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        中型柴油機(jī)國(guó)Ⅴ燃燒系統(tǒng)改進(jìn)試驗(yàn)研究

        2018-03-07 02:17:32胡志林史艷彬宋濤
        汽車(chē)技術(shù) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:煙度油嘴壓縮比

        胡志林 史艷彬 宋濤

        (中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司解放事業(yè)本部,長(zhǎng)春 130011)

        1 前言

        柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒組織對(duì)柴油機(jī)性能具有重要影響,燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油器匹配是燃燒系統(tǒng)選型的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者針對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油器參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響進(jìn)行了深入研究[[11--44]]。

        本文以一臺(tái)高壓共軌中型國(guó)Ⅴ柴油機(jī)為研究機(jī)型,重點(diǎn)圍繞采用不同壓縮比的燃燒室和不同孔數(shù)油嘴進(jìn)行匹配試驗(yàn),研究其對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響。這一研究能為現(xiàn)代柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能改進(jìn)提供工程支持。

        2 試驗(yàn)裝置與研究方法

        試驗(yàn)機(jī)型為一臺(tái)直列6缸4沖程、增壓中冷、電控高壓共軌中型柴油機(jī),采用單體泵高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。試驗(yàn)邊界條件按照GB 17691—2005進(jìn)行控制,表2列出了主要的試驗(yàn)儀器設(shè)備。

        表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

        表2 主要試驗(yàn)儀器設(shè)備

        本試驗(yàn)原機(jī)燃燒室壓縮比為17,為了改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性,引入壓縮比為18的燃燒室,同時(shí)為了控制爆發(fā)壓力和NOx排放,在原7孔油嘴基礎(chǔ)上引入6孔油嘴,弱化柴油機(jī)缸內(nèi)混合,實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

        研究采用該柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ法規(guī)的ESC測(cè)試循環(huán)的三個(gè)代表轉(zhuǎn)速1 460 r/min、1 860 r/min和2 220 r/min,在不同負(fù)荷下,對(duì)不同燃燒配置進(jìn)行軌壓和提前角的調(diào)節(jié)試驗(yàn),并以1 460 r/min,100%和50%負(fù)荷為重點(diǎn)研究工況,研究其對(duì)柴油機(jī)油耗和排放的影響,最終進(jìn)行ESC循環(huán)驗(yàn)證。ESC循環(huán)工況如表3所示。

        表3 ESC循環(huán)工況

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 不同燃燒室對(duì)柴油機(jī)性能的影響

        圖1所示為兩種燃燒室在相同燃燒配置下,NOx和煙度排放對(duì)比,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著噴油正時(shí)推后,缸內(nèi)滯燃期縮短,發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混燃燒過(guò)程減少,缸內(nèi)最大燃燒溫度降低,NOx排放減少,但油氣混合受到影響,前期煙度生成量增大,導(dǎo)致最終煙度上升。在A100工況,當(dāng)噴油正時(shí)處在上止點(diǎn)以后時(shí),煙度大幅度增長(zhǎng),這是由于噴油過(guò)于靠后,導(dǎo)致部分油束在活塞下行階段噴到活塞上端面,而在100%負(fù)荷工況,空燃比相對(duì)較小,局部過(guò)濃區(qū)對(duì)煙度影響較為明顯。而A50工況由于空燃比較大,煙度隨提前角的變化相對(duì)較為平緩。

        新燃燒室由于壓縮比較大,在壓縮上止點(diǎn),缸內(nèi)壓力和溫度較高,缸內(nèi)燃燒較為劇烈,NOx排放升高。尤其在部分負(fù)荷工況,空燃比較高,氧氣含量較為充足,在缸內(nèi)燃燒溫度上升的情況下,NOx增長(zhǎng)表現(xiàn)更為明顯。而煙度排放在原燃燒室方案基礎(chǔ)上略有上升,分析認(rèn)為,新燃燒室方案采用大的壓縮比,燃燒后期膨脹比增大,發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)微粒的氧化作用減弱,同時(shí)新燃燒室采用原始噴油嘴墊片,噴射角度和燃燒室形狀配合相對(duì)不是最優(yōu)組合,對(duì)煙度排放也有一定負(fù)面影響。

