高原环境下主预喷策略对农用柴油机燃烧与排放的影响

Impact of main pilot injection strategy on combustion and emission performance of agricultural diesel engines under high-altitude conditions

摘要

基于发动机试验台架和大气模拟系统，研究了1 400 r⋅min^-1和200 N⋅m的工况下主喷正时、轨压、预喷油量和预喷正时对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。研究结果表明：随着海拔的升高，柴油机燃烧的缸内压力降低，放热率降低，燃烧温度升高，压力升高率略有下降，总碳氢化合物（THC）和烟度的排放分别降低38.77%和27.85%，一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO _x ）的排放分别升高23.31%和0.64%。主喷正时提前可降低有效燃油消耗率，但显著增加NO _x 排放，高原需进一步提前主喷正时以补偿滞燃期延长。轨压从80 MPa增至120 MPa可改善雾化，降低THC、CO、烟度排放及BSFC，但NO _x 排放升高25%~30%。增加预喷油能够缩短滞燃期，降低BSFC，但需结合主喷正时抑制NO _x 生成。预喷正时提前在高海拔可小幅抑制NO _x 排放。高原环境下适合采用“主喷正时提前+100 MPa轨压+适量预喷油量”组合，通过主预喷策略和喷油压力的协调优化能改善高海拔下农用柴油机的性能，为农用柴油机高原适应性设计提供理论依据。

Abstract

Based on an engine test bench and atmospheric simulation system， this study systematically investigated the influence of main injection timing， rail pressure， pilot fuel quantity， and pilot injection timing on the combustion and emission performance of a diesel engine under conditions of 1400 r⋅min^-1 and 200 N⋅m. The study findings indicate that with the increase in altitude， the in-cylinder pressure and heat release rate of the diesel engine decrease， while the combustion temperature and rate of pressure rise slightly decline. The emissions of total hydrocarbons and smoke opacity are reduced by 38.77% and 27.85%， respectively， whereas the emissions of carbon monoxide and nitrogen oxides increase by 23.31% and 0.64%， respectively. Advancing main injection timing in agricultural diesel engines at high altitudes can lower effective fuel consumption rate but significantly increase NO _x emissions. To compensate for the prolonged ignition delay， further advancement of main injection timing is necessary. Raising rail pressure from 80 MPa to 120 MPa enhances atomization， reducing THC， CO， smoke emissions， and BSFC， yet NO _x emissions rise by 25%~30%. Increasing pilot injection shortens the ignition delay， lowers BSFC， but requires combining with main injection timing advancement to curb NO _x formation. Advancing pilot injection timing slightly suppresses NO _x emissions at high altitudes. A combination of "main injection timing advancement + 100 MPa rail pressure + appropriate pilot injection volume" is suitable for high-altitude environments. Coordinating and optimizing the main-pilot injection strategy and injection pressure can enhance the performance of agricultural diesel engines at high altitudes and offer a theoretical basis for their high-altitude adaptability design.

Graphical abstract

关键词

动力工程 / 海拔 / 柴油机 / 主预喷策略 / 燃烧 / 排放

Key words

power engineering / altitude / diesel engine / main pre-injection strategy / combustion / emissions

0 引 言

随着全球能源消耗的增大和环境保护要求的不断提高，柴油机作为一种重要的动力源，其燃烧效率和排放性能备受关注^［1］。高原地区大气压力较低，空气密度小，这会导致柴油机进气量减少，燃烧不充分，从而影响发动机的动力性和经济性^［2，3］，容易产生不完全燃烧产物，如一氧化碳（Carbon monoxide，CO）、碳氢化合物（Hydrocarbons，HC）和颗粒物（Particulate matter，PM）等^［4-7］。柴油机具有高转矩、低油耗、高热效率等优点^［8］，95%以上的农业机械采用柴油机作为动力单元^［9］。在我国，大多数城市位于高海拔地区（大约1 500米）^［10］，以柴油机为动力的车辆、农业机械、工程机械以及特种动力长期工作在高原环境下，我国现行的非道路用第四阶段排放法规对于燃烧和排放提出了更高的要求，因此研究高原环境下的主预喷策略对柴油机燃烧与排放的影响具有重要意义。

