胡志林 史艷彬 宋濤

（中國第一汽車集團有限公司解放事業(yè)本部，長春 130011）

1 前言

柴油機缸內(nèi)燃燒組織對柴油機性能具有重要影響，燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油器匹配是燃燒系統(tǒng)選型的重點。國內(nèi)研究學者針對燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油器參數(shù)對柴油機性能的影響進行了深入研究[[11--44]]。

本文以一臺高壓共軌中型國Ⅴ柴油機為研究機型，重點圍繞采用不同壓縮比的燃燒室和不同孔數(shù)油嘴進行匹配試驗，研究其對柴油機經(jīng)濟性和排放性能的影響。這一研究能為現(xiàn)代柴油機經(jīng)濟性能改進提供工程支持。

2 試驗裝置與研究方法

試驗機型為一臺直列6缸4沖程、增壓中冷、電控高壓共軌中型柴油機，采用單體泵高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。柴油機主要技術參數(shù)詳見表1。試驗邊界條件按照GB 17691—2005進行控制，表2列出了主要的試驗儀器設備。

表1 柴油機主要技術參數(shù)

表2 主要試驗儀器設備

本試驗原機燃燒室壓縮比為17，為了改善柴油機經(jīng)濟性，引入壓縮比為18的燃燒室，同時為了控制爆發(fā)壓力和NOx排放，在原7孔油嘴基礎上引入6孔油嘴，弱化柴油機缸內(nèi)混合，實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

研究采用該柴油機實現(xiàn)國Ⅴ法規(guī)的ESC測試循環(huán)的三個代表轉(zhuǎn)速1 460 r/min、1 860 r/min和2 220 r/min，在不同負荷下，對不同燃燒配置進行軌壓和提前角的調(diào)節(jié)試驗，并以1 460 r/min，100%和50%負荷為重點研究工況，研究其對柴油機油耗和排放的影響，最終進行ESC循環(huán)驗證。ESC循環(huán)工況如表3所示。

表3 ESC循環(huán)工況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同燃燒室對柴油機性能的影響

圖1所示為兩種燃燒室在相同燃燒配置下，NOx和煙度排放對比，從試驗結(jié)果可以看出，隨著噴油正時推后，缸內(nèi)滯燃期縮短，發(fā)動機預混燃燒過程減少，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，導致最終煙度上升。在A100工況，當噴油正時處在上止點以后時，煙度大幅度增長，這是由于噴油過于靠后，導致部分油束在活塞下行階段噴到活塞上端面，而在100%負荷工況，空燃比相對較小，局部過濃區(qū)對煙度影響較為明顯。而A50工況由于空燃比較大，煙度隨提前角的變化相對較為平緩。

新燃燒室由于壓縮比較大，在壓縮上止點，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增長表現(xiàn)更為明顯。而煙度排放在原燃燒室方案基礎上略有上升，分析認為，新燃燒室方案采用大的壓縮比，燃燒后期膨脹比增大，發(fā)動機對微粒的氧化作用減弱，同時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不是最優(yōu)組合，對煙度排放也有一定負面影響。

圖1 不同燃燒室的NOx和煙度排放對比

圖2所示為兩種燃燒室對發(fā)動機比油耗和缸內(nèi)爆發(fā)壓力的影響。從試驗結(jié)果可以看出，新的燃燒室方案對比油耗均有一定改善，同時發(fā)動機缸內(nèi)爆發(fā)壓力也相應提升。在大負荷工況，功率密度較大，壓縮比上升一方面導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。進而導致缸內(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下改善1~2 g/kWh，隨著噴油的推遲，大壓縮比對油耗的改善幅度降低，這是因為在上止點后噴油，燃燒處于下行階段，大壓縮比對燃油能量利用的促進作用相對較小。在部分負荷工況，缸內(nèi)燃油能量密度相對較低，大壓縮比對缸壓的提升幅度相對較小，燃燒熱效率的改善使得比油耗整體下降2 g/kWh左右。

