通過噴油規(guī)律造型改善柴油機(jī)燃燒

【奧地利】 B.Graziano B.Heuser P.Grzeschik

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燃油系統(tǒng)

通過噴油規(guī)律造型改善柴油機(jī)燃燒

【奧地利】 B.Graziano B.Heuser P.Grzeschik

優(yōu)化噴油參數(shù)是進(jìn)一步開發(fā)柴油機(jī)的重點(diǎn)。亞琛工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教授開發(fā)了一種噴油規(guī)律造型具有極好柔性的噴油器樣品。這種噴油器在壓力罐中和單缸柴油機(jī)上的試驗(yàn)證實(shí)了其改善噴油器針閥開啟時(shí)間可以進(jìn)一步降低廢氣排放的潛力。

噴油器模塊化 針閥開啟 節(jié)能減排

1 起因

為了滿足嚴(yán)厲的CO2排放法規(guī)要求，緩解氮氧化物(NOx)與碳煙排放之間的目標(biāo)沖突，有必要開發(fā)高效的動(dòng)力裝置。柴油機(jī)燃燒的有害物排放要滿足當(dāng)今和未來歐洲廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)難題。在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)采用高廢氣再循環(huán)(EGR)率和高增壓壓力能有效改善柴油機(jī)NOx與碳煙排放之間的沖突。最佳的噴油策略與數(shù)字化噴油規(guī)律造型相結(jié)合，使顆粒排放與燃燒噪聲協(xié)同降低[1-2]。Matsumoto等人已表明，優(yōu)化噴油系統(tǒng)是達(dá)到上述目標(biāo)的重要因素之一[3]。正在進(jìn)行的試驗(yàn)研究目的在于將壓力調(diào)制系統(tǒng)完全集成在轎車柴油機(jī)噴油器中，以便保持在系統(tǒng)復(fù)雜性不變的情況下實(shí)現(xiàn)高效的噴油規(guī)律造型。亞琛工業(yè)大學(xué)(RWTH Aachen University)內(nèi)燃機(jī)教授為這種用途設(shè)計(jì)了一種“HiFORS”(高壓/快速開啟/噴油規(guī)律造型)噴油器樣品，將高達(dá)250MPa 噴油壓力與柔性好、開關(guān)閉時(shí)間短的噴油規(guī)律造型相結(jié)合而開發(fā)的，盡可能避免不利的針閥座節(jié)流。雖然汽車工業(yè)當(dāng)前致力于開發(fā)不連續(xù)的噴油規(guī)律造型，但現(xiàn)已開發(fā)出可連續(xù)造型的具有模塊化結(jié)構(gòu)噴油規(guī)律的噴油器，與傳統(tǒng)噴油器相比，明顯降低了壓力室節(jié)流對混合氣形成的影響[4]。

2 噴油器的模塊化方案

開發(fā)HiFORS噴油器的目的是將模塊化零部件方案的高設(shè)計(jì)靈活性與噴油器功能的靈活性結(jié)合起來,用獨(dú)立的模塊實(shí)現(xiàn)個(gè)別的噴油器功能(圖1)。HiFORS噴油器可分成驅(qū)動(dòng)組件、伺服液力組件和噴油嘴組件3個(gè)主要模塊。這些模塊由緊固套彼此相互連接，即使在最高噴油壓力下也能確保足夠高的接觸壓力。驅(qū)動(dòng)組件由1個(gè)連接體包裹著，連接體中還包含高壓進(jìn)油道、回油道、集成的傳感器電插頭和壓電執(zhí)行器等。為了在試驗(yàn)研究時(shí)確保與量產(chǎn)噴油器的可比性，應(yīng)用了批量生產(chǎn)的噴油嘴。連接體中的壓電元件的伸長行程通過過渡模塊傳遞給緊接其后的伺服液力組件。

伺服液力組件(圖2)可轉(zhuǎn)換噴油規(guī)律的形狀。壓電閥(預(yù)控制閥)將壓電模塊的伸長行程轉(zhuǎn)換成控制壓力(psteuer)，控制壓力操縱主閥，再將噴油壓力(pinj)傳至噴油嘴組件。噴油嘴組件由噴嘴偶件、連接板、噴嘴體及其噴嘴彈簧組成。另外,噴油嘴體中還集成了電感式針閥升程傳感器和測量噴油壓力的電阻應(yīng)變片。這樣的結(jié)構(gòu)型式采用相應(yīng)的算法能調(diào)節(jié)噴油規(guī)律形狀。這種噴油器的特點(diǎn)在于始終能使噴油嘴針閥非常迅速地開啟和關(guān)閉。為了改善高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)噴霧油束的動(dòng)量即混合氣形成，對噴油規(guī)律造型形成決定了節(jié)流部位的主閥遠(yuǎn)離針閥座布置。

3 縮短噴油嘴針閥開啟時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)

HiFORS噴油器的試驗(yàn)在高壓罐和單缸試驗(yàn)用柴油機(jī)上進(jìn)行。圖3示出了可透過光線的高壓罐，有關(guān)光學(xué)試驗(yàn)裝置的詳細(xì)情況可參閱參考文獻(xiàn)[5-6]。

