通過優(yōu)化燃燒系統(tǒng)改善柴油機(jī)燃油消耗和排放的研究

美國非公路車用設(shè)備第4階段排放標(biāo)準(zhǔn)（Tier 4 Final）與第三階段（Tier 3 Final）相比，要求各種排放減少90%以上。各柴油機(jī)生產(chǎn)商設(shè)計(jì)出的新型發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)需符合排放法規(guī)。韓國斗山重工開發(fā)了一款2.4L緊湊型柴油機(jī)，其可用于裝載機(jī)、叉車等工程車。該柴油機(jī)雖未配備柴油顆粒過濾器（DPF），但具有超低顆粒物排放，因而又被稱為D24 ULPC柴油機(jī)，其可以很好地符合Tier 4 Final排放法規(guī)。在此基礎(chǔ)上，借助試驗(yàn)和仿真方法，通過優(yōu)化噴油嘴噴射流量、進(jìn)氣渦流比以及活塞碗幾何形狀，進(jìn)一步改善D24 ULPC柴油機(jī)的燃油消耗和排放。

試驗(yàn)時(shí)，采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的Dynoexact APA 202-12主動(dòng)測(cè)功機(jī)，并在測(cè)功機(jī)上配備靜壓軸承和高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，柴油機(jī)配備高壓共軌電控直噴系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)和高壓回路冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。采用AVL i60排放分析儀、AVL 415S煙度計(jì)測(cè)量排放，采用AVL Indicom測(cè)量缸內(nèi)壓力，采用AVL 735S油耗儀測(cè)量燃油消耗。試驗(yàn)采用兩種不同規(guī)格的噴油嘴，兩種噴油嘴傾斜角度均為142°。一種噴油嘴直徑為0.115mm，噴射流量為580mL/min，并將其設(shè)為基準(zhǔn)；另一種噴油嘴直徑為0.127mm，噴射流量為638mL/min。結(jié)果顯示，噴油嘴噴射流量增大，顆粒物排放略有降低，NOx排放略有增加，燃油消耗約增加2%。之后設(shè)定-0.4、-0.2、0、0.2、0.4這5個(gè)進(jìn)氣渦流比，結(jié)果顯示進(jìn)氣渦流比增加，可提高柴油機(jī)的熱釋放率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。同樣，顆粒物排放隨之降低，NOx排放則略有增加。通過三維計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件進(jìn)行模擬，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)。模擬時(shí)，湍流模型采用RNG模型、燃燒模型采用二次破碎模型，NOx排放分析基于擴(kuò)展的澤爾道維奇（Zeldovich）生成機(jī)理，顆粒物排放量采用Khan-Hiroyasu-Belardini模型。將噴油嘴噴射流量和進(jìn)氣渦流比優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相似。最后，利用CFD軟件對(duì)圖1所示的4個(gè)活塞碗主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示，活塞碗幾何形狀顯示出改善燃油消耗的巨大潛力，燃油消耗改善將超過6%。

圖1活塞碗幾何形狀的主要參數(shù)

Dockoon Yoo et al.SAE 2015-01-0785.

編譯：王祥