共轨压力波对发动机排放影响的实验分析
Arturo de Risi, Fabrizio Naccarato and Domenico Laforgia
莱切大学 - 创新工程系
【摘要】：在本课题中，研究了共轨喷射系统管道中传播的压力波对发动机排放的影响。由喷油器关闭产生的压力波的特点在于其幅度可以轻易的超过10MPa。当采用多喷射策略时，这种波动会严重影响后续喷射的燃油输送率，从而影响排放水平和燃油的消耗。
本文报告了一项实验研究的结果，该研究是在配备共轨电子控制高压喷射系统和内窥镜的光学通道的单缸发动机上进行的，用于可视化烟灰和燃烧过程。使用的喷射策略由预喷射和主喷射组成。为了允许在不改变喷射正时的情况下在局部压力峰值或谷值上开始主喷射，采用了不同长度的喷射系统管道。通过双色法从燃烧图像分析曲轴角度基础上的缸内烟灰的形成。燃烧室内的温度分布也采用相同的方法在每个曲柄角度下测量。同时测量了发动机的原始气体NOx和烟尘排放，并与缸内的测量结果进行了对比。结果表明，压力波对烟尘排放的影响较大，而对NOx的影响较小。
简介
共轨喷射系统的使用提高了柴油发动机的性能和客户认可度。现代共轨喷射系统采用多次喷射，并且每次喷射之间的停留时间有限。在理想的共轨喷射系统中，喷射压力在整个喷射过程中应保持恒定。尽管如此，由于多次喷射的使用会产生一系列压力波，喷射器的关闭使得保持稳定的喷射压力成为纯粹的理论假设， 这些压力波在喷射器上游的管道中和喷射器本身中传播。从这个角度来看，共轨系统代表了一个淬火振荡系统，随着时间的推移，压力波会减小振幅，同时保持相同的振荡时间。因此，在多喷射策略中，由第一喷射脉冲产生的压力波产生后续喷射的喷射压力的变化。
Badami【1】 等人研究了预喷射的液压效应。发现引燃喷射不仅改变了燃烧室内的热力学条件，而且还改变了在燃料管道和轨道中引起压力波的主喷射动力学条件。特别是，当停留时间改变时，主喷射的流体动态条件显著改变。由于喷油器出口处的燃油速度，这些液压效应会影响烟尘和NOx排放。在
之前的研究中，Risi【2】等人发现理想的喷射速率曲线在第一次喷射阶段具有非常低的注射速度。
图1.修改管道长度后的共轨系统方案。
本次研究的目的是确定压力变化对烟尘和NOx排放的影响。为此目的使用了配备共轨喷射系统的研究型单缸直喷式发动机。使用两根不同长度的管道将喷油器连接到共轨管上。以这种方式对于给定的发动机转速和喷射策略，研究了主喷射期间压力波的不同相位的影响。图1说明了具有改进管道长度的共轨系统的基本方案。
通过双色方法研究了喷射过程中的压力波对燃烧的影响。
实验装置
测试发动机是装备光学内窥镜系统的单缸发动机。该发动机配备了电子控制的共轨喷射系统，可以对喷射参数进行电子控制。发动机进气处于大气压力下。发动机被加热直到冷却液温度达到70℃，这是测试期间的稳态温度。表1中报告了经过测试的直喷式柴油机的主要特性。
表1.发动机特性
该发动机配备有内窥镜成像系统，该成像系统由内窥镜和多扫描CCD照相机组成，该照相机通过可触发的图像采集卡连接到个人计算机。
通过停用两个排气阀中的一个来实现燃烧室的光学可达性。内窥镜提供了等于80°的宽视野，可以观察到两个喷雾羽流。观察方向相对于内窥镜轴线倾斜0°。内窥镜配有6 bar空气冷却系统，以防止试验过程中发生过热。
在内窥镜出口和相机侧面，安装有光谱窗口调谐在430nm和750nm之间的光学滤波器。过滤的图像由CCD相机捕获并存储在计算机中。CCD照相机的规格中的表2中给出。
成像系统由安装在发动机曲轴上的光学编码器的TTL信号触发。控制单元控制每个周期捕捉一次图像。
表2. CCD相机的规格
在实验测试中，以下数据是
记录：
—发动机转速和扭矩
—燃油消耗
—排放物：O 2，CO，CO 2，NO x，HC
—排气烟雾
—缸内压力
—喷油器电流
—喷射压力
—排气/进气压力
—排气/进气温度
