單缸柴油機是農(nóng)業(yè)機械、小型發(fā)電機組中應(yīng)用非常廣泛的動力機械，其帶來的環(huán)境污染問題也日益棘手。電控蓄壓式噴油系統(tǒng)具有噴油參數(shù)柔性控制、響應(yīng)速度快等特點，將會是解決相關(guān)排放問題的有效技術(shù)方案。本期推文筆者以單缸風冷192 F 柴油機為樣機，將原機械式噴油系統(tǒng)升級為電控蓄壓式噴油系統(tǒng)，進行燃燒系統(tǒng)設(shè)計、缸內(nèi)工作過程分析。

1、噴油系統(tǒng)介紹

圖1為192 F 柴油機電控蓄壓式噴油系統(tǒng)示意，主要由低壓油泵、高壓油泵、蓄壓腔、電控噴油器、ECU 和各種傳感器組成。


圖1 192F柴油機電控蓄壓式噴油系統(tǒng)示意

由于電控噴油器采用了更多噴孔且噴霧能量大幅增加，為防止缸內(nèi)相鄰油束在進氣渦流作用下的相互重疊和減輕燃油撞壁現(xiàn)象，筆者針對進氣道和燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化，詳細信息請參閱原文[1]。

2、結(jié)果與分析

燃燒系統(tǒng)再設(shè)計完成后，初步確定了噴油參數(shù)使得電控柴油機樣機能夠正常運轉(zhuǎn)。蓄壓式噴油系統(tǒng)可采取預(yù)噴＋主噴的噴油策略，待優(yōu)化參數(shù)為噴射壓力(軌壓)和預(yù)噴量，進行標定工況下的參數(shù)優(yōu)化。標定工況請參閱原文[1]。

2.1 軌壓優(yōu)化

標定功率為8.2 kW，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，轉(zhuǎn)矩為21.75 N·m。試驗在主噴油提前角為2° CA BTDC、預(yù)噴油量為1.0 mg/cyc 下，對不同軌壓(105、110 和115 MPa)時的噴油性能進行研究，其中主、預(yù)噴間隔為1 200 μs(約21.6° CA)。圖2為不同軌壓下樣機燃燒特征參數(shù)。圖3為不同軌壓下的HC、CO和NOx排放及煙度。


圖2 不同軌壓下樣機燃燒特征參數(shù)

圖2a 中，3種方案下的壓縮壓力(第一峰)一致；缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力(第二峰)隨軌壓的增大而不斷增大且對應(yīng)的相位角前移，具體分別為5.52、5.76 和5.81 MPa，后兩種方案較方案1分別增加4.35%和5.25%，可以看出隨軌壓的提高，爆發(fā)壓力增加但增幅趨緩；對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為17°、16°和15° CA ATDC，相位提前，主要原因是軌壓提高，使得噴油速率升高、噴油持續(xù)期縮短且燃油霧化質(zhì)量提高，滯燃期內(nèi)形成的混合氣數(shù)量增多，預(yù)混燃燒放熱量多；高的霧化質(zhì)量和缸內(nèi)溫度使得燃燒始點提前(圖2c)，因而最大爆發(fā)壓力增加，對應(yīng)的相位角前移，同時對應(yīng)的缸內(nèi)燃燒溫度也更高。圖2b 中，隨軌壓升高，燃燒整體前移、預(yù)混燃燒放熱量增多且擴散燃燒放熱量減少。相比于軌壓為105 MPa，在軌壓為110MPa 和115MPa 下的預(yù)混燃燒峰值分別升高了3.42%和5.90%，擴散燃燒峰值下降了3.28%和4.84%。圖2c 中，隨噴油壓力增加，燃燒始點前移，即滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期同樣縮短。


圖3 不同軌壓下的HC、CO和NOx排放及煙度

圖3為不同軌壓下的HC、CO 和NOx排放及煙度。圖3a中，隨著軌壓的增大，HC和CO排放均呈下降趨勢，相比于軌壓為105 MPa，在軌壓為110 MPa和115 MPa 下的HC 排放分別下降5.55%和11.31%，CO 排放分別下降9.64%和14.04%。軌壓升高后，燃油霧化質(zhì)量提高，油、氣混合氣質(zhì)量得到改善且缸內(nèi)較高的溫度有利于降低HC 和CO 排放。圖3b 中，隨軌壓升高，NOx排放上升，相比于軌壓為105 MPa，在軌壓為110 MPa 和115 MPa 下分別增加了4.95%與8.52%；煙度下降，軌壓為110 MPa和115 MPa 下分別降低了9.44%與16.67%。軌壓升高，營造了缸內(nèi)更高的溫度環(huán)境，促進了NOx的生成；而煙度水平是燃燒前期碳煙大量生成和燃燒中、后期氧化減少的綜合體現(xiàn)。軌壓升高，缸內(nèi)溫度升高促進了干碳煙的產(chǎn)生，而更高的缸內(nèi)溫度又有利于提高碳煙的氧化速率，可知后者對降低碳煙的影響作用比重更大。