近年来，王霞等^［11］研究了柴油机在不同海拔高度下的低温起动性能，试验结果显示，随着海拔升高，起动时间变长；雷蕾等^［12］研究了海拔对柴油机瞬态排放的影响，研究发现氮氧化物（nitrogen oxides，NO _x ）体积分数随海拔升高逐渐增大，但其他参数稳定后，NO _x 体积分数随海拔升高而降低，烟度和PN排放随海拔升高而增加；陈贵升等^［13］构建国六柴油机与DPF耦合的一维瞬态模型，发现DPF使柴油机瞬态扭矩与热效率降低，燃油消耗率上升，高海拔及增扭矩时表现更突出；王俊等^［14］研究了基于VNT驱动的EGR对轻型柴油机燃烧和排放的影响，EGR能有效降低NOx排放，但对CO和烟度的影响取决于工况；王建等^［15］通过试验探究不同海拔对柴油发动机缸内燃烧及排放的影响，研究发现海拔增加，缸内峰值压力明显上升，各工况燃烧持续期随海拔增加而延长，海拔增加，常规污染物排放大多呈上升趋势；文献［16］研究了高海拔对涡轮增压直喷柴油机燃烧和性能的影响，研究发现高海拔导致着火延迟延长，燃烧效率降低，排放增加，功率损失；文献［17］研究了高原环境对柴油机碳烟生成和氧化的影响，高原环境降低了燃烧质量，增加了碳烟排放，在超过4 000 m的海拔下，碳烟排放急剧上升；文献［18］研究了高海拔对柴油撞击喷雾分裂喷射燃烧过程的影响，发现随着海拔的升高，首次喷射产生的碳烟量减少，碳烟净氧化率的最大值降低；Li等^［19］研究了海拔高度对柴油机性能和排放的影响。结果表明，随着海拔的升高，发动机的功率输出显著下降，当海拔超过3 000 m时，性能和排放的恶化变得显著。

综上所述，对柴油机在高海拔下的性能的研究涵盖了起动、燃烧、排放等方面，通过优化喷油策略和研究燃烧过程与控制技术的结合在努力提升柴油机的效率与环境友好性。在高原环境下，主预喷策略可以通过优化喷油时刻、喷油压力和喷油次数等参数，提高柴油机的燃烧效率和动力性，同时降低污染物排放。对于高海拔下的主预喷策略对柴油机的性能和排放的研究较少。通过对高原环境下柴油机燃烧与排放特性的研究，可以为高原柴油机的优化设计和燃烧控制提供理论依据和技术支持，同时也有助于推动高原地区的经济发展和环境保护。

1 试验装置与方法

1.1　试验设备

试验使用的发动机为3.0 L四缸高压共轨涡轮增压柴油发动机，其主要技术参数见表1。高原柴油机试验的关键设备包括AVL交流电力测功机、AVL AMA i60排放测量仪、AVL 622燃烧分析仪、AVL 735油耗仪、AVL进气流量计、AVL 415S排放测量仪。图1为试验台架的布局示意图。

1.2　海拔模拟控制

试验中研究了0 m和2 000 m海拔高度的影响，在这些测试中，由于测试台架位于海拔2 000 m处，相应的环境压力为80 kPa。为模拟较低海拔的条件，对进气和排气系统进行了加压。具体来说，为模拟海拔0 m处的情况，进气和排气压力增加了20 kPa。进气压力的模拟是通过进气空调系统实现的，而排气压力则由排气端的背压阀控制。空调系统调节进气压力、温度和湿度。风扇压力由变频驱动器控制，精度为±0.1 kPa。空气的温度和湿度由制冷机组和加热器控制，温度控制精确度在±2 ℃以内，湿度控制精确度在±3% RH以内。

