柴油机在瞬变加载工况下，喷射参数及田口法对微粒排放有何影响？
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文|题少年
编辑|题少年
前言
在实际道路运行过程中车用发动机大多处于瞬变工况运行条件，且日益严格的排放法规及双碳政策对车用发动机在瞬变工况条件下的排放要求逐步加严。
尤其是微粒数量及质量排放的限值越来越成为关注的重点，同时车用柴油机微粒排放又是交通行业微粒排放的主要来源，因此对柴油机瞬变工况性能及微粒排放的优化控制至关重要。
目前研究者们应用田口正交设计方法针对发动机稳态工况下的排放及油耗的优化进行了一定研究，但是在瞬变工况下相关的试验优化研究较少。
因此，本文首先单因素试验研究了喷射参数对柴油机瞬变加载工况微粒排放的影响，探究其微粒数量及质量浓度排放特性。
最后借助田口设计方法，通过正交试验得到以特定微粒数量及质量浓度为输出指标的最优控制参数组合，并最终确定各控制参数对输出指标的影响权重。
试验测试平台及试验方案
本次试验采用一台2.8L直列4缸、四冲程、中冷高压共轨、缸内直喷柴油机，发动机的详细参数如表1所示。
试验装置如图1所示为本研究所使用的发动机试验测控平台示意图。
图1
其主要包括一台2.8L四缸四冲程增压柴油机（CA4D28C5）、电涡流测功机及测控系统、进气增压系统、燃油供给系统、EGR中冷系统、冷却水循环温控系统、污染物排放测量系统和缸内压力及数据采集分析系统等几方面组成。
试验过程中，一台CW160电涡流测功机用于控制并记录发动机负荷和转速，发动机冷却水温度控制在(80±1)℃，进气流量由SENSYCONSensy空气流量计测得，单位时间柴油消耗量由同圆TOCEIL-CMFG025油耗仪测得。
通过BOSCHLSU4.9lambda传感器和ETASlambda仪用来监测缸内混合气浓度。
本研究采用大连新风公司生产的ECU通过INCA标定软件以实现对发动机喷油参数的灵活调控。
瞬态加载过程中需要对各运行参数进行精确记录，本试验研究中通过AVL6260燃烧分析仪中的高速数据采集模块将油门踏板电压信号、进气流量信号、柴油油耗信号以及扭矩四个信号。
分别接入对应的四个通道进行瞬态过程信号的高速采集与记录，以便于同燃烧状态进行同步，且最大采集信号频率为200MHz，满足瞬态采集要求。
在瞬态试验中，对尾气中微粒测量所用设备为英国Cambustion公司的DMS500快速微粒采样分析仪，此分析仪可以对发动机原排进行快速微粒测量，最高频率达到10Hz，可满足发动机瞬态工况下对微粒的采样分析。
同时，由于微粒采样存在一定的滞后性，所以将微粒恶化突变的时刻前移到加载的始点以便更好的理解瞬变过程微粒恶化特性。
这次试验选取试验转速为最大扭矩转速点1600r/min，加载负荷范围从5%到95%，加载时间为5s，加载速率为43.2N∙m/s。
在此工况下，分别通过INCA基于原机Map首先单因素研究主喷时刻、喷射轨压、后喷比例和主后喷间隔在瞬态加载工况对柴油机性能和微粒数量、质量排放的影响。
在研究主后喷间隔对微粒排放的影响时，将后喷比例固定，当研究后喷比例对微粒排放的影响时，将主后喷间隔固定。
通过前期试验过程中的试点可知，为达到较优的微粒排放水平，主后喷间隔和后喷比例均不宜过小或过大。
因此在固定后喷比例和主后喷间隔时应选择适中的比例和角度，即10%后喷比例和10°CA主后喷间隔，各因素下试验方案详见表3，随后通过田口法设计正交试验协同优化。
表3
微粒的数量浓度转换成质量浓度公式如下：
式中M为微粒质量浓度，为对应微粒的粒径，P为该微粒的数量浓度。
试验结果及分析
图2、图3为主喷时刻对不同粒径微粒的数量及质量浓度的影响，通过后期对试验数据的处理后发现针对微粒排放的规律具有一致性。
图2
图3
由图可知微粒数量恶化较为严重的粒径区段按照其恶化程度的优劣从重到轻依次为＜10nm、10-15nm、15-23nm和23-50nm。
较大的颗粒物如50-100nm和＞100nm的颗粒物在数量上随着瞬变加载过程的变化相对较小，而在质量浓度方面发生了显著的突增恶化现象。
从两图可以看出，随着主喷时刻的提前，无论微粒数量浓度还是质量浓度，各粒径区段间的微粒浓度均发生显著下降。
当主喷时刻为原机-6°CA时，微粒数量及质量浓度间的差别变化较小且达到最小值，由此可见，合理控制主喷时刻对各粒径区段间微粒的数量及质量影响极大。
结合之前的研究可以总结以下几方面因素：首先，提前喷油可以使缸内湍动能增加，燃油雾化效果及油气混合均匀性得到极大改善。
