噴射參數對柴油引燃直噴天然氣發動機燃燒和排放的影響綜述

王雨心 劉世通 李旭 張強

摘要：隨著排放法規的日益嚴格，天然氣因為其低排放性能和經濟性得到了廣泛的應用?；鸹c燃發動機是目前應用最廣泛的天然氣發動機，但是其具有熱效率低、HC排放較高的缺點，而柴油引燃直噴天然氣發動機卻克服了以上缺點，在達到高熱效率的同時，還保持了低排放的性能，逐漸成為了天然氣發動機的研究熱點。本文根據以前的研究文獻，總結了噴射時刻、噴射壓力和噴射間隔三種噴射參數對引燃直噴發動機燃燒、排放和性能的影響。

Abstract： With the increasingly strict emission regulations， natural gas has been widely used because of its low emission performance and economy. Spark ignition engine is the most widely used natural gas engine， but it has the disadvantages of low thermal efficiency and high HC emission. However， pilot ignited direct injection natural gas engine has overcome the above shortcomings， and achieved high thermal efficiency while maintaining low emission performance， which has gradually become a research focus of natural gas engine. In this paper， the effects of injection time， injection pressure and injection interval on combustion， emission and performance of pilot ignited direct injection engine are summarized based on the previous literature.

關鍵詞：天然氣;柴油引燃;高壓直噴;噴射參數

Key words： nature gas;pilot ignited;high pressure injection;injection parameters

0 ?引言

引燃直噴天然氣發動機使用同心針噴油器向缸內直接高壓噴射柴油和天然氣[1]，在進氣沖程中只有新鮮的空氣進入氣缸，避免了氣門重疊時的燃料泄漏和部分負荷下的節氣損失，而且因為爆震傾向的減弱，發動機可以采用更高的壓縮比，所以引燃直噴發動機可以獲得更高的輸出功率、更好的燃油經濟性和更低的HC排放[2-4]。而噴射時刻、噴射壓力和噴射間隔是引燃直噴發動機重要的基礎參數，對于發動機的燃燒過程和排放性能具有重大的影響，本文在以往研究的基礎上，總結了噴射參數的影響規律，對未來的參數優化以及發動機熱效率的提高，具有一定的指導意義。

1 ?噴射時刻

噴射時刻是引燃直噴天然氣發動機重要的基礎參數之一，對發動機的燃燒排放和性能具有重要的影響，噴射時刻可以分為天然氣噴射時刻和柴油噴射時刻，在固定的噴射間隔下，兩者都可以表示天然氣發動機的噴射時間。注意的是本文討論的研究中噴射信號都是電控信號，而不是實際的噴射信號。

Douville[5]研究了自然吸氣式單缸兩沖程發動機和渦輪增壓六缸兩沖程發動機在中高轉速低負荷下的燃燒、排放特性。從試驗的結果可以發現，當噴射時刻提前，缸內峰值壓力和NOx排放增加，CO排放首先減少然后趨于平緩，但是HC、soot排放和熱效率的變化規律還與發動機類型還有負荷轉速有關。

Harrington[6]在渦輪增壓六缸四沖程發動機的中等轉速高負荷下進行試驗，研究發現隨著噴射時刻推遲，燃油將以更低的溫度燃燒，熱效率和NOX排放均會降低，而HC和CH4排放始終處于很低水平，CO排放首先降低然后保持較穩定的變化趨勢，但是因為技術的限制，試驗的噴射壓力只有21MPa。

Zhang[7]在渦輪增壓六缸機的怠速工況下進行試驗，試驗臺架如圖1所示。隨著天然氣噴射時刻的提前，燃油噴射時的缸內溫度和壓力較低，導致滯燃期延長、預混燃燒比例增大，缸內峰值壓力和放熱率增加，相應的50%和90%燃燒相位提前;在排放方面，因為怠速下燃油噴射量減少，氧氣含量充足，隨著噴射時間提前，后期燃燒階段的燃燒變的更加緩慢和不穩定，導致火焰熄滅可能性增大，CO排放增加，而THC和CH4排放對于噴射時刻來說相對不敏感一些。之后Zhang[8]還在相同的發動機上研究了中等轉速和負荷下的燃燒排放特性，結果表明提前天然氣噴射時刻雖然對排氣能量和增壓壓力有負面的影響，但是對壓力升高率的影響更加深遠，會使缸內壓力峰值增大、50%燃燒相位提前、NOx排放增加;而滯燃期、速燃期還有HC、CO排放與噴射時刻的關系無法確定，因為它們受到轉速、負荷、噴射壓力還有缸內流動的共同作用。

