周磊, 楊昆, 劉振明, 王銀, 遲淼

(1.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430033; 2.陸軍軍事交通學(xué)院 汽車士官學(xué)校, 安徽 蚌埠 233011)

柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)是現(xiàn)代先進柴油機標(biāo)志性技術(shù)之一[1-3]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,對噴油特性提出了更高的要求,如噴油率可調(diào)、多次噴射以及超高壓噴射等[4-5],以實現(xiàn)柴油機不同工況下更靈活的噴射控制。但現(xiàn)行常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)存在噴油速率無法靈活改變以及超高壓噴射實現(xiàn)困難等問題[6-7]。為克服上述缺點,國內(nèi)外研究機構(gòu)通常有2種方法:①利用超高壓油泵產(chǎn)生超高壓[8-9],但該方法對高壓油泵性能和系統(tǒng)中各部件(高壓油泵、共軌管和噴油器等)強度的要求很高。②在噴油器中集成液壓放大機構(gòu)[10]。但該方法對噴油器自身的加工工藝水平的要求更高。本文提出的超高壓共軌系統(tǒng),通過電控增壓器能夠?qū)⑷加蛪毫Ψ糯笾脸邏籂顟B(tài),并且能夠產(chǎn)生靈活可變的噴油速率形態(tài)。

燃油噴射壓力和噴射方式的變化對柴油機燃燒以及污染物生成都有著十分重要的影響[11]。Hossam等[12]研究了噴射壓力對柴油機燃燒特性的影響,得出噴射壓力的升高明顯縮短了滯燃期的結(jié)論;Cheng等[13]研究了柴油機燃燒性能隨噴射壓力的變化規(guī)律,結(jié)果表明:噴油壓力在一定范圍內(nèi),能提高缸內(nèi)爆發(fā)壓力;Liu等[14]研究了柴油噴射壓力對燃燒和排放的影響,結(jié)果表明柴油噴射壓力提高后,最大缸壓、放熱率以及NOx排放增加,CO和THC排放減少。但上述研究主要集中在噴射壓力對柴油機性能的影響,對變噴油速率下的柴油機性能變化規(guī)律的研究鮮有報道。為此,本文在介紹可變噴油速率實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上,建立了單缸超高壓共軌柴油機的計算模型,并利用試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性,而后通過模型分析了不同噴油速率和噴油提前角對超高壓共軌柴油機性能的影響。

1 可變噴油速率的實現(xiàn)方法

可變噴油速率是通過超高壓共軌系統(tǒng)實現(xiàn)的,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。作為系統(tǒng)的核心部件,電控增壓器對系統(tǒng)實現(xiàn)兩級壓力噴射和可變噴油速率噴射起著關(guān)鍵性作用,其具體工作原理為:在部分負荷時,共軌腔燃油經(jīng)增壓室進油單向閥及增壓活塞中心油道向噴油器供油。在高負荷時,電控增壓器電磁閥通電,控制室壓力降低,導(dǎo)致增壓活塞受力失衡向增壓室方向運動,此時增壓室內(nèi)壓力受到壓縮而升高,即向噴油器供給增壓后的高壓燃油。電控增壓器電磁閥斷電后,由于共軌腔的燃油使得控制室內(nèi)壓力得到回升,同復(fù)位彈簧一起使增壓活塞復(fù)位。同時,通過調(diào)整電控增壓器和噴油器電磁閥的開啟時間,系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單次噴射過程中噴油速率的變化,從而得到不同形態(tài)的噴油速率。圖2所示為利用AMESim軟件建立的超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型,其中高壓油泵和共軌腔用理想的高壓源替代。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

2 超高壓共軌柴油機計算模型建立及驗證

考慮到研究重點是噴油速率匹配噴油提前角對超高壓共軌柴油機性能的影響,為了方便分析柴油機匹配超高壓共軌系統(tǒng)后的性能變化,通過GT-Power建立了單缸超高壓共軌柴油機的計算模型(見圖3)。柴油機的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 單缸超高壓共軌柴油機的計算模型

參數(shù)數(shù)值柴油機轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1 500 缸徑/mm130沖程/mm120 連桿長度/mm170 壓縮比18.5 噴孔直徑/mm0.2 噴孔數(shù)量6

在模型建立過程中,燃燒和傳熱模型的選擇直接影響到整個模型的計算精度。為準(zhǔn)確預(yù)測柴油機整體性能,本文選取了EngCylCombDIJet準(zhǔn)維燃燒模型[15],在使用該模型時,由于其對噴射型線和時間非常敏感,因此要保證噴油型線和時間跟實際噴油器一致。傳熱模型采用了Woschni模型[16]。

為驗證所建立的超高壓共軌柴油機計算模型的準(zhǔn)確性,進行了超高壓共軌柴油機試驗,圖4為缸壓仿真值與試驗值的對比圖,由圖可知,缸壓的仿真值和試驗值一致性較好,可以用來模擬實際情況。

圖4 缸壓仿真值與試驗值對比圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 噴油速率對超高壓共軌柴油機性能的影響

利用超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型(見圖2),通過更改模型中電控增壓器和噴油器電磁閥的開啟時間,得到如圖5所示的7種噴油速率方案。

圖5 噴油速率方案

方案1噴油時刻相對增壓時刻滯后0.5 ms,近似于全超高壓噴射;方案7電控增壓器電磁閥不動作,近似于常規(guī)高壓噴射;方案2噴油時刻與增壓時刻同步,方案3～6噴油時刻相對增壓時刻提前時間依次遞增0.5 ms。

