燃烧相位对柴油机低温燃烧影响的试验研究*

滑海宁，张全长

(长安大学汽车学院，西安 710064)

前言

随着排放法规的日益严格，排气后处理装置已成为柴油车必不可少的装备。但考虑到后处理器的转换效率、耐久性和运营成本等因素，应以机内净化为主，即通过改善燃烧降低排放。由于传统燃烧存在着NOx和碳烟之间的矛盾关系，因此须采用新型的燃烧方式，其中，柴油机低温燃烧(LTC)近年来在国内外得到广泛的研究[1-5]。

柴油机低温燃烧的特征可以概括为EGR与喷油策略控制的大比例预混合的低温燃烧过程。通过大量的EGR，使燃油与空气充分混合，同时降低缸内燃烧温度，可以同时实现极低的NOx和碳烟排放，但也面临CO和THC排放较高、热效率较低等问题。

为了提高柴油机热效率，必须将燃烧放热时刻控制在一个合理的范围内。而CA50(50%累积放热量所对应的曲轴转角)是描述发动机燃烧过程的关键参数[6]。本文中通过改变燃烧相位，即在不同的EGR率下，使CA50分别保持在上止点、上止点后4°CA、7°CA和10°CA等不同时刻，研究燃烧相位对柴油机低温燃烧性能和排放的影响。

1 试验装置和研究方法

研究在一台六缸增压、水冷柴油机上进行。对第6缸进行了改造，独立出其进、排气系统和喷油系统，其余5缸保持不变。发动机参数见表1。

表1 发动机参数

图1为试验装置示意图，通过调节背压阀开度可改变EGR率。喷油由一套电控系统控制，可灵活调节喷油量、喷油时刻和轨压等参数。采用自行开发的缸压采集与放热率实时处理系统完成缸内压力采集，CA50可实时显示。气体测量采用了Horiba MEXA-7100DEGR排气分析仪，烟度测量采用了AVL415烟度计。

试验中，发动机转速恒定为1 400r/min、进气压力为0.15MPa、循环喷油量为50mg。通过调节喷油时刻，在不同EGR率下都保持CA50固定。从无EGR开始，调节背压阀开度，直至发动机燃烧不稳定，然后改变CA50相位，进行下一组试验。

2 理论分析

定容加热理论循环可以表征瞬时加热或点加热的情况，而任何一个实际循环的燃烧放热过程从微观角度而言均可认为是多个定容加热循环的组合。因此，分析不同曲轴转角下的定容加热理论循环热效率可以全面反映燃烧放热率对循环热效率的影响规律。图2是在±φ1、±φ2(φ2>φ1)和上止点处(φ=0)进行定容加热时所对应的T-S(温-熵)图，图中每一循环对应的进气终了状态循环加热量Q均相同。

在理论循环假设条件下，对于上止点前φ曲轴转角开始加热的循环，其缸内工质状态与上止点后φ曲轴转角(压缩到上止点后再膨胀至原来位置)状态相同，因为其缸内容积相同。即T-S图中定容加热线完全重合，但由于此时缸内温度较低其曲线处于上止点进行定容加热的曲线下方，且随φ的增加而逐步降低。根据理论循环热效率定义，有

(1)

式中：ηt为热效率；Wt为工质所做循环功；Q1为损失的热量；Q为燃料的热量。

因此，在燃料完全燃烧放出热量相同的情况下，由图2可知，在上止点定容燃烧时，Q1等于图2中的Q2；在偏离上止点±φ1时，Q1等于图2中Q2和Q3之和；而在偏离上止点±φ2时，Q1等于图2中Q2、Q3和Q4之和。因此，定容燃烧偏离上止点越多，热损失就越大，热效率就越低。其实，从如下定容加热循环热效率公式也可反映出如上关系：

(2)

(3)

