喷油策略调整对柴油机排放性影响的数值模拟研究

陈新梅 夏霖

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050）

2022 年3月26 日，工业和信息化部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中表示，降低碳排放是提高燃油车经济效能的手段之一。当今的绿色环保概念使人们较多地关注发动机的碳排放经济。随着人们对发动机缸内燃烧概念的深入认识，油气的匹配与混合成为缸内燃烧的核心问题，而较先进的发动机设备如高压共轨的出现正好满足了这一需求。高压共轨对喷油调节的灵活性，可以显著影响油气匹配的效果，提高燃烧效率，降低燃烧排放污染，达到预期的碳排放经济性[1]。在喷油规律的调节中，主预喷始点，主预喷间隔以及主预喷的优良分配是喷油规律调整过程中的重要因素，我们通过研究这些参数调整对柴油机排放的氮氧化物（NOx）和灰分（Soot）含量的影响，分析柴油机的排放性能。

1 喷油策略调整

柴油机理想的喷油规律是着火前的预喷量要尽量少，着火后喷油率要很快上升，大部分燃油在上止点附近燃烧，提高燃油利用率，接着又很快结束，避免后燃，降低排气温度[2]。开始喷油量少且喷油压力低，燃油将在燃烧室中心附近着火，着火后，由于喷油率很快上升，燃油可以较好地喷至外围，使火焰向空气较多的燃烧室外围传播，燃油得到完全燃烧。实际的喷油规律受柴油机转速和负荷的影响，喷油始点或者喷油终点提前或者滞后，着火前期由于喷油量多，燃油喷射不远，无法充分与氧气混合，影响燃油的充分燃烧，着火后，喷油终点提前而喷油不足导致燃烧不够[3]。

我们在前期的研究中对原型机的喷油规律进行了模拟仿真和实验标定，在运行转速范围1300～1900rpm下选取四个工况点，每个工况点下根据负荷情况选取不同的燃油预喷量。Point#1工况点为1300rpm转速下加载25%负荷，燃油喷射方式选取12%的预喷量；在1600rpm转速下分别加载50%负荷选取3%预喷量和加载75%负荷选取5%预喷量，是 为Point#2和Point#3；Point#4工 况 点 为1900rpm转速下加载100%负荷选取1.5%预喷量。实验标定结果表明仿真模型基本成功。为追求更好的动力经济性能和排放性能，现据实际应用情况对以上系统控制策略提出改进措施，拟定对喷油策略进行如下调整：

①保持预喷SOI（start of injection燃油起始喷射）和油量分配不变，给定主预喷的三种间隔。间隔的变化范围需将baseline的间隔包含。每个工况的间隔不太相同，根据具体工况而定；

②再将整个喷油规律曲线改变预喷SOI，整体移动0、+4、-4；

③改变主预喷油量分配，重复第①，②步骤。

通过上面的改变方案，可以考察主预喷始点，主预喷间隔和主预喷油量分配对发动机排放性与经济性的具体影响。每种主预喷油量分配下有9种方案，三种主预喷油量的分配一共有27种方案。

2 计算结果及分析

2.1 Point#1结果与分析

如图1，当预喷油量百分比为12%（即原型机的油量分配），9种操作条件中3，8操作点在NOx和Soot中取得较折中的结果，和原型机的排放基本保持在同一水平。其中操作条件3，8的指示功略大于原型机的指示功。3的主喷较8的主喷晚1°CA（Crank Angle Degree曲柄角度，下同），即3的主喷始点相对于原型机预喷间隔为12°CA，8的主喷始点相对于原型机预喷间隔为11°CA。原型机主预喷间隔为13.5°CA。因此，为达到较原型机更好的经济性，同时不牺牲其排放性，调小原型机主预喷的间隔时，需要较大幅度的推迟预喷，较小幅度的提前主喷，3的预喷推迟了4°CA，主喷提前了1.5°CA；调大原型机的主预喷间隔时，需要较大幅度的提前预喷，较小幅度的提前主喷，8的预喷提前了4°CA，主喷提前了2.5°CA。

图1 Point#1预喷油量百分比为12%时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

如图2，当预喷油量增加到20%时，操作条件13，16的排放优于原型机，13指示功略高于原型机，16指示功略低于原型机。13的主预喷间隔为13°CA，16的主预喷间隔为15°CA。

