高壓共軌柴油機后噴射對燃燒和排放性能影響的實驗研究

1、高壓共軌柴油機后噴射對燃燒和排放性能影響的實驗研究論文摘要：結(jié)合4JB1高壓共軌柴油機，在試驗工況(1200rpm. 60Nm)下，研究屢次噴射中后噴射對燃燒和排放性能的影響。試驗結(jié)果說明：在試驗工況下，與沒有后噴base;工況相比，后噴射對發(fā)動機放熱率曲線的最后階段有所改善，并且缸內(nèi)平均溫度的最大值有所降低，減緩后期燃燒溫度下降速率，從而促進了缸內(nèi)已生成Soot的氧化，同時在一定程度上減少NOx的生成，但是HC排放和燃油消耗率會有所增加，因此，屢次噴射策略的選擇取決于后處理器對排放的要求。論文關(guān)鍵詞：高壓共軌,屢次噴射,后噴,排放引言為了滿足日趨嚴格的排放法規(guī)要求，人們在發(fā)動機后處理技術(shù)，廢

2、氣再循環(huán)、噴射速率優(yōu)化和電控方面進行了深入的研究。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的出現(xiàn)，使人們在以上領(lǐng)域的研究取得了重大進展，因為其高的噴射壓力和屢次噴射控制上的靈活性，可以將油量分成2次甚至更屢次的噴射，從而可以進一步地優(yōu)化發(fā)動機的排放性能。后噴，即在主噴之后進行的噴射，其主要作用是優(yōu)化發(fā)動機的排放性能，采用后噴后，可以促進擴散燃燒過程中油氣混合、從而將主噴生成的Soot氧化，最終到達降低Soot排放的目的。國外的研究針對后噴對發(fā)動機性能的影響進行了分析，得出的共同的結(jié)論是，采用后噴能夠進一步地降低Soot的排放，但后噴的油量和主后間隔角度需要精確地匹配。后噴對BSFC和NOx排放亦有影響，但根據(jù)實驗

3、用發(fā)動機和發(fā)動機工況不同，其影響程度亦不相同，所以對于后噴優(yōu)化Soot排放的機理仍然是仁者見仁，智者見智，因而有必要針對后噴對發(fā)動機性能的影響進行深入的分析和研究。本研究是在一臺高壓共軌柴油機的試驗工況(1200rpm.60Nm)下進行的，針對屢次噴射中后噴射的試驗研究。在實驗過程中，通過調(diào)節(jié)主噴脈寬的方法來保證實驗過程中發(fā)動機輸出扭矩不變的條件下，研究屢次噴射中后噴射對燃燒和排放性能的影響，為進一步的屢次噴射策略的研究提供了理論依據(jù)。1實驗設備研究是在高壓共軌柴油機上進行的，發(fā)動機具體的規(guī)格參數(shù)詳見表1-1。電控系統(tǒng)采用的是自主開發(fā)的電控單元，上位機監(jiān)控軟件采用的自主研發(fā)的基于VisualC

4、自主開發(fā)的標定平臺。實驗柴油機所用的燃料為北京市市售滿足國4的硫含量低于50ppm或稱10-6標準柴油。表1-14JB1發(fā)動機規(guī)格參數(shù) 型號 4JB1直列四沖程、水冷 缸數(shù) 4 燃燒室型式 直噴縮口圓形形 壓縮比 18.2：1 排量/L 2.771 標定功率/kW 85 標定轉(zhuǎn)速/r/min 3600 渦流比 2.4 進氣門關(guān)閉 上止點前125CA 排氣門開啟 上止點后126CA 發(fā)動機臺實驗臺架主要包括測功機、發(fā)動機、進氣流量測量系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、發(fā)動機燃燒分析系統(tǒng)以及排放測試系統(tǒng)。針對所選定的實驗工況，在實驗過程中實時地測量轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗量，包括NOx、HC等在內(nèi)的氣體污染物排放

5、量及其煙度。主要的實驗設備如圖1.1所示。燃燒分析儀采用的是小野DS-0228燃燒分析儀，五氣排放分析儀采用AVL4000五氣體分析儀，煙度測量采用了AVLDISMOKE4000煙度計。圖1.1試驗系統(tǒng)組成為方便實驗設計和后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)分析，對屢次噴射控制策略中各噴射參數(shù)進行統(tǒng)一定義，如圖1.2所示。其中，PiI2、PiI1、Main、Post分別代表預噴2、預噴1、主噴、后噴。EtPiI2預噴2脈寬；EtPiI1預噴1脈寬；EtPost后噴脈寬；Ai主噴提前角；AiPiI1預噴1提前角，本實驗中將預噴開始時刻與主噴開始時刻之間的曲軸轉(zhuǎn)角定義為預噴1提前角；AiPiI2預噴2提前角；AiPos