其次，提前喷油可以使缸内最高燃烧温度及平均燃烧温度上升，温度场中高温范围的扩大增加了对碳烟微粒的氧化效率。
再者，推迟喷油使燃烧重心滞后，燃油燃烧产生碳烟的角度相对延迟，大大缩短了碳烟在有效的温度、压力、氧含量等条件下的氧化时间，增加了微粒的生成数量。
最后通过同一曲轴转角下的缸内氧浓度场及当量比浓度场可知，提前喷油可较早的利用氧气，在利于对微粒氧化的环境氛围下增加了氧气对微粒的氧化。
各喷油参数均可对瞬变工况下微粒排放恶化这一情况有不同程度的影响与改善，通过单因素的研究方法适当的将主喷正时提前、增大轨压以及引入合理的后喷比例及后喷间隔等措施均会改善瞬态加载过程的燃烧及微粒排放。
另外，如果要确定达到发动机某一特性的最优性能控制参数的优化组合，则需大量且重负性的试验工作，同时，为了后续工作的开发需要，每个控制参数对发动机特定性能指标的敏感度也有待确定。
图4和图5为喷油压力对不同粒径微粒的数量及质量浓度的影响。
图4
图5
由图可知微粒数量恶化较为严重的粒径区段依然集中在＜10nm、10-15nm和15-23nm这三个区间内。
粒径在23-50nm和50-100nm中尺寸较大的颗粒物在数量上随着瞬变加载过程的变化相对较小，在质量浓度方面发生了显著的突增恶化现象。
从图4中微粒数量浓度可以看出，当喷油压力较低时10-15nm的微粒恶化最为严重，其峰值数量高达9×109n/cm3。
其次为＜10nm和15-23nm的微粒，随着喷射压力的增加，各粒径区段间的微粒数量浓度均发生显著下降，且以红色＜10nm的微粒为主要恶化粒径区间，当轨压为原机+20MPa时，微粒数量浓度间的差别变化较小且达到最小值。
再从图5中微粒质量浓度可以看出，轨压对大尺寸微粒的质量浓度影响极大，随着喷射压力的增大，50-100nm的微粒质量浓度恶化峰值从0.35μg/cm3降到0.06μg/cm3，降低了近六倍。
故由此可见，合理控制喷油压力可很大程度的改善各粒径区段间微粒的数量及质量浓度，降低微粒的恶化畸变系数。
首先，增大喷油压力可以使缸内湍动能增加，燃油雾化效果及油气混合均匀性得到极大改善。
其次，喷油压力的增加可以使缸内平均燃烧温度上升及缸内最大燃烧温度的相位发生改变，且温度场中高温范围的扩大增加了对碳烟微粒的氧化效率。
再者，提高喷油压力使燃油液滴破碎的更为细小，与空气混合及燃烧更为充分，降低了微粒的生成。
最后对比同一曲轴转角下的缸内氧浓度场及当量比浓度场可知，较大的喷油压力对微粒氧化的环境氛围下增加了氧气对微粒的氧化效率，进而降低了微粒的生成。
总的来说无论对于微粒的数量还是质量浓度，在瞬态加载过程中影响权重相对较大的为喷油正时 A 因素和主后喷间隔 C 因素，均为喷油时刻的影响。
而喷油压力和后喷比例对微粒影响权重相对较小，大体各占 20%左右，从微粒数量浓度占比分析中可知，按影响权重程度来看，喷油正时＞主后喷间隔＞喷油压力＞后喷比例，因此喷油正时的优化对微粒数量浓度的改善尤为重要。
从微粒质量浓度占比分析可知，影响权重依次为主后喷间隔＞喷油正时＞喷油压力＞后喷比例，所以后喷的喷油时刻对微粒质量影响极大。
结论
这次试验首先单因素研究了主喷时刻、喷油压力以及后喷等喷射参数对柴油机瞬态加载工况微粒排放特性的影响。
随后通过设计田口正交试验的方法，给出以特定微粒数量及质量浓度畸变系数为输出指标的最优控制参数组合，并最终确定各控制参数对输出指标的影响权重。
在1600r/min、5s的瞬态加载过程中，粒径为＜10nm、10-15nm、15-23nm和23-50nm小尺寸颗粒在数量浓度上恶化较为明显且恶化程度依次降低，而尺寸较大的23-50nm和50-100nm的颗粒物在质量浓度方面发生显著的突增恶化现象。
瞬态加载过程中，适当的将主喷时刻提前、增大轨压以及引入适当的后喷（后喷比例为10%和15%、主后喷间隔为10°CA和15°CA）可降低微粒的数量和质量浓度。
相比于原机MAP，均采用较晚的喷油正时+较小的喷油压力+较短的主后喷间隔+较大的后喷比例，而积聚态微粒的信噪比变化走向及最优组合恰恰相反。
对于微粒质量浓度的最优控制组合，积聚态颗粒物质量浓度的优化需要较早的喷油正时+较大的喷油压力+较长的主后喷间隔+较大的后喷比例，而核态颗粒物的质量浓度则处于适中的参数调控范围内。
瞬态加载过程中影响权重相对较大的均为喷油时刻的影响，即喷油正时A因素和主后喷间隔C因素，而喷油压力和后喷比例对微粒影响权重相对较小，约各占20%左右。
从微粒数量浓度占比分析中可知，按影响权重程度依次为喷油正时＞主后喷间隔＞喷油压力＞后喷比例，从微粒质量浓度占比分析可知，影响权重依次为主后喷间隔＞喷油正时＞喷油压力＞后喷比例。