共轨柴油机萨巴德对照狄塞尔循环的计算研究

刘峰

(银建汽车修理有限公司，北京 100070)

共轨柴油机萨巴德对照狄塞尔循环的计算研究

刘峰

(银建汽车修理有限公司，北京 100070)

定压预胀比对狄塞尔循环的最高温度有直接影响，而共轨系统也直接影响着预胀比及循环最高温度，从而影响循环热效率及平均有效压力等技术指标。以潍柴国Ⅴ柴油机为例，主要对照装配共轨系统的柴油机萨巴德循环与未装配共轨系统的狄塞尔循环的最高温度以及其他技术指标。

共轨系统；狄塞尔循环；萨巴德循环

0 引言

所谓狄塞尔循环是指柴油机燃烧过程的定压加热理想循环：一个定容过程、一个定压过程和两个定熵过程构成的理想循环。“狄塞尔”即“Diesel”，此循环应用于柴油机。

而柴油机高压共轨燃油喷射系统以其特有的优点获得了越来越广泛的运用[1]。高压共轨系统能达到低油耗、低排放、高压喷射、柔性的喷油特性和喷油压力的控制等其他喷油系统很难达到的要求。可以说，柴油机高压共轨电控燃油系统对降低排放及提升柴油机性能卓有成效。

1 潍柴国Ⅴ柴油机概述

文中共轨式柴油机的研究工作以潍柴国Ⅴ排放标准的车用柴油机为研究对象，该柴油机是潍柴在国Ⅳ排放标准柴油机基础上开发的，继承潍柴技术先进、性能优异、可靠性高的特点[1]。柴油机相关技术参数如表1所示[2]。

高压共轨燃油喷射系统的组成主要包括[3]：供油泵、共轨管、高压油管、喷油器、电控单元及各种传感器。高压油泵主要采用CP3.3N-16/18高压油泵；高压共轨喷油系统机械部分以及执行器采用Bosch的相关产品，喷油器为CRIN2型喷油器，电控单元为EDC7，共轨管道为LWRN3型共轨。

表1 柴油机相关技术参数

2 狄塞尔与萨巴德循环

2.1 狄塞尔循环

共轨系统对柴油机热循环有着相当直接的影响。文中主要研究装有共轨系统与未装共轨系统的柴油机在萨巴德循环与狄塞尔循环中的循环热效率及循环平均压力值。

而所谓萨巴德循环即为柴油机燃烧过程中的混合加热理想气体可逆循环过程。

如图1为不装共轨系统的柴油机狄塞尔循环p-V图，图2为狄塞尔循环T-s图。表2为此狄塞尔循环相关参数。

图1 狄塞尔循环p-V图

图2 狄塞尔循环T-s图

空气进气温度/℃27进气压力/(105Pa)1.85定压预胀比2

其中，循环平均压力可用式(1)表示：

(1)

式中:压缩比εc=17；可逆绝热指数κ=1.4。

点1状态：

pa=1.85×105PaTa=300 K

空气定容比热容:

cV=0.718 kJ/(kg·K)

空气定压比热容:

cp=1.005 kJ/(kg·K)

计算结果如下：

循环吸热量QB的计算：

1-2为定熵过程：

将相应数据代入：T2=932 K，T3=ρ×T2=2×932=1 864 K。再算进气比体积：

V3=ρ×V2=0.054 8 m3/kg

则循环吸热量QB为：

QB=cp(T3-T2)=1.005×(1 864-932) kJ/kg=936 kJ/kg

循环放热量：

Q2=cV(T4-T1)=0.718×(792-300) kJ/kg=353 kJ/kg

循环热效率：

循环平均压力pt的计算过程如下：

分别将ηt、QB、Ta代入式(1)，得到：

pt=13.3×105Pa

p2=97.7×105Pa

p4=4.9×105Pa

2.2 萨巴德循环

图3为加装共轨系统的柴油机萨巴德循环p-V图，图4为萨巴德循环T-s图。表3为此萨巴德循环相关参数。由于共轨系统的燃油喷射压力较高，故循环最高压力也较高，为140×105Pa。初始空气状态参量需参照狄塞尔循环。压缩比εc=17；可逆绝热指数κ=1.4。