6、t主后間隔角；TDCTopDeadCenter即上止點。圖1.2屢次噴射參數(shù)定義2后噴射的實驗研究及分析結(jié)合實驗用4JB1高壓共軌發(fā)動機性能參數(shù)，選擇了屬于中低轉(zhuǎn)速中小負荷工況的1200rpm60N.m工況點。為使實驗具有可比對性的同時又具有較好可操作性，在實驗過程中，當其它噴射參數(shù)改變時，選擇調(diào)節(jié)主噴脈寬的方法來保證每個實驗工況的比對實驗過程中發(fā)動機輸出扭矩恒定不變。在試驗工況(1200rpm.60Nm)下，采用的后噴組合方式為PiI2+PiI1+Main+Post；為進一步地優(yōu)化發(fā)動機的Soot排放，提高4JB1實驗用發(fā)動機機內(nèi)凈化的潛力，針對所選工況進行了針對性的實驗研究分析，設計的實驗

7、表格如表2-1所示。在實驗過程中保證AiPiI2、EtPiI2、AiPiI1、EtPiI1和Ai恒定不變，詳細地分析了EtPost和AiPost對發(fā)動機性能的影響。表2-1后噴實驗表格 序號 AiPost/CA EtPost/ms 序號 AiPost/CA EtPost/ms 1 5 150 11 5 350 2 10 150 12 10 350 3 15 150 13 15 350 4 20 150 14 20 350 5 25 150 15 25 350 6 5 250 16 5 450 7 10 250 17 10 450 8 15 250 18 15 450 9 20 250 19 2

8、0 450 10 25 250 20 25 450 2.1后噴射對燃燒性能影響的試驗分析針對實驗選擇的工況點，引入后噴后不同EtPost和AiPost下的放熱率分別如圖2.1所示。從圖上分析可知，后噴的存在會使得擴散燃燒階段的放熱率曲線凸升，其凸升的程度隨著后噴油量的增加而變得越創(chuàng)造顯。除此之外，主后間隔角度AiPost對凸升程度亦有影響，AiPost越小，后噴放熱率峰值越大，凸升程度越明顯，但當AiPost過小時，如后噴間隔角為5CA的工況，后噴的燃燒過程便不再那么明顯。此工況下主、后噴射間隔過近，使得后噴的燃油直接噴射到主噴燃燒的火焰之中，所以看不到明顯的后噴放熱。通過進一步分析，我們還可

9、以發(fā)現(xiàn)，引入后噴后雖然會影響擴散燃燒階段的放熱率，但對預噴和主噴的燃燒過程的影響卻不明顯，只有在EtPost相對較大的工況下(如圖2.1EtPost為350ms和450ms的工況)，后噴對預噴和主噴的燃燒過程才會有相對而言較為明顯的影響。圖2.1試驗工況下各組放熱率曲線在試驗工況AiPost=15CA時缸壓、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨EtPost變化曲線如圖2.2所示。由圖分析可知，引入后噴后，主噴擴散燃燒階段的放熱率下降速度變緩，如圖2.2a中的1;所示。除此之外，在上止點后20CA左右附近，相對于無后噴的base;工況，放熱率曲線出現(xiàn)了明顯的二次放熱，出現(xiàn)了第二個峰值且隨著EtPost的增加而

10、增加。同時如圖2.2b中所示，缸內(nèi)平均溫度的峰值隨著EtPost的增加而減小。通過對圖2.2a中缸壓曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，引入后噴后，其壓力峰值有所降低，但降低程度不明顯。這主要是因為，在實驗過程中，發(fā)動機的功率恒定不變，引入后噴，相應的主噴的油量就會減小，從而使得缸內(nèi)的最高壓力值有所下降。主噴油量的減小，同樣使得缸內(nèi)平均溫度的最大值有所降低，但其下降的速率較無后噴的base;工況要慢，后噴射的燃油燃燒的更充分，促進了缸內(nèi)已生成Soot的氧化。圖2.2AiPost=15CA時缸壓、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨EtPost變化曲線在試驗工況EtPost=350ms時缸壓、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨AiPos

11、t變化曲線如圖2.3所示。從圖上可以看出，對于相同的EtPost，后噴的燃燒始點隨著AiPost的減小而提前，反之亦然。后噴越是接近主噴，后噴的放熱率峰值越高，因為此時后噴在接近上止點時刻燃燒，缸內(nèi)的溫度壓力相對較高，所以此時的后噴放熱率峰值也就相應地較高。分析圖2.3(b)可知，缸內(nèi)的平均溫度峰值與base;工況相比有所下降，但是AiPost對其影響不是很大。如前所述，這主要是因為引入后噴后，為保證發(fā)動機輸出功率不變，主噴的油量會相應的減小，從而使得溫度峰值有所下降。但后噴的引入，會使缸內(nèi)平均溫度下降速率變緩，這也為后期Soot的氧化提供了有利的條件。圖2.3EtPost=350ms時缸壓、