        圖1 不同燃燒室的NOx和煙度排放對(duì)比

        圖2所示為兩種燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗和缸內(nèi)爆發(fā)壓力的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,新的燃燒室方案對(duì)比油耗均有一定改善,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力也相應(yīng)提升。在大負(fù)荷工況,功率密度較大,壓縮比上升一方面導(dǎo)致壓縮終了燃燒室容積變小,另一方面有利于燃油快速燃燒。進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力顯著提升,整體提升1 MPa左右,增大了燃燒熱效率。比油耗在大的噴油正時(shí)下改善1~2 g/kWh,隨著噴油的推遲,大壓縮比對(duì)油耗的改善幅度降低,這是因?yàn)樵谏现裹c(diǎn)后噴油,燃燒處于下行階段,大壓縮比對(duì)燃油能量利用的促進(jìn)作用相對(duì)較小。在部分負(fù)荷工況,缸內(nèi)燃油能量密度相對(duì)較低,大壓縮比對(duì)缸壓的提升幅度相對(duì)較小,燃燒熱效率的改善使得比油耗整體下降2 g/kWh左右。

        兩燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響如圖3所示。從圖3可以看出,壓縮比增大,發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)燃燒室容積減小,燃燒初始?jí)毫ι摺姆艧崧噬峡?,壓縮比增大有助于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)前期放熱,放熱率峰值增大,后期放熱減小,縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期,減少發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹過(guò)程的缸內(nèi)放熱,有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓的提升具有促進(jìn)作用。部分負(fù)荷由于燃油能量密度低,燃燒對(duì)爆壓的提升作用相對(duì)減弱。

        圖2 不同燃燒室的比油耗和爆壓對(duì)比

        圖3 不同燃燒室的缸壓和放熱率對(duì)比

        3.2 不同油嘴孔數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

        為了保持NOx排放水平在合理范圍內(nèi),在采用大壓縮比燃燒室的情況下,引入新的噴油器方案,油嘴孔數(shù)由原方案的7孔油嘴,調(diào)整為6孔油嘴,弱化缸內(nèi)油氣混合,降低缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速率。

        圖4所示為在新的燃燒室方案基礎(chǔ)上,不同油嘴方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響。在大負(fù)荷工況,6孔油嘴相對(duì)于7孔油嘴,NOx排放降低1~3 g/kWh,在部分負(fù)荷工況,NOx排放降低1~2 g/kWh。而煙度排放水平惡化也較為明顯,相對(duì)于7孔油嘴,6孔油嘴煙度排放整體上升1倍左右。

        分析認(rèn)為,6孔油嘴相對(duì)于7孔油嘴,由于弱化了油氣混合,燃燒過(guò)程減緩,可有效降低NOx排放水平,而隨著噴油正時(shí)推后,缸內(nèi)混合氣流動(dòng)能量減弱,6孔油嘴相對(duì)于7孔油嘴,油氣混合作用大幅度降低,煙度上升明顯。

        圖4 不同油嘴的NOx和煙度排放對(duì)比

        不同油嘴孔數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗和爆發(fā)壓力的影響如圖5所示。相對(duì)于原7孔油嘴方案,新6孔噴油器的爆壓整體與原7孔油嘴爆壓持平或略有降低。這是因?yàn)橛妥炜讛?shù)變化影響油氣混合效果,對(duì)燃燒有一定影響,但在整體進(jìn)氣壓力和壓縮比不變的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)初始?jí)毫鞠喈?dāng),而油嘴對(duì)燃燒速度的影響相對(duì)有限,因而發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓變化不明顯。

        比油耗隨著噴油正時(shí)的推后,呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。相對(duì)于7孔油嘴方案,新6孔油嘴方案隨著噴油正時(shí)推后,油耗上升趨勢(shì)更快。在上止點(diǎn)前噴油,6孔油嘴方案比油耗與7孔方案相當(dāng)或略好,在上止點(diǎn)后噴油,6孔油嘴方案比油耗明顯差于原7孔油嘴方案。分析認(rèn)為,在上止點(diǎn)前噴油,缸內(nèi)渦流強(qiáng)度較大,6孔油嘴相對(duì)于7孔油嘴可降低油束間的干涉作用,對(duì)燃燒有一定程度的改善。而隨著噴油時(shí)刻的進(jìn)一步推后,渦流強(qiáng)度減弱,油束干涉現(xiàn)象不明顯,而6孔油嘴相對(duì)于7孔油嘴對(duì)油氣的混合作用明顯減弱,導(dǎo)致燃燒效率降低,比油耗也急劇上升。

