昂飛 鹿盈盈 范超

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816）

主題詞：重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 后噴 多次主噴 排放

1 前言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)運(yùn)用后噴技術(shù)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放量進(jìn)行了大量的研究。Kitamura等利用耦合詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理繪制當(dāng)量比與溫度的分布圖，以尋找避開NO和碳煙生成區(qū)域的方法。為了解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下的碳煙生成問題，F(xiàn)arhan 等研究了重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，認(rèn)為后噴射策略可以減少柴油機(jī)的污染物排放量。Arrègle 等認(rèn)為，主后噴間隔過大時(shí)，由于缸內(nèi)溫度較低，后噴燃油無法完全氧化，產(chǎn)生碳煙，主后噴間隔小時(shí)，燃燒相位接近上止點(diǎn)，NO生成較多。Tow 等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，主后噴模式可明顯降低碳煙排放量。Ojeda等研究發(fā)現(xiàn)，主后噴間隔較短時(shí)碳煙排放量降低不明顯，只有當(dāng)主后噴間隔大于30°CA時(shí)碳煙排放量降低效果明顯。Payri等發(fā)現(xiàn)，部分負(fù)荷下后噴比例在15%～20%范圍內(nèi)時(shí)，碳煙排放量降低效果最明顯。Mohan 等發(fā)現(xiàn)，中等負(fù)荷工況下主后噴間隔40°CA、后噴比例為14.5%時(shí)可得到最低碳煙排放量。Garcia等發(fā)現(xiàn)過量的后噴燃油比例會(huì)促使較多的燃油噴霧之間相互作用而導(dǎo)致燃燒發(fā)展的惡化。王攀等研究發(fā)現(xiàn)，后噴的加入可以顯著降低NO排放量，最大降幅為26.7%。運(yùn)用后噴技術(shù)改善燃燒排放問題主要有2種途徑：促進(jìn)燃燒室中燃油與空氣的混合形成良好均質(zhì)混合氣；分次噴射柴油降低缸內(nèi)燃燒溫度抑制NO生成，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大量碳煙。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在低速高負(fù)荷工況下，由于噴油量多、噴油持續(xù)時(shí)間縮短和著火滯燃期短暫，噴油終點(diǎn)出現(xiàn)在燃燒始點(diǎn)之后，NO排放情況惡化，著火前形成的預(yù)混合氣量較少，擴(kuò)散燃燒占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)最終排放量起決定性作用。本文在前人優(yōu)化主噴和后噴工作的基礎(chǔ)上，在論證模型可靠后，將主噴末端部分油量作為后噴，依據(jù)熱效率和排放物折中效果，優(yōu)化2次噴射主后噴比例、間隔和定時(shí)，然后將主噴分為多個(gè)脈沖，優(yōu)化各主噴脈沖比例、間隔和定時(shí)，以期優(yōu)化各脈沖的混合時(shí)間和混合空間，分段噴油來增加混合氣量，形成適當(dāng)?shù)幕旌蠚猱?dāng)量比，降低NO排放量，并減少燃燒室壁面處的燃油和碳煙濃區(qū)，進(jìn)一步降低各污染物排放量和提高燃燒效率。

2 試驗(yàn)裝置和數(shù)值仿真模型

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

表1所示為某品牌WP10H型六缸重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。該系統(tǒng)以原機(jī)第1缸作為試驗(yàn)缸，其他缸對(duì)第1缸起拖動(dòng)作用。改造后的單缸試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 單缸試驗(yàn)系統(tǒng)示意

表1 重型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該試驗(yàn)系統(tǒng)由單獨(dú)的電控高壓共軌燃油供給系統(tǒng)、外源模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)、可變氣門正時(shí)（Variable Valve Timing，VVT）系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、多功能燃燒參數(shù)采集分析系統(tǒng)以及尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)等組成。噴油控制采用原機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的控制策略，并對(duì)非試驗(yàn)缸進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、排氣壓力、水溫、機(jī)油溫度等進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控。

