劉峰

(銀建汽車修理有限公司，北京 100070)

共軌柴油機(jī)薩巴德對照狄塞爾循環(huán)的計(jì)算研究

劉峰

(銀建汽車修理有限公司，北京 100070)

定壓預(yù)脹比對狄塞爾循環(huán)的最高溫度有直接影響，而共軌系統(tǒng)也直接影響著預(yù)脹比及循環(huán)最高溫度，從而影響循環(huán)熱效率及平均有效壓力等技術(shù)指標(biāo)。以濰柴國Ⅴ柴油機(jī)為例，主要對照裝配共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)薩巴德循環(huán)與未裝配共軌系統(tǒng)的狄塞爾循環(huán)的最高溫度以及其他技術(shù)指標(biāo)。

共軌系統(tǒng)；狄塞爾循環(huán)；薩巴德循環(huán)

0 引言

所謂狄塞爾循環(huán)是指柴油機(jī)燃燒過程的定壓加熱理想循環(huán)：一個(gè)定容過程、一個(gè)定壓過程和兩個(gè)定熵過程構(gòu)成的理想循環(huán)。“狄塞爾”即“Diesel”，此循環(huán)應(yīng)用于柴油機(jī)。

而柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點(diǎn)獲得了越來越廣泛的運(yùn)用[1]。高壓共軌系統(tǒng)能達(dá)到低油耗、低排放、高壓噴射、柔性的噴油特性和噴油壓力的控制等其他噴油系統(tǒng)很難達(dá)到的要求。可以說，柴油機(jī)高壓共軌電控燃油系統(tǒng)對降低排放及提升柴油機(jī)性能卓有成效。

1 濰柴國Ⅴ柴油機(jī)概述

文中共軌式柴油機(jī)的研究工作以濰柴國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油機(jī)為研究對象，該柴油機(jī)是濰柴在國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的，繼承濰柴技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異、可靠性高的特點(diǎn)[1]。柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示[2]。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成主要包括[3]：供油泵、共軌管、高壓油管、噴油器、電控單元及各種傳感器。高壓油泵主要采用CP3.3N-16/18高壓油泵；高壓共軌噴油系統(tǒng)機(jī)械部分以及執(zhí)行器采用Bosch的相關(guān)產(chǎn)品，噴油器為CRIN2型噴油器，電控單元為EDC7，共軌管道為LWRN3型共軌。

表1 柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 狄塞爾與薩巴德循環(huán)

2.1 狄塞爾循環(huán)

共軌系統(tǒng)對柴油機(jī)熱循環(huán)有著相當(dāng)直接的影響。文中主要研究裝有共軌系統(tǒng)與未裝共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)在薩巴德循環(huán)與狄塞爾循環(huán)中的循環(huán)熱效率及循環(huán)平均壓力值。

而所謂薩巴德循環(huán)即為柴油機(jī)燃燒過程中的混合加熱理想氣體可逆循環(huán)過程。

如圖1為不裝共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)狄塞爾循環(huán)p-V圖，圖2為狄塞爾循環(huán)T-s圖。表2為此狄塞爾循環(huán)相關(guān)參數(shù)。

圖1 狄塞爾循環(huán)p-V圖

圖2 狄塞爾循環(huán)T-s圖

空氣進(jìn)氣溫度/℃27進(jìn)氣壓力/(105Pa)1.85定壓預(yù)脹比2

其中，循環(huán)平均壓力可用式(1)表示：

(1)

式中:壓縮比εc=17；可逆絕熱指數(shù)κ=1.4。

點(diǎn)1狀態(tài)：

pa=1.85×105PaTa=300 K

空氣定容比熱容:

cV=0.718 kJ/(kg·K)

空氣定壓比熱容:

cp=1.005 kJ/(kg·K)

計(jì)算結(jié)果如下：

循環(huán)吸熱量QB的計(jì)算：

1-2為定熵過程：

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入：T2=932 K，T3=ρ×T2=2×932=1 864 K。再算進(jìn)氣比體積：

V3=ρ×V2=0.054 8 m3/kg

則循環(huán)吸熱量QB為：

QB=cp(T3-T2)=1.005×(1 864-932) kJ/kg=936 kJ/kg

循環(huán)放熱量：

Q2=cV(T4-T1)=0.718×(792-300) kJ/kg=353 kJ/kg

循環(huán)熱效率：

循環(huán)平均壓力pt的計(jì)算過程如下：

分別將ηt、QB、Ta代入式(1)，得到：

pt=13.3×105Pa

p2=97.7×105Pa

p4=4.9×105Pa

2.2 薩巴德循環(huán)

