CN101542098B - 用于降低发动机的污染物排放以及油耗的方法 - Google Patents

用于降低发动机的污染物排放以及油耗的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于降低客车柴油发动机的污染物排放和油耗的通常可接受和合适的方法是应用多次喷射策略。假设汽缸和碗形保持恒定以及轨道压力保持恒定，喷射数目的变化、每次喷射的喷射两以及两次相继喷射之间的间隔是主要的参数，必须对上述参数优化以满足立法规定的排放限度以及顾客的需求。第二种为了减少污染物排放的独特方法是应用具有成形的喷射速率的单一喷射。理想的，在一次喷射事件中通过喷射压力的增加获得速率成形，等同于在凸轮控制的喷射系统中发现的那样(例如，整体喷射器)。对于压电驱动的共轨系统而言，其可在喷射过程中通过改变针阀升程来获得类似的效果。本发明的目的是在污染物排放、燃料消耗以及稳健性方面对上述两种方法进行比较和评估。为了该目的，在单一汽缸的发动机中进行试验研究。将具有长的液压持续时间的多次喷射策略与模拟“速率成形”单一喷射的短的持续时间设置相比。用一系列的SIEMENSVDO压电喷射器执行速率成形，用接近于或等于零的液压持续时间执行多次喷射。

Description

用于降低发动机的污染物排放以及油耗的方法
用于客车的燃烧机必须满足许多需求。上述需求包括排放和噪声的立法规定、良好的节油性、以及驾驶性能和舒适性问题。将来的排放立法规定将对氮的氧化物(NOX)，碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)以及特别的内容PM限制得更严，上述在稳定状态下或在动态测试中进行测定。
因此有必要提供发动机组件，例如用于废气再循环(EGR)的阀、涡轮增压器、喷射器和喷嘴，以及为了在稳定状态以及在发动机载荷和速度的瞬时状态下正确计量空气、再循环废气(EGR)和燃料的传感器、计算能力和合适算法。
用于改进新颖燃烧过程的关键技术之一是先进的喷射策略。在不同的发动机运行条件下正确和可重复计量最小燃料量以及良好的雾化对于这些策略仅仅为一些需求。
一个周期高达五次的喷射(具有在零度和大约三十度曲柄角之间的液压持续时间)被认为可以降低污染物排放同时产生可接受的油耗。据信，为了在部分载荷下获得烟气以及NOX排放的较大降低，应该应用四次喷射来代替两次喷射。
具有优化速率成形的单次喷射也是可选的。在部分载荷下，假定在50％热释放(HR50)的恒定曲柄角位置，发现对于靴形以及至少对于方形喷射而言可最佳降低NOX的排放。在坡形下烟气排放是最小的并且朝向方形和靴形增加。在较低的发动机速度以及高载荷下，对于靴形喷射而言仅可获得较小的益处。
对于压电驱动的共轨系统而言，通过利用一些相继的喷射(具有非常小或甚至负的液压持续)可获得靴形喷射。由于压电致动器可在前一喷射失能之后立即赋能，因此可实现这些持续。上述使得在前一喷射的关闭阶段末或甚至在其阶段过程中重新打开喷嘴针。但是由于喷嘴针的多个打开顺序，上述会存在削弱雾化的危险。
本发明的目的在于公开用于降低发动机污染物排放以及油耗的可选方法。
这通过独立权利要求1的技术特征实现。
现在将参照伴随的示意图对本发明的用于降低排放以及油耗的方法的实施例和实例进行更具体的说明，其中：
图1A示出在持续时间下的烟气的图；
图1B示出在持续时间下的NOx的图；
图1C示出在持续时间下的HC的图；
图1D示出在持续时间下的CO的图；
图2A示出在曲柄角下的喷射器电流图；
图2B示出在曲柄角下的放热速率图；
图2C示出在曲柄角下的气体温度图；
图3A示出在持续时间下的烟气的图；
图3B示出在持续时间下的NOx的图；
图3C示出在持续时间下的HC的图；
图3D示出在持续时间下的CO的图；
图4A示出在曲柄角下的放热速率图；
图4B示出在曲柄角下的气体温度图；
图5A示出在持续时间下的烟气的图；
图5B示出在持续时间下的NOx的图；
图5C示出在持续时间下的HC的图；
图5D示出在持续时间下的CO的图；
图6A示出在曲柄角下的放热速率图；
图6B示出在曲柄角下的气体温度图；
图7A示出烟气相对于NOx的的图；
图7B示出HC相对于NOx的图；
图7C示出CO相对于NOx的图；
图7D示出ISFC相对于NOx的图；
图7E示出燃烧噪声相对于NOx的图；
图8A示出在HR50°(在上止点后释放50％热量的点的位置)下的烟气图；
图8B示出在HR50°下的NOx的图；
图8C示出在HR50°下的燃烧噪声的图；
图9A示出对于恒定的NOx而言在曲柄角下的放热速率图；
图9B示出对于恒定的NOx而言在曲柄角下的汽缸压力图；
图9C示出对于恒定的NOx而言在曲柄角下的气体温度图；
图9D示出在具有三次喷射设置的条件下在曲柄角下的放热速率图；
图9E示出在具有三次喷射设置的条件下在曲柄角下的汽缸压力图；
图9F示出在具有三次喷射设置的条件下在曲柄角下的气体温度图；