1.3　试验条件

为研究主预喷策略对柴油机燃烧与排放的影响，试验在发动机转速和扭矩恒定在1 400 r⋅min^-1和200 N⋅m的工况下进行。在测试过程中，主喷正时、预喷油量、预喷正时和油轨压力均使用INCA软件控制。此外，废气再循环（EGR）完全关闭，节气门完全打开。详细试验方案见表2。在试验过程中，通过平均200个循环获得了缸内压力的高速采样数据。燃烧分析仪计算了放热率、燃烧温度和压力升高率。试验重复了3次以验证其准确性，并取3次结果的平均值。试验过程中，为确保测试空气环境的一致性，进气口温度保持在（25±2） ℃，湿度控制在（50±3）% RH。

2 结果与分析

2.1　不同海拔下不同主预喷策略对柴油机燃烧的影响

2.1.1　不同海拔下主喷正时对柴油机燃烧的影响

正确的喷油正时可以确保喷入的燃油在最佳着火点燃烧，从而保证更好地燃烧，增加动力输出。图2~图5分别显示了海拔为0 m和2 000 m条件下不同主喷射正时对缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率的影响，彩图参见电子版，下同。主喷正时在上止点前4 ℃A时，随着海拔从0 m升高到2 000 m，缸压的峰值降低0.938MPa，放热率峰值降低4.16 J·℃A^-1，燃烧温度峰值升高54.1 K，压力升高率峰值降低0.021。大气压力降低，空气密度减小，进入发动机气缸的空气量减少，导致缸内压力降低。同时，进气量降低使缸内氧浓度下降，燃烧速率降低，燃烧放热率下降，最高瞬时放热率降低。滞燃期的增加意味着可燃混合物的量增大，导致燃烧过程中出现更多的预混合燃烧，从而增加了燃烧温度。主喷正时从上止点前4 ℃A到上止点后4 ℃A，海拔0 m时主燃期的最大缸压降低2.767 MPa，海拔2 000 m时主燃期的最大缸压降低2.456 MPa，海拔0 m时的最高燃烧温度降低83.84 K，海拔2000 m时的最高燃烧温度降低80.9 K。主喷射正时提前，由于缸内温度较低，使滞燃期延长，在滞燃期内形成的可燃混合气增加，预混合燃烧占整个燃烧的比例增加，使缸内压力及压力升高率升高，缸内温度升高。

高海拔环境下，主喷正时需进一步提前，补偿氧气稀薄导致的滞燃期延长，缩短燃烧持续期。

2.1.2　不同海拔下轨压对柴油机燃烧的影响

油轨压力是喷油器喷射燃油时的压力，该压力直接影响燃油的雾化质量、喷射时间和喷射量，进而影响燃烧效率和发动机性能。图6~图9分别显示了海拔为0 m和2 000 m下不同柴油油轨压力对缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率的影响。轨压在120 MPa时，随着海拔从0 m升高到2 000 m，缸压的峰值降低0.81 MPa，放热率峰值降低5.48 J⋅℃A^-1，燃烧温度峰值升高47.71 K，压力升高率峰值降低0.043 1。大气压力降低，空气密度减小，进入发动机气缸的空气量减少，导致缸内压力降低。同时，进气量降低使缸内氧浓度下降，燃烧速率降低，燃烧放热率下降，最高瞬时放热率降低。滞燃期的增加意味着可燃混合物的量增大，导致燃烧过程中出现更多的预混合燃烧，从而增加了燃烧温度。轨压从80 MPa升高到120 MPa，海拔0 m时主燃期的最大缸压升高0.903 MPa，海拔2 000 m时主燃期的最大缸压升高0.828 MPa，海拔0 m时的最高燃烧温度升高17.60 K，海拔2 000 m时的最高燃烧温度升高15.38 K。增大喷射压力直接影响燃油的雾化质量。较高的喷射压力通常会导致更好的雾化，从而在燃烧室内形成更细小的燃油滴，这有助于更好地燃烧，从而使缸内压力、燃烧放热率、燃烧温度和喷油之后的压力升高率均增大。海拔升高，轨压需适当提高，弥补空气密度降低导致的混合气不均匀问题。

