预喷策略对发动机工作过程和排放影响的研究

刘军 方谊茂 王建 陈鑫

摘要：随着汽车内燃机的不断增多，排放污染也日趋严重。对于NOX和PM难控制的特点，以柴油机4D25为对象，通过实验结合理论，以预喷策略对NOX 排放和其他性能影响进行研究。本篇文章主题为：在理论结合实验的思想下，分别对小负荷和大负荷这两种工况进行了预喷定时和预喷油量对NOX排放及其他性能影响研究。通过研究发现：在小负荷工作的情况下，将预喷定时提前且预喷油量较大时，NOX的产生量和烟度明显下降;在大负荷条件下，运用预喷策略对NOX的降低没有明显的作用，但预喷定时提早且预喷油量恰当，对烟度的降低有突出的成效。

Abstract： With the continuous increase of automobile internal combustion engines， emissions pollution is becoming more and more serious. Regarding the characteristics of NOX and PM that are difficult to control， the diesel engine 4D25 is used as the object， through experiments and theory， the pre-injection strategy is used to study the effects of NOX emissions and other performance. The theme of this article is： Under the thought of combining theory with experiment， the effects of pre-injection timing and pre-injection amount on NOX emissions and other performance are studied for two working conditions of small load and large load. Through research， it is found that when the pre-injection timing is advanced and the pre-injection amount is large under the condition of small load work， the amount of NOX production and smoke are significantly reduced; under the condition of heavy load， the use of pre-injection strategy reduces NOX There is no obvious effect， but the pre-injection timing is early and the pre-injection amount is appropriate， which has outstanding effects on the reduction of smoke.

關键词：柴油机;NOX;预喷定时;预喷油量;负荷工况

Key words： diesel engine;NOX;pre-injection timing;pre-injection amount;load condition

中图分类号：TK421                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0028-04

0  引言

能源的发展和利用对整个社会进步与科学技术的发展有着重要的影响，但在促进社会发展的过程中，也引起了许多环保问题，氮氧化物排放的增加是其中一个突出的问题，氮氧化物中NO严重损害了臭氧层，酸雨很大程度上也是由氮氧化物导致，氮氧化物对环境有巨大的破坏作用，也会对人体造成重大伤害[1]。NOX成分大部分为NO（约90%），而NO2成分相对较低。NO的生成方法有三个，即高温NO、激发NO和燃料NO，其中，高温NO是产生NO最主要的方法[2]，反应过程可见式（1）、式（2）和式（3）。

从氧的高温NO生成原理中我们可以明显看出，NO的生成量受三个主要因素影响：即氧气的恒定浓度，燃烧的瞬间温度和高温持续时间[3]。由于驱动柴油机在正常运行运转过程中经常处于稀混空气状态，即气缸内仍然是富氧的空气环境，高温度的持续时间主要受柴油机的齿轮转速和扭矩等因素影响，因此降低气缸内温度峰值成为了控制NOX的关键技术。

柴油机NOX排放的控制技术的主要方法是降低缸内燃烧最高的温度，以抑制NOX生产，主要采用：喷油策略优化技术和EGR[4]。本文以预喷策略的试验研究与理论分析为基础，在不同负荷的工作中，研究了预喷策略对样机排放、经济性能等影响;采集汽缸压，计算瞬时热率、室内温度等燃烧过程特征参数，理论分析了预喷策略对工作过程和性能的影响。

1  方法

1.1 试验平台搭建

本文以4D25柴油机为试验对象，主要发动机技术参数如表1。柴油机整体性能测试台架的示意图如图1所示。

使用INCA软件和ETAS公司的ETAS592作为电控标准系统[5]。用日本的HOTIBA公司STAR的工作界面进行数据收集。从实验中得到的实验数据有：燃油消耗率通过型号为AVL730的燃油消耗器测出，采集和记录气缸压力和瞬间放出热量等信息用燃烧分析器INDICOM，排放尾气的烟度用AVL415S酌滤纸烟度仪测定，柴油机排气的温度用温度感应器测定。用德国BOSCH公司的空气流量仪测量空气流量。