图3 萨巴德循环p-V图

表3 萨巴德循环相关参数

p3′=140×105Pa=p4′

V5′=V4=V1′=V1=0.465 m3/kg

对于定熵过程，有:

2′-3′为定容过程，则：

V3′=V2′=V2=0.027 4 m3/kg

那么，此萨巴德循环的定压预胀比：

3′-4′为定压过程，那么:

T4′=ρ′×T3′=2 057 K

由于柴油机理想循环的排气温度相同，所以：T5′=T4=792 K

2′-3′为定容过程，则:

290 kJ/kg

3′-4′为定压过程，则:

725 kJ/kg

循环放热量：

循环热效率：

可见，相同初始参数条件下，无论是循环吸热量、循环热效率，还是循环平均有效压力方面，萨巴德循环均强于狄塞尔循环。

然而，在定压预胀比方面，萨巴德循环低于狄塞尔循环。狄塞尔循环定压预胀比较高的原因：定压过程加热量增加，循环热效率ηt降低，因为这部分热量是在活塞下行的膨胀行程中加入的，作功能力较低。

3 柴油机共轨技术的优势

(1)共轨系统提升了缸内压力、燃烧温度、放热率，减小了碳烟排放；

(2)喷油器的改进可提升缸内压力以及燃烧温度；

(3)对电控单元相关喷油参数的优化提升了气缸压力、温度以及放热率的峰值，并会使燃油消耗降低、指示扭矩和指示功率增加。

总之，共轨系统无论从柴油机的缸内热力过程，还是从柴油机的排放性、经济性、动力性等方面，均有所提升。

4 结论

(1)介绍了柴油机共轨系统的概念，及潍柴国Ⅴ柴油机共轨系统的结构；

(2)对照装有共轨系统的萨巴德循环和未装共轨系统的狄塞尔循环柴油机，通过计算，得到柴油机狄塞尔循环和萨巴德循环的循环吸热量、循环热效率、平均有效压力等数据。计算结果表明：萨巴德循环在循环吸热量、循环热效率、平均有效压力等方面具有一定优势；

(3)定压预胀比方面，共轨系统萨巴德循环明显低于狄塞尔循环；

(4)介绍柴油机共轨技术的优势。

【1】刘峰.柴油机高压共轨燃油喷射系统仿真计算研究[D].北京：北京交通大学,2009.

【2】刘峰.高压共轨燃油喷射系统压力波动特征研究[J].小型内燃机与摩托车,2014,43(2)：63-66,96. LIU F.Research on the Fluctuating Features of High Pressure Common Rail Fuel Injection System[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(2)：63-66,96.

【3】刘峰.共轨管参数对轨内压力场影响的数值模拟研究[J].小型内燃机与车辆技术,2014,43(5)：24-29. LIU F.Numerical Simulation Researches on the Effects of the Common Rail Parameters for the Rail Internal Pressure Field[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(5)：24-29.

Calculation on the Sabah Cycle with a Common Rail Injection System Compared with Diesel Cycle

LIU Feng

(Yinjian Automobile Repair Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

Constant pressure pre expansion ratio has directly influence on the highest temperature of Diesel cycle. The common rail injection system also has directly influence on the highest temperature and pre expansion ratio,thereby,it also affects the technical property indexes, such as thermal efficiency and average valid pressure. Taking National V diesel from Weichai company as an instance, the highest temperature and other technical property indexes of Sabah cycle with a common rail injection system and Diesel cycle without a common rail injection system were compared.

Common rail injection system;Diesel cycle;Sabah cycle

2016-12-04

刘峰(1984—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为内燃机燃烧与排放控制。E-mail：PhoneistheFirst@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.016

U461.8

B

1674-1986(2017)04-062-03