保持噴油提前角恒定(上止點前12°CA),將以上7種方案的噴油速率數(shù)據(jù)導(dǎo)入到柴油機噴油器模型中,得到的噴油速率對柴油機燃燒排放特性的影響如圖6所示。考慮到方案2相對其他方案有較大的噴油延遲,相當(dāng)于噴油提前角變小,且其噴油壓力變化與方案1類似,因此在分析過程中不與其他方案進行對比。

由圖6可知,隨著增壓時刻的滯后,缸壓、缸溫以及放熱率均下降,且達到各自峰值的時間均有所滯后。這是由于增壓時刻越早,缸內(nèi)形成的可燃混合氣越多,且混合速率越大,造成燃燒過程的加劇和燃燒始點的提前導(dǎo)致的。在排放物生成方面,隨著增壓時刻的滯后,NOx排放下降,而soot排放上升。

圖6 噴油速率對柴油機燃燒排放特性的影響

這是由于增壓時刻的滯后導(dǎo)致了缸溫的下降,故NOx排放下降。soot主要由其生成和氧化過程決定,隨著增壓時刻的滯后,一方面使得缸內(nèi)油氣混合不充分,soot生成量增加;另一方面使得缸溫下降,soot氧化量減少,在二者的共同作用下,soot排放上升。

噴油速率對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響如表2所示。

表2 噴油速率對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響

由表可知,方案1采用超高壓矩形噴射獲得了最好的動力性和經(jīng)濟性。與方案7相比,功率增大了7.41%,油耗率減小了7.96%。

3.2 噴油提前角對超高壓共軌柴油機性能的影響

為了分析噴油提前角對柴油機性能的影響,選取噴油方案4,在-22°CA～0°CA(每2°CA取一個值)范圍下,得到噴油提前角對柴油機燃燒排放特性的影響如圖7所示。

圖7 噴油提前角對柴油機燃燒排放特性的影響

由圖7可知,隨著噴油提前角的增加,缸壓、缸溫以及放熱率均上升。這是由于隨著噴油提前角的增加,滯燃期內(nèi)噴入的燃油增多,形成的可燃混合氣增多,即燃燒過程進行地更加劇烈,最終導(dǎo)致了缸壓、缸溫以及放熱率的上升。在排放物生成方面,隨著噴油提前角的增加,NOx排放上升,而soot排放先下降后上升。這是由于缸溫隨著噴油提前而上升,導(dǎo)致NOx排放持續(xù)上升。soot排放的變化則是由于噴油提前角在一定范圍內(nèi)時,因缸內(nèi)溫度升高所氧化的soot量大于因擴散期燃油比例減少所生成的soot量,造成了soot排放量的下降,但當(dāng)主噴提前角過大時,soot氧化量小于soot生成量,故soot排放量又隨之上升。

噴油提前角對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響如表3所示。由表可知,隨著噴油提前角的增加,功率先增大后減小,而油耗率先減小后增大。在噴油提前角為-10°CA時，柴油機的動力性與經(jīng)濟性達到最佳。與0°CA相比,功率增大了3.60%,油耗率減小了3.45%;與-22°CA相比,功率增加了5.11%,油耗率減小了4.88%。

表3 噴油提前角對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響

3.3 噴油速率匹配噴油提前角對超高壓共軌柴油機性能的影響

根據(jù)前文分析結(jié)果可知,不同噴油速率和噴油提前角對超高壓共軌柴油機的性能存在較大的影響,為了更加準(zhǔn)確地獲得不同噴油速率改善柴油機性能的特點和規(guī)律,以柴油機的動力性和經(jīng)濟性為指標(biāo),針對不同噴油速率匹配不同噴油提前角進行了功率和油耗率的計算分析,結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知,每種噴油速率均有對應(yīng)的最優(yōu)噴油提前角,使得柴油機達到最佳的動力性和經(jīng)濟性(方案1在-6°CA獲得;方案3在-10°CA獲得;方案4在-12°CA獲得;方案5在-14°CA獲得;方案6在-16°CA獲得;方案7在-18°CA獲得)。高噴油速率方案匹配較小的噴油提前角能提升柴油機的動力輸出并降低燃油消耗,即隨著增壓時刻的滯后,噴油持續(xù)期延長,因此需要更長時間的油氣混合時間,以保證燃燒過程更加合理。

圖8 不同噴油速率匹配不同噴油提前角對柴油機性能的影響

4 結(jié) 論

1) 通過調(diào)整超高壓共軌系統(tǒng)中電控增壓器和噴油器電磁閥的開啟時間,可以實現(xiàn)單次噴射過程中噴油速率的變化,從而得到不同形態(tài)的噴油速率。

2) 隨著增壓時間的滯后,柴油機缸壓、缸溫、放熱率以及NOx排放均下降,而soot排放上升。同時,超高壓矩形噴油速率可使柴油機獲得最好的動力性和經(jīng)濟性。

3) 隨著噴油提前角的增加,柴油機缸壓、缸溫、放熱率以及NOx排放均上升,而soot排放先下降后上升。同時,太小或太大的噴油提前角都會降低柴油機的動力性和經(jīng)濟性。

4) 高噴油速率方案匹配較小的噴油提前角能提升柴油機的動力輸出并降低燃油消耗,且每種噴油速率都存在一個最優(yōu)的噴油提前角,使柴油機性能達到最佳。