1.2 发动机工况的选取

确定各种发动机组所代表的实际工况和特点时可采用聚类分析统计方法。采用聚类分析研究方法[6]，基于NEDC四个循环的技术工况[7]，从汽油整车反向速度和柴油发动机的反向转速以及整车扭矩的反向转化两个角度，确定了汽车发动机的代表工况点[8-9]。

通过对1900r·min-1，负荷25%和100%的选择进行预喷策略，研究发动机的工作过程及排放效果。试验的具体预喷方案如表2所示。

1.3 实验方法

实验的目标是研究预喷策略的工作过程和排放效应。实验用的台架以4D25共轨柴油机及整车为基础，运用到归类分析，根据NEDC循环下汽车真实小时耗油量和排放规律，聚类中心靠向加速工作点，确定2个可以代表整车NEDC循环排放和油耗的发动机工况点。然后进行这两个情况的实验，再对其进行分析、研究，得出预喷定时、油量预喷对柴油机工作过程及排放影响的结论及原因。

2  结果与讨论

2.1 柴油机工作过程和排放受到预喷定时的影响

图2是柴油机缸压和瞬间放热由于预喷带来的变化。由图2显示，在工作状况A和B情况下，气缸压力和瞬间放热率受到预喷定时的改变的影响大体相同。提前预喷定时后，预喷产生的热量提前了，气缸中压力最高值慢慢降低，主放热率的最高值也逐渐降低。以工作状况A为例，由图2（a）和图2（b）所知，将预喷定时从9°CA BTDCA提前至19°CA BTDCA，最高缸内压力降低了8.58%，达到7.6MPa。主放热率的峰值降低了7.38%，达到42J·°CA-1。

图3表示的排放和油量在不同预喷定时的情况。从第3张图可以得到，NOX和烟度都随着预喷定时的提早而逐渐减少。但在工况A时，NOX的下降非常的快，详细如下：当预喷油量为3mg·cycle-1时，NOX下降了33.54%，当时NOX为109×10-6，烟度降低了20.19%，为0.09FSN;在工作状况B时，改变预喷定时后，NOX变化不明显，但烟度在恰当的预喷油量得到了微小的优化。详细如下：当预喷油量为4mg·cycle-1时，NOX下降了1.26%，为1022×10-6。另外，当预喷量增大时，烟度得到了稳定的降低，用4mg·cycle-1时，烟度下降最大，下降率为39.86%，下降率为0.12FSN，与NOX变化相比，在工况B时预喷定时对烟度排放有较明显的改进。

其原因是：①在大负荷情况下，全部喷油量的3%是预喷油量，占的比重并不大，预喷对进入燃烧室燃油和混合空气的改进作用比A工况低，因此预喷时定时变化对NOX排放影响很小;②在大负荷情况下，温度和压强都处在一个高的状态，再加上主喷燃烧时间短，得出预喷定时只在很小的程度上影响滞燃期。但是更早的预喷（19° CA BTDC）有助于烟度的改善。

2.2 柴油机工作过程及排放受预喷油量的影响

图4是预喷油量影响发动机气缸压强和一瞬间放出热量的情形。由图4所示，从A和B来看，气缸压力和瞬间放热率受到预喷油量的影响，其影响趋势是基本相同的。随着预喷量的增大，气缸压缩最大值、爆发最大值都上升，预喷时瞬间放热最大值上升，主放热最大值上升，而预喷时不会有明显的放热位置变化。以工况A为例，由图4（a）所知，从2mg·cycle-1增到4.5mg·cycle-1气缸压力上升7.41%，到7.4MPa，放热率的主要最大值下降6.54%，41J·°CA-1。

其原因如下：①预喷提前燃烧，导致缸内压力升高，当预喷量变大时，压力峰值愈来越明显;②因为增加预喷，主喷油对燃料的反应减少，主放热值下降。但在大负荷工作时，由于预喷量在全部循环喷油中所占比例较低，此时预喷量的变化对主喷油射量的影响较小，因此主喷油主放热率下降不明显。