Li[9]進一步研究了噴射時刻對燃燒穩定性和燃油經濟性的影響，變化規律如圖2所示。隨著噴射時刻的提前，天然氣穩定擴散燃燒的部分增加，導致MBF10-90%的循環波動量減小，而火焰傳播速度的增大，增加了周期燃燒的不規則性，使平均指示壓力的循環穩定性降低;但是MBF0-10%的波動規律難以找尋，這是因為MBF0-10%的長短主要與引燃柴油量和天然氣噴射量的周期變化、天然氣的擴散過程有關，受噴射時刻的影響較小。在燃油經濟性方面，隨著噴射的提前，燃燒能夠更早的發生，使燃油消耗量減少，但是過早的燃油噴射會增加壓縮沖程的功率消耗，燃油經濟性反而會些許惡化。

2 ?噴射壓力

引燃直噴天然氣發動機中，天然氣的噴束特性是由噴射壓力和缸內背壓之比所決定的[10]，又因為活塞運動和壓力循環波動的影響，噴射背壓不斷變化，并不是固定的數值。但是在固定的工況下，瞬時壓力比的大小主要受噴射壓力控制，此時噴射壓力會影響噴束的穿透距離和湍流強度，進而影響天然氣的混合過程。所以想要改善發動機的燃燒和排放，對于噴射壓力的研究也是不可缺少的。

噴射壓力的早期研究主要是在自然吸氣式兩沖程發動機上進行，研究發現提高噴射壓力會導致NOx和CH4排放增加，但是對CO排放和熱效率的影響卻存在分歧，[5]發現噴射壓力的增大會導致CO排放增加，而對熱效率的影響很小。[11]認為CO排放還和負荷有關，BMEP<3 bar時，噴射壓力對CO的影響很小，但是BMEP=4 bar時，CO排放在最小噴射壓力處達到最高點;而在熱效率方面，隨著噴射壓力的提高，熱效率首先增加然后減小。對于研究結果的差異，一種可能的解釋就是噴油器的不同設計，導致CO排放和熱效率的變化規律發生了改變。

Larson[12]研究了噴射壓力對渦輪增壓發動機的影響，研究發現噴射壓力的增加會使50%燃燒相位提前，缸內溫度升高，從而增加NOx排放;而噴射壓力對CO、HC和PM排放的影響，在不同轉速和負荷下均是不同的。McTaggart-Cowan[13]在相似的發動機上添加了EGR裝置，試驗發現在高負荷下提高噴射壓力可以改善燃油霧化，提高缸內溫度，進而減少PM和CO排放，至于NOx排放，因為EGR的使用，NOx與噴射壓力的關系不大;與此同時在低負荷下噴射壓力對發動機排放和性能的影響并不明顯。

Ying[14]使用數值模擬的方法，研究了在轉速和其他噴射參數保持不變的條件下噴射壓力對發動機燃燒過程的影響。模擬發現噴射壓力增加，缸內峰值壓力增大，但是漲幅均小于4%，且最高壓力所對應的曲軸轉角不變;而缸內溫度增加，峰值溫度對應的曲軸轉角提前，導致NOx排放增加，HC排放減少。Zhang[8-9]詳細地介紹了燃燒參數的變化情況（圖3），如圖所示提高噴射壓力可以改善混合，從而縮短滯燃期和速燃期，并且使燃燒相位提前;在燃燒穩定性方面，MFB 0-10%的波動會在最高噴射壓力處達到最大，而MFB10-90%的波動恰好相反，可能因為低壓噴射導致天然氣的擴散混合更加不穩定;至于燃油的消耗，因為高壓噴射下燃油混合和燃燒的改善，增加噴射壓力對燃油經濟性有著積極的作用。

之前的研究中最高的噴射壓力不超過300 bar，[15]首次將噴射壓力增至600 bar，試驗發現雖然噴射壓力增大，但是總體的變化影響規律是不變的，比如提高噴射壓力可以提高熱效率，并且以NOx為代價降低PM和HC排放，但是噴射壓力過高會導致制造成本和燃燒噪聲增加。