图10A示出在EGR速率为零的条件下在HR50°下的烟气图；
图10B示出在EGR速率为零的条件下在HR50°下的NOx的图；
图10C示出在EGR速率为零的条件下在HR50°下的燃烧噪声的图；
图11A示出在EGR速率为20％的条件下在HR50°下的烟气图；
图11B示出在EGR速率为20％的条件下在HR50°下的NOx的图；
图11C示出在EGR速率为20％的条件下在HR50°下的ISFC的图；
图11D示出在EGR速率为20％的条件下在HR50°下的HC的图；
图11E示出在EGR速率为20％的条件下在HR50°下的CO的图；
图12示出在汽缸气体温度超过1400K时在燃烧阶段的烟气图。
本申请在发动机部分载荷下具体研究分析了短的但是正的液压持续时间，其中在前一喷射结束后立即开始相继的喷射。
试验装置和方法
对于本发明的研究使用单汽缸的发动机。在表1中列出基本的发动机数据。
  汽缸体积/cm3   416
  气缸内径/mm   78.3
  冲程/mm   86.4
  压缩比ε/-   18
  阀数目   4
  燃烧腔室的形状   Ω-形
表1：基本的发动机数据
压电驱动的喷射器装配有六孔的微囊喷嘴，其具有μ＝0.77的液压效率。适于喷嘴孔的锥度因子以及适于液压侵蚀性倒角的因子在此分别为cf＝2.5以及HE＝16％。孔的出口截面直径为d0＝148μm，以及液压流速为HF＝370mm3/30S。
在低的载荷和中度载荷的位置处进行上述研究，其中认为多次喷射的策略是最有益处的。低载荷位置代表NEDC(新欧驱动循环)的ECE部分，因此在下述将其命名为“ECE”。中度载荷位置得自于NEDC循环的EUDC部分。由于其代表EUDC部分过程中的加速阶段，将其命名为ACP(加速位置)。表2包括两种运行位置下的具体设置。
  缩写   N/rpm   imep/bar   p_rail/bar   EGR/％   p-boost/mbar
  ECE   1500   3.2   550   30   1220
  ACP   2280   9.9   1600   20   1700
表2：运行位置的基本配置
适于评估结果的主要参数是NOx，PM，HC和CO的排放，油耗ISFC以及燃烧噪声dp/d。所示结果包括喷射模式的研究，其中喷射的数目和单独的喷射量是变化的。对“较长持续”和“较短持续”的上述两种策略进行研究，并且在关于污染物排放、油耗和噪声方面进行对比。
导致液压持续时间为零的两次相继喷射之间的分离角根据试验获得，对于两次喷射设置而言对其进行简短说明。因此，发动机在恒定载荷和恒定的HR50下运行。第一次喷射的量保持恒定。第一次喷射从较长的持续时间朝向第二次喷射。当第一次喷射接近第二次喷射时，当到达持续的零的分离角时，第二次喷射的赋能时间必须显著减少。这就是下述情况，即当喷嘴针在之前还没有完全关闭第一次喷射时，第二次喷射开始以便再次打开喷嘴针。
结果
ECE(n＝1500rpm/imep＝3.2bar)
ECE是在低发动机速度下的低载荷位置，在该位置认为多次喷射策略有益于污染物排放和燃烧噪声。在此，经研究认为具有二至四次喷射的喷射模式可改变相继喷射之间的量和间隔。将先导量(pilotquantities)设定为每次循环0.7，1.0和2.0mg。主喷射的量被改变以获得所需的TMEP。HR50保持恒定在12度的曲柄角。
下面的子部分将论述将短的持续时间应用到两次和三次喷射(包括主喷射)模式的效果。对于两次喷射的设置给出污染物形成的详细分析。随后，将论述附加喷射(三次和四次喷射)、喷射量、相对于EGR的稳健性(Rrobustness)的效果。
以持续时间的函数形成污染物。
图1示出对于两次(黑钻石形)和三次喷射设置(环形)的第一先导喷射(pilotinjections)和主喷射之间的持续时间(dwelltime)的变化而言的烟气、NOx、HC和CO的排放。详细的设置在图1所附的表中列出。
图2示出对于四次持续时间(3.5，5.0，8.0和30.0°曲柄角)(将持续限定为起动喷射的赋能开始之间的角度差)而言作为曲柄角位置函数得自于简单的合适气体定律的喷射器电流、放热速率(RoHR)和气体温度。喷射器赋能和放热之间的时间间隔代表液压延迟时间加上点火延迟时间。液压延迟时间是喷射赋能和喷射有效开始之间的时间，而点火延迟时间是喷射和开始燃烧之间的时间，也就是用于燃料汽化和混合的时间。下述部分将集中于短的持续时间解释说明污染物的形成。
图1A至图1D示出适于两次(黑钻石形)和三次(环形)喷射而言的烟气、NOx、HC和CO的排放。在表中示出先导的量和持续时间。在x-轴线(dSOI)上示出的数据是P1和主喷射之间的持续时间。P2和M1之间的持续时间是恒定的。“M1”表示主喷射以及“P”后面跟一数字表示喷射顺序中处于先导的位置。用于第一次喷射(P1)和第二次喷射(P2)的持续时间和燃料质量在下述表中列出：