2.2 預(yù)噴量優(yōu)化

試驗在轉(zhuǎn)速為3 600 r/min、轉(zhuǎn)矩為21.75 N·m下進行。在軌壓為110 MPa、主噴油提前角為2° CA BTDC 條件下，對預(yù)噴油量為0.8、0.9、1.0 和1.1 mg/cyc 時的噴油特性進行研究，主、預(yù)噴間隔為1 200 μs。不同預(yù)噴油量下的缸內(nèi)壓力如圖4所示。隨預(yù)噴油量的增加，壓縮壓力略有增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力有所下降且對應(yīng)的相位角前移。預(yù)噴油量增大，冷焰效應(yīng)增強，缸內(nèi)壓力升高，表現(xiàn)為主噴前壓縮壓力增大；壓縮壓力的提高縮短了主噴燃油的滯燃期，最大爆發(fā)壓力下降，使燃燒提前。圖5為各預(yù)噴油量下的瞬時放熱率。圖5a中，在約26° CA BTDC 時觀察到預(yù)噴放熱現(xiàn)象，不同的預(yù)噴油量對冷焰效應(yīng)現(xiàn)象的開始時刻影響不大，主要影響的是預(yù)噴時的放熱速率，預(yù)噴油量越多，放熱速率越快；圖5b 中，隨預(yù)噴油量增大，速燃期放熱率峰值相位提前，且峰值下降。


圖4 不同預(yù)噴油量下的缸內(nèi)壓力


圖5 各預(yù)噴油量下的瞬時放熱率

圖6為有效燃油消耗率(BSFC)和缸內(nèi)最高燃燒溫度隨預(yù)噴油量變化。隨預(yù)噴油量的增加，二者均呈先降后升的趨勢。預(yù)噴油量為1.0 mg/cyc時BSFC最低，為246.8 g/(kW·h)，相比預(yù)噴油量為0.8 mg/cyc時降低了1.83%；預(yù)噴油量為0.8 mg/cyc 時缸內(nèi)燃燒溫度最高為1 491 K，當預(yù)噴油量增加到1.0 mg/cyc時缸內(nèi)燃燒溫度降為1 426K，繼續(xù)增加預(yù)噴油量為1.1 mg/cyc 時，缸內(nèi)燃燒溫度升為1 435 K。適量預(yù)噴油量下的冷焰效應(yīng)可改善氣缸燃燒環(huán)境，縮短滯燃期，燃燒相位前移，帶來較低的缸內(nèi)溫度環(huán)境，可一定程度上提高熱效率，并為抑制NOx的生成提供有利條件；但過大的預(yù)噴油量會增加壓縮沖程的消耗功，使得有效熱效率下降，但壓縮上止點時缸內(nèi)溫度高使得后續(xù)燃燒溫度有微小上升。


圖6 不同預(yù)噴油量下的有效燃油消耗率和缸內(nèi)最高燃燒溫度


圖7為各排放隨預(yù)噴油量的變化。圖7a中，隨著預(yù)噴油量增加，HC 和CO 排放都有所上升，較0.8 mg/cyc 相比，預(yù)噴油量為0.9 mg/cyc 下的HC 和CO 排放分別增加2.73% 和1.02% ；預(yù)噴油量為1.0 mg/cyc 下HC和CO排放增加4.48%和2.89%，預(yù)噴油量為1.1 mg/cyc 時增加7.89%和8.32%。預(yù)噴油量增多，預(yù)噴的冷焰放熱階段的不完全燃燒加重，加上擴散燃燒階段缸內(nèi)溫度和壓力均降低，可能都是HC和CO排放惡化的重要原因。圖7b中，NOx 排放先降低后升高，煙度先升高后降低，預(yù)噴油量為1.0 mg/cyc 時出現(xiàn)拐點。NOx 隨預(yù)噴油量的變化趨勢與缸內(nèi)燃燒溫度(圖6)有關(guān)，溫度高則NOx 排放也高；不同預(yù)噴油量造成缸內(nèi)燃燒溫度的變化對煙度的影響從兩個方面考慮，一方面，缸內(nèi)溫度高會造成干碳煙的初始生產(chǎn)量增加；另一方面，缸內(nèi)溫度高對干碳煙后期的氧化有利。綜上，不同預(yù)噴油量時NOx和煙度呈現(xiàn)明顯的trade-off關(guān)系。


圖7 不同預(yù)噴油量下的HC、CO和NOx排放及煙度


文獻來源與學(xué)報簡介
文獻來源：
[1]王 建,陳 沛,王 斌,等.低排放單缸風冷柴油機的優(yōu)化設(shè)計與匹配[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,(02):167-175.