3 ?噴射間隔

在引燃直噴天然氣發動機中，噴射間隔具有兩種定義，第一種是從引燃柴油開始噴射到天然氣開始噴射，兩者之間的時長，另一種是引燃柴油噴射結束到天然氣噴射開始的時長，這兩種定義都是有意義的，并且在以前的研究都有過使用。噴射間隔的長短決定柴油噴霧和天然氣噴束之間的相互作用，進而影響天然氣的擴散混合過程，對最終的燃燒過程和排放也是有重大的影響，所以研究和優化噴射間隔對改善燃燒、提高發動機性能是有積極意義的。

Dumitrescu[11]在中低負荷下研究了噴射間隔的影響，研究發現噴射間隔的延長可以區分開柴油和天然氣的燃燒，減小缸內燃燒溫度，從而降低NOx排放，而且由于天然氣混合時間延長，燃燒過程更加充足，導致HC排放減少，熱效率提高。

McTaggart-Cowan[16-17]研究了噴射間隔很短甚至為負值時，直噴天然氣發動機排放的變化情況，結果發現噴射間隔過短，引燃柴油會在天然氣過濃的區域點燃，導致燃燒強度增大，缸內溫度升高，NOx排放增加，特別是在低EGR率下，NOx的排放會非常高，而PM排放大大減少;但是當EGR率為0-40%時，CO排放受噴射間隔的影響很小，而EGR率等于50%時，可以通過縮短噴射間隔有效地控制CO排放。之后McTaggart-Cowan[18]在更高的負荷下進行試驗，試驗結果證明，NOx的變化趨勢和之前的研究很相似，但是在不同的EGR率下CO和PM排放呈現出不同的趨勢，主要是因為高負荷下燃油噴射量增加，CO和PM對局部當量比的變化更加敏感，所以呈現出不同的變化規律。通過EGR和優化噴射間隔相結合，可以不以NOx為代價降低約30%PM排放。

Zhang[7]研究了怠速工況下噴射間隔的影響，結果發現CO、HC等排放與噴射間隔的關系并不確定，比如燃油噴射壓力=18MPa時，增大柴油/天然氣的噴射間隔，CO排放會增加;但是噴射壓力=24MPa時，隨著噴射間隔的延長，CO排放卻會減小，一種解釋是怠速工況下的燃油量較小，高壓噴射進一步縮短了噴射的時間，會導致燃油噴入縫隙或者壁面附近，使燃燒不完全，而延長噴射間隔就相當于增加了擴散時間，能夠改善天然氣的混合，減少CO排放。所以在怠速工況下，噴射間隔和其他工況相配合，會對發動機的燃燒排放產生不同的影響。

Li[9]的研究更加側重于中高負荷下燃燒參數的變化情況，隨著噴射間隔延長，天然氣滯燃期增加，10%和50%燃燒相位推遲，速燃期也相應延長，但是在較小間隔下（0.3ms-0.4ms）速燃期的長短似乎對噴射間隔更加敏感。Larson[12]的研究卻取得了不同的結果，延長噴射間隔，10%燃燒相位首先提前接著推遲，而速燃期受天然氣的擴散燃燒影響，呈現出先縮短后延長的趨勢，兩個研究結果之間存在的差異性，可能是因為發動機運行負荷和噴射間隔變化范圍的不同而導致的。

4 ?總結

①天然氣提前噴射可以提高缸內峰值壓力，使50%燃燒相位提前，在大多數工況下是提高熱效率，降低燃油消耗的不錯選擇，但是噴射時刻對滯燃期和速燃期的影響規律并不確定。在排放方面，由于缸內溫度的升高，所有工況下的NOx排放均會增加，但是CO、HC和soot排放卻受噴射壓力、噴射時刻還有轉速負荷等的共同作用，單純地改變燃油噴射時刻，很難總結出CO、HC等排放的變化規律。

②大多數工況下，提高噴射壓力可以改善燃油噴束的擴散和燃燒過程，進而提前燃燒相位，提高熱效率，并且以NOx為代價降低PM的排放;但是過高的噴射壓力會使燃油噴射到壁面或者缸套附近，發生過度穿透現象，而天然氣混合的改善和燃油的過度穿透相互競爭，導致CO和HC排放在不同轉速和負荷下表現出不一致的變化趨勢。

③噴射間隔的長短主要影響天然氣的混合擴散過程，進而對發動機的燃燒排放產生影響。在燃燒方面，增加噴射間隔可以延長滯燃期、增加燃燒持續時間，而10%和50%燃燒相位的變化在不同工況下卻是不同的;排放方面，大多數工況下延長噴射間隔可以減少NOx和HC排放，但是CO和PM排放會相對惡化。

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