任川江，曾東建，冷松蓬

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

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·新能源汽車(chē)與低碳運(yùn)輸·

柴油機(jī)怠速循環(huán)波動(dòng)特性研究

任川江，曾東建*，冷松蓬

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

為探究不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)怠速燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行不同控制參數(shù)下的高壓共軌柴油機(jī)怠速循環(huán)變動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)，分析噴油提前角、冷卻液溫度和噴油壓力對(duì)柴油機(jī)怠速燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響。結(jié)果表明：噴油定時(shí)從上止點(diǎn)前12°向上止點(diǎn)前2°變化時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率在上止點(diǎn)前6°最低，表現(xiàn)為兩邊高中間低；冷卻液溫度由30 ℃增加至80 ℃時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率分別由7.64%和1.61%下降到3.47%和0.67%，有效地降低了怠速循環(huán)波動(dòng)；噴油壓力從30 MPa增加到40 MPa，可以促進(jìn)怠速時(shí)缸內(nèi)燃料的霧化蒸發(fā)以及與空氣的混合，而噴油壓力過(guò)高時(shí)，燃燒重心向上止點(diǎn)平移，使缸內(nèi)燃燒的可控性變差，各循環(huán)間的差異性增大；穩(wěn)定怠速過(guò)程中，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。

柴油機(jī); 怠速; 循環(huán)變動(dòng)

循環(huán)波動(dòng)，即各循環(huán)間的燃燒差異性，其存在于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的每個(gè)階段[1]，并且直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和噪聲振動(dòng)等[2-5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)波動(dòng)分析較多，而對(duì)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)則普遍認(rèn)為其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)循環(huán)波動(dòng)較小，很少對(duì)其進(jìn)行深入的研究[6]；但隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們也不斷將目光轉(zhuǎn)向了柴油機(jī)燃燒過(guò)程的優(yōu)化和改善。有研究資料表明，作為車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)最典型也是最重要的運(yùn)行工況之一的怠速工況，要消耗汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中約25%的運(yùn)行時(shí)間和30%左右的燃料[7]，同時(shí)其產(chǎn)生的有害污染排放物中NOx、HC和CO分別占到了城市空氣污染物的主要組成部分[8]；因此，進(jìn)行柴油機(jī)怠速循環(huán)波動(dòng)特性的試驗(yàn)研究對(duì)優(yōu)化怠速控制策略，改善柴油機(jī)怠速穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)節(jié)能減排具有重要意義。

本文針對(duì)一臺(tái)車(chē)用高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行了不同冷卻液溫度、不同噴油壓力和不同噴油提前角下的怠速循環(huán)波動(dòng)的試驗(yàn)研究，旨在探究不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)怠速燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，為優(yōu)化柴油機(jī)怠速穩(wěn)定性提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用4缸四沖程、強(qiáng)制水冷、電控高壓共軌直噴式DK4A型柴油機(jī)，其主要相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)多缸柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1為試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。氣缸壓力通過(guò)Kistler6125C型壓電式缸壓傳感器測(cè)得，經(jīng)過(guò)Kistler5064型電荷放大器和NI USB 6259高速數(shù)據(jù)采集卡傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)由與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同軸安裝的光電編碼器產(chǎn)生，各種運(yùn)行參數(shù)的控制由電子控制單元(ECU)和上位機(jī)共同完成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

為了探究主要控制參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)怠速循環(huán)波動(dòng)的影響，試驗(yàn)中在怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min，循環(huán)噴油總量為6 mg的情況下，分別進(jìn)行了冷卻液溫度從30 ℃到80 ℃(步長(zhǎng)為10 ℃)、噴油壓力從30 MPa到80 MPa(步長(zhǎng)為10 MPa)和噴油提前角從-12 °(deg·ATDC)到-2 °(步長(zhǎng)為2°)的怠速穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同噴油提前角下的缸壓峰值波動(dòng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了得到不同試驗(yàn)條件下的循環(huán)變動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)中以統(tǒng)計(jì)的方法得到了連續(xù)100個(gè)循環(huán)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的燃燒相位參數(shù)、最大爆發(fā)壓力Pmax、最大爆發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角φmax以及其循環(huán)波動(dòng)率COV(coefficient of variation)等，并針對(duì)壓力特征參數(shù)和燃燒特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。其中，循環(huán)波動(dòng)率的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