式中：εc为压缩比；k为等熵指数；cv为定容比热容；cp为定压比热容；Rg为气体常数。

式(2)和式(3)表明，压缩比相同时，热效率只和cv有关，而cv是温度和缸内工质的函数。因而在上止点定容燃烧时，压缩温度较高，热效率较高。所以，偏离上止点加热实际上是降低了等熵指数，偏离上止点越多，等熵指数越小。对于实际发动机循环，由于放热不可能在上止点时刻瞬间完成，上止点也不一定是温度最高的时刻，再考虑到传热和热离解等不可逆损失，实际的最高热效率所对应的时刻往往在上止点后附近的区域[7]。

3 CA50对柴油机燃烧特性影响

图3是在不同CA50时，最大缸内爆发压力、喷油时刻和最大压升率随EGR率的变化关系。由图3(a)可见：随CA50的提前，缸内最大爆发压力大幅升高；在相同的CA50下，缸内最大爆发压力随EGR率变化不大；随EGR率的增加，CA50在上止点时，在较大EGR率下最大爆发压力会升高；而CA50在上止点后10°CA时，最大爆发压力会有所降低。

由图3(b)可见：喷油时刻推迟时，燃烧相位后移；但不同CA50下喷油时刻的差别基本上不随EGR率的增加而变化；仅当EGR率增加到约55%以后，差别略有增大；CA50在上止点时，最大EGR率可达到60%左右，即当EGR率再增大时，无论何时喷油，都不能使CA50保持在上止点，而是会使其后移，这是因为在较大EGR率时，滞燃期较长。

由图3(c)可见：CA50提前时，最大压升率升高；但EGR率低于30%之前，不同CA50下最大升压率的差别不大，且随着EGR率的增加，最大升压率仅略有升高；EGR率超过30%之后，差别逐渐扩大；CA50在上止点时，随着EGR率变大，最大压升率基本上呈变大的趋势，最大时达到了1.8MPa/°CA；而CA50在上止点后10°CA时，随EGR率变大，最大压升率基本上呈减小的趋势，即最大压升率由EGR率和燃烧相位共同决定；CA50在上止点后4°CA和7°CA时的最大升压曲线，基本上介于上止点和止止点后10°CA曲线之间。

图4(a)和图4(b)分别是不同CA50时指示燃油消耗率bi和指示热效率ηi随着EGR率的变化关系。由图可见：在EGR率低于50%之前，EGR率对bi和ηi的影响不大；EGR率高于50%之后，随着EGR率的上升，bi逐渐升高，ηi逐渐降低；CA50在上止点和上止点后4°CA时，bi和ηi差别较小。

从图4可看出，CA50位置基本上和理论分析的结果一样，即越偏离上止点，ηi越低，bi越高，不过CA50在上止点和上止点后4°CA时差别较小。

图5(a)是根据实测缸压计算的累积传热量，计算区间为从进气门关闭至排气门打开。从图中可看出，CA50在上止点时，传热量较大，累积传热量接近250J，占燃料总热值的12%。图5(b)为瞬时放热率，从图中可看出，燃烧放热率及其峰值差别并不大，只是燃烧相位不同。图5(c)是EGR率为36%时不同燃烧相位时缸内平均温度变化历程，图5(c)表明，虽然燃烧相位不同，但最高缸内平均温度相差较小，温度变化历程相似，只是燃烧相位靠后时，燃烧后期缸内平均温度较高。

因此，燃烧相位对燃烧特性的影响主要有以下两点：一是CA50越靠近上止点时，指示热效率较高，燃油消耗率也较低，即有良好的经济性；二是CA50越靠近上止点，发动机工作就越粗暴，表现在最大压升率较高，同时，缸内最大爆发压力也较高，对发动机机械负荷提出了更高的要求。

4 CA50对柴油机排放特性影响

图6是在不同CA50时刻，NOx、soot、CO和THC排放随EGR率的变化关系。由图6(a)可见：随CA50的前移，在相同EGR率时NOx排放逐渐升高；当EGR率超过50%时，NOx排放已很低，燃烧相位的变化对其影响较小；燃烧相位的改变实际上是喷油时刻的变化，图中小图是EGR率为36%时的缸内平均温度，虽然平均温度不是影响NOx排放的直接原因，但可以反映缸内温度变化历程，因为高温、富氧和高温持续时间是影响NOx排放的三大要素，在相同EGR率下，氧浓度差别较小，但从平均温度对比可知道，最高平均温度差别也不大，但CA50较早时，高温持续时间较长，这是CA50提前时NOx排放较高的主要原因。

