噴油規(guī)律對(duì)柴油機(jī)性能與排放的影響研究.pdf

1、隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境污染的日漸加劇，以及排放法規(guī)的愈加嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于汽油機(jī)20％～30％，但其較高的氮氧化物NOx和顆粒PM排放成為制約其發(fā)展的瓶頸。因此，采取有效措施降低柴油機(jī)的有害排放并推廣其應(yīng)用，對(duì)改善環(huán)境污染和延緩能源危機(jī)問(wèn)題具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。 燃油噴射系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程及排放有著直接和決定性的影響。傳統(tǒng)的機(jī)械式燃油供給系統(tǒng)已無(wú)法滿足越來(lái)越嚴(yán)格的低

2、油耗和低排放的法規(guī)要求，電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題。在歐、美、日等發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，利用電控共軌系統(tǒng)的多次噴射功能，通過(guò)優(yōu)化噴油規(guī)律來(lái)改善柴油機(jī)燃燒與排放的研究已成為熱點(diǎn)。但由于國(guó)內(nèi)引進(jìn)共軌系統(tǒng)較晚且受生產(chǎn)技術(shù)的制約，這方面的詳細(xì)研究還鮮有報(bào)道。本文在國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，利用電控共軌燃油系統(tǒng)的多次噴射技術(shù)，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，旨在從優(yōu)化噴油規(guī)律方面來(lái)挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更高排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力，同時(shí)探索多次噴射對(duì)

3、柴油機(jī)性能與排放的影響規(guī)律，為同類機(jī)型的低排放研究和開發(fā)工作提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。 為了更深入的了解共軌燃油系統(tǒng)的噴射特性，利用EFS共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同噴油壓力、不同噴油提前角以及不同的多次噴射條件下的噴油率進(jìn)行了測(cè)取與分析。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于共軌系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的特性，實(shí)現(xiàn)了典型的矩形噴油率形狀；當(dāng)噴油始點(diǎn)不變時(shí)，噴射壓力越高，則噴油速率越大，噴油持續(xù)期越短；而在噴油壓力相同時(shí)，隨著噴油提前角的變化，噴油率曲線形狀基本未

4、改變，只是相當(dāng)于其位置沿著x軸的橫向移動(dòng)。當(dāng)預(yù)噴油量為定值時(shí)，隨預(yù)噴間隔的變化，預(yù)噴射噴油率的位置相當(dāng)于在x軸上發(fā)生橫向平移；而當(dāng)預(yù)噴間隔不變、預(yù)噴油量不同時(shí)，在噴油率曲線上顯示為相同位置上出現(xiàn)峰值不同的預(yù)噴射噴油率：同預(yù)噴情況相似，后噴時(shí)的噴油率隨后噴間隔的變化，其主噴射噴油率形狀基本不變，只是后噴燃油的噴油率位置沿著x軸發(fā)生了橫向移動(dòng)；而隨著后噴油量的變化，后噴燃油的噴油率表現(xiàn)為只是在同一位置開始但其峰值有所不同的曲線形狀。

5、 電控共軌噴油系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于，其噴油壓力和噴油定時(shí)以及噴油量相對(duì)獨(dú)立而不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的影響，從而使得柴油機(jī)在不同運(yùn)行工況下?lián)碛凶罴训膰娪瓦^(guò)程成為可能。通過(guò)調(diào)整共軌壓力和噴油提前角，對(duì)排放區(qū)的B50工況點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了性能與排放的測(cè)試分析。研究表明，噴油壓力提高，則燃油霧化質(zhì)量改善，混合氣形成更均勻，從而燃燒過(guò)程更充分，致使顆粒排放減少和油耗率降低；噴油提前角增大，使得燃油更集中于上止點(diǎn)附近燃燒放熱，燃燒過(guò)程提前結(jié)束

6、，從而提高了做功效率，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然采取較高噴射壓力和較小噴油提前角的結(jié)合可在一定程度上降低柴油機(jī)的排放，但是面對(duì)更高要求的排放標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，這樣的調(diào)整顯得無(wú)能為力。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱研究，決定采用共軌系統(tǒng)的多次噴射技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善柴油機(jī)的排放性能，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)機(jī)型進(jìn)行Pi-3.0-25預(yù)噴方案和Po-5.0-10后噴射試驗(yàn)探索證明了其可行性。 數(shù)值模擬的出現(xiàn)，給現(xiàn)代柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一條嶄新的途徑。但與此

7、同時(shí)，由于柴油機(jī)新技術(shù)的不斷應(yīng)用，使得原有的數(shù)學(xué)模型已不能完全滿足模擬預(yù)測(cè)的要求。如對(duì)于碳煙模型而言，當(dāng)采用共軌系統(tǒng)的多次噴射功能時(shí)，由于噴油模式的改變，燃燒過(guò)程也發(fā)生了變化，從而影響到碳煙的生成和氧化過(guò)程，這時(shí)原有的模型就暴露了其不足之處?；诖?，本文通過(guò)搜集大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，經(jīng)過(guò)總結(jié)提煉，并針對(duì)研究后噴射的目的，提出了一個(gè)基于平均反應(yīng)率的碳煙氧化模型，綜合考慮了湍流混合控制與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)碳煙氧化的影響作用。利用CFD軟件提供的接