Figure G2007800339254D00051
图2A至图2C示出对于在图1中所示的两次喷射模式而言的电持续时间在30.0°(实心的灰线)、8.0°(实心的黑线)、5.0°(点线)和3.5°曲柄角(虚线)的喷射器电流、放热速率以及在汽缸内计算的气体温度。
烟气：
参考图1的两次喷射设置，当持续时间从“持续时间为零”(dSOI＝3.5°曲柄角)增加到大约20°曲柄角时，烟气排放从0.2增加到0.8FSN。当dSOI＝20°曲柄角时，烟气通过最大量，并且再次减少，直到到达dSOI＝40°曲柄角时的0.2FSN。
由Siebers(以及D.，HigginsB.，Flamelift-offondirect-injectiondieselspraysunderquiescentconditions，SEA2001WorldCongress，Detroit，Michigan，2001(SEA2001-01-0530))可知，当对于恒定的气体密度而言气体温度增加时，在扩散火焰的举升长度的上游截留的空气总量减少。发现气体密度对截留的空气没有明显的作用。举升长度在喷雾渗透方向上限定为喷嘴孔出口和扩散火焰的第一外表之间的轴向距离。国际贸易组织等(2003)利用双色法测定了火焰举升长度和粉尘浓度，其中粉尘粒子的辐射于其浓度相关联。类似于Siebers和Higgins(2001)，他们发现随着气体温度升高，举升长度并且因此燃料喷雾中的截留空气减少。他们还发现粉尘的产生与截留在喷雾中的空气并且因此与气体温度相关联。将上述结论应用到当前数据，适于烟气排放的确定参数显示为刚好在扩散燃烧开始之前的气体温度。
在当前工作中，适于气体温度的相关性刚好在主喷射的燃烧开始(SOC)之前在图2C中的6°曲柄角的ATDC下质量良好地与烟气排放相关。在低的气体温度(dSOI＝3.5°曲柄角)下，烟气产生最少并且对于高的气体温度而言(dSOI＝8°曲柄角)烟气排放是最高的，其与Siebers和Higgins(2001)和国际贸易组织等(2001)的结果非常一致。在dSOI＝3.5°曲柄角下开始，持续时间的进一步增加导致在主喷射之前的气体温度增加，并且烟气排放较高。对于大于20°曲柄角的持续时间而言，再次减少烟气的产生，因为早期的先导喷射燃烧比主喷射早很多，如图2B所示。两个机制可造成烟气产生：首先，由于在压缩冲程的早期阶段中气体温度和压力仍然是低的，先导量的燃烧在大的持续时间下产生较少热量。结果，由早期先导喷射导致的温度升高弱于延迟的先导喷射导致的温度升高。其次，经由汽缸壁的热量损失导致在主燃烧开始之前的充气温度降低。上述两个作用不再导致主要燃料量的点火延迟，因此产生较少的烟气。对于中间的持续时间而言，由于足够高的从其温度，主要燃料量的点火延迟是短的，并且燃烧主要以扩散模式发生，产生大量的烟气。
对于三次喷射模式而言，图1(环形)，烟气排放随着持续时间的变化的通常趋势类似于两次喷射的模式，但是在较高的水平上。当持续时间朝着两个先导喷射之间的dSOI＝3.5°曲柄角减少时，烟气排放显著减少。
NOx：
两次喷射设置的NOx的排放对于短的持续时间而言是高的。NOx的排放随着持续时间快速增加，直到dSOI＝8°曲柄角，如图1所示。那么对于较长的持续时间而言，NOx排放保持恒定。
图2C示出气体最高温度对于短的持续时间而言是最高的，原因在于先导量与主喷射一起燃烧。对于先导量而言没有时间形成完全混合和燃烧。由主喷射释放的热量直接添加到由先导量释放的热量。结果，先导量的燃料的一些部分与主要量的第一部分一起同时燃烧，导致RoHR的显著增加以及稍微长时间的持续。上述两者导致较高的气体最高温度。根据当前数据，NOx的形成与气体最高温度向关联。持续时间的变化气体最高温度没有明显作用，因此气体最高温度大致保持恒定(见图2)，结果NOx排放也保持恒定。
由于气体最高温度对于所有持续时间类似，三次喷射模式的NOx排放对于不同的持续时间保持恒定(在当前数据中未示出)。
HC和CO：
对于两次喷射模式和三次喷射模式而言，HC和CO的排放对于大约dSOI＝10°曲柄角和dSOI＝12°曲柄角的持续时间而言分别最小。对于所示的喷射模式而言，将持续时间增加或减少使得HC和CO的污染物的排放增加。
HC排放朝向短持续时间的显著增加可导致在先导喷射的点火延迟过程中部分从混合物排出。该机制解释如下：如果对于图2中所示的设置采用相同的液压延迟时间，先导喷射的点火延迟时间从7.0增加到8.4°曲柄角，使得持续时间从8°曲柄角减小到3.5°曲柄角。接近喷雾边界(限定为λ≈3)的燃料已经在燃烧的稀缺限度(leanlimit)之外混合，并且将不会自动点火或维持快速的反应前沿。
类似于HC的排放，当持续时间从10°曲柄角增加到3.5°曲柄角时，CO排放显著增加。因为在先导喷射之后立即进行主喷射，因此最可能的是先导喷射的CO氧化结束。在上述情况下，主喷射汽化的热量使得邻近的充气气体冷却下来，导致先导量的CO氧化结束。