兩燃燒室對發(fā)動機缸內(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)動機壓縮上止點燃燒室容積減小，燃燒初始壓力升高。從放熱率上看，壓縮比增大有助于發(fā)動機缸內(nèi)前期放熱，放熱率峰值增大，后期放熱減小，縮短發(fā)動機的燃燒持續(xù)期，減少發(fā)動機膨脹過程的缸內(nèi)放熱，有利于提升發(fā)動機經(jīng)濟性，同時對發(fā)動機爆壓的提升具有促進作用。部分負荷由于燃油能量密度低，燃燒對爆壓的提升作用相對減弱。

圖2 不同燃燒室的比油耗和爆壓對比

圖3 不同燃燒室的缸壓和放熱率對比

3.2 不同油嘴孔數(shù)對柴油機性能的影響

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)燃燒反應速率。

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

分析認為，6孔油嘴相對于7孔油嘴，由于弱化了油氣混合，燃燒過程減緩，可有效降低NOx排放水平，而隨著噴油正時推后，缸內(nèi)混合氣流動能量減弱，6孔油嘴相對于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和煙度排放對比

不同油嘴孔數(shù)對發(fā)動機比油耗和爆發(fā)壓力的影響如圖5所示。相對于原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。這是因為油嘴孔數(shù)變化影響油氣混合效果，對燃燒有一定影響，但在整體進氣壓力和壓縮比不變的情況下，發(fā)動機壓縮上止點初始壓力基本相當，而油嘴對燃燒速度的影響相對有限，因而發(fā)動機爆壓變化不明顯。

比油耗隨著噴油正時的推后，呈現(xiàn)上升趨勢。相對于7孔油嘴方案，新6孔油嘴方案隨著噴油正時推后，油耗上升趨勢更快。在上止點前噴油，6孔油嘴方案比油耗與7孔方案相當或略好，在上止點后噴油，6孔油嘴方案比油耗明顯差于原7孔油嘴方案。分析認為，在上止點前噴油，缸內(nèi)渦流強度較大，6孔油嘴相對于7孔油嘴可降低油束間的干涉作用，對燃燒有一定程度的改善。而隨著噴油時刻的進一步推后，渦流強度減弱，油束干涉現(xiàn)象不明顯，而6孔油嘴相對于7孔油嘴對油氣的混合作用明顯減弱，導致燃燒效率降低，比油耗也急劇上升。

對發(fā)動機采用不同油嘴孔數(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)動機燃燒初期，發(fā)動機燃燒速率并未受到明顯影響，燃燒始點基本一致，發(fā)動機峰值爆壓基本相當。但隨著燃燒的進行，在發(fā)動機擴散燃燒階段，6孔油嘴方案缸內(nèi)燃油局部過濃區(qū)相對較多，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比

圖6 不同油嘴的缸壓和放熱率對比

3.3 新燃燒系統(tǒng)與原燃燒系統(tǒng)試驗結(jié)果對比

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，對油嘴墊片厚度進行了調(diào)整，以優(yōu)化發(fā)動機最終性能。

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ⅤESC循環(huán)結(jié)果。

圖7 不同燃燒系統(tǒng)ESC循環(huán)結(jié)果對比

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

綜合考慮不同油嘴墊片的排放、經(jīng)濟性及可靠性風險，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)動機最終燃燒方案配置與原燃燒方案的萬有特性比油耗差值對比，圖中，虛線所示為兩燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟性相當，虛線上部深色區(qū)域代表比油耗改進后區(qū)域，虛線下部深色區(qū)域代表比油耗改進前區(qū)域。從圖8可以看出，新的燃燒系統(tǒng)可有效改善發(fā)動機中低速經(jīng)濟性1%~2%，有利于整車經(jīng)濟性改善。

圖8 燃燒系統(tǒng)改進前、后萬有特性對比

4 結(jié)束語

a.大壓縮比燃燒室可提升柴油機缸內(nèi)燃燒速率，促進經(jīng)濟性改善，尤其在部分負荷工況更為明顯，但會顯著增加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)濟性在大噴油正時下影響較?。?/p>

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

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，可對柴油機燃燒系統(tǒng)進行改進，萬有特性中低速油耗可改進1%~2%。

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