8、口，通過(guò)Fortran 90編程將所提出模型進(jìn)行鏈接，耦合其它子模型，對(duì)柴油機(jī)在預(yù)噴和后噴條件下的燃燒及排放過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性與合理性。 為了探究不同預(yù)噴條件和后噴條件對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放的影響規(guī)律，為試驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，文中利用嵌入修正碳煙模型的FIRE軟件，對(duì)多種預(yù)噴和后噴方案下的柴油機(jī)燃燒及排放過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明：采用預(yù)噴射之后，主噴期缸內(nèi)的燃油混合情況要比沒(méi)有預(yù)噴

9、時(shí)更加均勻；預(yù)噴燃油的燃燒放熱縮短了主噴燃油的滯燃期，且隨著預(yù)噴油量的增加或預(yù)噴間隔的減小，主噴燃油滯燃期相應(yīng)更短；少量預(yù)噴燃油的燃燒能夠減少主噴燃油的預(yù)混合燃燒比例，降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，有利于NOx排放的改善；但是預(yù)噴射間隔和油量應(yīng)充分優(yōu)化，如間隔太長(zhǎng)或油量太少，則預(yù)噴不能起到預(yù)熱主噴燃油的目的，而過(guò)小的預(yù)噴間隔或過(guò)大的油量又會(huì)造成主噴射油束因卷吸過(guò)多的預(yù)噴燃燒產(chǎn)物而處于富油缺氧狀態(tài)，燃燒性能急劇惡化，造成碳煙大量產(chǎn)生；對(duì)于后噴而言

10、，少量后噴燃油的燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主噴燃燒過(guò)程影響很小，但由于后噴油束的射流作用促進(jìn)了缸內(nèi)混合氣的湍流擾動(dòng)，以及后噴燃油的燃燒放熱提升了缸內(nèi)溫度，從而提高了碳煙的氧化率，降低了其最終排放量；本文通過(guò)分析影響碳煙氧化的各種原因，認(rèn)為由后噴射引起的缸內(nèi)氣體的湍流混合是促進(jìn)碳煙氧化的一個(gè)關(guān)鍵因素。為了進(jìn)一步分析和揭示發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程及排放性能，分別在不同的多次噴射條件下，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了氣缸壓力的采集與燃燒性能的分析，同時(shí)測(cè)得了NOx與PM

11、排放值，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了分析和探討。研究表明，模擬計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，尤其是變化趨勢(shì)基本一致；表明所采用的計(jì)算模型能夠正確反映柴油機(jī)的實(shí)際燃燒過(guò)程。 通過(guò)模擬優(yōu)化結(jié)合試驗(yàn)研究首先得到如下結(jié)論：(1)單次噴射優(yōu)化時(shí)，在不引起燃油消耗率過(guò)多增加的前提下，傾向于選用較高噴射壓力和較小噴油提前角的組合，對(duì)試驗(yàn)機(jī)型最終選擇了共軌壓力65MPa、噴油提前角為1°CA BTDC的組合作為基準(zhǔn)狀態(tài)；但僅靠噴油壓力與噴油提前角的調(diào)整，難以

12、滿足更高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx與顆粒PM排放限值的要求，因而需采用先進(jìn)的多次噴射技術(shù)，包括預(yù)噴和后噴。(2)在預(yù)噴優(yōu)化時(shí)，傾向于選用小的預(yù)噴油量，預(yù)噴定時(shí)的優(yōu)化要結(jié)合NOx排放和燃油消耗率進(jìn)行；對(duì)試驗(yàn)機(jī)型最終選擇了1.0mg、15°CA或35°CA間隔的預(yù)噴方案；后噴優(yōu)化時(shí)，在不引起燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的范圍內(nèi)，傾向于選用大的后噴油量和短的主、后噴間隔；對(duì)試驗(yàn)機(jī)型最終選擇了5.0mg、10°CA間隔的后噴方案。通過(guò)以上多次噴射方案可以使柴油機(jī)的排放

13、指標(biāo)進(jìn)一步降低。 同時(shí)，通過(guò)模擬優(yōu)化和試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)了不同預(yù)噴和不同后噴對(duì)柴油機(jī)性能與排放的影響關(guān)系：(1)在預(yù)噴射條件下，當(dāng)預(yù)噴油量相同時(shí)，NOx排放與預(yù)噴間隔變化成反比關(guān)系；在預(yù)噴間隔相同且小于35°CA時(shí)，NOx排放與預(yù)噴油量變化成正比關(guān)系，而當(dāng)預(yù)噴間隔大于35°CA時(shí)則恰好相反；碳煙排放的變化趨勢(shì)與Nox排放變化相類似，唯一的區(qū)別是間隔35°CA前后的變化規(guī)律是一致的。(2)在后噴射條件下，當(dāng)后噴間隔相同時(shí)，Nox排放與

14、后噴油量變化成反比關(guān)系；當(dāng)后噴油量相同時(shí)，NOx排放與后噴間隔也成反比關(guān)系；對(duì)于碳煙排放而言，當(dāng)后噴間隔相同時(shí)，碳煙排放變化趨勢(shì)與NOx排放變化相似，而當(dāng)后噴油量相同時(shí)，碳煙排放隨著后噴間隔的增大先增大后減小。但過(guò)大或過(guò)遠(yuǎn)的后噴會(huì)帶來(lái)油耗率增加和排溫上升問(wèn)題，因此后噴油量和后噴間隔需要嚴(yán)格調(diào)整和仔細(xì)優(yōu)化。綜上所述，本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)直噴式柴油機(jī)進(jìn)行多次噴射方案的模擬優(yōu)化和試驗(yàn)研究，有效的改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與排放，取得了較為理想的效果。數(shù)值模