噴油規(guī)律造型的試驗(yàn)在5 MPa氣壓和800 K溫度下進(jìn)行，以便調(diào)整到噴油開始時(shí)的柴油機(jī)運(yùn)行邊界條件。在120 MPa和180 MPa噴油壓力下用HiFORS噴油器進(jìn)行斜坡形、靴形和矩形噴油規(guī)律的試驗(yàn)，并規(guī)定斜坡形噴油規(guī)律的斜坡持續(xù)時(shí)間為1 ms固定不變,與總噴油持續(xù)時(shí)間無關(guān)。

用于高壓罐上的光學(xué)測量技術(shù)由OH-化學(xué)熒光測量技術(shù)與紋影圖像攝影組合而成，其目的是要能同時(shí)確定噴束的貫穿長度、氣態(tài)混合長度和擴(kuò)散上升高度，并在所有負(fù)荷工況點(diǎn)對HiFORS噴油器與量產(chǎn)的基準(zhǔn)噴油器進(jìn)行比較，從而證實(shí)HiFORS噴油器節(jié)流和普通噴油器針閥座節(jié)流不同的噴射工作能力。圖4示出了噴油規(guī)律變化的測量結(jié)果，左側(cè)是HiFORS噴油器噴油規(guī)律和噴油壓力變化時(shí)的情況，右側(cè)是HiFORS噴油器和基準(zhǔn)噴油器邊界條件變化時(shí)的情況。HiFORS噴油器的噴油持續(xù)時(shí)間已進(jìn)行了調(diào)整，以便能噴射與基準(zhǔn)噴油器相同的燃油量。

圖4a、b示出著火時(shí)刻噴束的貫穿長度。從這兩張曲線圖中可以看出，在噴油量較小，空氣壓力和溫度較低時(shí)混合氣首先著火，隨后噴油結(jié)束，所有的燃油轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。對于HiFORS噴油器從矩形噴油規(guī)律轉(zhuǎn)換到靴形噴油規(guī)律時(shí),在給定的噴油壓力下相同噴油量的噴油持續(xù)時(shí)間增長。180MPa噴油壓力的曲線表明，除了靴形噴油規(guī)律之外，噴油規(guī)律不同時(shí)發(fā)展完全的噴束能夠達(dá)到相當(dāng)?shù)呢灤╅L度。由于靴形噴射開始時(shí)其噴嘴壓力明顯較低，這是由噴束動(dòng)量降低所引起的，減小了噴射燃油的出口速度。這種趨勢在較低的共軌壓力下是觀察不到的，此時(shí)不同的噴油策略呈現(xiàn)出相同的結(jié)果。圖4示出了所考察的2種噴油器在120MPa噴油壓力下,不同運(yùn)行條件時(shí)的噴束貫穿長度。為了具有可比性，僅示出了矩形噴油規(guī)律的曲線。第1種試驗(yàn)運(yùn)行是在高壓罐中氣壓5MPa和溫度800K下進(jìn)行的，相當(dāng)于低部分負(fù)荷運(yùn)行噴油開始時(shí)的情況，其他2種高壓罐中的邊界條件相當(dāng)于部分負(fù)荷非常高時(shí)的運(yùn)行情況。可以看到，在較低的負(fù)荷下，HiFORS噴油器和基準(zhǔn)噴油器發(fā)展完全的柴油噴束的貫穿長度相似，但在相同的噴油量下HiFORS噴油器針閥開啟時(shí)間較短，能夠較快地形成錐形噴束，這種趨勢在高負(fù)荷下表現(xiàn)得更為明顯。

圖4c、d示出的是氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度的狀況，圖4c是HiFORS噴油器在不同共軌壓力下噴油規(guī)律形狀對氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度的影響。對于所試驗(yàn)的最高共軌壓力，3種不同噴油規(guī)律形狀之間存在著明顯的差別，矩形噴油規(guī)律因具有較強(qiáng)烈的噴束動(dòng)量達(dá)到了最大氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度，使用其他噴油規(guī)律時(shí)氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度明顯比前者低，隨著噴油壓力的降低，氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度對于所選用的噴油規(guī)律不太敏感。從圖4d中可看出，氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度主要受高壓罐中熱力學(xué)邊界條件的影響，這在較早期的研究中就已明確[5-7]。與基準(zhǔn)噴油器相比，采用HiFORS噴油器改善氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度的效果僅在最低的負(fù)荷工況點(diǎn)才能觀察到，而在較高壓力和溫度下兩種噴油器的錐形噴束的發(fā)展幾乎相同，這就證實(shí)氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度絕大多數(shù)與噴油量和噴油持續(xù)時(shí)間無關(guān)。

在氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度和貫穿長度方面產(chǎn)生差異主要在于氣態(tài)混合長度，其情況示于圖4e、f中。高噴油壓力和矩形噴油規(guī)律導(dǎo)致氣態(tài)混合長度增加，從而改善混合氣形成過程，采用矩形噴油規(guī)律來達(dá)到較大的氣態(tài)混合擴(kuò)散上升高度(圖4e)。如圖4f所示，與基準(zhǔn)噴油器相比，由于針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間較短，在較小的噴油量以及較低的環(huán)境壓力和溫度下HiFORS噴油器有助于增加氣態(tài)混合長度。但是，在高壓罐中較高的壓力和溫度下兩種噴油器之間的差異可忽略不計(jì)，僅在高壓罐中最高溫度900K和壓力10MPa情況下，基準(zhǔn)噴油器因針閥座面的節(jié)流在氣態(tài)混合長度方面表現(xiàn)的稍好。

4 在單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行臺架試驗(yàn)

基于光學(xué)測量結(jié)果，HiFORS噴油器噴射時(shí)間較短，并且在低負(fù)荷工況點(diǎn)氣態(tài)混合長度增大。高負(fù)荷工況點(diǎn)，在噴油過程期間就已開始燃燒，基準(zhǔn)噴油器因其針閥座面處的節(jié)流減小噴油過程開始時(shí)的貫穿長度而獲益。因?yàn)樨灤╅L度短，其噴束液態(tài)核心不會(huì)一直伸展到燃燒區(qū)域，從而獲得較長的氣態(tài)混合長度，憑借光學(xué)測量無法判斷，能否補(bǔ)償HiFORS噴油器噴油持續(xù)時(shí)間較短的優(yōu)點(diǎn)，所以第2步就要用這兩種噴油器進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的4氣門單缸柴油機(jī)壓縮比為15，排量為390mL。對HiFORS噴油器進(jìn)行4個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)的試驗(yàn)，其中3個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)選擇C級轎車在新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)中具有代表性的工況點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定保持基準(zhǔn)標(biāo)定的燃燒重心位置不變，而該基準(zhǔn)燃燒重心位置是用接近量產(chǎn)的壓電噴油器不使用廢氣后處理裝置，并滿足歐6標(biāo)準(zhǔn)NOx排放限值要求確定的，有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的詳細(xì)情況在較早期的研究中已介紹[7-8]，表1中列出了各種不同運(yùn)行工況點(diǎn)最重要的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)。

表1 單缸試驗(yàn)用柴油機(jī)的特征負(fù)荷工況點(diǎn)

主要的試驗(yàn)工作已被轉(zhuǎn)換成用于4個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)的EGR方案。這些負(fù)荷工況點(diǎn)在應(yīng)用是否帶預(yù)噴射的壓電噴油器以及HiFORS噴油器(不帶預(yù)噴射)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，而基準(zhǔn)噴油器則采用接近量產(chǎn)但可變的(開放式)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元進(jìn)行控制。

如圖5所示，與基準(zhǔn)噴油器相比，在這些試驗(yàn)中NOx-碳煙之間的協(xié)調(diào)在應(yīng)用矩形噴油規(guī)律的情況下得到了改善，沒有引起燃燒噪聲和指示效率的惡化，在相同的NOx排放水平下煙度比基準(zhǔn)噴油器降低約達(dá)50%，在中等和高負(fù)荷工況點(diǎn)未燃碳?xì)浠衔?HC)和CO降低約70%，而在降低碳煙排放與燃燒噪聲之間的目標(biāo)沖突中，良好的標(biāo)定不會(huì)引起NOx、HC、CO和燃油耗升高的要求。

5 結(jié)論

HiFORS樣品噴油器是一種具有高度柔性的試驗(yàn)研究工具,可用于開發(fā)現(xiàn)代柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng),并在液力試驗(yàn)臺和單缸試驗(yàn)用柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,與具有相同噴油嘴結(jié)構(gòu)型式接近量產(chǎn)的壓電噴油器相比,其試驗(yàn)結(jié)果可歸納如下：(1) 在相同的噴油量情況下HiFORS噴油器能更快地形成錐形噴束；(2) 因針閥開啟時(shí)間較短，對5 MPa壓力和800 K溫度下的混合氣形成過程能產(chǎn)生較好的改善效果；(3) HiFORS噴油器具有高噴油壓力，與矩形噴油規(guī)律相結(jié)合能夠改善混合氣形成過程；(4) HiFORS噴油器有助于在噴油量較小時(shí)形成較長的氣態(tài)混合長度。

這種新型噴油器對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的良好效果已在單缸試驗(yàn)用柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并將其結(jié)果與具有相同噴油嘴結(jié)構(gòu)型式接近量產(chǎn)的壓電基準(zhǔn)噴油器進(jìn)行了比較。試驗(yàn)研究證實(shí)，在降低NOx與碳煙排放之間的目標(biāo)沖突，并與基準(zhǔn)噴油器相比，HiFORS噴油器的廢氣排放水平得到了明顯的改善，并呈現(xiàn)出相似的燃燒噪聲和更低的HC、CO排放。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2015，76(3)

何丹妮 編輯

2015-04-19)