一种新型预燃室喷射阀配机试验研究

陈仲，薛滋德

（中国石油集团济柴动力股份有限公司，山东 济南 250306）

在不更换预燃室喷射阀阀体外部结构的情况下，对喷射阀阀芯进行了改进，由旧型的海茵茨曼PCV50 换成了新型的PCV30，减小了阀芯的燃气出口面积，增大了预喷阀的喷射持续期，新型预燃室喷射阀喷射持续期的调节范围比旧型预燃室喷射阀的调节范围有明显增大，改善了预燃室喷射阀单次喷射燃气量均匀性，从而提高了预燃室点火能力的均匀性和单次燃气喷射的控制精确。新型预喷阀阀芯的加工差异问题也要更小，一致性更好。

1 试验目的与方法

此次试验的目的主要有以下两点。

（1）通过预燃室喷射阀喷射持续期MAP 图优化试验，确定预燃室喷射阀喷射持续期最佳MAP 图。

（2）在相同的主喷射阀喷射提前角、预燃室喷射阀喷射提前角、点火提前角、空气阀开度和bypass 阀开度条件下，通过两种预燃室喷射阀配机性能对比试验，根据对比发动机经济性、动力性等参数，确定最佳的预燃室喷射阀。

此次试验的试验方法是：在各工况点下手动调整预燃室喷射阀喷射持续期MAP，从上限过浓失火调整到下限过稀失火，确定预燃室喷射阀喷射持续期调整范围，通过对比分析经济性、排放性和动力性相关参数，确定预燃室喷射阀最佳喷射持续期，优化预燃室喷射阀喷射持续期MAP图，同时兼顾爆发压力≤160bar，NOx排放≤500mg/Nm3（O2=5%），爆震值Knock value high ≤10%。

2 新型预喷阀最佳喷射持续期配机试验

在25%负荷时，进行了预喷阀喷射持续期对比试验，通过调整预燃室喷射阀喷射持续期达到上限过浓失火点、最优点和下限过稀失火点（表1）。

表1 25%负荷新型预喷阀喷射持续期对比

新型预燃室喷射阀喷射持续期在25%负荷下可调节范围为16.0 ～24.6°CA，接近上限24.6°CA 时出现排温偏差差异过大、气耗率上升明显等燃烧恶化的现象；接近下限16°CA 时出现5、6 缸失火、气耗率上升明显的现象。而最佳的持续期为16.4°CA。

在50%负荷时，进行了预喷阀持续期对比试验，通过调整预燃室喷射阀喷射持续期达到上限过浓失火点、最优点和下限过稀失火点（表2）。

表2 50%负荷新型预喷阀喷射持续期对比

新型预燃室喷射阀的持续期在50%负荷的可调节范围为17.4 ～32.0°CA，接近上限32°CA 时出现油门波动、气耗率上升明显、转速波动增大的现象；接近下限17.4°CA 时，出现排温偏差大于50℃、油门波动的现象。最佳的持续期为21.5°CA。

在75%负荷时，进行了预喷阀持续期对比试验，通过调整预燃室喷射阀喷射持续期达到上限过浓失火点、最优点和下限过稀失火点（表3）。

表3 75%负荷新型预喷阀喷射持续期对比

新型预燃室喷射阀的持续期可调节范围为17.5 ～31.5°CA，接近上限31.5°CA 时，出现气耗率上升明显、油耗增大的现象；接近下限17.5°CA时出现油门波动增大、气耗率上升明显的现象。最佳的持续期为23.9°CA。

在85%负荷时，进行了预喷阀持续期对比试验，通过调整预燃室喷射阀喷射持续期达到上限过浓失火点、最优点和下限过稀失火点（表4）。

表4 85%负荷新型预喷阀喷射持续期对比

新型预燃室喷射阀的持续期可调节范围为21.6 ～26.4°CA，接近上限26.4°CA 时，出现气耗率上升明显等燃烧恶化的现象；接近下限21.6°CA 时，出现气耗率上升明显的现象。最佳持续期为24.4°CA。

