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(shè)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(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，煙度測量采用了AVLDISMOKE4000煙度計。圖1.1試驗系統(tǒng)組成為方便實驗設(shè)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(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，本實驗中將預(yù)噴開始時刻與主噴開始時刻之間的曲軸轉(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。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(shè)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(yù)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(yù)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(yīng)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(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(yīng)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-

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