2.1.3　不同海拔下预喷油量对柴油机燃烧的影响

图10~图13分别显示了海拔为0 m和2 000 m下不同柴油预喷油量对缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率的影响。随着海拔从0 m升高到2 000 m，预喷油量为4 mg⋅cycle^-1时的缸内压力峰值降低0.731 MPa，放热率峰值降低3.73 J⋅℃A^-1，燃烧温度峰值升高48.9 K，压力升高率峰值降低0.071 9。大气压力降低，空气密度减小，进入发动机气缸的空气量减少，导致缸内压力降低。同时，进气量降低使缸内氧浓度下降，燃烧速率降低，燃烧放热率下降，最高瞬时放热率降低。滞燃期的增加意味着可燃混合物的量增大，导致燃烧过程中出现更多的预混合燃烧，从而增加了燃烧温度。随着预喷油量的增加，预燃期的缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率都升高，着火延迟期缩短。预喷的少量燃油在主喷之前进入气缸，这些预喷的燃油在较低温度和压力下开始蒸发和混合，形成了部分可燃混合气。当主喷燃油进入气缸时，由于已经有了预喷的燃油形成的可燃混合气，使燃烧反应能更快启动，从而缩短了着火延迟期。高海拔下，需增加预喷油量，通过预燃期局部高温加速主喷燃烧，补偿氧气不足，BSFC降低。

2.1.4　不同海拔下预喷正时对柴油机燃烧的影响

图14~图17分别显示了海拔为0 m和2000m下不同预喷正时对缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率的影响。预喷正时为上止点前14 ℃A时，随着海拔从0 m升高到2 000 m，缸内压力峰值降低0.903 MPa，放热率峰值降低6.22 J⋅℃A^-1，燃烧温度峰值升高25.47 K，压力升高率峰值降0.278。大气压力降低，空气密度减小，进入发动机气缸的空气量减少，导致缸内压力降低。同时，进气量降低使缸内氧浓度下降，燃烧速率降低，燃烧放热率下降，最高瞬时放热率降低。滞燃期的增加意味着可燃混合物的量增大，导致燃烧过程中出现更多的预混合燃烧，从而增加了燃烧温度。预燃期燃烧提前，预燃烧持续时间延长，预燃期的缸内压力、放热率、缸内燃烧温度和压力升高率随之增大。

2.2　不同海拔下不同主预喷策略对柴油机排放的影响

图18（a）和图19（a）显示海拔为0 m和2000m下不同主喷射正时对总碳氢化合物（Total hydrocarbons，THC）、CO、NOx、烟度排放的影响。主喷正时在上止点后4 ℃A时，随着海拔从0m升高到2 000 m，THC的排放降低了38.77%，CO的排放升高23.31%，NO _x 的排放升高了0.64%，烟度的排放降低27.85%，THC和烟度的排放有一定的降低，CO和NO _x 的排放升高。随着海拔从0 m升高到2 000 m，大气压力降低，空气密度减小，滞燃期增加意味着可燃混合物的量增大，导致燃烧过程中出现更多的预混合燃烧，从而增加了燃烧温度，引起了NO _x 和CO的排放一定程度上的增大。在低负荷下，发动机的燃烧过程更加稳定，有助于减少未完全燃烧产生的THC和烟度。随着海拔的升高，空气变得稀薄，氧气含量减少，燃烧反应所需的氧气不足，减少了热分解和不完全燃烧产生的THC和烟度。主喷正时从上止点后4 ℃A到上止点前2 ℃A，海拔0 m时的CO排放降低了35.35%，NO _x 的排放升高了53.27%；海拔2 000 m时的CO排放降低了39.83%，NOx的排放升高了52.58%。随着主喷射正时的提前，燃烧温度升高，NO _x 的排放升高，燃烧温度越高，CO氧化为CO₂的速率越快，从而降低CO排放。主喷射正时对于THC排放的影响没有明显规律，而对于烟度排放的影响有着先减后增的趋势。缸内预混燃烧比例增加，后期扩散燃烧比例减少，烟度排放下降^［20］。主喷正时过于提前，较高的燃烧温度和过长的燃烧时间导致更多的热分解，产生更多的碳烟。由图18（a）和图19（a）可以看出统合THC、CO、NO _x 、烟度四个排放来看，主喷正时在上止点前0 ℃A时整体的排放最低。