在100%负荷时，进行了预喷阀持续期对比试验，通过调整预燃室喷射阀喷射持续期达到上限过浓失火点、最优点和下限过稀失火点（表5）。

表5 100%负荷新型预喷阀喷射持续期对比

新型预燃室喷射阀的持续期可调节范围为22.1 ～27.2°CA，接近上限27.2°CA 时，出现油门波动增大的现象；接近下限22.1°CA 时，出现油门波动增大的现象。最佳持续期为25.5°CA。

由图1 所示，新型预燃室喷射阀的持续期过浓失火点以及过稀失火点与最佳运行持续期之间的涡前排温、爆发压力、气耗率相差并不太大，只有最佳持续期的过量空气系数在低负荷明显高于过浓失火和过稀失火的持续期。

由图2 和3 所示，新型预燃室喷射阀的持续期过浓失火点以及过稀失火点与最佳运行持续期之间的主燃气压力、主喷持续期、空气进气腔进气压力和温度、两侧增压器转速差别并不大。

图3 新型预燃室喷射阀主要运行参数对比

从试验结果分析，新型预燃室喷射阀喷射持续期的调节范围明显增大，改善了预燃室喷射阀单次喷射燃气量均匀性，从而提高了预燃室点火能力的均匀性和单次燃气喷射的控制精确度，满足了预喷持续期更大的可调节裕度。

根据试验确定的新型预燃室喷射阀最佳喷射持续期MAP 图如图4 所示。

图4 新型预燃室喷射阀喷射持续期MAP

3 新型和旧型预喷阀配机性能比对

根据本文第二部分新型预燃室喷射阀配机试验得到的试验数据与旧型预燃室喷射阀进行性能对比。

由表6 和表7 的试验数据通过曲线绘制出图7 ～9的主要参数对比曲线。

表6 新型预燃室喷射阀配机性能试验数据

表7 旧型预燃室喷射阀配机性能试验数据

由图5 和图6 分析可知，新型预燃室喷射阀排气温度一致性要更好，而旧型的差异性要大很多，而且新型阀的排气温度明显总体要低很多。

图6 旧型预燃室喷射阀排气温度趋势图

由图7 所示可见，新型预燃室喷射阀配机后，气耗率明显要更低，过量空气系数更高，涡前排温要更低，各项参数指标明显优于旧型预燃室喷射阀。

由图8 所示新型预燃室喷射阀和旧型预燃室喷射的对比是在确保了节气门开度、主燃气压力和主喷持续期基本一致的条件下进行的。

图8 2 种预燃室喷射阀主要运行参数对比

由图9 所示，2 种喷射阀的空气进气腔温度压力和双侧增压器转速也相差不大。

图9 2 种预燃室喷射阀主要运行参数对比

由表8 可知，新型预燃室喷射阀喷射持续期可调节范围与旧型预燃室喷射阀喷射持续期可调节范围进行对比，明显新型喷射阀可调范围更大，而且根据图10 来看，排温不均匀度要低很多。

图10 2 种喷射阀排气温度不均匀度对比

表8 2 种预燃室喷射阀调节范围对比

根据试验结果，新型预燃室喷射阀能够满足发动机（基本型3730kW）动力性、经济性以及排放要求，并且增大了预喷阀持续期，改善了预燃室喷射阀单次喷射燃气量均匀性，从而提高了预燃室点火能力的均匀性和单次燃气喷射的控制精确，满足了发动机的要求，其可靠性还需工业性试验的进一步验证。

4 结语

（1）通过对某预燃室天然气发动机进行的新型预喷阀配机试验，确定了此发动机最佳的预喷阀喷射持续期如下表所示，实现了发动机在稀薄燃烧状态下的稳定运行，目前该自主研发发动机各项指标均达到了国际先进水平（表9）。

表9

（2）通过对新型和旧性预喷阀装机后性能试验得出结论，同等工况下两者爆发压力相差不大，但是新型预喷阀的涡前排温更低，气耗率稍低且过量空气系数要高，说明新型预喷阀提高了预燃室点火能力的均匀性和※单次燃气喷射的控制精确，在稀薄燃烧的发动机运行状态下稳定可靠性也更加出色。