重型柴油机中参数对系统燃烧排放的影响

郭俊宝 纪新春 康 毅 高志雄 魏 达

（山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037036）

随着技术的持续升级，内燃机有了更好的燃油经济性和动力性，它在生产建设、道路运输和机械工业中得到广泛应用，在经济发展的过程中是一种不可缺少的动力机械[1]。使用内燃发动机将能量转化为工业价值的同时，产生大量的污染物。内燃机排放的污染物主要是NOx，该类污染物对环境和人体健康安全都存在危害，因此减少内燃机的污染物排放迫在眉睫[2]。为了保障国家能源安全，采取的一个重要措施是在能源使用领域内提高能源使用效率，这样可以减少碳排放，减轻温室效应，也可以降低石油需求的增速，降低其对外依赖度[3]。传统柴油机使用扩散燃烧方法，燃烧性能不够理想，有害物质排放多。研究主题是对柴油机的燃烧和排放性能的影响进行研究，并提高热效率，减少有害排放；研究的创新性在于摈弃传统的内燃机的扩散燃烧方法，选择高充量强混合技术，对燃烧过程中的油气混合进行强化，来提升柴油机大负荷工况下的性能。

1 强混合技术对重型柴油机燃烧系统的改进及参数对燃烧和排放的影响

1.1 进气和喷油系统参数对柴油机大负荷工况下燃烧的影响

重型柴油机在大负荷工况下的喷油量较大，难以应用新型的燃烧模式，因此多采用传统的扩散燃烧方法。为提高热效率，需要采取措施来提升油气混合速率。在单缸柴油机中，通过改变进气参数来改变对气体的压力、密度及循环油量对燃烧过程和有害物质排放的影响。在喷油的瞬间，缸内的充量密度会对喷雾的破碎、雾化和蒸发产生很大的影响[4]。环境密度在20kg/m3～100kg/m3，环境温度为800K。在柴油机缸内燃烧过程中，进气压力是一个重要的边界条件，它与有效压缩比共同决定了上止点瞬间的充量密度。在发动机的压缩过程中，花费的时间短暂，可以看作绝热压缩过程。基于理想气体状态方程可知，上止点充量密度计算如公式（1）所示。

式中：Pb为进气压力；Tin为进气温度；ε为发动机有效压缩比，ρtdc为上充量密度；Ptdc为压缩上止点压力；Ttdc为压缩上止点温度。从公式（1）可以看出，当进气温度保持不变时，增大进气压力可以增大气体充量密度，以此增加缸内的氧气含量，来提高其燃烧效率。研究对不同充量密度对柴油机的大负荷工况下油气混合状态、燃烧过程、有害气体排放的影响，在温度为330K的条件下进行试验，对进气压力和循环油量进行调节来改变充量密度。设置试验参数见表1。

表1 试验参数设置

1.2 基于强混合技术改进重型柴油机燃烧系统

虽然增大充量密度可以提高缸内的油气混合速率，改善燃烧性能，但是缸体存在压力项指控，充量密度增加是有限的，压力过高会给柴油机带来更多的负担，不利于延长柴油机的寿命[5]。为进一步提升燃油的混合率，提出一种采用预燃室与主燃室相结合的新型预燃室射流扰动技术，利用其在主燃烧室中产生的剧烈湍流，加速主燃烧室中的燃油混合，并在大尺度射流扰动与大范围小尺度湍流的联合作用下，提升燃料的燃烧速率与定容，最终实现柴油的准均质燃烧。将预燃室和主燃烧室进行结合，主燃烧室和预燃室都布置了喷油器来承担放热，预燃室主要负责形成强烈的扰动射流，加速主喷燃油的快速混合和燃烧放热，而主燃室内燃油的燃烧是主要的功率输出。不同燃烧系统的示意图如图1所示。

图1 不同燃烧系统的示意图

研究中，为探索预燃室射流对主燃室内燃油的油气混合效果以及改善指示热效率的潜力，可以将主燃室内的燃油流动和燃烧过程准确地反映出来。使用一种标准的发动机模型，并研究了有无预燃室燃烧系统间的差异。

