煙排放與滯燃期隨著噴射正時的調(diào)整呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。結(jié)合圖3中滯燃期的變化曲線分析，以-10°CA為基準，提前或者推遲噴油滯燃期均有所延長，碳煙排放相應的有所降低。然而當噴射正時過早，燃油噴射時刻缸內(nèi)的溫度和壓力較低，燃油蒸發(fā)和霧化效果也會降低，這正是當噴射正時達到-35°CA時，碳煙排放又開始上升的原因。同時可以看出，適時早噴策略相比于晚噴策略在降低碳煙排放方面有著更大的優(yōu)勢，這是因為適時早噴策略下燃燒放熱過程提前，燃燒生成的碳煙在燃燒過程后期仍有較長的時間處于高溫狀態(tài)而被氧化；而采用晚噴策略時，燃燒過程發(fā)生在膨脹行程，燃燒過程后期溫度急速下降，生成的碳煙難以得到充分的氧化。

上述結(jié)果表明，采用適時早噴或者晚噴策略均能通過延長滯燃期改善油氣混合均勻性，以抑制碳煙排放。相比而言，早噴策略相對于晚噴策略在降低碳煙排放方面有著更大的優(yōu)勢，但是適時早噴策略受到NOx排放惡化的限制。因此，有待通過對比分析不同噴射策略下EGR率和噴射壓力對燃燒過程和排放性能的影響，進一步優(yōu)化燃燒過程。

2.2 EGR率的影響

為對比分析不同噴射策略下EGR對燃燒過程和發(fā)動機性能的影響，分別在噴射正時為0°CA和-25°CA的條件下不斷提高EGR率，直至發(fā)動機燃油經(jīng)濟性惡化。圖6示出兩種噴射正時下，不同EGR率對缸內(nèi)平均溫度及瞬時燃燒放熱率的影響。

由圖6(a)可見：適時早噴條件(噴油時刻為-25°CA)下，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)平均溫度峰值稍有下降，且對應的曲軸相位有所推遲；至于瞬時放熱率曲線，隨著EGR率的上升，燃燒始點逐漸推遲，瞬時放熱率峰值不斷降低，其對應的曲軸轉(zhuǎn)角相位則不斷推遲。由圖6(b)可見：晚噴策略(噴油時刻為0°CA)下EGR率適用范圍明顯縮小，EGR率的變化對缸內(nèi)平均溫度和瞬時放熱率的影響都不大，僅在燃燒過程后期，隨著EGR率的升高，缸內(nèi)平均溫度有所上升，說明EGR的引入使晚噴策略下的后燃現(xiàn)象加重。

圖7分別給出了兩種不同噴射策略下，EGR率對燃燒高溫相位(CA50)和有效燃油消耗率的影響。

從2.1節(jié)的分析中可知，采用適時早噴和晚噴策略時，CA50均遠離上止點，燃燒效率降低、有效燃油消耗率上升。由圖7(a)可見，引入EGR技術(shù)之后，適時早噴策略下隨著EGR率由0增加到60%，由于惰性分子對燃燒過程的阻滯作用不斷增強，CA50從-10°CA逐漸靠近上止點，燃燒熱效率上升，對應的有效燃油消耗率也隨之降低。然而隨著EGR率進一步上升，可燃混合氣中氧分子不足導致燃燒效率開始下降，有效燃油消耗率也開始上升。由圖7(b)可知，晚噴策略下，隨著EGR率的不斷上升，由于后燃現(xiàn)象不斷加重，CA50逐漸從15°CA遠離上止點，有效燃油消耗率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。

圖8給出了不同EGR率條件下NOx和碳煙排放的變化規(guī)律曲線。由圖可見：兩種噴射策略下EGR率對NOx排放的影響規(guī)律是一致的，隨著EGR率的上升，進氣氧濃度不斷降低，使NOx排放呈線性下降趨勢。結(jié)合EGR對燃燒過程的影響分析可知，雖然隨著EGR增加，滯燃期延長，預混合燃燒增多，但是氧濃度的下降對燃燒溫度起到了決定性作用，隨著進氣中氧濃度的稀釋，燃燒溫度不斷降低，NOx排放下降。