2.2 數(shù)值仿真模擬及合理性驗(yàn)證

由于所用ω型燃燒室完全居中，所選用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用8 孔噴油器，系統(tǒng)的幾何形狀是對(duì)稱的，為減少計(jì)算耗時(shí)，取燃燒室的1/8，即45°扇形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，圖2所示為上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格。數(shù)值模擬中湍流模型選用k-zeta-f模型，燃燒模型選用ECFM-3Z模型，NO排放模型選擇Extended Zeldovich 模型，碳煙模型選擇Kinetic 模型，由于采用進(jìn)氣門晚關(guān)技術(shù)，計(jì)算始點(diǎn)為-90°CA ATDC（進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻），計(jì)算終點(diǎn)為126°CA ATDC（排氣門開啟時(shí)刻），此時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化小且缸內(nèi)產(chǎn)生排放物的量趨于穩(wěn)定。缸內(nèi)初始溫度為380 K，主噴噴油定時(shí)為3°CA ATDC，總噴油量為150 mg，轉(zhuǎn)速為1 296 r/min。

圖2 上止點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)格

圖3 所示為在20%EGR 率下的基準(zhǔn)工況缸內(nèi)壓力和放熱率仿真與測(cè)量對(duì)比結(jié)果。由圖3可知：仿真缸壓曲線和瞬時(shí)放熱率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這表明壓力對(duì)污染物排放量評(píng)估的影響較??；仿真與試驗(yàn)結(jié)果著火時(shí)刻和燃燒持續(xù)期基本吻合，證明了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。

圖3 模擬與試驗(yàn)對(duì)比

2.3 主后噴間隔角的影響

試驗(yàn)測(cè)得單次噴射（無后噴）產(chǎn)生的NO和碳煙排放量分別為5.052 g/(kW·h)和0.003 7 g/(kW·h)。仿真測(cè)得NO和碳煙排放量隨后噴定時(shí)的波動(dòng)趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)得的趨勢(shì)一致。將主后噴的比例固定，后噴定時(shí)從30°CA ATDC 依次間隔5°CA 逐漸增加到50°CA ATDC。由于后噴導(dǎo)致在燃燒后期缸壓、溫度和放熱率再次升高，隨著后噴時(shí)刻的逐漸推后，后噴燃油燃燒放熱推遲。

圖4 所示為20%EGR 率條件下后噴油量比例分別為10%、15%和20%時(shí)NO和碳煙的排放率受后噴定時(shí)的影響規(guī)律。后噴使得缸內(nèi)的溫度和壓力再次提升，但缸內(nèi)的平均溫度峰值比單次噴射平均溫度峰值低，伴隨著間隔角度增大，溫度再次升高的時(shí)刻也推遲，可以看出單次噴射加后噴策略產(chǎn)生的NO排放量比單次噴射低?；钊滦?，氣缸容積增大，缸內(nèi)的溫度大幅降低，抑制了NO的生成，NO排放量降低，但NO隨主后噴定時(shí)的推遲波動(dòng)變化不大。當(dāng)主后噴間隔較小時(shí)，短時(shí)間內(nèi)噴射的燃油較多，燃油與空氣混合不均勻且局部溫度高、氧氣不充分導(dǎo)致了碳煙排放量增加，后噴的燃油增大了缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，有利于促進(jìn)缸內(nèi)中間產(chǎn)物的二次氧化，隨著后噴定時(shí)的不斷推后，后噴的時(shí)刻過于靠后，活塞下行過多，燃燒區(qū)溫度低，抑制了碳煙的后氧化過程，使得碳煙排放量再次升高。3種不同的后噴比例均存在最佳的后噴定時(shí)（45°CA ATDC）使得NO和碳煙排放量最低。

