高壓共軌柴油機(jī)后噴射對(duì)燃燒和排放性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

1、高壓共軌柴油機(jī)后噴射對(duì)燃燒和排放性能影響的實(shí)驗(yàn)研究論文摘要：結(jié)合4JB1高壓共軌柴油機(jī)，在試驗(yàn)工況(1200rpm. 60Nm)下，研究屢次噴射中后噴射對(duì)燃燒和排放性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果說明：在試驗(yàn)工況下，與沒有后噴base;工況相比，后噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)了缸內(nèi)已生成Soot的氧化，同時(shí)在一定程度上減少NOx的生成，但是HC排放和燃油消耗率會(huì)有所增加，因此，屢次噴射策略的選擇取決于后處理器對(duì)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(yán)格的排放法規(guī)要求，人們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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?cè)谝陨项I(lǐng)域的研究取得了重大進(jìn)展，因?yàn)槠涓叩膰娚鋲毫蛯掖螄娚淇刂粕系撵`活性，可以將油量分成2次甚至更屢次的噴射，從而可以進(jìn)一步地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。后噴，即在主噴之后進(jìn)行的噴射，其主要作用是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，采用后噴后，可以促進(jìn)擴(kuò)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(dá)降低Soot排放的目的。國(guó)外的研究針對(duì)后噴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了分析，得出的共同的結(jié)論是，采用后噴能夠進(jìn)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(duì)BSFC和NOx排放亦有影響，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)

3、用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同，其影響程度亦不相同，所以對(duì)于后噴優(yōu)化Soot排放的機(jī)理仍然是仁者見仁，智者見智，因而有必要針對(duì)后噴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行深入的分析和研究。本研究是在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)的試驗(yàn)工況(1200rpm.60Nm)下進(jìn)行的，針對(duì)屢次噴射中后噴射的試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)主噴脈寬的方法來保證實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不變的條件下，研究屢次噴射中后噴射對(duì)燃燒和排放性能的影響，為進(jìn)一步的屢次噴射策略的研究提供了理論依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究是在高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(biāo)定平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)所用的燃料為北京市市售滿足國(guó)4的硫含量低于50ppm或稱10-6標(biāo)準(zhǔn)柴油。表1-14JB1發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù) 型號(hào) 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(biāo)定功率/kW 85 標(biāo)定轉(zhuǎn)速/r/min 3600 渦流比 2.4 進(jìn)氣門關(guān)閉 上止點(diǎn)前125CA 排氣門開啟 上止點(diǎn)后126CA 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣流量測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析系統(tǒng)以及排放測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)所選定的實(shí)驗(yàn)工況，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)地測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(cè)量采用了AVLDISMOKE4000煙度計(jì)。圖1.1試驗(yàn)系統(tǒng)組成為方便實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)屢次噴射控制策略中各噴射參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一定義，如圖1.2所示。其中，PiI2、PiI1、Main、Post分別代表預(yù)噴2、預(yù)噴1、主噴、后噴。EtPiI2預(yù)噴2脈寬；EtPiI1預(yù)噴1脈寬；EtPost后噴脈寬；Ai主噴提前角；AiPiI1預(yù)噴1提前角，本實(shí)驗(yàn)中將預(yù)噴開始時(shí)刻與主噴開始時(shí)刻之間的曲軸轉(zhuǎn)角定義為預(yù)噴1提前角；AiPiI2預(yù)噴2提前角；AiPos

6、t主后間隔角；TDCTopDeadCenter即上止點(diǎn)。圖1.2屢次噴射參數(shù)定義2后噴射的實(shí)驗(yàn)研究及分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)用4JB1高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，選擇了屬于中低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷工況的1200rpm60N.m工況點(diǎn)。為使實(shí)驗(yàn)具有可比對(duì)性的同時(shí)又具有較好可操作性，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)其它噴射參數(shù)改變時(shí)，選擇調(diào)節(jié)主噴脈寬的方法來保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的比對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩恒定不變。在試驗(yàn)工況(1200rpm.60Nm)下，采用的后噴組合方式為PiI2+PiI1+Main+Post；為進(jìn)一步地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的Soot排放，提高4JB1實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的潛力，針對(duì)所選工況進(jìn)行了針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)研究分析，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)