2.1 壓力特性參數(shù)分析

圖2示出了怠速轉(zhuǎn)速800 r/min，噴油壓力40 MPa，冷卻液溫度80 ℃時(shí)不同噴油定時(shí)下缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力隨循環(huán)次數(shù)的波動(dòng)情況?？梢钥闯觯涸趪娪投〞r(shí)為-12°時(shí)，缸內(nèi)出現(xiàn)最大的平均最大爆發(fā)壓力6.010 MPa，出現(xiàn)于上止點(diǎn)后1.16 °CA處；當(dāng)噴油定時(shí)逐漸減小為-2°后，缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力也相應(yīng)地單調(diào)減小到了5.331 MPa，同時(shí)其出現(xiàn)的角度也增加到了上止點(diǎn)后7.47 °CA，增幅達(dá)6.31 °CA。結(jié)合圖3最大爆發(fā)壓力波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率隨噴油定時(shí)的變化關(guān)系，可以進(jìn)一步了解到，在噴油定時(shí)從上止點(diǎn)前12°向上止點(diǎn)前2°的變化過(guò)程中，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率呈現(xiàn)出了中間低兩頭高的變化規(guī)律。這主要是因?yàn)樵谳^大噴油提前角(如-12°時(shí))的情況下，燃油噴入氣缸時(shí)有較低的溫度和壓力，其霧化、蒸發(fā)變慢，其滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，與此同時(shí)較長(zhǎng)的燃燒滯燃期為燃油與新鮮充量提供了足夠的混合時(shí)間，使得燃燒中預(yù)混燃燒的比例加大；因此，燃燒一旦發(fā)生瞬間即可完成。循環(huán)間燃燒狀況受缸內(nèi)溫度、壓力以及混合氣混合狀態(tài)的影響更加敏感，故此時(shí)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率相對(duì)較大。當(dāng)噴油定時(shí)靠近上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)燃油進(jìn)入氣缸時(shí)有相對(duì)較高的溫度和壓力，利于油滴破碎和燃油霧化過(guò)程；但是其作用時(shí)間極短，同時(shí)再加上怠速工況下有相對(duì)較低的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和氣流運(yùn)動(dòng)，使得燃燒滯燃期極短，燃料霧化混合不充分，后燃增加，放熱重心向后遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒被拖到了膨脹線上，因此最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率也呈增加的趨勢(shì)。

圖3 不同噴油提前角下的最大爆發(fā)壓力波動(dòng)率

圖4示出怠速轉(zhuǎn)速800 r/min，噴油壓力40 MPa，噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前6°時(shí)，不同冷卻液溫度下缸內(nèi)燃燒壓力峰值隨循環(huán)的變動(dòng)規(guī)律。可以看出，在冷卻液溫度由30 ℃增加至80 ℃的過(guò)程中，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力波動(dòng)規(guī)律并不明顯，主要集中于5.708～5.905 MPa之間，波動(dòng)幅值僅為0.197 MPa，而其出現(xiàn)的角度則由上止點(diǎn)后的7.78 °CA單調(diào)減小到了3.03 °CA，明顯提前。結(jié)合圖5可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，最大爆發(fā)壓力波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率對(duì)冷卻液溫度變化比較敏感，隨著冷卻液溫度的增加，其波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率急劇減小，分別由30 ℃的7.64%和1.61%下降到了80 ℃的3.47%和0.67%，不足原來(lái)的1/2和2/5。這主要是因?yàn)樵趪娪蛪毫脱h(huán)噴油量一定的情況下，較高的冷卻液溫度提高了缸內(nèi)壁面的平均溫度。這樣一方面既降低了缸內(nèi)燃?xì)馀c燃燒室壁面的溫度差，減少了傳熱損失，提高了熱效率，各循環(huán)間的燃燒差異性減小，循環(huán)波動(dòng)降低；另一方面較高的壁面平均溫度對(duì)燃油進(jìn)入氣缸時(shí)的預(yù)熱作用加強(qiáng)，燃油霧化、蒸發(fā)速度加快，燃燒滯燃期縮短：因此，燃燒重心提前。