由图6(b)可见：CA50在上止点时，碳烟没有出现下降的现象，这是因为在较大EGR率时，CA50不能保持在上止点时刻；EGR率在50%以前，碳烟排放都非常低；EGR率继续增加时，碳烟排放上升，且燃烧相位越靠后，碳烟排放越大；CA50越偏离上止点，Soot-Bump(碳烟排放开始急剧升高)区中碳烟峰值就越大，CA50在上止点、上止点后4°CA、7°CA和10°CA时，碳烟迅速上升所对应的过量空气系数数分别是1.19、1.29、1.37和1.43，也就是燃烧相位越靠前，可以允容的EGR率越大。

从图6(c)和图6(d)可以看出，CA50对CO和THC排放影响的趋势基本相反，在相同EGR率下，CA50提前时，CO排放降低，而THC排放升高。因为CO是燃烧的中间产物，其氧化与缸内温度直接相关，燃烧相位靠前时，高温持续时间长，有利于CO的氧化。

燃烧相位的变化也是喷油时刻的变化，而对THC来说，存在一个最佳喷油提前角，过早或过晚都会造成THC排放升高。CA50较靠前时，喷油提前角较大，喷油时缸内的压力和温度都较低，燃烧前混合气形成较多的过稀区。因此，随着CA50后移，THC排放降低，而后移到一定程度，如CA50在上止点后7°CA和10°CA时，THC排放已差别不大。

文献[8]中把整个EGR区间分为高NOx区、中等EGR率区、高碳烟区和大EGR率区，其研究表明，大EGR率区虽然NOx和碳烟排放较低，但CO和THC排放较高，导致燃烧效率降低，因而中等EGR率是满足未来排放法规较好的选择。CA50在上止点后4°CA时，兼顾了压升率、热效率和排放特性，在本研究工况下，是最佳的CA50位置。其中等EGR率区间对应的EGR率为40%～56%，对应的喷油时刻为8.3°～13.8°CA ATDC。即为了满足更严格的排放标准，可以采取小EGR率加晚喷的方式，此时NOx排放较高但最大压升率较小；也可采取大EGR率加早喷的方式，此时压升率较高但NOx排放较低。因此，喷油策略应取决于爆发压力限制和对原始排放的要求，EGR和喷油策略共同决定CA50的位置。

5 结论

(1) CA50靠近上止点时，指示热效率较高，燃油消耗率也较低，即有良好的经济性；但缸内爆发压力、最大压力升高率也最高，发动机工作粗暴。

(2) 随CA50的推迟，热效率降低，碳烟和CO排放增高；THC和NOx排放降低。为兼顾性能和排放，在本研究工况下，最佳的CA50位置为上止点后4°CA。

(3) 喷油策略取决于爆发压力的限制和对原始排放的要求，EGR和喷油策略共同决定CA50的相位。

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[5] Jacobs T, Bohac S, Assanis D, et al. Lean and Rich Premixed Compression Ignition Combustion in a Light-Duty Diesel Engine[C]. SAE Paper 2005-01-0166.

[6] 谢辉,孙艳辉,吴召明.基于离子电流的汽油HCCI发动机燃烧相位传感方法[J].天津大学学报,2007,40(9):1089-1093.

[7] 韩永强,赵佳佳,张亮,等.放热率对效率的影响及对HCCI燃烧负荷限值评测[J].内燃机学报,2008,26(2):121-127.

[8] Yao Mingfa, Zhang Quanchang, Liu Haifeng, et al. Diesel Engine Combustion Control: Medium or Heavy EGR?[C]. SAE Paper 2010-01-1125.