中型柴油机国Ⅴ燃烧系统改进试验研究

2018-03-07胡志林史艳彬宋涛

汽车技术 2018年2期

关键词：压缩比喷油缸内

胡志林史艳彬宋涛

（中国第一汽车集团有限公司解放事业本部，长春 130011）

1 前言

柴油机缸内燃烧组织对柴油机性能具有重要影响，燃烧室结构和喷油器匹配是燃烧系统选型的重点。国内研究学者针对燃烧室结构和喷油器参数对柴油机性能的影响进行了深入研究[[11--44]]。

本文以一台高压共轨中型国Ⅴ柴油机为研究机型，重点围绕采用不同压缩比的燃烧室和不同孔数油嘴进行匹配试验，研究其对柴油机经济性和排放性能的影响。这一研究能为现代柴油机经济性能改进提供工程支持。

2 试验装置与研究方法

试验机型为一台直列6缸4冲程、增压中冷、电控高压共轨中型柴油机，采用单体泵高压共轨燃油喷射系统。柴油机主要技术参数详见表1。试验边界条件按照GB 17691—2005进行控制，表2列出了主要的试验仪器设备。

表1 柴油机主要技术参数

表2 主要试验仪器设备

本试验原机燃烧室压缩比为17，为了改善柴油机经济性，引入压缩比为18的燃烧室，同时为了控制爆发压力和NOx排放，在原7孔油嘴基础上引入6孔油嘴，弱化柴油机缸内混合，实现燃烧系统的优化匹配。

研究采用该柴油机实现国Ⅴ法规的ESC测试循环的三个代表转速1 460 r/min、1 860 r/min和2 220 r/min，在不同负荷下，对不同燃烧配置进行轨压和提前角的调节试验，并以1 460 r/min，100%和50%负荷为重点研究工况，研究其对柴油机油耗和排放的影响，最终进行ESC循环验证。ESC循环工况如表3所示。

表3 ESC循环工况

3 试验结果及分析

3.1 不同燃烧室对柴油机性能的影响

图1所示为两种燃烧室在相同燃烧配置下，NOx和烟度排放对比，从试验结果可以看出，随着喷油正时推后，缸内滞燃期缩短，发动机预混燃烧过程减少，缸内最大燃烧温度降低，NOx排放减少，但油气混合受到影响，前期烟度生成量增大，导致最终烟度上升。在A100工况，当喷油正时处在上止点以后时，烟度大幅度增长，这是由于喷油过于靠后，导致部分油束在活塞下行阶段喷到活塞上端面，而在100%负荷工况，空燃比相对较小，局部过浓区对烟度影响较为明显。而A50工况由于空燃比较大，烟度随提前角的变化相对较为平缓。

新燃烧室由于压缩比较大，在压缩上止点，缸内压力和温度较高，缸内燃烧较为剧烈，NOx排放升高。尤其在部分负荷工况，空燃比较高，氧气含量较为充足，在缸内燃烧温度上升的情况下，NOx增长表现更为明显。而烟度排放在原燃烧室方案基础上略有上升，分析认为，新燃烧室方案采用大的压缩比，燃烧后期膨胀比增大，发动机对微粒的氧化作用减弱，同时新燃烧室采用原始喷油嘴垫片，喷射角度和燃烧室形状配合相对不是最优组合，对烟度排放也有一定负面影响。

图1 不同燃烧室的NOx和烟度排放对比

图2所示为两种燃烧室对发动机比油耗和缸内爆发压力的影响。从试验结果可以看出，新的燃烧室方案对比油耗均有一定改善，同时发动机缸内爆发压力也相应提升。在大负荷工况，功率密度较大，压缩比上升一方面导致压缩终了燃烧室容积变小，另一方面有利于燃油快速燃烧。进而导致缸内爆发压力显著提升，整体提升1 MPa左右，增大了燃烧热效率。比油耗在大的喷油正时下改善1~2 g/kWh，随着喷油的推迟，大压缩比对油耗的改善幅度降低，这是因为在上止点后喷油，燃烧处于下行阶段，大压缩比对燃油能量利用的促进作用相对较小。在部分负荷工况，缸内燃油能量密度相对较低，大压缩比对缸压的提升幅度相对较小，燃烧热效率的改善使得比油耗整体下降2 g/kWh左右。

两燃烧室对发动机缸内燃烧的影响如图3所示。从图3可以看出，压缩比增大，发动机压缩上止点燃烧室容积减小，燃烧初始压力升高。从放热率上看，压缩比增大有助于发动机缸内前期放热，放热率峰值增大，后期放热减小，缩短发动机的燃烧持续期，减少发动机膨胀过程的缸内放热，有利于提升发动机经济性，同时对发动机爆压的提升具有促进作用。部分负荷由于燃油能量密度低，燃烧对爆压的提升作用相对减弱。

图2 不同燃烧室的比油耗和爆压对比

图3 不同燃烧室的缸压和放热率对比

3.2 不同油嘴孔数对柴油机性能的影响

为了保持NOx排放水平在合理范围内，在采用大压缩比燃烧室的情况下，引入新的喷油器方案，油嘴孔数由原方案的7孔油嘴，调整为6孔油嘴，弱化缸内油气混合，降低缸内燃烧反应速率。

图4所示为在新的燃烧室方案基础上，不同油嘴方案对发动机排放性能的影响。在大负荷工况，6孔油嘴相对于7孔油嘴，NOx排放降低1~3 g/kWh，在部分负荷工况，NOx排放降低1~2 g/kWh。而烟度排放水平恶化也较为明显，相对于7孔油嘴，6孔油嘴烟度排放整体上升1倍左右。

分析认为，6孔油嘴相对于7孔油嘴，由于弱化了油气混合，燃烧过程减缓，可有效降低NOx排放水平，而随着喷油正时推后，缸内混合气流动能量减弱，6孔油嘴相对于7孔油嘴，油气混合作用大幅度降低，烟度上升明显。

图4 不同油嘴的NOx和烟度排放对比

不同油嘴孔数对发动机比油耗和爆发压力的影响如图5所示。相对于原7孔油嘴方案，新6孔喷油器的爆压整体与原7孔油嘴爆压持平或略有降低。这是因为油嘴孔数变化影响油气混合效果，对燃烧有一定影响，但在整体进气压力和压缩比不变的情况下，发动机压缩上止点初始压力基本相当，而油嘴对燃烧速度的影响相对有限，因而发动机爆压变化不明显。

比油耗随着喷油正时的推后，呈现上升趋势。相对于7孔油嘴方案，新6孔油嘴方案随着喷油正时推后，油耗上升趋势更快。在上止点前喷油，6孔油嘴方案比油耗与7孔方案相当或略好，在上止点后喷油，6孔油嘴方案比油耗明显差于原7孔油嘴方案。分析认为，在上止点前喷油，缸内涡流强度较大，6孔油嘴相对于7孔油嘴可降低油束间的干涉作用，对燃烧有一定程度的改善。而随着喷油时刻的进一步推后，涡流强度减弱，油束干涉现象不明显，而6孔油嘴相对于7孔油嘴对油气的混合作用明显减弱，导致燃烧效率降低，比油耗也急剧上升。

对发动机采用不同油嘴孔数方案的缸内燃烧分析如图6所示。从试验结果看，采用6孔油嘴方案，油气混合作用减弱，但在发动机燃烧初期，发动机燃烧速率并未受到明显影响，燃烧始点基本一致，发动机峰值爆压基本相当。但随着燃烧的进行，在发动机扩散燃烧阶段，6孔油嘴方案缸内燃油局部过浓区相对较多，燃烧放热率略有下降，燃烧滞后。