圖4 不同冷卻液溫度下的缸壓峰值波動(dòng)

圖5 不同冷卻液溫度下最大爆發(fā)壓力波動(dòng)率

怠速轉(zhuǎn)速800 r/min，冷卻水溫80 ℃，噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前6°時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值的波動(dòng)情況如圖6所示?？梢钥吹诫S著噴油壓力的增加，缸內(nèi)平均最大爆發(fā)壓力及其出現(xiàn)的角度均表現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律，分別由最初的5.681 MPa和4.16°單調(diào)增加和提前到了6.172 MPa和2.96°。這是因?yàn)樵趪娪土恳欢ǖ那闆r下，噴油壓力越高，噴射速率則越快，噴射過(guò)程越早完成，燃油提前進(jìn)入燃燒前的準(zhǔn)備階段；同時(shí)，在較高的噴油壓力下油束以很高的速度穿越缸內(nèi)流體層，其與缸內(nèi)新鮮充量的摩擦阻力增加，這也加速了油滴的破碎、擴(kuò)散和蒸發(fā)過(guò)程：因此，燃燒滯燃期縮短，燃燒重心向上止點(diǎn)靠近。在圖7中缸內(nèi)壓力峰值波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率隨噴油壓力的變化關(guān)系并不明顯，總體上均呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)。這說(shuō)明一定程度上地提高噴油壓力有助于減小怠速循環(huán)波動(dòng)，但是過(guò)高的噴油壓力需要犧牲更多的有用功來(lái)維持其穩(wěn)定性，并且噴油壓力越高其穩(wěn)定性越差；因此，在較高的噴油壓力下各循環(huán)間燃燒的差異呈增加趨勢(shì)。

2.2 燃燒特征參數(shù)分析

圖8—10示出穩(wěn)定怠速過(guò)程中不同噴油定時(shí)、不同冷卻液溫度和不同噴油壓力條件下的燃燒特征參數(shù)的變化情況。從圖8可以看出，隨著噴油提前角的減小，燃燒滯燃期呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)，并在上止點(diǎn)前4°CA時(shí)達(dá)到最小值2.5°CA，而燃燒重心和燃燒持續(xù)期則呈現(xiàn)出單調(diào)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄渌\(yùn)行條件相同的條件下，相對(duì)于較大的噴油定時(shí)而言，較遲噴油定時(shí)雖然使得燃油較晚進(jìn)入燃燒室，但是此時(shí)活塞靠近上止點(diǎn)，缸內(nèi)具有較高的溫度和壓力，同時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)；因此，燃料燃燒前的霧化、蒸發(fā)過(guò)程實(shí)際上是加快的。這使得滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例加大，燃燒速率變快，燃燒重心前移，燃燒持續(xù)期縮短。而過(guò)于靠近上止點(diǎn)的噴油定時(shí)，雖然此時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力更高，但是在極短的作用時(shí)間之后活塞又越過(guò)上止點(diǎn)，缸內(nèi)溫度和壓力急劇下降；因此，燃燒滯燃期反而增加。

圖6 不同噴油壓力下的缸壓峰值波動(dòng)

圖7 不同噴油壓力最大爆發(fā)壓力波動(dòng)率

圖8 不同噴油定時(shí)下的燃燒特征參數(shù)分布

冷卻液溫度變化對(duì)燃燒特征參數(shù)的影響十分明顯，從圖9可以看出，燃燒滯燃期、燃燒重心以及燃燒持續(xù)期均隨著冷卻液溫度的升高而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明較高的冷卻液溫度提高了燃燒室壁面的平均溫度，預(yù)熱了新鮮充量，加速了燃油霧化、蒸發(fā)以及混合過(guò)程，因此燃油較快地完成了燃燒前的準(zhǔn)備工作，燃燒過(guò)程相對(duì)集中，放熱速率相對(duì)較快。