图2 Point#1预喷油量百分比为20%时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

如图3，当预喷油量增加到30%时，操作条件27的排放优于原型机，但指示功低于原型机。操作条件24，25排放略差于原型机，但指示功略高于原型机。24的主预喷间隔为13°CA，25的主预喷间隔为15°CA。

图3 Point#1预喷油量百分比为30%时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

如图4，主预喷间隔为8°CA时，随着预喷油量的增加，排放趋势为NOx增加，Soot降低，但指示功增加。3为最佳的操作模式，其次为12。因此，调整原型机主预喷间隔，当调小间隔时，较少的预喷油量较佳，而且调小方式为推迟预喷，提前主喷。

图4 Point#1主预喷间隔为8°CA时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

如图5，在主预喷间隔为13°CA时，随着预喷油量百分比的增加，排放趋势为NOx增加，Soot降低，但指示功增加。13为最佳的操作模式，其次为24。

图5 Point#1主预喷间隔为13°CA时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

如图6，在主预喷间隔为15°CA时，随着预喷油量百分比的增加，排放趋势为NOx增加，Soot降低，但指示功增加。因此，调整原型机主预喷间隔，当调大间隔时，较少的预喷油量较佳，而且调大方式为较大幅度提前预喷，较小幅度提前主喷。

图6 Point#1主预喷间隔为15°CA时，9种操作条件的NOx和Soot的排放仿真

通过以上分析可知，低速低负荷时，如不增加预喷油量百分比，可以通过以下方式优化其经济性，同时不影响其排放性能。

①较大幅度推迟预喷，较小幅度提前主喷，主预喷间隔较原型机变小；

②较大幅度的提前预喷，较小幅度的提前主喷，主预喷间隔较原型机变大。

如果增加预喷油量的百分比，可以通过以下方式优化其经济性，同时对排放性能不造成较大的影响。

①当预喷油量百分比增加不是很大时，可以微调主喷始点提前，保持预喷始点不变，主预喷间隔较原型机变化不大；

②当预喷油量百分比增加比较大时，可以较大幅度的推迟主预喷始点，主预喷间隔较原型机变化不大。

2.2 Point#2结果与分析

°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA°CA模拟分析结果显示，中速中负荷时，同时提升该原型机的经济性与排放性的空间比较小。可以考虑牺牲一定的排放性来提高经济性，而通过后处理器来适当的降低新增的NOx排放物。可采用的措施有：

①预喷油量百分比增加在一定范围内，当较大幅度减小主预喷间隔时，可以通过较大幅度的推迟预喷始点和提前主喷始点来提高经济性。但增加油量，经济性提升空间变小；

②预喷油量百分比增加在一定范围内，当较小幅度减小主预喷间隔时，可以通过较大幅度的提前主喷始点来提高经济性。但增加油量，经济性提升空间变小；

③预喷油量百分比增加在一定范围内，当微调提前主喷始点减小主预喷间隔时，可以再通过较大幅度的推迟主预喷始点来提高经济性。但增加油量，经济性提升空间变小；

2.3 Point#3结果与分析

Point#3的结果和规律与point#2基本一样。只是在预喷油量百分比为15%的时候，操作点16，25既可以提高其经济性，也可以适当的降低排放，其规律符合point#2结论中的第二点而不是第三点，说明油量增加的幅度对其变化规律也有影响。

2.4 Point#4结果与分析

当预喷油量百分比为1.5%（即原型机的油量分配）时，其规律和point#2，point#3一致。当预喷油量百分比增加时，如为10%时，操作条件15，16，为15%时，操作条件24，25和point#2，point#3不一致，但是他们有一个共同特征，即改变后的主喷始点与原型机的预喷始点的间隔为14°CA，与原型机主预喷间隔为17.2°CA相比有所缩短。

3 结论

通过四个工况点喷油策略的调整，研究其对发动机经济性与排放性的影响。现有结论如下：

①在低速低负荷时，在预喷油量百分数不增加的情况下，可以通过减小或增加主预喷间隔来达到提高其经济性与排放性，但预喷油量百分数增加的情况下，其提升空间减小。

②在中高速高负荷时，同时提升经济性与排放性的潜力有限，可以适当牺牲一定的NOx排放来提高其经济性能。总体趋势为适当减小主预喷间隔，负荷越大，减小越大。增加预喷油量百分比的情况下，其提升空间减小。