        對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同油嘴孔數(shù)方案的缸內(nèi)燃燒分析如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果看,采用6孔油嘴方案,油氣混合作用減弱,但在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒初期,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速率并未受到明顯影響,燃燒始點(diǎn)基本一致,發(fā)動(dòng)機(jī)峰值爆壓基本相當(dāng)。但隨著燃燒的進(jìn)行,在發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散燃燒階段,6孔油嘴方案缸內(nèi)燃油局部過(guò)濃區(qū)相對(duì)較多,燃燒放熱率略有下降,燃燒滯后。

        圖5 不同油嘴的比油耗和爆壓對(duì)比

        圖6 不同油嘴的缸壓和放熱率對(duì)比

        3.3 新燃燒系統(tǒng)與原燃燒系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

        由于采用新的燃燒室方案,幾何參數(shù)與原燃燒室略有差別,為了取得更好的油嘴噴射角度與燃燒室形狀匹配,對(duì)油嘴墊片厚度進(jìn)行了調(diào)整,以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)最終性能。

        圖7所示為原燃燒系統(tǒng)與新燃燒系統(tǒng)采用不同油嘴墊片情況下,國(guó)ⅤESC循環(huán)結(jié)果。

        圖7 不同燃燒系統(tǒng)ESC循環(huán)結(jié)果對(duì)比

        從ESC試驗(yàn)循環(huán)結(jié)果可以看出,原燃燒系統(tǒng)在同等加權(quán)NOx排放下,碳煙排放加權(quán)值較低,但比油耗相對(duì)較高;新燃燒系統(tǒng)采用高壓縮比配合小孔數(shù)油嘴,弱化發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒,在保持同等NOx情況下,碳煙排放加權(quán)值相對(duì)較高,但仍處于國(guó)Ⅴ排放法規(guī)以下,經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于原燃燒系統(tǒng)。

        綜合考慮不同油嘴墊片的排放、經(jīng)濟(jì)性及可靠性風(fēng)險(xiǎn),最終選定2.0 mm墊片作為新燃燒系統(tǒng)匹配的油嘴墊片。

        圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)最終燃燒方案配置與原燃燒方案的萬(wàn)有特性比油耗差值對(duì)比,圖中,虛線所示為兩燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相當(dāng),虛線上部深色區(qū)域代表比油耗改進(jìn)后區(qū)域,虛線下部深色區(qū)域代表比油耗改進(jìn)前區(qū)域。從圖8可以看出,新的燃燒系統(tǒng)可有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低速經(jīng)濟(jì)性1%~2%,有利于整車(chē)經(jīng)濟(jì)性改善。

        圖8 燃燒系統(tǒng)改進(jìn)前、后萬(wàn)有特性對(duì)比

        4 結(jié)束語(yǔ)

        a.大壓縮比燃燒室可提升柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒速率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)性改善,尤其在部分負(fù)荷工況更為明顯,但會(huì)顯著增加NOx排放和爆壓水平;

        b.小孔數(shù)油嘴可弱化柴油機(jī)缸內(nèi)油氣混合,降低NOx比排放1~3 g/kWh,但煙度惡化明顯,經(jīng)濟(jì)性在大噴油正時(shí)下影響較?。?/p>

        c.新的燃燒室方案配合油嘴墊片調(diào)節(jié),可對(duì)油嘴噴射角度進(jìn)行優(yōu)化,改善柴油機(jī)排放性能;

        d.大壓縮比配合小孔數(shù)油嘴方案,在滿足排放法規(guī)要求下,可對(duì)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),萬(wàn)有特性中低速油耗可改進(jìn)1%~2%。

        [1]周苗,隆武強(qiáng),冷先銀,等.噴油器參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒特性影響的數(shù)值模擬[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2008(增刊):21-26.

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