喷射压力是通过位于距喷油器喷嘴0.29米处的燃料管上的压阻式传感器测量的。因此，信号相对于在曲柄角度基础上记录的其他信号具有0.2ms的延迟。因此，在图1,3,4的曲线图中，压力信号已相应地移位。
基于PC的数据采集和分析系统设置平均超过25个周期。
双色理论
用光学测量缸内烟尘温度和烟尘浓度是基于这样的概念，如果它们处于1800K和3000K之间的温度，那么烟尘颗粒在连续光谱中发射辐射。Bakenhus等人已经证明了这一点。由于烟尘颗粒的体积小，烟尘的温度对局部火焰温度有很好的描述。
由于其有限的温度，每个人体都会发射电磁辐射。一个没有反射的物体被称为黑体，它的辐射被定义为黑体辐射。根据普朗克和爱因斯坦理论，描述身体发出的能量的表述如下：
其中：
是黑体发射率；
是黑体辐射强度；
和中的h是普朗克数；
c是光速，是玻尔兹曼常数。
积分方程（1）是在整个频谱上给的总发射辐射。在光学测量中，由于光学装置的特性，只能测量总发射辐射的一小部分，因此必须根据等式（2）进行评估：
其中：
表示考虑从辐射源到传感器元件的能量损失的因子，而是位于内窥镜出口和CCD相机之间的滤光器的透射率。
当发射体在给定的温度和压力条件下是气体时，Beer-Lambert定律以微分方式定义光谱吸收行为：
其中：
是光谱吸收系数;
dS是无穷小的光路。
（3）式的积分给出：
其中: 是源点的光谱辐射强度。因此沿路径吸收的部分是：
根据基尔霍夫定律：
其中：代表光谱吸收率。
在柴油燃烧火焰的情况下，吸收系数为：
其中k是一个取决于烟尘浓度的常数。
重新整理等式（6）（7）和（8）得到：
因此，光谱发射率取决于烟灰浓度和光学长度路径S.
现在基于指定的发射率讨论两种特殊情况：
kS gt;gt;：测得的发射率与黑体辐射的发射率相同;
kS lt;lt;：火焰在所考虑的温度范围内是透明的。
最常见的情况是介于这两种情况之间。
红色和绿色的辐射强度通过每个像素的颜色代码进行评估。然后确定烟尘温度和产物kS，求解由红色强度和红色/绿色强度比形成的下列两个方程：
其中: = k·s。
通过求解前面两个方程来评估值。换句话说，在1800K到3000K之间的温度范围内以及在透明火焰和黑体的值之间的范围内，方程可以被认为是有效的[5]
测试程序
已经使用了预喷和主喷的喷射策略。在预喷射中，喷入燃料为总量的17％，而在主喷射中剩余的83％被喷入。
由于预喷射的存在，观察到在连接共轨管和喷油器的导管中压力波的产生。 管道长度决定了压力波以声速移动时需要覆盖的距离等于管道长度的两倍。为了研究压力波动对主喷射的影响，使用不同长度的两个导管将共轨管与喷油器连接。 第一条管道的长度为0.37米，以便主喷射开始于压力峰值，第二条管道的测量值为0.74米，主要喷射处于压力谷值。共轨管中的喷射压力设置为700bar。
在图3的图表中，用两条压力曲线来说明0.37m和0.74m管道中的压力波之间的差异。对于这两个管道，预喷射都是在700bar相同的压力下。相反，主喷射在快速变化的条件下发生。在实验研究中考虑了ECE运行循环中最经常出现的两个操作点，主要参数见表3。
两条管道的运行条件相同，并对排放的影响进行了研究。两个管道的喷射电启动在发动机转速1500转时固定在21°CA BTDC（预喷）和5°BTDC（主喷），而在2000转时固定在30°CA BTDC（预喷）和9°CA BTDC（主喷）。由于喷油器启动的滞后，有效的喷射角度为：发动机转速在1500rpm时为18°CA BTDC（预喷控）和3°CA BTDC（主喷），在2000rpm下为27°CA BTDC（预喷）和5°CA BTDC（主喷）。
表3.发动机工作点和喷射参数。
每次测试同时获得排放量，燃料消耗量，进气量和温度，缸内和燃料压力以及燃烧图像。
使用双色方法处理以提取排放烟尘和温度内窥镜图像。在每种条件下捕获三组图像。
应用双色法后，图像由内部软件精心处理，以提取与燃烧过程质量相关的两个指标。在1800K-2400K温度范围内，第一个与碳烟量成正比，第二个与质量成正比。