12、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨AiPost變化曲線2.2后噴射對排放性能影響的試驗分析如圖2.4分析可知，隨著AiPost的增加，NOx的排放逐漸遞減，同時隨著后噴射油量的增加，NOx的排放亦逐漸遞減，但對于AiPost=5CA的工況，NOx的排放卻是較無后噴的基準點有所增加。從圖2.1(b)中的后噴放熱率曲線上可以明顯地看出，此工況下擴散燃燒階段的放熱率曲線上并未出現(xiàn)較為明顯的凸升，相反由于間隔過近，使得后噴的燃燒過程，在主噴燃燒過程尚未完全結(jié)束之前便已開始。所以使得后噴噴入的燃油很大一局部是在上止點附近參與燃燒的，所以燃燒效率相對主后間隔角度較大的工況高。圖2.4不同后噴參數(shù)的NOx排放值分析圖2

13、.5可知，引入后噴后，對于EtPost150ms的工況，煙度隨AiPost的變化呈先減小后增大的變化趨勢。當AiPostCA時，針對實驗所選定的所有EtPost工況，煙度的排放均有不同程度的降低。當EtPost=150ms時，噴射脈寬過小，加之噴油壓力為45MPa，相對較低，使得后噴噴油量較小不能夠產(chǎn)生明顯的燃燒，擴散燃燒的放熱率上亦無明顯的二次放熱，因而煙度值較無后噴的base;工況根本無變化。當AiPost=5CA時，雖然主、后噴間隔較小，但后噴的引入仍然能夠在一定程度上減小煙度的排放。由于后噴較靠近上止點，故而減弱了其對擴散燃燒末期溫度提升的能力，從而也就限制了其進一步降低煙度排放的潛力

14、，因此隨著AiPost的增加，煙度的排放值進一步地減小，并在15CA時到達最小，但之后隨著AiPost地進一步增加，煙度值又逐漸升高。這主要是因為，此時的后噴時刻過于往后，缸內(nèi)溫度、壓力已經(jīng)有明顯地下降，不利于燃油的霧化、蒸發(fā)和自燃。因而也就不利于后噴對已生成Soot的氧化，從而使得煙度排放升高，且升高的程度隨EtPost的增加而加劇。圖2.5不同后噴參數(shù)的煙度值分析圖2.6可知，HC的排放隨著AiPost的增加呈遞增的變化趨勢，只有當AiPost較小時，才較無后噴的base;工況有所優(yōu)化。如前所述，此時后噴的燃燒較為充分，所以使得HC的排放略有下降，但優(yōu)化的程度較小。引入后噴后，HC的總體排

15、放較base;工況還是增加的。燃油消耗率的變化曲線如圖2.6所示。由圖分析可知，只有在小AiPost工況下，BSFC才較無后噴的base;工況有所降低。對于EtPost=150ms的工況，如前所述，此時后噴的噴油量較小，所以隨著AiPost的增加，BSFC變化幅度較小，根本無明顯變化。相反，對于EtPost較大的工況，隨著AiPost的增加，后噴時刻逐漸遠離上止點，燃燒效率逐漸降低，所以燃油經(jīng)濟性也逐漸惡化。圖2.6不同后噴參數(shù)的HC排放值和燃油消耗率3.結(jié)論在試驗工況下，通過改變后噴射參數(shù)進行研究得出以下結(jié)論：1、在適當后噴射參數(shù)下，與無后噴的base;工況相比，后噴射使得放熱率曲線下降段變

16、緩，同時出現(xiàn)二次放熱。二次放熱量隨著后噴射油量的增加而增大，二次放熱峰值隨著后噴射間隔的變大而變小。缸內(nèi)燃燒平均溫度隨著后噴的參加，主噴的減少而降低。2、在適當?shù)暮髧娚鋮?shù)下，隨著后噴間隔的增加，NOx的排放逐漸遞減，同時隨著后噴射油量的增加，NOx的排放亦逐漸遞減。在后噴間隔角度在5CA15CA，后噴脈寬在150ms350ms之間，煙度的排放均有不同程度的降低。但是HC排放和燃油消耗率隨著后噴射間隔角的增加呈遞增的變化趨勢。參考文獻1 Russell, M.F. The dependence of diesel combustion on injection rate. In IMechE-

17、RicardoSeminar on The Euro4 Challenge-Future Technologies and system, London,December, 19972 Walsh, M.P. Global trends in diesel emission regulation-a 2001 update.SAE Paper 2001-01-01833 Johnson, V.T. Diesel emission control in review. SAE Paper 2001-01-0184, 20014 Rinolfi, R. and Imarisio, R. The p

18、otentials of third generation direct injection dieselengines for passenger cars. In Engine and Environment International Congress,September 1997(AVL List Gmbh, Graz, Austria).5 Marco Coppo Claudio Dongiovanni Claudio Negri, 2004,Numerical Analysis and Experimental Investigation of a Common Rail-Type DieselInjector. Vol. 126, OCTOBER 2004, Transactions of the ASME.6 Pic