對于碳煙排放而言，EGR率的影響體現(xiàn)在兩個方面：一方面，貧氧燃燒促進了碳煙的生成；另一方面，燃燒溫度的降低和燃燒過程的滯后也對碳煙的氧化量產(chǎn)生相應的影響。因此，兩種噴射策略下，當EGR率超過20%以后，碳煙排放開始顯著上升。而在噴射正時為-25°CA時，當EGR率達到40%時，碳煙排放達到最大值，且隨著EGR率的進一步提高，進氣中的氧氣分子進一步減少，缸內(nèi)的燃燒惡化，燃燒溫度的降低反而會抑制碳煙的生成，因此碳煙排放反而開始降低。

由上述分析可知，適時早噴條件下EGR的引入可以有效改善因早噴帶來的燃燒相位過早問題，有利于提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟性，在高比例EGR區(qū)域可以實現(xiàn)有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放的兼顧。而晚噴條件下，引入EGR后進一步加重后燃現(xiàn)象，無法實現(xiàn)高比例EGR，且有效燃油消耗率和碳煙排放也隨著EGR率的升高而開始惡化。

2.3 噴射壓力的影響

圖9分別給出了兩種不同噴射正時策略和EGR條件下，噴射壓力對缸內(nèi)壓力及瞬時放熱率的影響。

由圖9(a)可知，適時早噴策略結(jié)合高比例EGR(65%)條件下，隨著噴射壓力的上升，瞬時放熱率峰值下降，且對應的時刻有所延遲；缸內(nèi)平均溫度峰值略有降低。

從圖9(b)中的曲線可知，晚噴策略結(jié)合中等比例EGR(30%)條件下，隨著噴射壓力的提高，瞬時燃燒放熱率峰值上升，且對應的時刻稍有提前，缸內(nèi)平均溫度峰值有所上升，且對應時刻提前。

表2中給出了不同噴射壓力下發(fā)動機燃燒高溫相位、有效燃油消耗率(BFSC)、NOx和碳煙排放。噴射壓力提高后噴射持續(xù)期縮短，燃氣混合強度增加，有利于均質(zhì)混合氣的形成，噴射壓力從65MPa提高到95MPa后，適時早噴和晚噴條件下的碳煙排放分別降低了61.1%和64.3%。適時早噴策略下，燃燒放熱過程變緩、瞬時放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度降低導致NOx排放降低27.9%；而晚噴策略下，噴射壓力提高對燃燒放熱過程、瞬時放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度的影響趨勢則相反，NOx排放上升了9.4%。對于CA50而言，噴射壓力的提高對早噴策略下的CA50未產(chǎn)生明顯的影響，晚噴策略下的CA50則提前了1.5°CA，燃燒效率略有改善。隨著噴射壓力的提高，適時早噴策略和晚噴策略下的有效燃油消耗率分別上升了2.5%和下降了1.5%。

表2 不同噴射壓力下的NOx、碳煙排放、CA50及有效燃油消耗率

3 結(jié)論

通過分析噴射正時、EGR率和噴射壓力對柴油燃燒過程和污染物排放的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

(1)采用適時早噴或者晚噴策略均能從延長油氣混合時間的角度改善可燃混合氣的均勻性，以實現(xiàn)部分預混合燃燒，抑制碳煙排放，適時早噴策略相對于晚噴策略更有利于降低碳煙排放，但是將受到NOx排放惡化的限制。

(2)適時早噴條件下EGR的引入不但可以降低缸內(nèi)燃燒溫度抑制NOx排放，還可有效解決因早噴帶來的燃燒相位過早的問題，從而提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟性，在高比例EGR區(qū)域可同時兼顧有效燃油消耗率、NOx和碳煙排放。而晚噴條件下，引進EGR后進一步加重后燃現(xiàn)象，使燃油經(jīng)濟性和碳煙排放有所惡化。

(3)適時早噴策略下，隨著噴射壓力的提高，燃燒放熱過程變緩、瞬時放熱率峰值和缸內(nèi)平均溫度降低，從而可同時降低NOx和碳煙排放，而晚噴策略下則相反，NOx排放有所上升，而隨著噴射壓力的提高，兩種噴油策略下的有效燃油消耗率變化幅度較小。

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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

*江蘇省科技支撐計劃(BE2013042)、中國博士后科學基金面上項目(2014M560400)、江蘇大學高級專業(yè)人才科研啟動基金(13JDG075)和江蘇省優(yōu)勢學科建設(shè)項目(PAPD)資助。

原稿收到日期為2015年3月2日，修改稿收到日期為2015年4月29日。