另外，在主喷射的喷雾污染气体产生的高温下，更不可能存在富含燃料的燃烧机制。但是，烟气排放将增加，这是图1中所示情形。
在较长的持续时间，HC和CO的大量排放可能由燃料碰撞到汽缸套上，并且随后稍晚汽化，并且接近汽缸壁处结束燃烧导致。燃料碰撞发生，原因在于先导量在低的气体温度下喷射，并且先导喷射的低气体密度，并且因此液体燃料芯在具有较高气体密度的稍后的曲柄角位置处更进一步渗透。
喷射数目的效果
“多次喷射”意味着在限定的曲柄角位置处的较少燃料量的喷射，以便影响燃料和空气的混合物形成、燃烧过程以及最终的污染物形成。这部分致力于将先导量的燃料量分成一次、两次或三次喷射，以及这些喷射之间的持续时间的变化。图3示出适于两次、三次和四次喷射(包括主喷射)的污染物排放，其中先导量的总量大致等于每次循环2mg。对于细节，请参见图3所附的表。
对于所有的三次喷射模式，烟气排放的通常趋势是类似的。对于较小的持续时间而言，烟气排放是最高的，然后随着持续时间增加而减少。对于具有两次喷射的模式而言，对于非常小的持续时间(dSOI＝3.5°曲柄角)而言，烟气排放减少，其与图1一致，在此先导量为每次循环1.0mg。对于在3.5°曲柄角和15°曲柄角之间的持续时间而言对于所有的三个测量系列而言NOx的排放是类似的。对于较长的持续时间而言，喷射NOx的排放增加从两次到四次。应该注意，CO排放对于持续时间的敏感度随着喷射数目的增加而减少。对于增加的持续时间而言，随着喷射的数目增加CO的增加变得较少。
图3A至图3D示出适于两次(黑钻石形)、三次(环形)以及四次(方形)喷射模式的(A)烟气排放；(B)NOx排放；(C)HC排放以及(D)CO排放。先导量和持续时间在表中列出。在x-轴线上示出P1和主喷射之间的持续时间(dSOI)。P2和M1、P3和M1之间的持续时间是恒定的。“M1”表示主喷射以及“P”后面跟一数字表示先导喷射的数目。用于第一次喷射(P1)、第二次喷射(P2)以及第三次喷射的持续时间和燃料质量在下述表中列出：
Figure G2007800339254D00091
粉尘的形成、空气截留以及气体温度之间的关联在下述部分之一中进行论述，并且在图4中示出。
图4A自图4B示出：刚好在主要的放热(对于本案例约为ATDC8度曲柄角)之前的气体温度越高，在主喷射的喷雾污气中截留的空气强度越低。结果，在低的局部空气-燃料比下开始的燃烧产生更多的烟气。
四次喷射模式的两个较小和早期的先导喷射同时并且在早期的曲柄角(大约在ATDC-12°和-8°曲柄角之间)处燃烧，导致气体温度升高。此外，第三先导喷射在主喷射之前燃烧，在此气体温度再次升高。该作用导致较高的烟气排放。三次喷射模式的第一喷射的燃烧相对于四次喷射模式的两个先导喷射的燃烧延迟，导致在主喷射之前的气体温度稍低。两次喷射模式的先导喷射只与气体混合，但是在主喷射之前并未燃烧。因此，气体温度在主燃烧开始之前是最低的。因此，对于两次喷射而言烟气排放最少而对于四次喷射模式而言烟气排放最多。
NOx的排放不与气体最高温度相关联。两次喷射的气体最高温度是最高的，而NOx的排放是最低的。除了气体最高温度以外，被认为在升高的气体温度下的持续燃烧对于形成NOx是有利的：NO通常在热的快速燃烧气体中形成，原因在于在该循环中早期形成的燃烧气体在此经受压缩因此局部温度升高。将持续燃烧与热的快速燃烧气体的存在相关联，适于NOx排放水平的假设可描绘成：适于三次和四次喷射模式的持续燃烧的整个时间并且因此热的快速燃烧气体的持续时间比适于两次喷射模式的长很多。因此，产生较高的NOx排放。
当持续时间从30°曲柄角减小到20°曲柄角时，四次喷射设置的NOx排放通过明显的最大量。因此第一先导喷射与第二先导喷射(位于20°曲柄角处)在主喷射之前会合。在早期曲柄角处彼此接近定位的两个先导喷射形同为单一先导喷射，其中两者的燃料量累积。因此它们立即燃烧，上述导致较高的气体温度，从而导致较高的NOx排放。
如图3中所示，HC和CO对于持续时间上的敏感度随着喷射的数目增加而增加。喷射数目越大，在图4的燃烧阶段的平均气体温度越高。如前面部分所述，对于早期的先导喷射而言，高HC和CO的原因是熄火。对于较大数目的喷射而言，气缸充气气体在早期被加热，这样在较长的时间内达到使得HC和CO良好氧化的热力学条件。结果，熄火以及因此HC和CO的排放被降低。
图4A至图4B示出对于持续时间dSOI＝30°曲柄角的(A)放热速率以及(B)气体温度(与图3中的数据相同)：实心黑线＝两次喷射模式；点线＝三次喷射模式；虚线＝四次喷射模式。具体设置在图3所附的表中列出。注意：对于所有的三种设置而言温度相同。
先导喷射量的影响
除了固定的燃料量按先导喷射的不同数目以及持续时间的变化进行分配之外，先导喷射的量在混合物形成、燃烧和污染物形成上具有显著效果。该部分致力于量的变化对污染物的影响。选择每一适于三次喷射的两种模式，一种模式具有较大的先导量(对于P1和P2而言为每次循环1.0mg和2.0mg)。图5A至图5D示出为持续时间函数的烟气、NOx、HC和CO。P2和M1之间的持续时间在15°曲柄角下保持恒定。