圖3為加裝共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)薩巴德循環(huán)p-V圖，圖4為薩巴德循環(huán)T-s圖。表3為此薩巴德循環(huán)相關(guān)參數(shù)。由于共軌系統(tǒng)的燃油噴射壓力較高，故循環(huán)最高壓力也較高，為140×105Pa。初始空氣狀態(tài)參量需參照狄塞爾循環(huán)。壓縮比εc=17；可逆絕熱指數(shù)κ=1.4。

圖3 薩巴德循環(huán)p-V圖

表3 薩巴德循環(huán)相關(guān)參數(shù)

p3′=140×105Pa=p4′

V5′=V4=V1′=V1=0.465 m3/kg

對于定熵過程，有:

2′-3′為定容過程，則：

V3′=V2′=V2=0.027 4 m3/kg

那么，此薩巴德循環(huán)的定壓預(yù)脹比：

3′-4′為定壓過程，那么:

T4′=ρ′×T3′=2 057 K

由于柴油機(jī)理想循環(huán)的排氣溫度相同，所以：T5′=T4=792 K

2′-3′為定容過程，則:

290 kJ/kg

3′-4′為定壓過程，則:

725 kJ/kg

循環(huán)放熱量：

循環(huán)熱效率：

可見，相同初始參數(shù)條件下，無論是循環(huán)吸熱量、循環(huán)熱效率，還是循環(huán)平均有效壓力方面，薩巴德循環(huán)均強(qiáng)于狄塞爾循環(huán)。

然而，在定壓預(yù)脹比方面，薩巴德循環(huán)低于狄塞爾循環(huán)。狄塞爾循環(huán)定壓預(yù)脹比較高的原因：定壓過程加熱量增加，循環(huán)熱效率ηt降低，因?yàn)檫@部分熱量是在活塞下行的膨脹行程中加入的，作功能力較低。

3 柴油機(jī)共軌技術(shù)的優(yōu)勢

(1)共軌系統(tǒng)提升了缸內(nèi)壓力、燃燒溫度、放熱率，減小了碳煙排放；

(2)噴油器的改進(jìn)可提升缸內(nèi)壓力以及燃燒溫度；

(3)對電控單元相關(guān)噴油參數(shù)的優(yōu)化提升了氣缸壓力、溫度以及放熱率的峰值，并會使燃油消耗降低、指示扭矩和指示功率增加。

總之，共軌系統(tǒng)無論從柴油機(jī)的缸內(nèi)熱力過程，還是從柴油機(jī)的排放性、經(jīng)濟(jì)性、動力性等方面，均有所提升。

4 結(jié)論

(1)介紹了柴油機(jī)共軌系統(tǒng)的概念，及濰柴國Ⅴ柴油機(jī)共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

(2)對照裝有共軌系統(tǒng)的薩巴德循環(huán)和未裝共軌系統(tǒng)的狄塞爾循環(huán)柴油機(jī)，通過計(jì)算，得到柴油機(jī)狄塞爾循環(huán)和薩巴德循環(huán)的循環(huán)吸熱量、循環(huán)熱效率、平均有效壓力等數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明：薩巴德循環(huán)在循環(huán)吸熱量、循環(huán)熱效率、平均有效壓力等方面具有一定優(yōu)勢；

(3)定壓預(yù)脹比方面，共軌系統(tǒng)薩巴德循環(huán)明顯低于狄塞爾循環(huán)；

(4)介紹柴油機(jī)共軌技術(shù)的優(yōu)勢。

【1】劉峰.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真計(jì)算研究[D].北京：北京交通大學(xué),2009.

【2】劉峰.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)壓力波動特征研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2014,43(2)：63-66,96. LIU F.Research on the Fluctuating Features of High Pressure Common Rail Fuel Injection System[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(2)：63-66,96.

【3】劉峰.共軌管參數(shù)對軌內(nèi)壓力場影響的數(shù)值模擬研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2014,43(5)：24-29. LIU F.Numerical Simulation Researches on the Effects of the Common Rail Parameters for the Rail Internal Pressure Field[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(5)：24-29.

Calculation on the Sabah Cycle with a Common Rail Injection System Compared with Diesel Cycle

LIU Feng

(Yinjian Automobile Repair Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

Constant pressure pre expansion ratio has directly influence on the highest temperature of Diesel cycle. The common rail injection system also has directly influence on the highest temperature and pre expansion ratio,thereby,it also affects the technical property indexes, such as thermal efficiency and average valid pressure. Taking National V diesel from Weichai company as an instance, the highest temperature and other technical property indexes of Sabah cycle with a common rail injection system and Diesel cycle without a common rail injection system were compared.

Common rail injection system;Diesel cycle;Sabah cycle

2016-12-04

劉峰(1984—)，男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制。E-mail：PhoneistheFirst@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.016

U461.8

B

1674-1986(2017)04-062-03