图5是NOX和烟度随预喷油量的变化而发生的变化图。从图5中可以看出，工况A时预喷的定时（9°CA BTDC）对降低NOX不利，NOX随着预喷油量的升高而升高，2mg·cycyle-1逐步提高至4.5mg·cycyle-1，增加51.32%的NOX，为216×10-6，随着预喷油量的升高，烟度缓慢降低，降低的数值为19.17%，0.097FSN;预喷定时提前（19°CA BTDC），NOX和烟度随预喷量的增加逐渐降低，预喷量由2mg·cycyle-1，增加至4.5mg·cycyle-1，NOX降低了4.53%，117×10-6，烟度降低了13.04%，0.08FSN。

其原因是：小負荷喷油的总量较少，此时预喷的油量比例较大，预喷时间较小，预喷的油量增加，一定程度上相当于主喷的定时提前，放热集中在接近上点的地方，使气缸局部内温上升，导致NOX排放增加，但此时有助于碳烟的氧化反应。

从如图5中我们可以明显看出，工况值为B时，在同一预喷定时下，NOX随着同一预喷量的不断增加而烟度呈缓慢性的升高，烟度呈现降低的趋势。在预喷定时为19°CA BTDC时，NOX大小上升2.46%，为1048×10-6，烟度减少31.25%，为0.11FSN，NOX数值在预喷油量改变时变化不大，但是其烟度仍然可以得到明显降低。其形成原因主要是：碳气预喷量密度增大，预混合的热量密度加大，导致在靠近上止点的位置时完成主要燃烧，有利于碳烟的氧化。

在工作状况A时，通过预喷的定时影响情况，在预喷量为3mg·cycle-1时，在预喷量从9°CA BTDC提早到19°CA BTDC时NOX下降33.54%，达109×10-6，烟度降低20.19%，在预喷量中下降到20.19%。0.09FSN;从预喷油量可以得到，早期预喷（19° CA BTDC）和较大预喷量（4.5mg·cycle-1）可以得到更优化的NOX和烟度的排放量，因此在工作情况下A预喷时（19°CA BTDC）和合适预喷量，可以有效地使NOX和烟度的排放数值下降。

在工作状况B时，由预喷定时影响到的情况能够得到，4mg·cycle-1的喷油量中，预喷定时从9° CA BTDC提早到19°CA BTDC，NOX仅下降1.26%，为1022×10-6，烟度降低39.86%。0.14FSN;分析预喷油量可得，在预喷定时19°CA BTDC，预喷油量从2mg·cycle-1增加至达到4.6mg·cycle-1时，NOX烟度提升2.46%，为1038×10-6，为0.08FSN，烟度相比降低了63.22%为0.08FSN。通过和预喷在小负荷时的情况比对，NOX的降低效果在大容量负荷早期预喷的促进方案取得的作用不大，但如果提前预喷时间并且预喷释放量恰当对于油烟度值的降低将具有显著的促进作用。

预喷以抑制NOX的产生为主，当然在与喷油量和预喷定时恰当的情况下对烟度有很好的抑制作用。因此，就A和B来看，选择早期预喷（19°CA BTDC）和适当的预喷量3mg·cycle-1-4.5mg·cycle-1），有利于NOX和烟气排放的改善。

3  结论

为了减少柴油机NOX排放，本文对预喷油战略的工作过程和排放进行了研究，得出以下结论：

①A、B两种工况，将预喷提前，气缸压力峰值和主放热率峰值逐渐降低，而随着气缸预喷量的不断增大，气缸压缩压力最值和气缸爆发压力峰值上升，瞬间放热率峰值上升，主放热率的最值上升，而放热点没有改变不大。

②烟气工况期间A时段的预喷烟气时间较早（19°CABTDC），以及适当的烟气预喷量，可大幅减少NOX和烟气的排放。在工况B时，采用预喷策略对降低NOX无明显作用，但同时采用较早预喷定时和大预喷油量对空气烟度值的改善具有明显促进作用。

参考文献：

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