图18（b）和图19（b）显示海拔为0 m和2000m下不同柴油轨压对THC、CO、NO _x 和烟度排放的影响。轨压在80 MPa时，随着海拔从0m升高到2000 m，THC的排放降低26.32%，CO的排放升高25.14%，NO _x 的排放升高2.05%，烟度的排放降低49.12%，THC和烟度的排放有一定的降低，CO和NO _x 的排放升高。轨压从80 MPa增大到110 MPa海拔0m时的CO排放降低了23.68%，NO _x 的排放升高了30.3%；海拔\mathrm{2}\mathrm{000} m时的CO排放降低了26.46%，NO _x 的排放升高了25.07%。随着柴油喷射压力的增大，柴油的雾化效果更好，燃烧效果更好，THC、CO和烟度的排放降低。燃烧温度升高，NO _x 的排放升高。由图18（b）和图19（b）可以看出，统合THC、CO、NO _x 、烟度四个排放来看，轨压在100 MPa时整体的排放最低。

图18（c）和图19（c）显示海拔为0 m和2000m下不同预喷油量对THC、CO、NO _x 、烟度排放的影响。预喷油量为3 mg⋅cycle^-1时，随着海拔从0 m升高到2000 m，THC的排放降低27.66%，CO的排放升高31.21%，NO _x 的排放升高6.6%，烟度的排放降低32.56%，THC和烟度的排放有一定的降低，CO和NO _x 的排放升高。相比没有预喷，增加了预喷后THC和烟度的排放有一定量的升高，随着预喷油量的增加呈现先增后减的趋势。相比没有预喷，增加了预喷后CO的排放都有一定量的降低，但NO _x 的排放升高，随着预喷油量增加后NO _x 和CO的排放先增加后减少。由图18（c）和图19（c）可以看出统合THC、CO、NO _x 、烟度四个排放来看，海拔0 m时不采用预喷，整体的排放要更低，但CO的排放要更高，海拔2 000 m时预喷油量为1 mg⋅cycle^-1时整体的排放最低，但NO _x 的排放有一定的升高。CO和NO _x 的排放升高。随着预喷正时的提前，THC的排放有着缓慢上升的趋势，对于CO的排放没有太明显的影响，低海拔下的NO _x 排放有缓慢上升的趋势，高海拔下NO _x 有下降的趋势。对于碳烟的排放没有太明显的影响规律，可能是由于时间间隔太小或者试验误差。

图18（d）和图19（d）显示海拔为0 m和2000m下不同预喷正时对THC、CO、NO _x 、烟度排放的影响。预喷正时为上止点前12 ℃A时，随着海拔从0 m升高到2 000 m，THC的排放降低34.86%，CO的排放升高27.44%，NO _x 的排放升高6.5%，烟度的排放降低0.116 FSN，THC和烟度的排放有一定的降低，CO和NO _x 的排放升高。随着预喷正时的提前，THC的排放有着缓慢上升的趋势，对于CO的排放没有太明显的影响，低海拔下的NO _x 排放有缓慢上升的趋势，高海拔下NO _x 有下降的趋势。对于碳烟的排放没有太明显的影响规律，可能是由于时间间隔太小或者试验误差。由图18（d）和图19（d）可以看出统合THC、CO、NO _x 、烟度四个排放来看，海拔0 m时预喷正时为8 ℃A时整体的排放要更低，但烟度的排放要更高，海拔2000m时预喷正时为12 ℃A时整体的排放要更低。