2 改进后的柴油机燃烧系统的效果对比及参数在大负荷工况下对燃烧系统的影响

2.1 改进重型柴油机的燃烧系统改进效果分析

在改善前、改善后的柴油机燃烧系统中，预燃室对缸内压力、瞬间热效率以及缸内平均温度的影响如图2所示。

图2 预燃室对缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度的影响

如图2所示，在上止点处，由于预燃室的形状发生变化，在上止点处腔体的空间增大，压缩比降低，因此缸内压力峰值小于参考缸。由于主燃室的最高爆裂压力与参考缸接近，因此也能够满足高爆燃要求。同时，在上止点后，预燃室中的燃料在燃烧后将与主燃室间形成6MPa的压差，同时也在主燃室中生成一股高速射流，对主燃室的燃烧进行干预。从瞬态放热速率变化规律来看，加入预燃器射流使瞬态放热速率的峰值增大，并使燃烧终止时间提前。从缸内平均温度变化曲线可以看出，压缩比降低，Case0上止点温度低于基准Case，但是温升速率得到了提升，并且最高燃烧温度超过基准Case，这说明射流可以提升主燃室燃油的放热速度，降低排气温度，减少排气损失。

2.2 进气压力参数和循环油量对柴油机大负荷工况下燃烧的影响

该文分析了不同充量密度对柴油机的大负荷工况下油气混合状态、燃烧过程、有害气体排放的影响，当温度为330K时进行试验，随着进气压力变化，上止点充量密度的变化情况如图3所示。

图3 上止点充量密度随进气压力的变化

随着进气温度和有效压缩比增加，充量密度也会随之增加，这表明内燃机在上止点时刻燃烧的每个体积单位中含有更多的氧气。因此，试验结果表明，对一个理想的内燃机来说，充量密度呈线性增长。为更好地了解不同进气压力下的瞬间放热率，可以通过对不同进气压力下瞬间放热效率的研究来了解内燃机在不同工况下的运行状态。试验结果表明，在不同进气压力下，瞬间放热效率都有一定的变化，其变化趋势如图4所示。

图4 不同进气压力下的瞬时放热率

如图4所示，随着进气压力升高，瞬时放热效率增大，燃烧时间显著下降，更集中，因为扩散燃烧的放热线效率是由油气混合速率决定的。随着进气压力增大，充量密度增加，增加进气压力可以提高燃烧室内单位体积气体中的含氧量，更好地促进油气混合。柴油机燃烧产生的有害物质中的主要成分为燃烧不完全产生的CO气体、未燃烧的HC、碳烟Soot和氮氧化合物NOx。研究主要对其中的CO气体和HC进行探究，不同循环油量影响的进气压力对CO气体和HC排放量影响如图5所示。

图5 不同循环油量下CO、HC排放随进气压力变化

如图5（a）所示，当低进气量时，CO的排放相对较高，且随进气量增大而减少。在不同的训练油量下，CO排放有很大的差异。当不同的训练油量为170mg、180mg、200mg时，CO的排放会急剧上升，这是因为CO的氧化主要发生在热焰反应阶段，OH自由基是CO氧化为CO2的必要条件。在较低的进气压力条件下，缸内绝对氧含量较少。随着循环油量增加，当量比大于1的燃油浓区就会相应增大。在燃烧过程中，因为氧气不足，OH自由基的生成也会减少，最终导致大量CO不能被氧化，低进气压力下的不完全燃烧损失主要是因为CO排放。如图5（b）所示，随着进气口压力增加，HC排放呈递增趋势，这是因为随着进气压力增加，活塞与气缸壁间的间隙逐渐变小，导致混合气过稀。在高进气口压力下，可能会造成过多的混合，形成“过稀区”。降低燃烧室温度也不利于 HC的氧化，进气门关闭时间延长，HC在缸内的氧化反应受到抑制。HC排放随着进气口压力增加而增加。HC排放是高进气口不完全燃烧损失的主要原因。

3 结论

重载柴油发动机在大负载下的能耗较高，其扩散燃烧速率及有害气体的排放与燃料中的油气混合有关。提高油气混合速度是实现大负载条件下燃料高效清洁燃烧的关键。研究利用高密度的混合基团来增强油气混合，使燃料迅速燃烧，从而提高柴油机在大负载条件下的机械性能。试验表明，随着进气压力增加，汽油在缸内的浓度增加，汽油在缸内的平均温度下降，汽油在缸内的掺混速度加快，对尾气中有害物质的改善作用显著，当循环油量为170mg、180mg、200mg时，CO排放量上升。当循环油量为150mg时CO排放量最低，当循环油量为190mg时HC排放量最低。当进气压力为0.36MPa时瞬间放热率最大。柴油机的进气和喷射参数直接影响缸内燃料的掺混以及柴油机的燃烧和排放特性。