圖4 20%EGR率條件下后噴定時(shí)對(duì)污染物排放量的影響

2.4 后噴比例的影響

通過對(duì)各后噴定時(shí)的分析可得，45°CA ATDC的后噴定時(shí)對(duì)降低污染物排放量效果最為顯著，因此在固定后噴定時(shí)的基礎(chǔ)上探究不同后噴比例對(duì)NO和碳煙排放量的影響。固定后噴定時(shí)為45°CA ATDC，后噴油量從占總噴油量的10%逐漸增加到20%，主噴燃油量減小，會(huì)導(dǎo)致溫度和放熱率的峰值逐漸降低，致使有后噴時(shí)所產(chǎn)生的NO排放量比無后噴時(shí)產(chǎn)生的NO排放量低，且后噴油量的增加也會(huì)導(dǎo)致燃燒后期的缸壓、溫度逐漸升高。

圖5所示為20%EGR率條件下后噴比例對(duì)NO和碳煙排放量的影響規(guī)律。與單次噴射比，后噴比例對(duì)NO排放量的影響不明顯。后噴比例為15%時(shí)碳煙排放量最低，增加后噴比例，排放碳煙量再次升高，這是因?yàn)楹髧娪土康脑黾訒?huì)提高缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，加速了燃燒產(chǎn)物與空氣的混合，促進(jìn)了主噴燃燒末期的未燃碳?xì)涞难趸瑫r(shí)后噴燃油使得缸內(nèi)溫度再次升高，兩者共同降低了碳煙排放量。但隨著后噴油量的增多，后噴燃油與主噴燃燒剩余的空氣混合不均勻，致使碳煙的排放量又顯著提高，因此針對(duì)污染物排放量，存在最佳后噴比例。

圖5 后噴油量對(duì)污染物排放量的影響

3 主噴射策略方案

由以上研究結(jié)果可得，后噴定時(shí)45°CA ATDC和后噴比例15%的條件下NO和碳煙排放量較低。保持循環(huán)噴油量為150 mg、EGR 率為20%不變，原機(jī)噴油定時(shí)為3°CA ATDC，研究在固定后噴定時(shí)和后噴比例條件下，主噴參數(shù)改變對(duì)排放和熱效率的影響，將單次主噴分為不同間隔的多次主噴，并使多次主噴最后一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)刻在后噴開始之前，如圖6所示?！?次主噴-5”意義為第1 次主噴噴油定時(shí)為3° CA ATDC，采用2 次主噴，多次主噴脈沖間隔角度為5°CA。多次主噴間隔均為等曲軸轉(zhuǎn)角，質(zhì)量比例均等。

圖6 噴射策略示意

4 結(jié)果與討論

4.1 多次主噴對(duì)指示熱效率和排放的影響

固定后噴比例與定時(shí)，按等質(zhì)量比例和等時(shí)間間隔將主噴分為多次噴射，多種主噴射策略進(jìn)行仿真計(jì)算。圖7所示為3次主噴條件下不同主噴間隔對(duì)缸內(nèi)燃燒影響的對(duì)比，多次主噴相對(duì)于單次主噴，燃油未在短時(shí)間內(nèi)全部噴射，有助于充分利用整個(gè)氣缸內(nèi)的新鮮空氣，噴油定時(shí)不同，每次噴射燃油蒸氣分布的量也不同，改善了溫度在短時(shí)間內(nèi)劇烈升高的情況，多次主噴使得缸內(nèi)溫度多次升高，但每次的峰值均較單次主噴峰值低，同時(shí)后期后燃造成缸內(nèi)平均溫度高于單次主噴后期缸內(nèi)溫度。