2.3　不同海拔下不同主预喷策略对柴油机有效燃油消耗率和排放的影响

图20显示0 m和2 000 m海拔下不同主喷正时的有效燃油消耗率（BSFC）和排放。主喷正时从上止点前4 ℃A到上止点后4 ℃A，NOx的排放降低，CO和Smoke的排放升高，THC的排放没有太明显的变化但有效燃油消耗随之升高，随着主喷正时提前，可燃混合气的混合时间延长，混合均匀度增大，有效燃油消耗随之降低，反之亦然。CO和烟度的排放与有效燃油消耗呈同增同减的关系。随着海拔的升高有效燃油消耗率随之升高，其主要原因是随着海拔的升高进气量减少，而要保持相同的输出功率和转速就需要消耗更多燃油。图21显示0 m和2 000 m海拔下不同轨压的有效燃油消耗率和排放。轨压从80 MPa到120 MPa，NO _x 的排放升高，THC、CO和烟度的排放降低，有效燃油消耗率降低，由此可知增大轨压有利于燃烧，降低THC、CO、烟度排放和有效燃油消耗率，但NO _x 的排放随之升高。图22显示0 m和2 000 m海拔下不同预喷油量的有效燃油消耗率和排放。预喷油量从0 mg⋅cycle^-1增大到4 mg⋅cycle^-1，NO _x 和THC的排放升高，CO的排放降低，有效燃油消耗率降低，增大预喷油量，柴油滞燃期缩短，燃烧速率增大，使燃烧更加完全，减少后燃，更多的燃油能量能够被有效利用，也就降低了有效燃油消耗。图23显示0 m和2 000 m海拔下不同预喷正时的有效燃油消耗率和排放。由图可知，预喷正时对于油耗和排放相比于预喷油量的影响要小得多。

柴油机在高原环境下的作为农用时主要的工作条件处于低转速高扭矩工况。基于上文对于该工况下的柴油机燃烧和排放的分析，对于高海拔下的主预喷参数的调整提出一些简单策略：海拔升高主喷正时需进一步提前，补偿氧气稀薄导致的滞燃期延长，缩短燃烧持续期，降低油耗，但NO _x 排放的升高，需要协调轨压降低NO _x 的排放。在高海拔环境下轨压需提高，弥补空气密度降低导致的混合气不均匀问题，油耗以及THC和CO排放会降低，但同时会导致NO _x 排放的升高，故也不能过度提高轨压。高海拔环境下需增加预喷油量，通过预燃期局部高温加速主喷燃烧，补偿氧气不足，BSFC降低，但需配合主喷正时以抑制NO _x 生成。高海拔环境下推迟预喷正时，以减少预燃期热量损失，避免燃烧温度过高导致NO _x 排放升高。

3 结 论

（1）海拔升高（0 m到2 000 m）导致缸内压力峰值下降，放热率降低，但燃烧温度升高；THC与烟度排放分别减少38.77%和27.85%，而CO与NO _x 排放分别增加23.31%和0.64%。

（2）主喷正时提前可降低有效燃油消耗率，但显著增加NO _x 排放。高原需进一步提前主喷正时以补偿滞燃期延长。

（3）轨压从80 MPa增至120 MPa可改善雾化，降低THC、CO、烟度排放及BSFC，但NO _x 排放升高25%~30%；高原推荐100 MPa轨压以平衡经济性与排放。

（4）增加预喷油能够缩短滞燃期，降低BSFC，但需结合主喷正时抑制NO _x 生成；预喷正时提前在高海拔可小幅抑制NO _x 排放。

（5）高原环境下适合采用“主喷正时提前+100 MPa轨压+适量预喷油量”组合，如果再能结合SCR与DPF后处理技术，能更好地实现高原柴油机高效清洁运行的目标。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52066008)

云南省基础科学研究项目(202401AS070102)

云南省教育厅科学研究基金项目(2026J1150)