这两个指标是从双色法图像中计算出来的，这些图像用假色表示烟尘和温度分布。在这些图像中，如果两个像素具有相同的KS值和相同的温度，则呈现相同的颜色。因此，这两个指标是通过对获得的三个图像取平均值得到的，这些图像对于每个曲轴角度分别呈现相同的烟灰浓度和温度值，并且对最大数量的像素进行归一化。这两个指标的趋势表明烟尘浓度和温度分布趋势。而后，这些指数分别被命名为烟灰指数和温度指数。
结果与讨论
在图2的曲线图中报告了在1500rpm和2000rpm下NOx和烟灰的排放数据作为燃料管道长度的函数。如图1所示，0.74m风管允许主要喷射压力位于波谷，而另一个风管则主要喷射压力位于波峰上。
图2中的数据表明，从0,37m管道到0.74m管道的NOx排放量保持不变，而烟尘排放量显著增加。
图2.不同长度管道的NO x和PM排放量
图3和图4显示了两个不同管道中的燃油压力曲线。
特别是，如图3所示，当使用0.37m导管时，主喷射开始时喷油器上游的压力小于0.74m导管的情况。但是，在主喷射结束时，0.37m和0.74m导管的压力显著不同。
如果计算主喷射过程中的平均喷射压力，可以注意到它们的值在所有情况下都是可比较的：在1500rpm下0,37m长度管道压力为647bar，而0,74m管道压力为639bar，在2000rpm时它们的值是642bar和631bar。因此，不同的喷射速率分布导致不同的空气燃料分配，并因此导致不同的燃烧过程。
图3. 1500rpm时0,37m和0.74m管道的压力曲线。
0.74m管道的喷射速率在初始瞬间具有较高的速度，而在喷射结束时速度较低，而0.37m管道的喷射速率更规则，即注入压力实际上恒定，如图1所示。
De Risi等人[2]利用KIVA 3V代码的改进版本发现，在以高的初始喷射速率为特征的喷射曲线下，NOx排放轻微增加，而烟尘排放增加约24％。
图4. 2000rpm测试中管道剖面中的燃料压力。
图5. 1500 rpm测试下的放热量和气缸压力。
图2中的排放数据表明，Nox排放轻微增加，而烟尘排放数值增加了一倍，这与de Risi[2]等人的结果一致。
图5和图6显示了所有测试条件下的放热量和气缸压力曲线。比较燃料管图6. 2000 rpm测试时的放热量和气缸压力。
道压力曲线和放热曲线，可以说燃烧的主要过程发生在喷射结束时。还可以注意到，由于较高的主喷射压力，在0.37m管道的情况下，气缸压力和放热量稍大。
另外，通过分析图5和图6中图表的曲线，发现放热量或缸内压力与排放水平之间存在一定相关性。
内窥镜图像分析
如测试程序段落中所述处理燃烧图像以计算曲柄角函数的烟灰指数和温度指数。
图7中的图表说明了使用两个管道在1500rpm下测试的烟灰指数的过程。只有当烟尘颗粒的温度在1800k到3000k之间时，双色法才能确定温度值和烟尘浓度与光程长度之间的乘积[5]。烟灰指数曲线的上升部分表示烟灰形成过程，而曲线的下降部分由两个同时过程确定：烟灰颗粒氧化和烟灰颗粒冷却。因此，最大值之后的部分并不表示总的烟尘量，因为在膨胀冲程期间烟灰的某一部分可能低于1800k的温度，因此在所使用的技术中不可见。
在图7的曲线图中，显示通过使用0.74m导管（例如主喷射在压力谷值上），碳烟颗粒的形成速率高于0.37m导管的情况（例如主喷射在压力峰值上）。这意味着当在压力谷上执行主喷射时，在燃烧期间形成更大量的烟灰。
这种现象在2000rpm的情况下更为明显。图8的图表说明，使用0.74m导管时，所产生的烟尘量远大于0.37m导管所产生的量。
图7.在1500rpm时曲柄角函数的烟灰指数
考虑到使用0.37m导管时，可以解释这种影响，由主喷射引起的压降由预喷射波产生的压力峰值补偿。
在这种情况下，主喷射在几乎恒定的压力下进行，并且在整个主喷射过程中喷射速率实际上不变。相反，当使用0
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