对于18.5°曲柄角到40°曲柄角之间的持续时间而言，烟气和CO的排放不受到先导喷射量的显著影响。这在图5中示出。对于较长的持续时间而言，对具有较大先导喷射量的设置而言两者即烟气和CO的排放明显增加。对于较大的先导量(环形)而言NOx和HC的排放总是高于对于较小先导量的NOx和HC的排放。由于气体温度升高，NOx较多。由较大的先导燃料量导致气体温度升高。
图5A至图5D示出适于小的先导喷射量(黑钻石形)、以及较大先导喷射量(蓝色的环形)的(A)烟气排放；(B)NOx排放；(C)HC排放以及(D)CO排放。先导量和持续时间在表中列出。P2和M1之间的持续时间是恒定的。在x-轴线上示出持续时间(dSOI)。“M1”表示主喷射以及“P”后面跟一数字表示喷射顺序中处于先导的位置。用于第一次喷射(P1)和第二次预喷射(P2)的持续时间和燃料质量在下述表中列出：
Figure G2007800339254D00111
在图6中示出RoHR和气体温度相对于曲柄角的描绘的图。其示出具有较大先导量的设置的气体温度的增加早于具有较小先导量的设置的气体温度的增加。但是由于对于两者设置主要的燃烧是相等的，因此气体温度最高。接着上述部分的论述，NOx的形成高度依赖于气体最高温度，但是还依赖于气体升高温度时的停留时间(residencetime)。对于相同的气体最高温度而言(如在本情况下)，停留时间对于NOx的形成变得更重要。对于目前情况下，在升高的气体温度下持续的燃烧时间对于较大先导喷射设置而言比对于较小先导喷射设置而言要长很多，因此NOx的形成增加。在混合物形成过程中假设“排出”(leaningout)(见上述)对于较大先导喷射设置而言对HC排放的增加提供了解释。当进行先导喷射时，由于处于早期的曲柄角处，因此充气气体的温度比接近TDC的温度低。因此喷雾渗透增加以及形成具有稀缺空气-燃料比的区域。对于该情况而言，混合物不可能易燃并且HC保持不燃烧。
图6A至图6B示出对于适于P1的dSOI＝30°曲柄角的持续时间以及对于适于P2的dSOI＝15°曲柄角的持续时间的(A)放热速率以及(B)气体温度(与图5中的数据相同)：实心黑线：mfuel，P1＝每次循环0.7mg，以及mfuel，P2＝每次循环1.0mg；蓝色的点线：mfuel，P1＝每次循环1.0mg，以及mfuel，P2＝每次循环2.0mg。具体设置在图5所附的表中列出。
EGR速率的影响：
通常，EGR应用于柴油机上以便使得降低充气气体中的氧气浓度，并且结果延迟燃烧。上述降低气体温度并且结果降低NOx的排放。对两次、三次和四次喷射进行EGR的变化，以便评估上述对不同喷射策略的影响。图7示出烟气、HC和CO排放物、ISFC和燃烧噪声的交替换位图-在NOx的排放过程中以每度的曲柄角的压力梯度(dp/dφ)表示。EGR从零到约40％之间变化。相对于图7，较低的NOx指示较高的EGR速率，反之亦然。对于仅仅具有两次喷射的情况获得烟气和ISFC相对于NOx的最佳结果。CO排放类似于烟气排放，对于两次喷射而言是最佳的，而对于四次喷射而言是最差的。从两次喷射到四次喷射燃烧噪声明显降低。对于四次喷射以及高的EGR速率(低的NOx排放)而言，噪声是最低的。
图7A至图7E示出对于EGR速率的变化而言作为NOx排放函数的(A)烟气排放，(B)HC排放，(C)CO排放，(D)ISFC以及(E)dp/dφ：两次喷射(黑宝石形)，三次喷射(蓝色的环形)以及四次喷射(红色的方形)。先导量和持续时间在表中列出。P2和M1以及P3和M1之间的持续时间是恒定的。“M1”表示主喷射以及“P”后面跟一数字表示喷射顺序中处于先导的位置。用于第一次喷射(P1)和第二次预喷射(P2)的持续时间和燃料质量在下述表中列出：
Figure G2007800339254D00121
考虑到在图7中存在的所有参数，三次喷射策略显示为最佳折衷，原因在于烟气和HC排放以及ISFC类似于两次喷射模式，但是燃烧噪声非常低。具有比三次喷射模式类似的燃烧噪声的四次喷射策略在烟气、CO和ISFC上显示劣势。燃烧噪声的益处由早期的先导喷射导致。在该情况下，当先导喷射燃烧时汽缸压力已经显著上升。结果，压力增加以及主喷射的峰值RoHR是低的，导致低的燃烧噪声(也参照图4)。
总结：ECE运行位置(n＝1500rpm/imep＝3.2bar)
将短的液压持续时间(在6到3.5°曲柄角)应用到两次喷射和三次喷射模式，CO排放相比于同等烟气排放的较长持续时间设置而言明显降低。对于两次喷射模式而言NOx排放增加，而对于三次喷射模式而言，NOx排放保持恒定，将持续时间从较大降低到零。
在短的持续时间下烟气排放处于低水平并且类似于在非常长的持续时间下的排放。在中间的持续时间下，烟气排放通过最大量，因为在此先导喷射的燃烧导致气体温度增加最多。结果，点火延迟短，形成的混合物处于低水平，并且因此从扩散燃烧产生大量烟气。