圖7 多脈沖主噴射對(duì)燃燒的影響

圖8 所示為多次主噴對(duì)2 種污染物排放量的影響，NO生成量的主要影響因素是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。單次噴射時(shí)噴油時(shí)刻的壓力和溫度都超高，噴油持續(xù)期長(zhǎng)，著火滯燃期極短，NO排放量會(huì)急劇增大。在大負(fù)荷下，較長(zhǎng)的噴油持續(xù)期和較多的噴油量使得單次噴油模式混合時(shí)間縮短，缸內(nèi)產(chǎn)生濃混合氣。相比之下，多次噴油模式優(yōu)勢(shì)非常明顯，多個(gè)噴油脈沖可以保證各脈沖油量有足夠的混合時(shí)間，以此改善單次噴射造成的各種弊端。由圖8a、圖8b和圖8c可知，多次主噴策略相對(duì)于單次噴射，降低了缸內(nèi)最高峰值溫度，使得NO排放量大幅改善，隨著多次主噴間隔增加，NO排放量呈現(xiàn)先降低再提高的趨勢(shì)，影響NO再度升高的原因是隨著間隔角度增大，最后一次主噴不斷向后推遲，與原先固定的后噴間隔較小，在短時(shí)間內(nèi)，最后一次主噴與后噴的燃油共同燃燒促使缸內(nèi)的局部位置瞬時(shí)溫度驟然升高，整體的NO排放量增加不明顯（圖7）。噴油的起始點(diǎn)在上止點(diǎn)后，多個(gè)脈沖噴油可以增加缸內(nèi)氣流的擾動(dòng)，使混合氣盡量均勻。峰值溫度低和高溫持續(xù)期的縮短抑制了NO生成。

圖8 多次主噴策略對(duì)污染物排放量的影響

但隨著多次主噴的間隔角度逐漸增大，活塞逐漸下行，燃油的輸出過于靠后，造成燃油燃燒不完全現(xiàn)象，產(chǎn)生了較多的碳煙。表2所示為2次主噴不同間隔角度對(duì)指示熱效率的影響，多次主噴間隔過大，促使更多柴油在活塞下行較遠(yuǎn)后才噴出，此時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度降低，缸內(nèi)整體溫度低，后噴量大導(dǎo)致后噴燃油與空氣混合變差，抑制了未燃碳?xì)涞暮笃谘趸紵熍欧帕可?，過大的間隔角度促使熱效率降低。多次主噴均對(duì)應(yīng)著一個(gè)最優(yōu)的主噴間隔，圖8d 中散點(diǎn)表明了主噴次數(shù)與主噴間隔角度對(duì)排放的影響，根據(jù)排放和熱效率折中效果，各策略存在著一個(gè)最優(yōu)的主噴間隔角度，在主噴次數(shù)為2次和3次時(shí)，10°CA為較好的主噴間隔角度。

表2 2次主噴不同間隔角度的指示熱效率

4.2 多次主噴策略對(duì)污染物排放的影響分析

對(duì)比單次主噴、2次主噴和3次主噴，隨著主噴次數(shù)的增加，2 次主噴-10 與單次主噴相比，NO排放量降低0.77 g/(kW·h)，由于單次主噴噴油持續(xù)期短，使得缸內(nèi)溫度驟然升高（見圖9）導(dǎo)致了NO的生成。當(dāng)主噴被拆分為多次，活塞下行，每次脈沖噴到氣缸的不同位置，且噴入時(shí)的氣缸容積比單次主噴時(shí)的大，平均溫度降低，但充分利用了整個(gè)氣缸內(nèi)的空氣，有利于卷吸到新鮮空氣、增強(qiáng)燃空混合速率，又避免了持續(xù)噴入的燃油進(jìn)入高溫缺氧的區(qū)域，多個(gè)脈沖噴油使得燃燒區(qū)域的溫度適當(dāng)。從圖9可以看出，在55CA ATDC之前，單次主噴缸內(nèi)平均溫度較多次主噴高，溫度低和缸內(nèi)空氣的充分利用的綜合作用抑制了NO生成。隨著主噴次數(shù)的增多，前期缸內(nèi)溫度越來越低，但最后一次主噴結(jié)束定時(shí)過度靠后，與后噴定時(shí)間隔小，短時(shí)間內(nèi)噴射出較多燃油燃燒使得后期的缸內(nèi)溫度升高。