7、表格如表2-1所示。在實(shí)驗(yàn)過程中保證AiPiI2、EtPiI2、AiPiI1、EtPiI1和Ai恒定不變，詳細(xì)地分析了EtPost和AiPost對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。表2-1后噴實(shí)驗(yàn)表格 序號(hào) AiPost/CA EtPost/ms 序號(hào) 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(duì)燃燒性能影響的試驗(yàn)分析針對(duì)實(shí)驗(yàn)選擇的工況點(diǎn)，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(huì)使得擴(kuò)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(duì)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(dāng)AiPost過小時(shí)，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(jìn)一步分析，我們還可

9、以發(fā)現(xiàn)，引入后噴后雖然會(huì)影響擴(kuò)散燃燒階段的放熱率，但對(duì)預(yù)噴和主噴的燃燒過程的影響卻不明顯，只有在EtPost相對(duì)較大的工況下(如圖2.1EtPost為350ms和450ms的工況)，后噴對(duì)預(yù)噴和主噴的燃燒過程才會(huì)有相對(duì)而言較為明顯的影響。圖2.1試驗(yàn)工況下各組放熱率曲線在試驗(yàn)工況AiPost=15CA時(shí)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(kuò)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(diǎn)后20CA左右附近，相對(duì)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(gè)峰值且隨著EtPost的增加而

10、增加。同時(shí)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(duì)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?yàn)?，在?shí)驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恒定不變，引入后噴，相應(yīng)的主噴的油量就會(huì)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(jìn)了缸內(nèi)已生成Soot的氧化。圖2.2AiPost=15CA時(shí)缸壓、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨EtPost變化曲線在試驗(yàn)工況EtPost=350ms時(shí)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(duì)于相同的EtPost，后噴的燃燒始點(diǎn)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?yàn)榇藭r(shí)后噴在接近上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒，缸內(nèi)的溫度壓力相對(duì)較高，所以此時(shí)的后噴放熱率峰值也就相應(yīng)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(duì)其影響不是很大。如前所述，這主要是因?yàn)橐牒髧姾?，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不變，主噴的油量會(huì)相應(yīng)的減小，從而使得溫度峰值有所下降。但后噴的引入，會(huì)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(shí)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(duì)排放性能影響的試驗(yàn)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(shí)隨著后噴射油量的增加，NOx的排放亦逐漸遞減，但對(duì)于AiPost=5CA的工況，NOx的排放卻是較無后噴的基準(zhǔn)點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)附近參與燃燒的，所以燃燒效率相對(duì)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(duì)于EtPost150ms的工況，煙度隨AiPost的變化呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)AiPostCA時(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)所選定的所有EtPost工況，煙度的排放均有不同程度的降低。當(dāng)EtPost=150ms時(shí)，噴射脈寬過小，加之噴油壓力為45MPa，相對(duì)較低，使得后噴噴油量較小不能夠產(chǎn)生明顯的燃燒，擴(kuò)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(dāng)AiPost=5CA時(shí)，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(diǎn)，故而減弱了其對(duì)擴(kuò)散燃燒末期溫度提升的能力，從而也就限制了其進(jìn)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(jìn)一步地減小，并在15CA時(shí)到達(dá)最小，但之后隨著AiPost地進(jìn)一步增加，煙度值又逐漸升高。這主要是因?yàn)?，此時(shí)的后噴時(shí)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(duì)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(shì)，只有當(dāng)AiPost較小時(shí)，才較無后噴的base;工況有所優(yōu)化。如前所述，此時(shí)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(duì)于EtPost=150ms的工況，如前所述，此時(shí)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(duì)于EtPost較大的工況，隨著AiPost的增加，后噴時(shí)刻逐漸遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒效率逐漸降低，所以燃油經(jīng)濟(jì)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(yàn)工況下，通過改變后噴射參數(shù)進(jìn)行研究得出以下結(jié)論：1、在適當(dāng)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(shí)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(dāng)?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(shí)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(shì)。參考文獻(xiàn)1 Russell, M.F. The dependence of diesel combustion on injection rate. In IMechE-

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