HC排放增加以便将持续时间朝向零降低。这是因为关闭的主喷射的汽化热量将充气气体冷却下来。上述导致点火延迟增加，并且一些从混合物中排出，由于熄火产生HC。在点火延迟过程中排出是渗透增加的结果。
考虑到三次喷射模式，烟气、HC和CO排放对于持续时间的明显敏感度表明这些设置对于应用到多汽缸发动机上是不可取的。这是因为汽缸到汽缸的公差将导致不稳定的、潜在的高排放。在排放方面与短的持续时间相比较长的持续时间设置没有优势，但是表现出抵制分离角中偏差的更良好的稳健性。
将喷射数目从两次增加到四次，烟气排放独立于持续时间增加。
早期的先导喷射(从主喷射之前的40和50°曲柄角)降低烟气和NOx的排放，因为先导量良好地均匀化。应用小的先导量，以便确保先导喷射的早期燃烧不使得气体温度增加太多，如果增加气体温度太多会产生较多的烟气和NOx的排放量。因此当应用多次喷射策略时，先导喷射必须是小的(每次循环0.7mg或更少)。
ACP(n＝2280rpm/imep＝9.9bar)
ACP是代表在适于客车的NEDC(新欧驱动循环)的额外市区部分(extraurbanpart)(EUDC)中的加速阶段，其中降低了整个NOx排放的较大部分。因此，相对于排放的优化是非常有利的。
已经示出坡形主喷射在烟气和NOx方面提供一些优势。对于共轨系统而言，坡形喷射速率可通过按顺序运行小的先导喷射(径直放置在彼此之后(短的持续时间))而实现。但是由于喷嘴针的多个打开顺序，上述会有削弱雾化的危险。
对“较长持续时间”和“较短持续时间”的喷射策略进行研究，其中在不同的EGR速率下以及在处于ATDC的12°曲柄角处的HR50的恒定位置处进行上述研究。在EGR为零的情况下，喷射策略(喷射数目和持续时间)的变化的效果最明显，原因在于不削弱柴油机内的燃料燃烧。将成组偏移(blockshift)应用到两次、三次以及四次喷射模式的最佳设置中。在EGR为20％下重复整个过程，因为从EGR＝0％时得出的结论与EGR＝20％的结论没有必要一致。不使用后喷射(postinjection)。(对于多数策略而言希望使用后喷射，因为在燃烧腔室中的适度的高气体温度的延长阶段使得粉尘的氧化延长)。
在EGR＝0％下，首先将较长的持续时间设置限定为基线：对两次和三次喷射模式进行研究，其中每次喷射的量和持续时间(较长的持续时间)变化。喷射的数目对NOx排放没有明显影响。最后，将包括三次喷射(具有较长的持续时间)的策略用作基线，以便对具有两次到五次喷射的短的持续时间策略进行随后的研究。
表3示出短的持续时间研究的顺序，其在两个恒定的EGR速率0％和20％下进行。每一喷射的喷射量以及邻近其的喷射的持续时间进行变化。
表3示出短的持续时间研究的总图。量X进行变化以便与所需的发动机载荷匹配。P＝先导喷射，M＝主喷射。“成组偏移”：所有喷射的燃料量和持续时间保持恒定，以及相对于整体构造的TDC的计时一起偏移。
Figure G2007800339254D00141
Figure G2007800339254D00151
表3
在EGR为0％时具有短的持续时间的成组偏移：
如表3中所示，对于喷射量(P1)和持续时间的变化的最佳设置用于成组偏移(参见表3对“成组偏移”的解释)。图8示出在HR50下的烟气以及NOx排放以及燃烧噪声。
烟气排放随着喷射数目增加而增加。对于具有两次和三次喷射的设置而言NOx的排放保持恒定，并且对于四次和五次喷射而言稍微增加。对于两次喷射模式而言燃烧噪声是最低的，并且增加到稍微高的水平，对于所有的模式而言上述水平类似。
图8A至图8C示出对于具有两次到五次喷射的短持续时间设置的成组偏移而言的(A)烟气，(B)NOx排放以及(C)燃烧噪声。
对于恒定的NOx＝750ppm以及对于具有两次到五次喷射的设置而言，在图9中示出放热速率以及气体平均温度。
烟气排放水喷射数目的增加而增加将再次利用对于低载荷运行位置(ECE)而言的在先前已经论述的机制进行解释：喷射数目越多，在主要的放热之前的喷射燃料量越多。因此，整个的燃料量的显著部分在主要的放热之前已经燃烧，也就是在大约-20和5°曲柄角之间。这导致在5°曲柄角处的气体温度较高，并且将截留的空气减少到喷雾的污气中，直到进行主要燃料量的点火。因此，燃烧发生在局部富含燃料的环境中，增加烟气排放。由于对于所有的设置而言气体最高温度是类似的，因此NOx的形成也是类似的。
图9A至图9F示出对于图8A至图8C的NOx＝750ppm以及具有两次到五次喷射以及对于三次喷射设置(短的持续时间)的成组偏移的图8D至图8F而言的放热速率、汽缸内的压力以及气体温度。
除了烟气排放随着喷射数目增加而增加之外，当喷射模式延迟应用所述的成组偏移时烟气排放也增加。当喷射数目较高时这使得烟气增加显著。在此，燃烧持续时间显现为影响烟气排放：延迟整个的喷射模式(成组偏移)，燃烧朝向扩展冲程中的较低汽缸压力和汽缸内的较低气体温度偏移，如图9(E)和图9(F)所示。这起到削弱雾化以及汽化的作用。结果，燃烧效率降低以及烟气排放增加。尤其是影响具有较高喷射数目的喷射策略，其在本质上将燃烧持续时间延长。在RGR＝0％时，短的持续时间和长的持续时间相比的成组偏移
