CA4DC2-12E3型柴油机进气道的试验研究
2013-02-28王启航张松涛韩祖豪吴彩丽
王启航，张松涛，侯 方，金 喆，韩祖豪，吴彩丽
（1．西安康明斯发动机有限公司，西安 710200；2．道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）
CA4DC2-12E3型柴油机进气道的试验研究
王启航1，张松涛2，侯 方2，金 喆2，韩祖豪2，吴彩丽2
（1．西安康明斯发动机有限公司，西安 710200；2．道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）
在CA4DC2-12E3型发动机上，试验研究不同涡流比的进气道对柴油机性能及排放指标的影响。试验结果表明，进气道涡流比减小有利于NOx排放的控制，但也导致了ESC 13工况加权烟度上升。合适的涡流比对满足国Ⅲ排放下的油耗优化提供了基础。
共轨发动机 进气道 性能和排放优化
1 前言
柴油机燃烧技术的发展趋势是提高喷射压力，降低进气涡流强度，以便提高功率，降低油耗和排放。但必要的涡流仍然是完善柴油机燃烧的前提，特别是缸径较小的柴油机，油束有很大一部分会喷到燃烧室壁上，需要一定的气流运动来强化油膜蒸发[1]。
柴油机进气道的作用是向气缸提供尽可能多的、具有合适涡流强度的空气，这就要求进气道在产生适当涡流强度的同时具有尽可能小的流动阻力。排气道的作用是将燃烧后的废气排除干净，所以它的设计要求是排气阻力尽可能小。通常采用流量系数和涡流比对进气道的性能进行评价，而对排气道性能的评价则只用流量系数[2]。
对于CA4DC2-12E3型柴油机，通过燃烧系统的开发，在不采用冷却EGR技术和排气后处理技术的前提下，排放满足国Ⅲ限值，并获得有竞争力的油耗指标。进气道开发是CA4DC2-12E3型柴油机燃烧系统开发工作之一，对满足项目目标起着重要的作用。
2 试验条件
2.1 试验发动机
试验机为 CA4DC2-12E3型柴油机，采用BOSCH CRS2.0共轨系统，最高轨压为145 MPa，主要匹配车型为2～3吨级N2类轻型载货汽车。发动机的主要结构及技术参数如表1所示。
2.2 试验设备及仪器
试验采用主要测试设备如表2所示。
3 试验结果及分析
3.1 进气道的测试
CA4DC2-12E3型柴油机的缸盖进气道试验在气道试验台上进行。气道测试设备是道依茨一汽大
连柴油机有限公司从德国FEV公司引进，包括控制单元、试验台和吹风柜。该气道试验台有叶片式和动量矩式2种测试设备。
来稿日期：2013-05-29
表1 CA4DC2-12E3型柴油机主要技术参数
表2 设备及仪器
表3 3种方案的进气道涡流比
表4 3种方案的进气道流量系数
FEV叶片式将涡流比定义为涡流模拟气缸中气流沿气缸轴向旋转的速度与模拟气缸中气流轴向速度之比，反映了气缸中气流相对于流量的扰动情况[2]。
流量系数定义为实际流量和理论流量之比。FEV公司的计算方法可以近似理解为进气道（包括气门座和气门）有效流通截面积与活塞顶面面积之比[2]。
CA4DC2-12E3柴油机开发是以CA4D32-12柴油机为基础机型。基础机批量生产的缸盖进气道涡流比为2.5，长春一汽技术中心为该项目开发了涡流比为1.5的全新低涡流比进气道，并提供了进气道芯盒，由缸盖毛坯供应商完成铸造，在道依茨一汽大连柴油机有限公司一工厂加工成缸盖成品。涡流比为2.2的进气道方案是以批产缸盖的气道为基础，通过对进气道的修磨而得[3]。
上述3种方案的缸盖，在进气门最大升程为10.5 mm时，在气道试验台测得进气道涡流比如表3所示，进气道的流量系数如表4所示；3种方案缸盖各缸进气道的涡流比和流量系数如图1所示。测试的3种缸盖进气道涡流比4缸的平均值距离目标值的差距在-5%～+5%，满足工程要求。
3.2 3种气道方案对排放的影响
CA4DC2-12E3柴油机在进行3种气道方案缸盖的对比前，必须确定燃烧系统相关的硬件。因此在批产进气道涡流比为2.5的缸盖上，进行了基础MAP包括轨压和提前角的标定，确定的标定MAP作为优选气道方案的基础。燃烧系统的硬件说明如下[4]：
（1）采用GT22增压器，保持与CA4D32-12机型的通用；
（2）初选的喷油器参数：流量为400 mL/30s，孔数为6孔，油束锥角为150°，锥度系数为1.5，喷油器铜垫片厚度3 mm；
（3）燃烧室采用了一汽技术中心为该项目开发的方案1燃烧室。
采用3种进气道涡流比的缸盖，台架试验ESC 13工况的测试结果如图2所示。从试验的结果可以得出，在标定MAP保持不变的条件下，3种气道涡流比方案对进气量的影响不显著，而进气道涡流比的降低使NOx得到了较明显的降低，但烟度随涡流比的下降到1.5时有显著的上升。
进气道涡流比为2.5的ESC 13工况加权油耗为230.8 g/(kW·h)，加权烟度为0.267 FSN；涡流比为2.2的加权油耗为231.2 g/(kW·h)，加权烟度为0.365 FSN。