圖9 缸內(nèi)溫度對(duì)比

隨著主噴間隔增加，碳煙排放量整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但過大的主噴間隔使得碳煙排放量急劇增加，且熱效率開始顯著下降（見表2）。4次主噴-5、3次主噴-10和2次主噴-10相比較，由圖6可以看出，4次主噴-5主噴結(jié)束定時(shí)先于3 次主噴-10 主噴結(jié)束定時(shí)，隨著完成主噴時(shí)刻的延后，碳煙的排放量逐漸增加。將主噴射進(jìn)一步分成幾個(gè)脈沖，以降低火焰溫度，允許空氣和燃料充分混合，限制擴(kuò)散燃燒的影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低，3次主噴雖然可以得到較低的NO排放量，但相對(duì)于單次主噴和2次主噴，碳煙的排放量較高。碳煙的生成條件是高溫缺氧，前一次的主噴產(chǎn)生的局部高溫是后一次噴射燃油的點(diǎn)火源，后一次噴射的柴油被噴射到了前一次燃燒余留下的高溫區(qū)域，且氧氣量不足，導(dǎo)致碳煙排放量急劇增加。過度考慮污染物排放會(huì)導(dǎo)致熱效率的降低。表3所示為不同主噴次數(shù)的指示熱效率，多次主噴的熱效率相對(duì)于單次主噴低，燃油噴射結(jié)束定時(shí)越靠后，熱效率越低。

表3 不同主噴次數(shù)的指示熱效率 %

圖10 所示為缸內(nèi)溫度變化云圖和NO 生成穩(wěn)定時(shí)的分布云圖。從圖10 可以看出，噴射總質(zhì)量相同的柴油，多次主噴可以很好地降低缸內(nèi)峰值溫度，2 次主噴-10和3次主噴-10燃油燃燒產(chǎn)生的溫度低均較單次主噴低，因而降低了NO的生成量。

圖10 缸內(nèi)溫度和NO的分布對(duì)比

圖11 所示為缸內(nèi)湍動(dòng)能變化和碳煙生成氧化曲線。由圖11a 可知，多次主噴雖然可以改善NO排放問題，但過多次數(shù)的主噴導(dǎo)致碳煙排放量增加。從圖11b中可以看出，主噴被分成多個(gè)脈沖，一方面可以使缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，另一方面，過多的主噴次數(shù)導(dǎo)致燃油噴射過于靠后，對(duì)燃油的氧化過程不利，導(dǎo)致碳煙后氧化不充分，碳煙的凈生成量增加。多次主噴時(shí)應(yīng)考慮到燃油與空氣混合程度和燃燒區(qū)域的溫度。為折衷考慮排放和效率，合理的主噴定時(shí)才能保證碳煙排放量達(dá)標(biāo)，同時(shí)也可以降低NO排放量，如4次主噴-5。

圖11 湍動(dòng)能和碳煙對(duì)比

5 結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在大負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下后噴和多次主噴對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程和排放的影響，得出以下結(jié)論：

a.單次主噴加后噴模式可以得到較低的NO和碳煙排放量，較單次噴射無EGR的NO和碳煙排放量降低顯著，較單次噴射+20%EGR方案的NO排放略有降低，碳煙排放量降低顯著。

b.多次主噴加后噴策略在保證指示熱效率沒有過度惡化前提下可顯著降低NO排放量，NO排放量隨主噴次數(shù)和主噴間隔增加，缸內(nèi)溫度的降低呈下降趨勢(shì)。隨著各主噴脈沖間隔增大和主噴次數(shù)的增多，著火條件不良，燃料與空氣混合不佳，碳煙的生成量增加，指示熱效率隨脈沖次數(shù)和間隔角度的增加而略有下降。

c.過大的主噴間隔會(huì)使最后一次主噴脈沖和后噴相互干擾，導(dǎo)致燃燒過程極度惡化，抑制碳煙的后氧化過程，碳煙排放量急劇增加。