该部分将类似的坡形的短的持续时间喷射模式与更广泛使用的长的持续时间喷射模式以及共用的单一喷射模式相比。
图10示出最佳的“短的持续时间”设置(其具有两次喷射)、最佳的“长的持续时间”设置以及单一喷射的比较。当放热50％的位置(HR50))处于5和15°曲柄角之间时，在外观上没有明显的差别。延迟HR50，单一喷射产生更少的烟气，并且两个多次喷射设置示出烟气排放增加。对于两个多次喷射设置而言燃烧噪声是类似的，并且对于单一喷射的情况而言燃烧噪声更大。
图10A至图10C示出对于具有两次喷射的短的持续时间设置的成组偏移、具有三次喷射的长的持续时间设置以及单一喷射而言的(A)烟气，(B)NOx排放以及(C)燃烧噪声。
对于没有EGR的燃烧过程而言，单一喷射提供最少的烟气，但是发出不可接受的噪声。这是由于在点火之前形成主要燃料量的增强的混合物。结果，点燃大部分的燃料，其产生压力的显著增加。具有两次和三次喷射模式的两者示出NOx减少，以及发出可接受的噪声，但是具有烟气增加的缺陷。如果不利用EGR，具有短的持续时间的两次喷射模式提供良好的折衷，因为NOx的排放与另一喷射顺序处于类似的水平或者处于低于另一喷射顺序的NOx的排放水平，噪声是低的，烟气增加，但是烟气增加与三次喷射设置(具有长的持续时间)相比是可接受的。
RGR＝20％时，短的持续时间和长的持续时间相比的成组偏移的效果
在没有EGR下进行研究，因为在RGR＝20％下不重复EGR。首先，改变喷射数目和持续时间，在当前的公开中未示出其结果。同样，对于没有EGR的情形而言，对于两次和三次喷射模式的最佳设置而言执行成组偏移。
将EGR速率增加到20％，对于基本保持相同(参见图11)的0％ EGR进行研究：增加具有短的持续时间的喷射数目导致烟气排放较高。NOx排放不受影响。燃料消耗随着喷射数目的增加而稍微增加。随着喷射的数目增加，开始进行燃烧，并且燃烧的持续时间增加。同样燃烧的持续延伸到扩展的冲程内，导致较低的燃烧效率以及因此较高的燃料消耗。对于所有存在的数据而言HC和CO排放或多或少保持恒定。
当在ECE位置下应用三次到四次的喷射时，在中度载荷位置ACP下短的持续时间没有积极效果。ACP的整体气体温度水平比ECE(与图2和图9相比)的整体气体温度水平高很多。不可能发生由于低的汽缸内温度导致的不完全汽化以及不完全燃烧(导致HC和CO的较高排放)。
具有两次和三次喷射的长的持续时间设置与具有两次喷射的短的持续时间设置相比产生类似的污染物排放。
图11A至图11E示出对于具有两次到四次喷射的短的持续时间设置的成组偏移、具有两次和三次喷射的长的持续时间设置而言的在放热50％的位置(HR50))下的(A)烟气排放，(B)NOx排放，(C)燃料消耗，(D)HC排放以及(E)CO排放。
很明显，尤其是在短的持续时间下烟气排放受到喷射数目的最大影响。图12示出对于EGR为20％下的短的持续时间设置而言在烟气排放和超过1400K的燃烧阶段的关联性。短的燃烧持续时间以及随后的在超过大约1400K的汽缸内气体温度下的反应物的短的停留时间对于烟气的低排放是极其重要的。这是因为在低的局部空气燃料比下(λ＜0.8)，开始在大约1400K之上的气体温度下产生烟气(Pischinger等，(2004))。根据这些作者的观点，在这些温度下控制粉尘的形成过程。粉尘氧化在非常倾斜的空气燃料比以及较高的气体温度下发生。因此，粉尘氧化并不是在当前情形下的关键过程。
图12示出烟气排放(FSN)和在汽缸内气体温度超过1400K的燃烧阶段(为°曲柄角的Δt1400)的关联性。R2是关联系数。
对于ACP(n＝2280rpm/imep＝9.9bar)的总结
在ACP，通过按顺序运行小的先导喷射(径直放置在彼此之后(“短的持续时间”))产生“坡形”喷射。已经示出坡形的主喷射在烟气以及相当的NOx排放方面提供一些优势(
Figure G2007800339254D00171
2004)。在柴油机内的燃料燃烧过程中的热力学和化学过程根据EGR而明显不同。因此，在两个恒定的EGR速率0％和20％下进行上述研究。
在0％EGR下，发现在短的持续时间下NOx排放和燃烧噪声不受所应用的喷射数目的影响。从两次到五次喷射烟气排放增加。在此，可应用已经在ECE详细论述的机制：在主要的燃料量开始燃烧之前，增加喷射数目，导致汽缸内的气体温度升高。因此，较少的空气截留到喷雾污气中直到点火。发生局部富含燃料的燃烧并且产生烟气。短的持续时间设置与长的持续时间设置相比，得出在EGR为0％的情况下，短的持续时间设置在烟气以及NOx排放方面具有较小的优势，即烟气以及相当的NOx的排放较高(大约600ppm)，并且与长的持续时间设置相同的燃烧噪声水平。