图1 3种方案进气道的各缸涡流比和流量系数
图2 3种气道ESC 13工况的测试结果
3.3 3种气道方案对外特性的影响
CA4DC2-12E3柴油机分别采用3种方案的进气道缸盖，对外特性的测试结果如图3所示。从外特性的燃油消耗率对比可得，气道涡流比从2.5下
降到2.2，外特性燃油消耗率得到了全面的优化，1 000～3 200 r/min转速范围内的燃油消耗率改善2～12 g/(kW·h)；气道涡流比从2.2下降到1.5时，1 000～1 600 r/min转速范围内的燃油消耗率进一步得到改善，但2 400～3 200 r/min转速范围内的燃油消耗率趋于恶化。对于外特性的烟度指标，气道涡流比2.5下降到2.2，1 000～2 000 r/min转速范围内的烟度指标略有改善，2000～3200 r/min转速范围内的烟度指标接近；气道涡流比降低到1.5，1 400～3 200 r/min转速范围内的烟度指标显著恶化。
图3 3种进气道方案对外特性的影响
4 总结
CA4DC2-12E3柴油机的进气道开发是燃烧系统开发工作之一。在气道试验台上对试验用缸盖的进气道进行了测试，结果为：
（1）3种进气道涡流比的开发方案分别为2.5、2.2和1.5。3种试验用缸盖进气道涡流比4缸的平均值距离目标值的差距在-5%～+5%，在工程误差之内；
（2）涡流比2.2进气道的平均流量系数相对涡流比2.5的进气道平均流量系数提高了6.89%；涡流比1.5进气道的平均流量系数相对涡流比2.5的进气道平均流量系数提高了11.86%。
CA4DC2-12E3柴油机采用3种方案进气道的缸盖在发动机台架上进行了ESC 13工况排放和外特性性能的测试，结论如下：
（1）进气道涡流比从2.5降低至1.5，NOx排放量得到了显著的降低，但烟度恶化趋势十分明显；
（2）进气道涡流比从2.5减低至2.2，有利于NOx排放量的控制；进气道涡流比为2.5的ESC 13工况加权油耗为230.8 g/(kW.h)，加权烟度为0.267 FSN；涡流比为2.2的加权油耗为231.2 g/(kW.h)，加权烟度为0.365 FSN；
（3）外特性的燃油消耗率和烟度指标显示，进气道涡流比为2.2性能最优。
经项目组的评审，CA4DC2-12E3柴油机的燃烧系统开发确定以进气道涡流比2.2为基础继续进行。
1李勤编．现代内燃机排气污染物的测量与控制[M]．机械工业出版社，1998．
2王启航、王永红、苏庆运等．现代车用柴油机实用技术[M]．大连：大连理工大学出版社，2012．
3王启航，王永红，王华伟等．CA498型柴油机达欧Ⅲ排放的试验研究 [J]．车用发动机，2006（4）：19～21．
4王启航，侯方，韩祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡国IV排放样车的开发[J]．柴油机设计与制造．2012（4）．
Experiment Study on Intake Port of CA4DC2-12E3 Engine
Wang Qihang1,Zhang Songtao2,Hou Fang2,Jin Zhe2,Han Zhuhao2,Wu Caili2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian,116022,China）
Based on CA4DC2-12E3 engine,this paper presents a study on the effect of different swirl ratios of cylinder head intake port on exhaust emissions and engine performance.The results show that reducing intake port swirl ratio is beneficial to controlling NOxemission,but it results in increasing weighted smoke of ESC 13 model.Optimizing the swirl ratio of intake port is a basic work for optimizing BSFC while meeting Euro 3 emission legislation.
common rail engine,intake port,performance and emission optimization
王启航（1971－），男，工学硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。
10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.003