圖9 不同冷卻液溫度下的燃燒特征參數(shù)分布

如圖10所示，與冷卻液溫度對(duì)燃燒特征參數(shù)的影響相同，噴油壓力增加，缸內(nèi)燃燒滯燃期、燃燒重心以及燃燒持續(xù)期均呈現(xiàn)出單調(diào)減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)檩^高的噴油壓力增加了燃油進(jìn)入燃燒室時(shí)的動(dòng)能，油滴在噴射過(guò)程中與缸內(nèi)氣體工質(zhì)的碰撞作用增強(qiáng)，其霧化、蒸發(fā)過(guò)程也相對(duì)加快，與升高冷卻液溫度起到了同樣的作用。

表2示出不同控制參數(shù)下缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力的Pearson相關(guān)系數(shù)R，可以看出其都大于0.8，表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性。

圖10 不同噴油壓力下的燃燒特征參數(shù)分布

噴油定時(shí)/(°CA)-12-10-8-6-4-2R/(IMEP，Pmax)0．990．970．960．910．900．86噴油壓力/MPa304050607080R/(IMEP，Pmax)0．920．930．930．940．900．88冷卻液溫度/℃304050607080R/(IMEP，Pmax)0．860．920．880．930．860．95

3 結(jié)論

1)在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定怠速的情況下，存在一個(gè)最優(yōu)噴油定時(shí)，會(huì)使缸內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性變差，最大爆發(fā)壓力的波動(dòng)率和循環(huán)波動(dòng)率上升。

2)怠速穩(wěn)定性對(duì)冷卻液溫度的變化十分敏感，升高冷卻液溫度可以有效地降低怠速循環(huán)波動(dòng)。

3)一定程度上增加噴油壓力，可以促進(jìn)怠速時(shí)缸內(nèi)燃料的霧化蒸發(fā)以及與空氣的混合，而過(guò)高的噴油壓力在加大機(jī)械損失的同時(shí)也會(huì)縮短燃燒滯燃期，燃燒重心向上止點(diǎn)平移，使缸內(nèi)燃燒的可控性變差，各循環(huán)間的差異性增大。

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(編校：夏書(shū)林)

Study on Cyclic Variation of Diesel Enginein Idle Condition

REN Chuanjiang, ZENG Dongjian*,LENG Songpeng

(School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039 China)

To explore the influence of different operating parameters on the combustion process of idling, the cyclic variation of diesel engine has been studied with different control parameters on the engine test bench, and the influences of different injection timing, coolant temperature and injection pressure on the combustion cycle fluctuations have been analyzed. The results showed that when the injection timing varied from 12 °CA BTDC to 2 °CA BTDC, minimum rate of maximum explosion pressure fluctuation and cycle-to-cycle variation were got at 6 °CA BTDC, which presented a high side but low middle figure. While coolant was varying from 30 °C to 80 °C, the rate of maximal explosion pressure flucturation and cycle-to-cycle variation decreased from 7.64% and 1.61% to 3.47% and 0.67%, respectively, and the cycle-to-cycle variation of idling condition could be sufficiently decreased. And the increase of injection pressure from 30 MPa to 40 MPa can promote the progress of fuel atomization, evaporation and mixed. While the pressure is too high, the burn center approach to the TDC, which leads to the result that the combustion got uncontrolled. The maximum explosion pressure in cylinder and the IMEP also show a strong correlation in the stable idle process.

diesel; idle; cyclic variation.

2015-05-08

教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(22014059)；四川省教育廳青年基金項(xiàng)目(1321300)；

TK421.2

A

1673-159X(2016)05-0007-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.002

*通信作者：曾東建(1964—)，男，重慶人，教授，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)。