由于重要的假设是低的NOx排放，在高的EGR速率下的缺陷(当没有EGR时NOx水平较低)更为相关。在EGR为20％的情况下，NOx排放大约为200ppm。在此，不可能获得短的持续时间设置的优势。相比之下，具有两次喷射的长的持续时间设置产生较少的烟气，并且在相同的NOx、HC和CO排放下需要更少的燃料。
在EGR为20％的情况下，烟气排放与超过1400K的气体温度下的燃烧停留时间相关联。在低的空气燃料比下产生烟气，并且超过1400K的气体温度可以是确定烟气排放的过程。在稀缺空气燃料的条件下发生烟气氧化，并且较高温度对于当前数据而言并不重要。
结论
在两种运行条件(n＝1500rpm/imep＝3.2bar以及n＝2280rpm/imep＝9.9bar)下对具有高达五次喷射的“多次喷射策略”重点在于短的持续时间设置。使用装配有压电驱动的喷射系统的单气缸发动机。具有短的持续时间的多次喷射策略可再次产生坡形喷射，其被认为对于烟气排放是有利的。
ECE(n＝1500rpm/imep＝3.2bar)
●在相同冲程下与长的持续时间设置相比，短的持续时间设置产生较少的HC和CO排放。在中间的持续时间下，烟气排放通过最大量，因为在此先导喷射燃烧导致气体温度导致气体温度增加最多。结果，点火延迟短，形成的混合物处于低水平，并且因此从扩散燃烧产生大量烟气。
●对于两次喷射设置而言的NOx的排放显著增加使得持续时间朝向零降低。
●HC排放增加，以便使得持续时间朝向零降低。这是因为邻近的主喷射汽化热量使得充气气体冷却下来。这导致点火延迟增加，并且一些从混合物中排出，由于熄火产生HC。在点火延迟过程中排出是渗透增加的结果。
●在关于排放的方面与短的持续时间相比较长的持续时间设置没有优势，但是表现出抵制分离角中偏差的更良好的稳健性。
ACP(n＝2280rpm/imep＝9.9bar)
●在EGR为0％的情况下，具有两次喷射的短的持续时间设置在烟气以及NOx排放方面具有较小的优势，即烟气以及相当的NOx的排放较高(大约600ppm)，并且与长的持续时间设置相同的燃烧噪声水平。在与多次喷射策略相同的NOx排放下单一喷射产生最少的烟气。但是其燃烧噪声相当大一致不能被接受，使其不适于串联的发动机应用。
●在EGR为20％的情况下，具有两次喷射的长的持续时间设置稍微产生较少的烟气，并且燃料消耗低于短的持续时间设置；
●NOx、HC和CO排放不受持续时间的影响；
●在EGR为20％的情况下，发现超过1400K的燃烧停留时间和烟气排放之间的关联性，包括喷射数目和HR50的变化。
●最后，具有短的持续时间的多次喷射策略至少在低载荷方面是可取的，在此唯一的显著益处是CO排放的减少。由于对喷射系统和导电化合物方面存在较高需求，短的持续时间的总体益处是相当小的。具有最小的先导量以及相对长的持续时间的高度复杂的多次喷射策略显现出具有更多的益处。
附图标记列表
ATDC上止点之后
COCO排放[ppm]
dp/dΦ燃烧噪声[bar/°crk]
dSOI两次喷射的SOI之间的差异[°crk]
EGR废气再循环
IMEP指示的平均有效压力[bar]
HCHC排放[ppm]
HR50释放50％热量的点的位置
ATDC[°crk]
ISFC指示的特定燃料消耗[g/kWh]
M1主喷射
Mfuel喷射质量[mg/stk]
NOxNOx排放[ppm]
P_boost增压器压力[bar]
PM烟气排放[FSN]
Pn先导喷射，n表示先导的数目
p_rail轨道中的燃料压力[bar]
RoHR放热速率[KJ/°crk]
SOC燃烧开始[°crk]
SOI电喷射开始[°crk]
TDC上止点
Texh废气温度[℃]
Δt1400具有超过1400K的温度的燃烧持续时间[°crk]
λ化学计量的空气燃料比

Claims (6)

1.用于降低发动机的污染物排放和油耗的方法，其中控制第一次喷射和第二次喷射之间的持续时间，这样所述发动机的燃烧腔室的平均气体温度在第二次喷射的点火之前最低。
2.根据权利要求1所述的方法，其中由燃烧腔室中的依时压力信号和所述燃烧腔室的相应体积计算得出平均气体温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中由设置在所述发动机的燃烧腔室中的压力传感器传送压力信号。
4.根据前述权利要求至少一项所述的方法，其中第二次喷射是主喷射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述发动机的参数，这样优化在燃烧腔室中的气体最高温度和/或在气体最高温度下的持续时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中发动机参数是EGR-速率、每次循环的喷射量、燃料量以及喷射计时。
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